Bhrg_FG_3 - TU Bergakademie Freiberg

Praktikum Bohrlochgeophysik
PVL : 1 Protokoll, Gruppenarbeit bis 3 Studenten
Bohrung FG 3: Bhrg_FG_3.pdf
Modelltrog
Elektrische Messungen am Modelltrog (Potential- u. Gradientsonden),
Messung der natürlichen Gammastrahlung.
http://tu-freiberg.de/geophysik/teaching/bohrlochgeophysik
Ablauf Praktikum Bohrlochgeophysik
Datum
Inhalt
14.04.
Einführung, Gneisbohrung FG 3, Bohrlochmesstechnik
28.04.
Bohrlochmessung in der Bohrung FG 3 mit der
elektrischen Sonde ELGG (Hof Meisser-Bau)
12.05.
Auswertung Bohrlochmessung Sonde ELGG
26.05.
Gamma- und Gamma-Gamma-Dichtemessung
09.06.
Neutronenverfahren
23.06.
Akustiklog
Zusammenfassung Lithologie, Kennwerte
Letzter Abgabetermin: Beginn WS 2015/16, Freitag, 09.10.2015
Gneisbohrung FG 3
Gliederung Bohrlochmessbericht:
Geologie,
Bohrung,
Messtechnik, Bohrlochmessung,
Bohrlochplots und Interpretation.
Lithologische Bewertung von Flachbohrungen.
DA Jens Germann (1998)
Gneisbohrungen
Die untersuchten Bohrungen (FREIBERG 1, 2, 3) befinden sich auf dem
Gelände zwischen Meisser- und Humboldt-Bau in metamorphen
Gesteinen des „Freiberger Graugneiskomplexes“. Die anstehenden
Gneise werden dem Inneren Freiberger Gneis gnf mit granodioritischem
Ursprung (Orthogneise) zugeordnet (HOFMANN, 1997). Diese
intrudierten in ältere Gesteine (Paragneise, grobschuppige Biotitgneise),
die den Inneren Freiberger Gneis ringförmig umgeben (Äußerer
Freiberger Gneis gnk).
Beide Gneistypen wurden im Variszikum durch eine Kompressions- und
darauffolgende Extensionstektonik deutlich überprägt, so dass deren
Grenzen bzw. Kontaktbereiche nur in Einzelfällen festzustellen sind. Die
Ausgangsgefüge des Inneren und Äußeren Gneises sind deshalb nur
noch reliktisch erhalten.
Die Bohrungen wurden zu Ausbildungszwecken für Studenten niedergebracht und sind ca. 50 m tief. Im oberen Teil sind die Bohrlöcher bis
etwa 10 m verrohrt (Eisenrohr, Oberkante Rohr FG-3 = 0.8 m über
Grasnarbe).
Der Grundwasserspiegel liegt bei ca. 5 ... 6 m unter Gelände.
Grundsätzlich ist in allen Bohrungen eine starke Klüftung im oberen Teil
bis max. 25 m festzustellen. Unterhalb dieses Bereiches treten nur
noch vereinzelt Klüfte auf und die Klufthäufigkeit nimmt mit der Tiefe ab
(kompakter und wenig verwitterter Gneis).
Tabelle:
Mineralparameter Dichte d , Longitudinalwellengeschwindigkeit vP und
modaler Bestand des Inneren Freiberger Gneise (16 Proben)
Mineral d in g/cm³ vP in m/s Modaler Bestand gnf in %
Plagioklas
2.68
6532
37.0
Orthoklas
2.56
5900
15.1
Quarz
2.65
6040
30.1
Biotit
3.00
5240
17.0
Muskovit
2.83
6310
0.8
Berechnung der Matrixdichte und Matrixgeschwindigkeit zur
Porositätsbestimmung mit der Dichtemittel- bzw. Zeitmittelgleichung
Vi
di = ?.??g/cm3
i =1 V
n
z. B.: Dichte Festsubstanz, Matrixdichte: d F = ∑
d = (1 − Φ ) d F + ΦdW
Sonden Robertson Geologging:
Tiefe bezogen auf Oberkante Verrohrung: H = 0.8 m über Grasnarbe,
TCDS-Sonde: keine Tiefenkorrektur (Abwärtsfahrt, 1. Sonde eines
Bohrlochmessprogramms).
Sonde
Länge
(m)
Datei
(.xls)
Kanal1
Kanal2
Kanal3
Kanal4
Kanal5
Kanal6
3-Arm-Kaliber
3ACS
2.08
3acs_1
Tiefe
z(m)
Kaliber
CAL(inch)
Elektrik-Sonde
ELGG
2.50
elgg_1
Tiefe
z(m)
SHNO
(ohmm)
LONO
(ohmm)
NGAM
(cps)
SP
(mV)
SPR
(ohm)
Temp.-Leit.-Sonde
TCDS
2.24
tcds_1
Tiefe
z(m)
Temp.
(°C)
Cond.
(mS/m)
Cond.
25°C
(mS/m)
Neut.-Neut.-Sonde
NNTS
2.17
nnts_1
Tiefe
z(m)
Neut.
(stand.
cps)
Kaliber
CAL
(inch)
N-POR
(%)
Gamma-GammaSonde
FDGS
2.93
fdgs_1
Tiefe
z(m)
NGAM
(api)
MCAL
(inch)
HRD
(cps)
LSD
(stand.
cps)
Dichte
(g/cm³)
Akustik-Sonde
FWSS
4.31
fwss_1
Tiefe
z(m)
TA
(µs)
TB
(µs)
TC
(µs)
TD
(µs)
1/vP
(µs/ft)
Kanal7
vP
(m/s)
N
B
EO
Multisonde ELGG
1 - NGAM in (cps)
2 - SP = U(M1; N) in mV
3 - SPR = U(A; B)/ I(A; B) in ohm
4 - SHNO = (U(M1; N)/I(A; B))*k in ohmm
5 - LONO = (U(M2; N)/I(A; B))*k in ohmm
M2
k - Geometriefaktor = 4π * AM = 4π * L
L - Sondenspacing (radiale Eindringtiefe)
NGAM
NGAM - natürliche Gammastrahlung (GR)
SP
- natürliches Eigenpotential (self potential)
SPR - ohmscher Übergangswiderstand (A), Bohrlochwand
- Lithologie, hohe vertikale Auflösung
L2 = 64''
LONO - scheinbarer spezifischer Widerstand, große radiale Eindringtiefe, Formation
- Ableitung von Gesteinsparametern (Klüftigkeit)
- geringe vertikale Auflösung
A
L1 = 16''
M1
SHNO - scheinbarer spezifischer Widerstand, bohrlochnahe Umgebung
- Lithologie, hohe vertikale Auflösung
Geophysikalische Bohrlochmessungen in der Gneisbohrung FG 3
Elektrische Sonde ELGG
Bearbeitung der Bohrlochmesskurven
Tiefenkorrektur: Tiefenbezug = Grasnarbe, OK-Rohr = 0.8 m,
keine Tiefenkorrektur für TCDS-Sonde,
Beschneidung der Messkurven: gestörte Werte durch Verrohrung
(z = 13 m) und am Beginn der Messung im Bohrlochtiefsten.
Bohrlochplot 0: Tiefe z = 0 ... 48 m, Kalibermessung, 3ACS – MCAL (FDGS)
Bohrlochplot 1: Tiefe z = 0 ... 48 m, 3ACS: CAL (inch),
TCDS: T (°C), COND (mS/cm),
Erste Interpretation
Grobe Lithologie aus CAL: (Verrohrung); Gn (swkl; stkl); Kluftzonen KL,
GW-Spiegel aus T bzw. COND.
Kalibermessung Bohrung FG-3
Cal in inch
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
0
-0.4
0
0.4
0.8
0
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
8
10
10
10
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
20
20
20
22
22
22
24
24
24
26
26
26
28
28
28
30
30
30
32
32
32
34
34
34
36
36
36
38
38
38
40
40
40
42
42
42
44
44
44
46
46
46
48
48
48
2
3ACS
MCAL (FDGS)
4
6
z in m
Bohrlochabweichung
CAL(ACS-3'') in inch
CAL(3ACS-MCAL) in inch
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
-0.4
0
0.4
0.8
1
2
3
4
Rohr
VR
Rohrmuffen
8.9 m
Gn
stkl
starker Ausbruch
19 m
Gn
mkl
33 m
KL
Gn
swkl
0
1
2
3
4
Temperatur und elektrische Leitfähigkeit in der Bohrung FG 3
3
3.5
3ACS
CAL (inch)
4 4.5 5 5.5
6
6.5
3
4
5
TCDS
T (°C)
6 7 8
9 10 11 0.24
TCDS
COND (mS/cm)
0.25
0.26
0.27
0.28
0
2
4
Rohr
VR
6
8
10
12
Beschneiden
z = 13 m
14
Gn
stkl
16
18
z in m
20
22
24
Gn
mkl
26
28
30
32
KL
34
36
38
Gn
swkl
40
42
44
46
48
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
3
4
5
6
7
8
9 10 11 0.24
0.25
0.26
0.27
0.28
Temperaturverlauf (z = 11 - 47 m) in der Bohrung FG 3
CAL (inch)
z in m
3
3.5
4
4.5
5
T (°C)
5.5
6
6.5
9.76
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
16
16
18
18
20
20
22
22
24
24
26
26
28
28
30
30
32
32
34
34
36
36
38
38
40
40
42
42
44
44
46
46
48
48
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
9.8
9.84
9.88
9.92
9.96
Rohr
VR
Jahreszeitliche
T - Welle
Gn
stkl
13.5m
9.85°C
(dT/dz)1
Gn
mkl
?
KL
37m
(dT/dz)2
47.0m
9.92°C
9.76
9.8
9.84
9.88
9.92
9.96
Gn
swkl
Elektrische Leitfähigkeit und spezifischer elektrischer Spülungswiderstand
Rm = 35.9 - 37.3 ohmm, hochohmiges Oberflächenwasser
Bohrlochplot 2:
CAL (inch),
COND (mS/cm),
3
3ACS
CAL (inch)
4
5
6
TCDS
COND (mS/cm)
0.264
0.272
Rm (ohmm)
0.28 35.5
36.5
37.5
0
2
R m (Ω ⋅ m)
4
6
Spülungswiderstand:
z = 13 ... 48 m:
10
R m (Ω ⋅ m) =
COND(mS/cm)
Rohr
VR
8
10
12
14
Gn
stkl
16
18
(n − 1) + n + (n + 1)
3
(n − 1) + 2n + ( n + 1)
4
z in m
3-Punkte-Glättungsfilter
AD-Rauschen:
20
22
24
26
Gn
mkl
28
30
32
34
KL
36
38
40
42
44
46
48
Gn
swkl
Bearbeitung SP-Messung
Apparatur registriert keine negativen Spannungen,
Festlegung ROBERTSON: 1000 mV = 0 mV,
Offset- Korrektur (Referenzspieß): +130 mV,
Oberflächennaher klüftiger Gneis (Gn, kl), z = 19 m:
Verdrängung des mineralisierten Kluftwasser durch schlechtleitendes
Oberflächenwasser (Spülung)
Kuftwasser = Spülungswasser: R m = R W
Es existiert kein Konzentrationsgefälle von Ladungsträgern zwischen
Spülung und Kluftwasser: SP = 0 mV bis z = 19 m.
SHNO
LONO
Spülung
Rm= 36 - 37
ohmm
Gn,kl
Oberflächenwasser
(Spülung)
Rm
Rm
Rm
Rm + RW
SHNO = LONO
SP = 0mV
z = 19 m
negatives
SP
RW
Oberflächenwasser +
Kluftwasser
ClClCl-
Na+
Na+
Na+
Rm > RW ; CW > Cm
Konzentrationsgefälle,
Ladungsträgertransport
SHNO > LONO
Negatives Diffusionspotential:
Anionen (Cl-) besitzen
höhere Ionenbeweglichkeit
als Kationen (Na+)
Bearbeitung SP-Messung
0
0
2
2
Grasnarbe
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
beschneiden
z in m
14
z = 13 m
14
16
16
18
18
20
20
22
22
24
24
26
26
28
28
30
30
32
32
34
34
36
36
38
38
40
40
42
42
44
44
46
1000mV = 0mV
Rohr
VR
SP = 0mV
Rm = RW
Offset-Korr.
+130mV
Gn
stkl
Gn
mkl
KL
Gn
swkl
46
48
48
0
2000 4000
SP in mV
6000 -400 -300 -200 -100 0
SP in mV
100 -175
-160 -145
SP in mV
-130
-50 -40 -30 -20 -10 0 10
SP in mV
Bohrlochplot 3
ELGG-Sonde: CAL (inch), SPR ( Ω ), SHNO und LONO ( Ω ⋅ m )
Auswertung:
Lithologie aus SPR, SHNO: Gn (swkl; mkl, stkl); Kluftzonen KL,
Genaue Tiefenangaben der detektierten Klüfte,
? - z > 19 m, SHNO > LONO,
? - Vertikale Auflösung SHNO: Verhältnis Kluftmächtigkeit/Spacing h > 5 L
Ohmscher Übergangswiderstand SPR und scheinbare spezifische Widerstände für die kleine und große Normale
SPR (ohm)
CAL (inch)
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
0
500
1000
1500
SHNO, LONO (ohmm)
2000
2500
0
2000
4000
6000
8000
0
2
4
Rohr
VR
6
8
10
12
Gn
stkl
14
16
18
20
z in m
22
24
Gn
mkl
26
28
30
h > 5L
32
34
KL
36
?
38
Gn
swkl
40
42
?
44
46
LONO
48
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
0
500
1000
1500
2000
2500
0
2000
4000
SHNO
6000
8000
Klüftigkeitsabschätzung Kl = f (z) mit der ARCHIE-Beziehung
1/ m
 aRP 
Kl = 

R
 0 
R 0 - wahrer spezifischer Widerstand des gesättigten Gesteins,
R P - wahrer spezifischer Widerstand des Porenfluids,
Empirische Größen: a = 2.06; m = 1.13.
1/ m
 aRP 
Kl = 

R
 0 
1/ m
 aRm 
=

 SHNO 
bohrlochnah
1/ m
 aRW 
=

 LONO 
Formation
Probleme: SHNO, LONO – scheinbare spezifische Widerstände,
ARCHIE-Beziehung – Sandstein, Kalkstein,
Randbedingungen.
Bestimmung des spezifischen Widerstandes RW des mineralisierten
Kluftwassers aus dem Eigenpotential SP und dem Spülungswiderstand Rm
TCDS-Sonde: R m (Ω ⋅ m) =
Korrigierte SP-Messung:
10
COND(mS/cm)
SP (mV) = − kSP (mV) log
Rm
RW
Der SP-Faktor k SP ist von der Temperatur abhängig:
kSP (mV) = 69(mV) ⋅
T (°C ) + 273
→ kSP = 69mV, T = 18°C
18 + 273
Bohrlochplot 4
CAL (inch)
R m ; R W - spezifischer Widerstand der Spülung bzw. der Kluftwässer,
KL - Klüftigkeit, SHNO, R m; LONO, R W .
Interpretation
Lithologie: Freiberger Gneis: stkl, mkl, swkl, Kluftzonen Kl,
Kennwert: Quantitative Klüftigkeitsverhältnisse (bohrlochnah,
Formation).
Klüftigkeit EKL nach elektrischen Messungen
CAL (inch)
3
3.5
4
4.5
5
Rm , RW (ohmm)
5.5
6
6.5
0
10
20
30
EKL in %
40
50
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
2
4
Rohr
VR
m = 1.13
a = 2.06
metamorphe
Gesteine
6
8
10
12
Gn
stkl
14
16
18
20
z in m
22
24
Gn
mkl
26
28
30
32
KL
34
36
SHNO, Rm
LONO, RW
38
Gn
swkl
40
42
RW
44
Rm
46
1%
48
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
0
10
20
30
40
50
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Radiometrische (passive) und kernphysikalische (aktive)
Bohrlochmessverfahren
Übersicht
Messung radioaktiver Strahlung im Bohrloch mittels Detektoren
(Zählrohre, Szintillationszähler, Halbleiterdetektoren),
Messung von Gamma- bzw. Neutronenstrahlung (γ , n ),
Alpha- und Betastrahlung: geringe Reichweite (mm – Bereich),
Gamma- und Neutronenstrahlung durchdringen Materie,
Einsatz in offenen und verrohrten Bohrlöchern.
Einteilung der radioaktiven Messverfahren
Messung der natürlichen γ - Strahlung (GR, NGAM )
238
232
U − bzw. Th −
Passive Messung, Quelle: Gehalt an Nukliden der
40
Zerfallsreihe und des radioaktiven Kaliumnuklids K im Gestein.
Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) im Ergebnis von
atomphysikalischen Wechselwirkungsprozessen Strahlung - Materie,
Aktive Messung, Quelle: Gamma- bzw. Neutronenemission einer
künstlichen Quelle in der Sonde,
Wechselwirkungen mit Atombausteinen:
Gammaquellen: Photoeffekt und Comptoneffekt,
Neutronenquellen: Brems- und Einfangreaktionen,
Detektor: Messung einer Streustrahlung.
Besonderheiten radioaktiver Bohrlochmessungen
Radioaktive Zerfalls- bzw. Wechselwirkungsprozesse sind Zufallsprozesse
und folgen statistischen Gesetzen,
Statistische Schwankungen in den Bohrlochmesskurven.
Messgröße
Impulsrate N : Anzahl der detektierten Ereignisse pro Messzeit τ
(Zeitfenster),
−1
−1
Maßeinheit: cps, cpm - counts per second, minute ( s , min ).
POISSON-Verteilung:
Standardabweichung s des Messwertes N ist: s =
N,
Vertrauensintervall: 68% der Werte liegen innerhalb N ±
N.
Radioaktive Messungen in Bohrungen
Impulsrate N = f (z)
Zählung von Impulsen über ein Zeitfenster τ bei kontinuierlicher
Sondenfahrt mit der Geschwindigkeit v :
Zeitfenster τ : Statistik der Messkurve und vertikale Auflösung,
τ klein: große statistische Schwankungen, hohe vertikale Auflösung,
τ groß: geringmächtige Schichten werden „überfahren“.
Sondenfahrgeschwindigkeit v : Verschiebung der Messkurve in
Fahrtrichtung.
Wahl von optimalen Messparametern: Produkt v ⋅τ
Hohe Aussagekraft der Bohrlochmesskurven,
Ökonomische Randbedingungen.
Amplituden- und lagegetreue Abbildung bei: v → 0,τ → ∞ .
Digitalapparaturen
Softwaregesteuerte Impulszählung am Detektorausgang mit einer kleinen
Samplingrate ∆z ,
Optimales Signal durch Kurvenbearbeitung mit einem Glättungsoperator,
Schichtgrenzen: keine Verschiebung in Fahrtrichtung bei symmetrischen
Glättungsoperatoren.
Gleitender Mittelwert,
HAMMING-Fenster: Gewichteter, symmetrischer Glättungsoperator.
MCAL_Abw. in inch
z in m
0
0.4 0.8 1.2 1.6
GR in api
2
60
80
100
GR(filt) in api
120
140
160
60
80
100
120
140
160
Natürliche GammaStrahlung GR (api)
Sonde FDGS
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
10
12
12
12
14
14
16
16
16
0.8
18
18
18
0.6
20
20
20
22
22
22
24
24
24
26
26
26
28
28
28
30
30
30
32
32
32
34
34
34
36
36
36
38
38
38
40
40
40
42
42
42
44
44
44
46
46
48
48
0
0.4 0.8 1.2 1.6
2
0
dz = 0.1 m
2
4
6
75 api
8
Gneis 125 api
80
100
120
140
160
Filteroperatoren
Gn
stkl
14
1
w( n)
118 api
60
Rohr
VR
0.4
0.2
Gn
mkl
0
-3
-2
-1
0
n
1
2
w(n) = 0.54+0.46cos(2πn/M)
KL
Gn
swkl
46
48
60
80
100
120
140
160
Hamming M = 5
Gl. Mittel M = 5
3
Gamma-Log - Integrale Messung der natürlichen Gammastrahlung
Kaliberkorrektur
Absorptionseffekte durch Bohrlochinhalt und ev. Ausbau,
Verminderung der γ - Intensität,
Absorptionskorrektur = f (Dichte Absorbermaterial (Spülung, Verrohrung);
Bohrlochkaliber, Wandstärke)
Korrekturdiagramme.
Gamma-Gamma-Dichtemessung
COMTON-Effekt:
Streuung einer monoenergetischen Gammastrahlung (elektromagnetische
−
Welle) an Hüllenelektronen e ,
Energieabsorption und Vergrößerung der Wellenlänge der Gammastrahlung.
Gammaquant γ0
E0 = hν0
e-
ϕ
elastischer
Stoßprozess
gestreutes
Gammaquant γ1
E1 = E0 - B = hν1
B - Bindungsenergie des eE1 < E0
ν1 < ν0
Hüllenelektronen
e-
Atomkern
γ0
γx
Detektor
γx = f (e- ) = f ( Zeff )
Atomhülle
Compton-Effekt
Weglänge x
Quelle
Cs-137
Sondenaufbau und Kalibrierungskurve
Andruckarm, definierte Lage von Quelle und Detektor,
Kalibermessung.
Gammaquelle (Cs - 137, Co - 60) mit Bleiabschirmung zur Unterdrückung
der Direktstrahlung Quelle – Detektor und Kollimator (gerichtetes,
paralleles Gamma-Strahlungsbündel),
Robertson Geologging: Sonde FDGS
Formation Density Gamma Sonde
Quelle: Cs - 137;
Aktivität (1995): I 0 = 3.7 GBq = 3.7 ⋅109 s −1 .
Gammadetektoren, FDGS: 2 Szintillationszähler
High Resolution Detektor HRD
Abstand Quelle – Detektor, Spacing L = 24 cm,
Hohe Schichtauflösung, Lithologie,
Korrektur von bohrlochnahen Einflüssen (Kaliberausbrüche,
Filterkuchen).
Long Spacing Detektor LSD, L = 48 cm,
Größere radiale Wirkungstiefe,
Kennwertermittlung (Kalibrierungskurve): Dichte.
Kalibrierung einer Gamma-Gamma-Sonde
(Erstkalibrierung Sondenhersteller)
I x = I 0 e − µC x
µC ∼ dGG ( Z / A )
I x = f (dGG ; x)
Messung der Reststrahlung I x an Kalibriermodellen mit bekannten
Dichtewerten d und variablem Bohrlochkaliber D ,
Zylindermodelle: Dimension = Simulation Vollraum (radiale Wirkungstiefe),
FDGS: Kalibrierung nur für LSD.
Formation Density Gamma Sonde FDGS
Gamma-Tiefensonde S-24.2
(Ingenieurgeophysik)
Filterkuchen
Relief der
Bohrlochwand
Kalibrierungskurve
für zwei spacings L
Impulszähler
Wasser
1.11
GR
Sand
1.65
Sandstein
2.05
Granit
2.60
L1
Führungsrohr
(Eisen)
LSD
L2
HRD
L1
L2
Detektor (Zählrohr)
Spacing L = 20cm
Quelle Cs-137
A = 185 MBq
D
Quelle
Kalibriermodell
d - bekannt
Kollimator
gerichtetes
Strahlenbündel
Dual-spacing-densitylog
Kalibrierfunktion: Logarithmischer Zusammenhang
d = dGG = A ⋅ ln I GG + B
→ ( Z / A = 0.5)
A, B – Koeffizienten,
Bestimmung von A, B durch Regressionsanalyse aus den Wertepaaren
(dGG ; I GG ) der Kalibriermodelle bei variablen Kaliberwerten.
FDGS: I GG , fdgs → I GG , st
Kaliberkompensierte Dichte für den Long Spacing Detektor LSD:
d = dGG = j ln I GG , st + (1.1 − 9.306 j )
1
j=
0.001063D 2 + 0.02753D − 2.511
d – Dichte in g/cm³, I GG , st - Standardimpulsrate in cps (Referenzsonde
Robertson), D – Kaliber in inch.
Porositätsbestimmung mit der Dichtemittelgleichung (Mehrphasensystem)
n V
i
Dichte Festsubstanz, Matrixdichte: d F = ∑ di
i =1 V
d −d
Wassergesättigtes, tonfreies Gestein: d = (1 − Φ ) d F + ΦdW → Φ = F
d F − dW
VT = 0
SW = 1
Teilgesättigtes, tonfreies Gestein: d = (1 − Φ ) d F + ΦSW dW → Φ =
SW < 1
VT = 0
dF − d
d F − SW dW
Teilgesättigtes (kohlenwasserstoffführendes), tonfreies Gesteine:
SW = 1 − S KW
VT = 0
d = (1 − Φ − VKW ) d F + ΦdW + S KW d KW
Φ=
Gesättigte, tonige Gesteine:
SW = 1
VT > 0
(d − d KW )
dF − d
− (1 − SW ) F
d F − dW
d F − dW
d = (1 − Φ − VT )d F + ΦdW + VT dT
d F − d VT (d F − dT )
Φto =
−
d F − dW
d F − dW
Sonde FDGS
MCAL_Abw. in inch
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
z in m
IGG in cps
0
1000
2000
DKL in %
d in g/cm³
3000
0
2.35
2.45
2.55
2.65
0
2.75
d(Min) = 2.37 g/cm³
d(Max) = 2.71 g/cm³
Mean = 2.62 g/cm³
2
2
2
4
4
4
6
6
6
8
8
8
10
10
10
10
12
12
12
12
14
14
14
14
16
16
16
16
18
18
18
18
20
20
20
20
22
22
22
22
24
24
24
24
26
26
26
26
28
28
28
28
30
30
30
30
32
32
32
32
34
34
34
34
36
36
36
36
38
38
38
38
40
40
40
40
42
42
42
42
44
44
44
44
46
46
46
46
48
48
48
48
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
1000
HRD
Lithologie
2000
3000
8
12
16
20
0
0
LSD(stand)
Dichte
4
2
4
dF
2.35
2.45
2.55
2.65
2.75
6
Rohr
VR
dF = ?.?? g/cm
3
8
Gn
stkl
Gn
mkl
KL
Gn
swkl
3.5%
0
4
8
12
16
20
MCAL_Abw. in inch
z in m
0
0.5
1
1.5
2
IGG in cps
2.5
1200 1600 2000 2400 2800 3200
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
16
16
18
18
20
20
22
22
24
24
26
26
28
28
30
30
32
32
34
34
36
36
38
38
40
40
42
42
44
44
46
46
48
48
0
0.5
1
1.5
2
2.5
HRD
Lithologie
Rohr
VR
Gn
stkl
Gn
mkl
KL
Gn
swkl
1200 1600 2000 2400 2800 3200
Neutronenverfahren
Physikalische Grundlagen
Neutronen n : elektrisch neutrale Teilchen,
Ruhemasse des Neutrons m = 1.6749 ⋅10−27 kg,
entspricht der Masse eines Wasserstoffkerns (Proton),
Einteilung nach der Energie En der Neutronen
Schnelle Neutronen:
En > 100 keV … einige MeV,
Epithermische Neutronen: En = 100 keV ... 0.025 eV,
Thermische Neutronen:
En < 0.025 eV.
Neutronenverfahren = aktive Messung
Neutronenstrahlung einer Quelle (schnelle Neutronen),
Wechselwirkungsprozesse (Brems- und Einfangreaktionen) mit den
Atomkernen des Absorbers,
Messung der Streu(Rest)strahlung am Detektor.
Die Neutronenwirksamkeit der gesteinsbildenden Elemente wird mit
Wirkungsquerschnitten (Brems- und Einfangquerschnitt) beschrieben.
Wechselwirkungsprozesse
Neutron-Neutron-Reaktion
Elastische Streuung von Neutronen an Atomkernen („Billardstoß“),
Kern bleibt unverändert, Energieabsorption des Neutrons En < En ,
A
A
1
0
Z + n 0 → Z + n1
Wasserstoffatome mit verursachen die größte Energieabsorption infolge
der Massengleichheit von Neutron und Wasserstoffkern.
Neutron-Gamma-Reaktion I
Inelastische Streuung von Neutronen an Atomkernen,
Atomkern wird energetisch angeregt ( +∆E ),
Energieabsorption des Neutron ( En1 = En0 − ∆E ),
Atomkern geht in den Grundzustand zurück,
+∆E wird als elementspezifische Gammastrahlung emittiert.
A
Z + n 0 → A Z * + n1 → A Z + n 1 + γ
Neutron-Gamma-Reaktion II
Einfang von thermischen Neutronen, Einbau in den Atomkern,
Freiwerdende Bindungsenergie +∆E wird als elementspezifische
Gammastrahlung emittiert
A
Z + n th →
A+1
Z→
A+1
Z +γ
Neutron-Neutron-Messung
Bestimmung des volumetrischen Wassergehaltes wv ( H + - Konzentration):
Vw
wv =
= SW Φ
V
und der totalen Porosität Φ für SW = 1.
Sonde: Neutronenquelle + Detektoren im Abstand L (Spacing),
Messgröße: Impulsrate thermischer und epithermischer Neutronen.
Die Impulsrate I nn ist abhängig vom Spacing L:
Kurzes Spacing:
in Quellnähe dominieren Bremsvorgänge (elastische, inelastische
Streuung)
Zunahme der epithermischen Neutronendichte mit Zunahme des
Wasserstoffgehaltes,
In wassergesättigten Gesteinen (SW = 1) steigt I nn mit Φ .
Langes Spacing:
Einfangreaktionen (NaCl im Porenwasser) führen zu einer Abnahme
der thermischen Neutronendichte mit steigender Porosität.
Inn
Unterschiedliche Abhängigkeit
I nn = f ( wv ; Φ )
H-Gehalt
kurzes Spacing
Bremsvorgänge
H-Gehalt
langes Spacing
Einfangreaktionen
Robertson Geologging
Sonde NNTS
Neutron-Tiefensonde S-23.2
Ingenieurgeophysik
Impulszähler
Führungsrohr
(Eisen)
L = 20cm
D
Detektor
Zählrohr
Am-Be
A = 3 GBq
L = 150cm
L
Am-Be
A = 37 GBq
Q
Neutronensonde und Kalibriereinheit
Filterkuchen
Relief der Bohrlochwand
Wasser
Kalkstein
1.9%
Detektor
langes
Spacing
thermische
Phase
Kalkstein
19%
1.83m
Detektor
kurzes
Spacing
Abbremsphase
(epithermisch)
n-Quelle
Kalkstein
26%
77/8"Bohrloch
1.83m
Kalibrierung: Langes Spacing
ROBERTSON Geologging, Sonde NNTS: L = 150 cm (frei hängend)
Kalibrierung in süßwassergesättigten ( SW = 1 ), tonfreien KalksteinModellzylindern mit variabler Porosität Φ und Kaliber D.
Kalibrierfunktion: I nn = − a ⋅ ln Φ nn + b
Φ nn - Neutronen- bzw. Kalksteinporosität,
a, b - empirisch zu bestimmende Größen.
Kaliberkorrigierte (D in inch) Kalksteinporosität Φ nn in %:
Φ nn = (−20.99 ⋅ ln I nn , st ) + 168.4 − 6.54 D + 0.3342 D 2 − 0.01172 D3
I nn, st - Standardimpulsrate in cps (Referenzsonde Robertson),
Sonde NNTS
INN stand in cps
CAL-3'' in inch
z in m
0
1
2
3
4
200
400
600
NKL filt in %
NKL in %
800 1000 1200
0
5
10
15
20
25
30
0
0
0
0
0
2
2
2
2
4
4
4
4
6
6
6
6
8
8
8
8
10
10
10
10
12
12
12
12
14
14
14
14
16
16
16
16
18
18
18
18
20
20
20
20
22
22
22
22
24
24
24
24
26
26
26
26
28
28
28
28
30
30
30
30
32
32
32
32
34
34
34
34
36
36
36
36
38
38
38
38
40
40
40
40
42
42
42
42
44
44
44
44
46
46
46
46
48
48
48
48
0
1
2
3
4
200
400
600
800 1000 1200
0
5
10
15
20
25
30
5
10
15
20
25
Rohr
VR
Hamming M = 5
Gn
stkl
Gn
mkl
?
KL
neu
Gn
swkl
3.5%
0
5
10
15
20
25
Akustiklog - Messgrößen
Geschwindigkeit v (m/s, km/s), Longitudinalwelle, Transversalwelle vP , vS
Slowness (Langsamkeit) ∆t = auf die Längeneinheit von 1m bezogene
Laufzeit (µs/m),
Streuung = f (Gesteinsaufbau, Mehrphasensystem).
vP in m / s
0
2000
6000
4000
8000
Kristalline Gesteine
-sauer
-basisch
Metamorphe Gesteine
Sedimentgesteine
-Anhydrit
-Dolomit
-Kalkstein
-Sandstein
-Schluffstein,Shale
Lockergesteine
-wassergesättigt
-trocken, feucht
1000
400 300 250
200
dtP in µs / m
150
Akustiklog (aktives Bohrlochmessverfahren)
Laufzeitmessung von Ultraschallwellen,
Einsatz: meist offenes Bohrloch.
Sondenaufbau
Mehrere US-Sender (S), Frequenzbereich: kHz,
Mehrere US-Empfänger (E),
Einfachste Akustiklog-Sonde: 1 S; 2 E
Eliminierung des Einflusses der Bohrspülung durch
Laufzeitdifferenzmessungen t (E2) – t (E1) bei konstantem Kaliber,
Fehlerquelle.
Messdaten: Laufzeiten, Wellenbilder (full waveform)
Akustiklog 2-Empfänger-Sonde und Wellenbilder
zentrisch geführte Sonde
E2
vmm vFormation
Formation
i
E1
S
vFormation = [t (E2) - t (E1)] / E1E2
L = E1E2 - Spacing
vFormation =
E1E 2
t ( E 2) − t ( E1)
Wellentypen und Strahlenwege (zylindrisches Bohrloch)
Spülungswelle, direkte Welle mit vm ,
nicht erkennbar (Interferenz mit S - Welle),
Kopfwellen, refraktierte Wellen (vP , vS ) entlang der Bohrlochwand,
wenn vP , vS > vm , Winkel der Totalreflexion i : sin i = vm / vFormation
Pseudo-Rayleigh-Welle PsR und Stoneley-Welle St,
elliptisch polarisierte Grenzflächenwellen entlang der Bohrlochwand.
P - Welle: kürzeste Laufzeit, geringe Amplitude,
S - Welle: etwa gleiche Laufzeit wie PsR - Welle,
PsR - Welle: Dispersion (frequenzabhängige Geschwindigkeit),
St - Welle: große Laufzeit, niederfrequent mit großer Amplitude.
Full-Wave-Sonic-Sonde (Robertson Geologging) FWSS
S2
Slowness:
71 cm
∆t P = (t2 + t3 ) − (t1 + t4 )
Geschwindigkeit der P - Welle:
106
vP =
∆t P
t4
E2
t2
Spacing
L = 40 cm
E1
S1
∆t P − µ s / m
vP − m / s
vP
t3
Amplitude
t1
71 cm
ti − µ s
P
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
Wellenzug
Registrierzeit: t = 0 … 1920 µ s,
Abtastintervall: 4 µ s ,
Tiefenauflösung: z = 20cm,
Spurendarstellung.
St
S
S; PsR
Bhrg FG 3
z = 41.1m,
S1 - E1
0
200
400
600
800
1000
t in µs
1200
1400
1600
1800
2000
Sonde FWSS
MCAL_Abw. in inch
z in m
0
0.5
1
1.5
2
dtP in µs/m
tP in µs
2.5
150
300 400 500 600 700 800 900
0
0
0
2
2
2
4
4
6
6
8
8
8
10
10
10
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
20
20
20
22
22
22
24
24
24
26
26
26
28
28
28
30
30
30
32
32
32
34
34
34
36
36
36
38
38
38
40
40
40
42
42
42
44
44
44
46
46
46
48
48
48
0
0.5
1
1.5
2
2.5
200
250
300
350
4
t1+ t4 t2+ t3
6
300 400 500 600 700 800 900
Rohr
VR
ab 16 m gestört,
ausgeschlagenes BL
Gn
stkl
?
Gn
mkl
KL
Gn
swkl
150
200
250
300
350
Zeitmittelgleichung
Verfestigte tonfreie Sedimente:
∆t = (1 − Φ )∆t F + Φ∆t P = ∆t F + Φ (∆t P − ∆t F )
1 1− Φ Φ
=
+
v
vF
vP
v, ∆t - gemessene Geschwindigkeit bzw. Laufzeit pro m,
vF , ∆t F - Geschwindigkeit bzw. Laufzeit der porenfreien Festsubstanz,
vP , ∆t P - Geschwindigkeit bzw. Laufzeit des Porenfluids.
vF , ∆t F - ???, ???
vP , ∆t P - vP (Wasser) = 1500 m/s, ???
Sonde FWSS
MCAL_Abw. in inch
z in m
0
0.5
1
1.5
2
2.5
150
200
250
SKL in %
vP in m/s
dtP in µs/m
300
350
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
1500 2500 3500 4500 5500 6500
0
0
0
0
2
2
2
2
4
4
4
4
6
6
6
6
8
8
8
8
10
10
10
10
12
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
18
20
20
20
20
22
22
22
22
24
24
24
24
26
26
26
26
28
28
28
28
30
30
30
30
32
32
32
32
34
34
34
34
36
36
36
36
38
38
38
38
40
40
40
40
42
42
42
42
44
44
44
44
46
46
46
46
48
48
48
48
0
0.5
1
1.5
2
2.5
150
200
250
300
350
gestört
16 m
1500 2500 3500 4500 5500 6500
14
16
vp(F) = ???? m/s
Rohr
VR
dtP(F) = ???.? µs/m
Gn
stkl
Fehlerquelle:
kein glattes BL
?
Gn
mkl
KL
Gn
swkl
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Lithologie Bohrung FG-3
CAL_Abw. in inch
z in m
0.01
0.1
1
NNTS INN stand in cps
FDGS HRD in cps
1200
5
1600
2000
2400
200
600
1000
ELGG SPR in ohm
FWSS dtP in µs/m
160
1400
200
240
280
0
800
1600
2400
0
0
0
0
0
2
2
2
2
2
4
4
4
4
4
6
6
6
6
6
8
8
8
8
8
8.9 m
10
10
10
10
10
12
12
12
12
Gn
stkl
14
14
14
14
16
16
16
16
16
18
18
18
18
18
20
20
20
20
20
22
22
22
22
22
24
24
24
24
24
26
26
26
26
26
28
28
28
28
28
30
30
30
30
30
32
32
32
32
32
33.0 m
34
34
34
34
34
36
36
36
36
36
Gn
swkl
38
38
38
38
38
40
40
40
40
40
42
42
42
42
42
44
44
44
44
44
46
46
46
46
46
48
48
48
48
48
0.01
0.1
1
5
1200
1600
2000
2400
200
600
1000
1400
200
240
6.0 m
12
gestört
Bohrung
160
VR
14
280
19.0 m
20.0
22.6
Gn
mkl
28.4
KL
37.0
41.0
?
0
800
1600
2400
44.2
z in m
Klütigkeit Bohrung FG-3
CAL_Abw. in inch
0.01 0.1
1
DKL filt in %
5
0
5
10
15
NKL filt in %
20
0
5
10
15
SKL in %
20
0
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
10
10
12
12
12
12
z = 20 - 45 m
n = 251
Min: -0.93 - dF ?
Max: 10.4
Mean: 3.6
SD: 1.74
0
5
10
15
EKL in %
20
0
z = 20 - 45 m
n = 251
Min: 1.8
Max: 19.1
Mean: 5.8
SD: 2.81
2
4
6
8
0
5
10
15
EKL in %
20
0
z = 20 - 45 m
n = 251
Min: -0.94 - vF ?
Max: 19.5
Mean: 3.6
SD: 4.0
2
4
6
8
5
10
15
20
0
z = 20 - 45 m
n = 251
Min: 1.7
Max: 12.3
Mean: 3.9
SD: 2.23
2
4
6
8
10
gestört
Bohrung
0
z = 20 - 45 m
n = 251
Min: 0.9
Max: 8.4
6.0 m
Mean: 3.4
SD: 1.72
8.9 m
2
4
6
8
Ra (LONO)
10
Ra (SHNO)
12
12
14
14
Gn
stkl
14
14
14
14
16
16
16
16
16
16
18
18
18
18
18
18
20
20
20
20
20
20
22
22
22
22
22
22
24
24
24
24
24
24
26
26
26
26
26
26
28
28
28
28
28
28
30
30
30
30
30
30
32
32
32
32
32
32
33.0 m
34
34
34
34
34
34
36
36
36
36
36
36
Gn
swkl
38
38
38
38
38
38
40
40
40
40
40
40
42
42
42
42
42
42
44
44
44
44
44
44
46
46
46
46
46
46
48
48
48
48
48
48
0.01 0.1
1
5
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
0
5
10
15
20
VR
19.0 m
?
20.0
22.6
Gn
mkl
28.4
KL
37.0
41.0
?
0
5
10
15
20
44.2