ГЛАВА 1 Раздел 2

Магнитные и немагнитные теории

Магнитные и немагнитные теории Магнитные поля

Для объяснения магнитного поля Земли существуют несколько теорий:

Теория № 1 Предполагается, что вращение твердой внешней оболочки Земли относительно жидкого металлического ядра должно вызывать слабое магнитное поле, обусловленное наличием электрических токов, которые образуются из-за этого относительного движения земного ядра и ее коры. Предположение о том, что ядро - частично жидкое, подтверждается соответствующими данными, (см. рис. 2.1)

Теория № 2 Аналогично теории № 1. Центральная часть Земли в основном состоит из железа и имеет механические свойства жидкости. Потоки, возникающие в ядре, вызывают образование циркуляции внутренних токов, аналогичных тем, которые наблюдаются на периферии Солнца.

Внутренняя циркуляция этих потоков действует как источник магнитного поля Земли в соответствии с принципом самовозбуждающегося динамо (рис. 2.2). Полное магнитное поле является суммой двух полей, имеющих разную природу:

• основное поле, которое возникает внутри жидкого ядра Земли;

• наведенное поле, возникающее вне Земли. Это поле возникает из-за вращения Земли относительно Солнца и под действием циклов солнечной активности.

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Аспекты наведенного поля

Наведенное поле вызывает следующие изменения полного магнитного поля:

* Изменения столетнего цикла приблизительно 15 гамма/год - слабоменяющиеся (слабый эффект)

* Суточные изменения порядка 30-40 гамма, (слабый эффект)

* Циклические "двенадцатилетний цикл" - слабоменяющиеся, (слабый эффект)

* Магнитные бури, в результате которых магнитное поле может изменяться на несколько сотен гамма - существенные изменения.

Собственное магнитное поле Земли простирается на расстояние от поверхности, превышающее ее радиус приблизительно в восемь раз. Район космического пространства, где магнитное поле Земли подвергается действию "солнечного ветра", называется магнитопаузой. На этой "наветренной" стороне, земная магнитосфера сжимается высокоэнергетичньми частицами солнечного ветра (см. рис. 2.3).

Эти частицы, движущиеся со скоростью 640 км в секунду наталкиваются на магнитное поле и резко тормозятся до скорости 400 км в секунду. Изменения параметров солнечного ветра вызывают изменения магнитного поля Земли. Ударная волна, вызываемая облаком плазмы частиц солнечного ветра, резко сжимает геомагнитное поле на уровне Земли, (см. рис. 2.4). Это сжатие длится в течение нескольких минут и называется магнитной бурей. Затем следует понижение напряженности магнитного поля, которое может продолжаться от 30 сек. до нескольких часов. Обычно на широтах Галф оф Мексике и еще более низких это не вызывает проблем, однако, на Аляске и некоторых районах Северного моря это влияние может сильно осложнить работу.

Рис. 2.3 Рис. 2.4

Напряженность магнитного поля

Полное магнитное поле можно выразить величиной Н. Электромагнитные величины СГС, применяемые для измерения напряженности магнитного поля Земли называются "гамма". Ниже приводятся некоторые полезные соотношения:

• 1 гамма = 1нанотесла

• 1 микротесла = 1000 гамма

• 1 тесла = 10⁹ гамма

• 1 гаусс = 10⁵ гамма

• 1 гаусс = 10⁴ тесла

• 1 гаусс = 1 эрстед

Напряженность магнитного поля на уровне земной поверхности намного меньше напряженности на уровне земного ядра. На границе ядра (приблизительно на расстоянии 3500 километров от центра Земли) напряженность поля достигает 800000 гамма. Самые большие величины напряженности магнитного поля на земной поверхности находятся в диапазоне от 63000 гамма на (Северном полюсе) до 27000 гамма (восточный берег Бразилии).

Рис. 2.5 Рис. 2.6

Полная напряженность магнитного поля является векторной суммой ее горизонтальной и вертикальной компонент, (см. рис. 2.5). Вертикальная компонента магнитного поля направлена к поверхности Земли и поэтому не играет роли в определении направления магнитного севера.

Горизонтальная составляющая вычисляется из следующего уравнения:

Напряженность магнитного поля  cos (угол магнитного склонения) = горизонтальная компонента.

Определение угла склонения можно найти на рис. 2.6.

На Аляске:

57,510 гамма  cos(80,6) = 9,392 гамма

Галф оф Мексике:

50,450 гамма  cos(59,7) = 25,250 гамма

Инструменты MWD измеряют три компоненты вектора магнитного поля Н. Эту величину можно получить из результатов предыдущих измерений, по результатам программы "Геомаг" или по специальной Анадрилловской программе. Разница в результатах измерений может быть обусловлена следующими факторами:

* Неопределенность намагниченности буровой колонны

* Неопределенность из-за непрерывно меняющегося уровня магнитного поля.

* Температурная чувствительность магнитометров.

* Ошибки в электронной аппаратуре.

Приемлемая точность измерений составляет  660 гамма. Это не должно быть причиной беспокойства при отличии в результатах измерений. (На самых последних модификациях Ml ошибка измерений уменьшена до 500 гамма).

Угол магнитного склонения.

Магнитным углом склонения называется угол между касательной к земной поверхности и вектором магнитного поля (рис. 2.8). Это так же угол, образованный между вектором магнитного поля и его горизонтальной составляющей. Диапазон его изменяется от 90° на Северном полюсе до почти 0° в районе экватора, (рис. 2.7). На поверхности Земли существует несколько точек, где склонение равно 90 градусам. Это обусловлено локальными аномалиями и называются они " черными дырами ". Приемлемая точность между истинным и измеренным значением угла наклона составляет  0, 75 град. Она оказывается достаточной для нужд измерений координат. (В самых последних модификациях Ml, эта величина составляет для горизонтальных стволов  0,75 и  0,50 для других случаев).

Таблица 2.1

Гольф Мексики	Восток Канады	Море Бофорта	Северное море
50,000 Гамма	54,000 Гамма	58,500 Гамма	50,000 Гамма

Таблица 2.2

Гольф Мексики	Восток Канады	Море Бофорта	Северное море
59 градусов	70 градусов	84 градусов	70 градусов

Рис. 2.7 Рис. 2.9

Рис. 2.8

Землю можно представить себе в виде магнитного диполя, ось которого проходит через ее центр. Однако ось этого диполя не совпадает с осью вращения Земли. Угол между магнитным севером и географическим севером (истинным севером) называется магнитным склонением или углом магнитного склонения (рис. 2.8). Он зависит от местоположения (как от широты, так и от долготы) и может меняться в районах высокой магнитной активности (таких как, например, Аляска).

Если магнитное склонение - известно, то направление напряженности магнитного поля Земли по отношению к северу может быть вычислено. Углы магнитного склонения к западу от географического севера - отрицательные, а углы магнитного склонения к востоку от географического севера - положительны. Например, 5° к западу можно записать как -5°, а к востоку - +5°.

Магнитное склонение и напряженность магнитного поля может сильно меняться во время сильной солнечной активности. Также помните, что чем ближе к экватору, тем:

* ниже напряженность магнитного поля.

* больше горизонтальная компонента

* меньше угол склонения.