Геоинформационная система для оценки воздействия геомагнитных воздействий на инклинометрическое и навигационное оборудование

Оглавление

	Список сокращений	3

	Введение	4

	1 Обобщение и систематизация знаний о геофизических исследованиях скважин	8

1.1 Скважинная геофизика и инклинометрия	8

1.2 Магнитные и гироскопические инклинометры	12

1.3 Метрологическое обеспечение инклинометрических исследований	15

1.4 Выводы по главе	18

	Глава 2. Анализ и моделирование воздействия геомагнитной активности на геофизические измерительные системы	19

2.1 Геомагнитная активность и индексы геомагнитной активности	19

2.2 Анализ воздействия геомагнитной активности на поисково-разведочную магниточувствительную аппаратуру	24

2.3 Моделирование воздействия геомагнитной активности на инклинометрическое оборудование	26

2.4 Исследование норм и стандартов в области метрологического обеспечения инклинометрических исследований	29

2.5 Модернизация метрологического обеспечения инклинометрических исследований	29

2.6 Выводы по главе	31

	3 Проектирование и разработка информационной системы для оценки влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрических систем	33

3.1 Разработка структуры и архитектуры ИС	33

3.1.1 Функциональное моделирование разрабатываемой ИС	33

3.2.2 Информационное моделирование разрабатываемой ИС	35

3.2 Разработка основных алгоритмов ИС	50

3.3 Разработка методов визуальной интерпретации результатов работы ИС	55

3.4 Выводы по главе	63

	4 Планирование и проведение эксперимента и обсуждение полученных результатов	64

4.1 Эксперимент по автоматическому расчету индексов ГМА для обсерватории YKC в магнитоспокойный день	64

4.2 Эксперимент по автоматическому расчету индексов ГМА для обсерватории YKC в магнитовозмущенный день	65

4.3 Верификация разработанной ГИС и анализ полученных данных	67

4.4 Выводы по главе	67

	Заключение	68

	Список литературы	69

	ПРИЛОЖЕНИЕ А	71

	ПРИЛОЖЕНИЕ Б	73

	ПРИЛОЖЕНИЕ В	74

	ПРИЛОЖЕНИЕ Г	75

	ПРИЛОЖЕНИЕ Д	79

	ПРИЛОЖЕНИЕ Е	86










Список сокращений

API – Application Programming Interface

CASE – Computer-Aided Software Engineering

ГИС – Геоинформационная система

ГМА – Геомагнитная активность

ГМВ – Геомагнитное возмущение

ГМП – Геомагнитное поле

ИИС – Инфомарционно-измерительная система

СИ – Средство измерения




Введение

Технология бурения скважин развивалась на протяжении нескольких последних десятилетий и в настоящее время является стандартной оперативной практикой в нефтегазодобывающей промышленности. Современные технологии позволяют строить скважины, которые практически горизонтально входят в нефтеносный слой и могут достигать резервуаров, расположенных за несколько километров от исходной точки бурения, в том числе под морским дном на большом удалении от берега.

Технология наклонно-направленного бурения требует непрерывного контроля ориентации буровой колонны под землей. Строгое следование заданному направлению необходимо для достижения нефтеносного слоя, а при проводке скважин кустами – для соблюдения условий непересечения стволов скважин. Для измерения зенитного угла и географического азимута применяются скважинные измерительные системы с использованием гироинклинометров или приборов, измеряющих магнитное и гравитационное поле Земли. Несмотря на все измерительные достоинства гироинклинометров, они имеют относительно низкую вибро- и ударопрочность, вследствие чего их затруднительно использовать в буровом забойном оборудовании. Для их корректной работы требуется отсутствие вибрационных помех, т.е. фактически остановка работы буровых двигателей. Магнитометрическая технология является значительно более экономичной, чем ориентация с применением гироскопов, так как магнитные инклинометры гораздо более стабильны и могут использоваться в качестве забойных навигационных систем. Однако при геомагнитном сопровождении наклонно-направленного бурения в Арктическом регионе возникают проблемы, которых нет в регионах, расположенных в более низких географических широтах. Эти проблемы во многом связаны со строением магнитного поля Земли и мощными спорадическими возмущениями геомагнитного поля во время магнитных бурь. Коррекция магнитометрических данных и стабильное определение заданного направления бурения является актуальной задачей.

Необходимость организации наблюдений за геомагнитным полем и корректной интерпретации результатов измерений обусловили развитие тесного сотрудничества между компаниями нефтегазового сектора и научными организациями, которые занимаются геомагнитными исследованиями. В мировой практике большой опыт таких совместных работ имеют научные подразделения Британской геологической службы (BGS), Американской геологической службы (USGS), Канадского министерства природных ресурсов (NRC), Арктического университета Норвегии (UiT) и ряда других.

Объектом исследования является воздействие геомагнитных вариаций на инклинометрическое и навигационное оборудование. 

Предметом исследования является методика оценки воздействия геомагнитных вариаций на инклинометрическое и навигационное оборудование.

Целью работы является разработка геоинформационной системы для оценки воздействия геомагнитных вариаций на инклинометрическое и навигационное оборудование. 

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи: 

Изучение теоретических основ инклинометрических исследований.

Разработка структуры и архитектуры системы, включающая в себя построение функциональной и информационной моделей.

Разработка основных алгоритмов ГИС.

Разработка методов визуальной интерпретации результатов работы ГИС.

Планирование и проведение экспериментов по автоматическому расчету индексов ГМА в магнитоспокойный и магнтовозмущенный дни.

Верификация разработанной ГИС и анализ полученных результатов.

Теоретико-методологическую основу исследования составили теоретические основы скважинной геофизики и иклинометрических исследований, теории структурного и системного анализа, методологии расчетов индексов ГМА.

Научная новизна работы

Разработаны функциональная и информационная модели геоинформационной системы расчета индексов ГМА, а также основные алгоритмы системы.

Реализована подсистема автоматизированного расчета индексов Ierr/Derr.

Реализован ГИС интерфейс с визуальной интерпретацией расчета индексов.

На защиту выносятся:

Определение инклинометрических исследований.

Методика расчета индексов ГМА.

Элементы методики создания ГИС для оценки воздействия геомагнитных вариаций на инклинометрическое и навигационное оборудование.

Функциональные и информационные модели разрабатываемой ГИС.

Разработка основных алгоритмов расчета индексов ГМА.

Результаты работы разработанной ГИС.

Практическая полезность:

Разработаны функциональные и информационные модели.

Разработаны алгоритмы расчета индексов ГМА.

На основе предложенной методики реализована ГИС для оценки воздействия геомагнитных вариаций на инклинометрическое и навигационное оборудование.

Проведены эксперименты по автоматическому расчету индексов для магнитоспокойного и магнитовозмущенного дня с анализом полученных результатов.

Проведена верификация разработанной ГИС.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. 






1 Обобщение и систематизация знаний о геофизических исследованиях скважин

1.1 Скважинная геофизика и инклинометрия

Скважинная геофизика – это совокупность методов геофизического исследования массива горных пород в местах бурения скважин или между скважинами на расстояниях до нескольких сотен метров (редко до нескольких километров) [1].

Скважинная геофизика зародилась в 60-е гг. как самостоятельная отрасль рудной геофизики. В конце 70-х гг. под термином «скважинная геофизика» некоторые исследователи стали понимать геофизические исследования в скважинах, бурящихся с целью поиска и разведки рудных полезных ископаемых – рудная скважинная геофизика и угля – угольная скважинная геофизика (ГОСТ 22609-77) [1].

Обычно глубина нефтяных и газовых скважин варьируется в пределах 2-4 км в вертикальной плоскости. Обычно разведочные скважины бурятся вертикальными, а эксплуатационные (добывающие или нагнетательные) – наклонно-направленными или даже горизонтальными. В последнем случае забойные двигатели ориентируют в скважине по определенному азимуту, и бурение идет в строго заданном направлении. Постепенно набирается зенитный угол вплоть до 90°, и ствол скважины становится горизонтальным. Бывает, что набирается еще больший угол, и тогда ствол называется «восстающим».

Геомагнитное поле имеет большое значение в технологии наклонно-направленного и горизонтального бурения. Определение направления в пространстве под землей осуществляется с помощью непрерывных измерений элементов геомагнитного поля: магнитного склонения, наклонения, а общей напряженности (полного вектора) поля. По известным значениям магнитных элементов можно однозначно определить направление на истинный северный полюс, а также оценить величину отклонения от вертикали. В скважине измерения производятся компонентным скважинным магнитометром, расположенным в немагнитной капсуле на конце буровой колонны (Рис.1). В любой точке вектор геомагнитного поля B можно разложить на три ортогональные компоненты (элемента): X (направлена на север), Y (на восток) и Z (вертикаль, направленная к югу) или на компоненты Н (на северный магнитный полюс), Z и угловую компоненту магнитного склонения D (Declination – угол между географическим и магнитным меридианами) [1]. Еще одним элементом геомагнитного поля является магнитное наклонение I (Inclination – угол между горизонтальной составляющей и направлением полного вектора). По известным значениям магнитных элементов D и I можно однозначно определить направление на истинный северный полюс (географического азимут) и величину отклонения от вертикали. Скважинный магнитометр входит в систему телеметрического контроля, которая носит название «Измерения в процессе бурения» или MWD (Measurements While Drilling), и широко используется при проведении буровых работ и строительстве скважин во всех географических зонах.

Инклинометрия – это методика для определения угла отклонения оси скважины и азимута ее искривления по отношению к устью []. Этот угол образуется пересечением оси скважины и абсолютной вертикали. Для того чтобы провести подобного рода измерения необходимо использование специального прибора – инклинометра и дополнительного оборудования каротажной станции.

Под инклинометрическими исследованиями традиционно понимают измерения зенитного и азимутального углов скважины в функции ее глубины [].

При этом под зенитным понимают угол ? между касательной к оси ствола в рассматриваемой точке и вертикалью, проходящей через данную точку, а под азимутальным – угол ? между апсидальной и меридиональной плоскостями (рис. 1). Апсидальной называется вертикальная плоскость, проходящая через касательную к оси ствола скважины.



Рисунок 1 – Элементы, определяющие пространственное положение скважины: 1 – горизонтальная плоскость; 2 – плоскость оси скважины; 3 – направление начала отсчёта; 4 – направление скважины; 5 – ось скважины; 6 – вертикаль; ? – зенитный угол; ? – азимут.

Так, обычно инклинометрические исследования проводят при подъеме скважинного прибора в вертикальных скважинах глубиной свыше 300 м и в наклонных скважинах глубиной свыше 100 м с целью решения следующих задач:

- контроль заданного направления оси ствола скважины в пространстве проектному в процессе бурения;

- выделение участков перегибов оси ствола скважины, которые могут вызывать осложнения в процессе бурения;

- получение исходных данных для геологических построений, в том числе определение истинных глубин залегания продуктивных пластов, а также с целью интерпретации данных магнитного каротажа и пластовой наклонометрии.

Координаты X, Y и Z точек оси ствола скважины вычисляют по дирекционным углам (в системе координат с началом в центре ротора и осями, параллельными геодезической сети), для чего в измеренные магнитные азимуты вводят поправку на магнитное склонение и сближение меридианов. 

На сегодняшний день подобные исследования выполняются посредством магнитных (в необсаженных скважинах) или гироскопических инклинометров (в необсаженных и обсаженных скважинах) с непрерывным или точечным характером замера.

Для геометрического расчета положения ствола скважины необходимо знать зенитный угол и азимут для определенной глубины по стволу. Как только прибор оказался в скважине, кроме неточности калибровки инклинометра на измерения начинает воздействовать множество внешних факторов, которые не имеют эффекта на поверхности. Эти факторы представляют собой неоднородность магнитного поля, нарушения соосности между прибором и скважиной, температуру, колебания КНБК во время снятия замера и т.д. Также появляются погрешности определения глубины по стволу для замера, вызванные растяжением инструмента под действием собственного веса и температуры. 

Все эти ошибки накапливаются от замера к замеру, поэтому помимо геометрического расчета необходимо осуществлять вероятностный расчет. 

В современном программном обеспечении при проектировании скважин существует возможность рассчитывать вероятностное положение скважин. Результатом этого расчета является некий объем вокруг геометрической траектории, или Эллипс Неопределенности (EOU), учитывающий все возможные положения ствола скважины с учетом погрешностей с достоверностью до 99%. На базе этих расчетов ведется оценка рисков пересечений и определяются вероятности попадания в заданные заказчиком геологические цели (рис. 1).

Для каждого инклинометрического прибора существует стандартная модель ошибок, которая включает все возможные погрешности и определяет принцип их накопления. В промышленности стандартные модели ошибок утверждаются группой экспертов комитета ISCWSA, в которую входят представители ведущих добывающих и сервисных компаний.

1.2 Магнитные и гироскопические инклинометры

Инклинометр – прибор, с помощью которого замеряются зенитный и азимутальный углы в различных точках ствола скважины.

Инклинометры бывают разных типов:

 - магнитные,

 - гироскопические.

Использование магнитных инклинометров целесообразно при обследовании необсаженных скважин. Основа такого прибора – подвешенная в корпусе рамка, расположенная горизонтально по отвесу. По реохордам азимутов и углов наклона скользят стрелка буссоли и указатель наклона, расположенные на рамке. Стрелка буссоли и указатель наклона поочередно подключаются к источнику тока и обеспечивают передачу напряжения с реохордов.

Инклинометр с магнитными датчиками определяет свою ориентацию в пространстве путем измерения вектора напряженности магнитного поля Земли, поэтому основная часть погрешностей напрямую связана с непостоянством геомагнитного поля.

Для навигации используется известное свойство магнитного поля Земли: его горизонтальная компонента всегда направлена на магнитный северный полюс, то есть инклинометр работает по принципу компаса, только в скважинных условиях.

Основное магнитное поле по своей природе непостоянно и изменяет свойства с течением времени. Поэтому, чтобы избежать «блуждающего» ориентира, при бурении применяется поправка на постоянный географический север, представляющая собой разницу между направлениями на географический и магнитный северный полюс для определенного местоположения скважины и определенного времени. Эта разница называется магнитным склонением. Для определения магнитного склонения и остальных свойств геомагнитного поля в индустрии используются геомагнитные модели, которые создаются на основе измерений, полученных со спутника, оснащенного магнитными датчиками. Модели обновляются, в среднем, один раз в год (рис. 2, 3).



Рисунок 2 – Смещение магнитного полюса Земли с 1600 года.



Рисунок 3 – Строение магнитного поля Земли. Положения магнитного и географического полюсов не совпадают.

Гироскопические инклинометры применяют при исследовании скважин, обсаженных металлическими трубами. Инклинометр такого типа работает, основываясь на свойстве гироскопа – сохранении оси вращения неизменной в пространстве (маховик устройства вращается от электромотора). Один из двух гироскопов инклинометра служит для измерения азимутов, другой – для измерения углов наклона. Угол наклона измеряется совмещением оси вращения гороскопов и вектора направления скважины через составление специальных электрических схем.

Значимость практического применения инклинометрии очевидна: точность измерения углов инклинометром достигает 30, при том что ось глубокой скважины на определенном уровне может отклоняться от вертикали на сотни метров; а точность измерения азимутов прибором достигает нескольких градусов (на практике скважина может превышать по азимуту 360). Применение инклинометрии особенно целесообразно относительно скважин наклонного бурения.

Во время бурения вертикальных скважин инклинометрия должна определять азимут наклона оси начиная с угла в 0,3 градуса. Особую важность имеет точность наведения на продуктивный пласт и возможность длительной работы. Преимуществом современных видов оборудования, которым осуществляется инклинометрия, является их приспособляемость и интегрируемость в другие типы техники. Так, гироскопический инклинометр можно использовать в составе любых каротажных станций, что позволяет проводить исследования вертикальных, наклонных, обсаженных и других видов скважин. Не являются исключением и скважины, в породе которых содержатся включения из ферромагнетиков.

Инклинометр не должен иметь ограничений по возможным измеряемым углам. Кроме того, необходимо, чтобы его характеристики позволяли использовать этот прибор для определения положения трубопроводов в пространстве. Это особенно актуально для тех трубопроводов, которые прокладываются по дну рек или под другими водными объектами. Инклинометрия используется и в строительстве для определения вертикального положения металлических конструкций.

Таким образом, инклинометрия объединяет в себе современные разработки из таких областей, как гироскопическое приборостроение, электроника, цифровая обработка сигналов, математика и многих других.

1.3 Метрологическое обеспечение инклинометрических исследований

Критерием точности инклинометрических измерений является значение средней квадратической погрешности, вычисляемое по разностям двойных измерений, которое не должно превышать значения основной погрешности инклинометра: 



где ? – средняя квадратическая погрешность измерения углов;
d – разность двойных измерений угла в i-й точке; n – число двойных измерений. 

Погрешность инклинометрической системы, в свою очередь, как впрочем и любого другого средства измерений (СИ), в общем случае определяется выражением: 

,

где Xосн – основная погрешность инклинометрической системы, которая, согласно [4], не должна превышать ±0.5° для зенитного угла и ±2° для азимутального (при зенитном угле более 3°) Xдоп – дополнительная погрешность инклинометрической системы.

Согласно [5], основная погрешность СИ – это погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях, а дополнительная погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений. 

Нормальными условиями для измерений, согласно ГОСТ 8.395-80, считаются условия, при которых составляющая погрешности СИ от действия совокупности влияющих величин не превышает 35 % предела допускаемой основной погрешности СИ [6].

Таким образом, в соответствии с технической инструкцией по проведению геофизических исследований и работ приборами на кабеле в нефтяных и газовых скважинах РД 153-39.0-072-01, допускаемая основная погрешность измерения зенитного угла составляет не более ± 0.5 °, а азимутального угла (для зенитных углов более 3 °) – не более ± 2 °. 

Определим дополнительную погрешность инклинометрической системы как сумму ее составляющих:

,

где X1, X2,... Xn  – составляющие дополнительной погрешности инклинометрической системы, имеющие различную природу происхождения.

Тогда, в соответствии с РД 153-39.0-072-01, устанавливающей, что дополнительные погрешности при измерении зенитного угла, вызванные изменением напряжения питания и изменением температуры окружающей среды на каждые 10 °C относительно стандартного значения температуры, равного 20 °C, не должны превышать 0.2 и 0.1 от значения основной погрешности соответственно, запишем:	 

, (1)

где XU – погрешность, вызванная изменением напряжением питания; XT – погрешность, вызванная изменением температуры окружающей среды; XM – погрешность, вызванная геомагнитной активностью.

Учитывая выражение (1) и в соответствии с ГОСТ 8.395-80 имеем неравенство: 

, (2)

Перепишем выражение (2) в виде:

 или , (3)

где kU – коэффициент допустимого уровня погрешности, вызванной изменением напряжением питания относительно основной погрешности; kT – коэффициент допустимого уровня погрешности, вызванной изменением температуры окружающей среды относительно нормальных условий; kF – коэффициент допустимого уровня дополнительной погрешности относительно основной погрешности (kF обычно (согласно ГОСТ 8.395-80) выбирают
из ряда 0.1, 0.15, 0.2 или 0.35).

Таким образом, в условиях окружающей среды, параметры которой приближены к нормальным, т. е. при которых коэффициенты kU и kT равны нулю, можно определить максимально допустимый уровень погрешности, вызванной только ГМА, имеющий практическое значение при поверке инклинометрических системв лабораторных условиях: 

, (4)

1.4 Выводы по главе

В настоящее время без помощи таких современных систем подземной навигации, к которым относятся инклинометры, практически невозможно эффективно разведать и освоить подземное пространство, при этом точность проводимых инклинометрических исследований является одной из основных задач как подобных систем, так и весьма сложных буровых установок, которые применяются, как правило, при построении нефтяных и газовых скважин.

Инклинометрия – методика определения  угла отклонения оси скважины и азимута ее искривления по отношению к устью. Для проведения данного рода измерений необходимо использование специального прибора – инклинометра и дополнительного оборудования каротажной станции. Данные приборы в силу своей конструкции бывают весьма чувствительны к магнитным возмущениям. В результате проведения теоретических и практических исследований в данной области было установлено, что даже слабое геомагнитное возмущение класса G1 способно довольно сильно ухудшить метрологические характеристики прецизионных ИИС. Эти системы широко распространены в современной промышленности, и это требует введения соответствующих поправок, корректировок в рассмотренное в данной главе метрологическое обеспечение как непосредственно самих приборов, так и методики их поверки, калибровки и эксплуатации.




Глава 2. Анализ и моделирование воздействия геомагнитной активности на геофизические измерительные системы

2.1 Геомагнитная активность и индексы геомагнитной активности

Геомагнитное поле характеризуется неоднородной пространственной структурой и широким спектром временных вариаций. Это объясняется тем, что оно создается за счет источников различной природы, расположенных внутри Земли, а также в магнитосфере и ионосфере. Проблемы стабилизации заданного направления бурения скважин в полярных регионах связаны со строением внутреннего магнитного поля Земли, его взаимодействием с солнечным ветром и короткопериодными спорадическими вариациями геомагнитного поля во время магнитных бурь, источники которых находятся на высоте более ста километров от поверхности Земли.

Внутреннее поле. Магнитное поле Земли имеет дипольную конфигурацию. Главные его источники находятся внутри земного шара: в жидком ядре и мантии. Локальные геологические структуры могут несколько искажать это крупномасштабное поле. Вклад внутреннего, медленно изменяющегося во времени поля в полный вектор магнитной индукции, наблюдаемый на поверхности Земли, составляет более 95%. У полюсов, где вектор поля ориентирован перпендикулярно земной поверхности, величина магнитной индукции составляет порядка 60000 наноТесла (нТл), а в районе экватора, где вектор направлен горизонтально – около 30000 нТл,. Между полюсом и экватором вектор геомагнитного поля ориентирован под углом к земной поверхности, то есть имеет и горизонтальную, и вертикальную составляющие. Так, на.широте 65°N в Норвежском море, величина полного вектора поля составляет примерно 52000 нТл, а азимутальная (горизонтальная) составляющая этого вектора – около 11000 нТл. На Аляске, на 70° с.ш. полный вектор равен 53000 нТл, а азимутальная составляющая – примерно 8000 нТл. Для определения значений главного магнитного поля Земли в любой заданной точке земного шара в указанное время применяются статистические модели, ассимилирующие данные наземных обсерваторских и специальных магнитных спутниковых наблюдений. Наиболее известной является модели серии IGRF (International Geomagnetic Reference Field, Международная геомагнитная опорная модель), которые основаны на математическом методе сферического гармонического анализа [2]. Обновление коэфициентов в очередной версии модели IGRF происходит каждые 5 лет и утверждается Международной Ассоциацией Геомагнетизма и Аэрономии (IAGA, International Association of Geomagnetism and Aeronomy). Однако большинство нефтегазовых компаний, работающих в Европе, в частности в Северном море и других приарктических регионах, использует коммерческую модель Британской геологической службы BGGM (British Global Geomagnetic Model, Британская глобальная геомагнитная модель). Эта модель обновляется ежегодно.

Данные реальных наблюдений магнитных обсерваторий, расположенных в различных точках земного шара, в той или иной степени отличаются от модельных данных. Для составления уточненных карт региональных магнитных аномалий литосферного происхождения (пространственный масштаб 1–1000 км) используются дополнительные данные спутниковых, аэромагнитных измерений и магнитной съемки. Разрабатываются общемировые модели и карты магнитных аномалий, такие как семейство моделей СМ (Comprehensive Model, Комплексная модель) [3], которые основаны на обобщенных данных четырех геомагнитных спутников, или модель WDMAM (World Digital Magnetic Anomaly Map, Мировая цифровая карта магнитных аномалий) [4]. Карты крупномасштабного магнитного поля и карты, построенные с использованием данных магнитной съемки на территории СССР в 1950–1990 гг., собраны в Атласе магнитного поля [5, 6].

Внешнее поле. Земной диполь находится под постоянным воздействием исходящего от Солнца сверхзвукового потока заряженных частиц – так называемого солнечного ветра. Набегание потока приводит к тому, что на стороне, обращенной к Солнцу, силовые линии земного диполя поджимаются, а на ночной стороне, наоборот, вытягиваются (Рис. 2). Пограничные области магнитосферы Земли заполняются энергичной плазмой, которая проникает в верхние слои атмосферы высокоширотных областей Земли и вызывает появление полярных сияний и возмущений геомагнитного поля.

Источники магнитного поля находятся не только внутри Земли, но и в околоземном пространстве. Источником внешнего магнитного поля является сложная и изменчивая трехмерная система электрических токов, текущих в магнитосфере и ионосфере Земли. Магнитный эффект этих токов наблюдается на Земле в виде регулярных вариаций (суточных и сезонных) и спорадических флуктуаций на временных масштабах от многочасовых до секундных отклонений от спокойного уровня. Короткопериодные флуктуации, связанные с токовыми системами магнитных бурь, суббурь и других нестационарных явлений формируют геомагнитную активность. Мощные бури с резким началом и длительностью 1–2 дня происходят обычно в годы максимума 11-летнего солнечного цикла, когда бывает много солнечных вспышек. Для фазы спада солнечного цикла характерно появление на Солнце долгоживущих коронарных дыр и высокоскоростных потоков солнечного ветра, которые вызывают продолжительные многодневные бури сравнительно меньшей интенсивности. Но во время таких бурь резко усиливается суббуревая активность [7]. Во время магнитных суббурь в ионосфере Земли развиваются мощные, до десятков миллионов Ампер, и очень изменчивые электрические токи. Самые интенсивные токи текут в ионосфере на высоте около 120 км и локализованы в виде струй вдоль широтных кругов 65-75° (в авроральной зоне) как в северном, так и в южном полушариях. 

При низкой солнечной активности вклад внешнего поля в общее наблюдаемое магнитное поле не превышает долей процента. Во время магнитных бурь амплитуда флуктуаций резко возрастает и, в зависимости от компоненты поля и широты, вклад может составить десятки процентов. Во время магнитных бурь средней интенсивности амплитуда наземных магнитных вариаций в Арктике от авроральных ионосферных электрических токов достигает 1000 нТл. При экстремальных магнитных бурях могут наблюдаться отклонения азимутальной компоненты вектора геомагнитного поля в 4000 и более нТл (Рис. 3). В магнитовозмущенные периоды в авроральной зоне амплитуда спорадических вариаций горизонтальной компоненты внешнего геомагнитного поля может быть сравнима по величине с главным геомагнитным полем, по которому осуществляется навигация подземного скважинного рабочего инструмента. Вследствие этого вариации внешнего поля вносят большую неопределенность в показания магнитометра MWD, которые должны быть оперативно скорректированы.

Быстро меняющееся внешнее магнитное поле возбуждает в поверхностных слоях Земли, теллурические токи. Магнитное поле этих токов также вносит дополнительную погрешность в определение заданного направления бурения. Магнитные помехи возникают и вследствие нескомпенсированных наводок внутри самого бурового инструмента и проводящей буровой жидкости. 

Частота и интенсивность магнитных бурь зависит от фазы 11-летнего солнечного цикла. В годы активного Солнца геомагнитные возмущения в Арктике – типичное явление. Любопытно отметить случайное совпадение по времени двух символических событий. Считается, что мировая история освоения месторождений нефти и газа началась 27 августа 1859 г., когда Эдвин Дрейк пробурил в Пенсильвании первую нефтяную скважину. А буквально на следующий день, 28 августа 1859 г., произошла самая мощная из известных солнечных вспышек, вызвавшая магнитную бурю исключительной интенсивности, во время которой полярные сияния наблюдались даже на Кубе и в австралийском штате Квинсленд. Была полностью нарушена телеграфная связь в Европе и Северной Америке. Вероятность таких «супер-бурь» оценивается как один раз в 500 лет. В середине позапрошлого века вряд ли кто-то задумывался о том, что геомагнитная активность может быть как-то связана с нефтедобычей. Между тем, случись магнитная буря такой интенсивности сейчас, буровые работы в Арктике были бы вынужденно приостановлены, так как вариации внешнего геомагнитного поля были бы столь велики, что контролировать направление было бы невозможно.

Под геомагнитной активностью (ГМА) обычно понимается величина, выражающая степень возмущенности ГМП за определенный промежуток времени при воздействии корпускулярного излучения Солнца с магнитосферой Земли. При этом вариации, появляющиеся, например, в результате волнового излучения Солнца, обычно исключаются.

Однако относительно уровня нулевого отсчета здесь в настоящее время единая точка зрения отсутствует, и при оценке общепланетарной ГМА в различных научных сообществах за него чаще всего принимают:

- отклонения от Sq-вариации;

- отклонения от Sq-вариации + L-вариации;

- отклонение от среднесуточного значения в магнитоспокойный день (используется в настоящей работе).

Неоднозначность оценки начального уровня отсчета может объясняется как различным удалением обсерваторий от источников Sq- и L-вариаций, так и малоизученным природным явлением, проявляющимся в том, что в два магнитоспокойных дня, наблюдаемых за короткий промежуток времени, магнитограммы имеют одинаковую по форме и величине Sq-вариацию, при том, что среднесуточные значения разнятся на величину до ~10 нТл. Другими словами, происходит своего рода параллельный перенос кривой Sq-вариации от одного дня к другому.

Поскольку ГМА характеризует изменение магнитного поля Земли, вызываемое корпускулярным излучением Солнца, то между ней и солнечной активностью существует определенная связь, проявляющаяся в виде зависимости возмущенности ГМП от числа солнечных пятен, периодов повторяемости бурь (приблизительно через 27 суток, связанных с длиной солнечных суток), 11-летней солнечной активностью и т. д.

Однако, связь солнечной и геомагнитной активностей не всегда однозначна, и лишь в случае прохождения активных областей вблизи центрального меридиана Солнца ГМА предсказуемо возрастает. Это свидетельствует о том, что Земля попала в узконаправленный поток плазмы, выброшенный из активных областей на Солнце. 	Именно в это время прогнозируется максимальное влияние солнечной активности на процессы, протекающие на поверхности Земли и в околоземном пространстве. Таким образом, при изучении влияния Солнца на земные явления и процессы, следует иметь в виду, что не все активные образования на Солнце вызывают соответствующие геомагнитные возмущения (ГМВ).

Общепризнанной количественной (в некоторых случаях качественной) мерой ГМА на сегодняшний день является ряд специально определенных величин (индексов), который в настоящее время включает в себя более двух десятков (табл. 1) индексов ГМА, число которых по мере развития представлений о солнечно-земных связях постоянно увеличивается [3]. 

2.2 Анализ воздействия геомагнитной активности на поисково-разведочную магниточувствительную аппаратуру

Магнитные аномалии – области на поверхности Земли, в которых значение и направление вектора магнитного поля Земли существенно отличается от нормальных значений, определяемых моделью.

Некоторые горные породы способны «запоминать» свою намагниченность и сохранять ее в течение длительного времени, что вызывает избыточную намагниченность земной коры в районах бурения. Так как локальная намагниченность ввиду своих небольших размеров не может быть учтена при использовании обычных спутниковых данных из-за отдаленности спутника от поверхности Земли, то во время бурения неучтенные отклонения будут существенно снижать качество данных измерений (рис. 4). 

Другим фактором, оказывающим наибольшее влияние на северных географических широтах, где находится значительная часть месторождений России, является наличие магнитных бурь, вызванных повышенной солнечной активностью.

Солнечные вспышки создают миллиарды заряженных частиц, движущихся с огромной скоростью в космическом пространстве. Это явление называется солнечным ветром. При достижении магнитосферы Земли солнечный ветер существенно изменяет поле, влияя на его параметры и впоследствии создавая электрические токи в и.......................