Ein Vergleich für ozeanische und kontinentale - LIAG

Porositätsbestimmung aus Bohrlochmessungen –
Beispiele für die Anwendung von Standardverfahren
in ozeanischer und kontinentaler Kruste
D. Frese1 , A. Bartetzko und J. Wohlenberg, Lehr- und Forschungsgebiet für Angewandte Geophysik, RWTH
Aachen, Lochnerstr. 4-20, 52056 Aachen .1aktuelle Adresse: Baker Atlas, P.O. Box 8786, Abu Dhabi, United
Arab Emirates.
Geophysikalische Bohrlochmessungen erfassen eine Vielzahl physikalischer und chemischer Parameter, die quasi-kontinuierlich und unter in-situ Bedingungen ermittelt werden. Ein
wichtiger Parameter ist die Porosität, deren Kenntnis für viele Fragestellungen entscheidend
ist. Die exakte Bestimmung der in-situ Porosität aus geophysikalischen Messungen ist nicht
direkt möglich. Sie muß aus anderen Parametern abgeleitet werden. Im Laufe der Zeit wurden
hierfür eine Vielzahl von Verfahren entwickelt.
In dieser Studie werden einige dieser Standardverfahren zur Porositätsberechnung auf
mehrere Bohrungen in unterschiedliche Lithologien angewendet. Es wird geprüft, welchen
Einfluß die Lithologie und Struktur auf die Nutzbarkeit der einzelnen Verfahren haben. Ziel
ist nicht die exakte Modellierung der Porosität, sondern ein Test der Anwendbarkeit dieser
Methoden für einen Überblick. Zu bedenken ist, daß die zugrundeliegenden Bohrlochmeßverfahren je nach Meßmethode auf unterschiedliche Eigenschaften sensibilisiert und unterschiedlichen Störeffekten unterworfen sind.
Bestimmung der Porosität
Zur Porositätsbestimmung im Bohrloch kann die Messung der Neutronenporosität herangezogen werden. Der Neutronenporositätsindex, kurz als Neutronenporosität bezeichnet, charakterisiert die Reaktion einer Formation auf eine Bestrahlung mit Neutronen. Die Logantwort
ist eine Funktion des Gesamtwasserstoffgehaltes einer Formation. Dieser steht unter idealen
Bedingungen in direktem Zusammenhang mit der Porosität. Die Messung reagiert nicht nur
auf im Porenraum und in Klüften vorhandenen Wasserstoff, sondern z. B. auch auf das Vorhandensein von Tonmineralen, die Wasser an- und einlagern. Zudem können die Meßwerte
durch das Vorhandensein starker Neutronenabsorber beeinträchtigt werden. Die Neutronenporosität ist somit in vielen Fällen als scheinbare Porosität zu betrachten.
Die Dichtemessung erfaßt sowohl die Gesteinsmatrix als auch den Porenraum mit seinen
Füllungen. Daher kann bei bekannter Matrixdichte und Porenfüllung aus den Dichtedaten die
Porosität ermittelt werden: φ = (ρmatrix - ρLog)/( ρmatrix - ρfluid ), mit φ= Porosität, ρLog = Gesamtdichte (Logantwort), ρmatrix= Matrixdichte und ρfluid = Fluiddichte.
Der Porositätsbestimmung aus dem spezifischen elektrischen Formationswiderstand liegt
ein empirischer Zusammenhang zugrunde, der erstmals von Archie (1942) anhand von Labordaten ermittelt wurde: φ = m
RLog
a
mit φ = Porosität, RLog = Formationswiderstand
/ R fluid
30
(Logantwort), Rfluid = Fluidwiderstand, m = Zementationsfaktor, a = Koeffizient.
Standardmäßig werden die Werte a = 2 und m = 1 eingesetzt.
Ebenso ist das time-average Verhältnis (Wyllie et al., 1962) ein empirischer Zusammenhang, der Kompressionswellengeschwindigkeit und Porosität in Beziehung setzt.
t SonicLog − t matrix
1
1
1
1
φ=(
−
)/(
−
)=
mit φ = Porosität, v SonicLog = gemesv SonicLog v matrix
v fluid v matrix
t fluid − t matrix
sene Geschwindigkeit der P-Welle (Logantwort), v matrix = Geschwindigkeit der P-Welle in der
Matrix, v fluid = Geschwindigkeit der P-Welle im Fluid, t SonicLog = gemessene Laufzeit der PWelle (Logantwort), t matrix = Laufzeit der P-Welle in der Matrix und t fluid = Laufzeit der PWelle im Fluid.
Beispielhaft werden hier Porositätsberechnungen für vier verschiedene Bohrungen in
unterschiedliche geologischen Umgebungen diskutiert. Es handelt sich um die ODP (Ocean
Drilling Program) Bohrung 866A (zentraler Pazifik), die Flachwasserkarbonate durchteuft.
Weiterhin um die ODP Bohrung 642E (Nordatlantik), in der subaerische basaltische Lavaströme angetroffen werden und die ODP Bohrung 395A (Mittelatlantik), die submarin ausgeflossene Pillowbasalte durchörtert. Die kontinentale Bohrung GPK1 (Soultz-sous-Forêts,
Nordelsaß) wurde in Granite abgeteuft. Für alle Bohrungen erfolgte die Porositätsberechnung
mit den genannten Standardverfahren. Abbildung 1 zeigt die berechneten Porositäten im Vergleich zur Neutronenporosität.
Ergebnisse und Interpretation
In den Flachwasserkarbonaten der Bohrung 866A liefern alle Verfahren sinnvolle Ergebnisse. Dies zeigt sich in den Crossplots in Abb. 1 in der sehr guten Übereinstimmung der
Neutronenporosität mit der aus Dichte- und Widerstandsmessungen berechneten Porosität.
Einzige Ausnahme stellt die aus der P-Wellengeschwindigkeit berechnete Porosität dar, die
aufgrund von Qualitätsproblemen mit dem Sonic-Log Abweichungen zeigt. In der Bohrung
642E sind insgesamt sehr gute Korrelationen zwischen den verschiedenen Verfahren zu
beobachten. Es tritt aber ein systematischer Versatz der Neutronenporosität zu höheren Werten auf. Dies ist zum einen auf die Anwesenheit von Neutronenabsorbern im Basalt zurückzuführen (Lysne, 1989), zum anderen auf die Anwesenheit großer Mengen von Hydroxylgruppen-führenden Alterationsmineralen (Broglia & Ellis, 1990) in diesen Gesteinen. Die verschiedenen Verfahren zeigen in den submarinen Pillowbasalten der Bohrung 395A zwar Korrelationen, liefern aber je nach Auflösungsvermögen des verwendeten Tools unterschiedliche
Wertebereiche. Auch hier beeinflußt die Anwesenheit von Neutronenabsorbern und vor allem
ein hoher Anteil an Alterationsmineralen die Neutronenporosität. Die Ergebnisse sind eher
qualitativ verwendbar. In den kontinentalen Graniten der Bohrung GPK1 liefern zwar alle
Verfahren ähnliche Werte und zeigen auch gute Korrelationen miteinander, die Ergebnisse
sind aber auch hier eher qualitative Indikationen für Kluftzonen.
Folgende Einschränkungen werden für die diskutierten Bohrungen sichtbar: Die Neutronenporosität wurde an Kalksteinen kalibriert. Dies erklärt die gute Übereinstimmung aller
Verfahren in den Flachwasserkarbonaten der Bohrung 866A. In magmatischen Gesteinen
können durch den wesentlich höheren Neutroneneinfangsquerschnitt (Lysne, 1989) sowie
31
durch Hydroxylgruppen-führende Alterationsminerale erhebliche Abweichungen entstehen.
Eine Porositätsberechnung aus der Dichte und der Schallwellengeschwindigkeit kann nur bei
einheitlichem Bohrlochkaliber und relativ konstanten Matrixparametern durchgeführt werden.
Je geringer die Porosität eines Gesteins, desto wichtiger ist der Einsatz korrekter Matrixparameter. Die Berechnung der Porosität aus dem spezifischen elektrischen Widerstand erweist
sich als ein gut geeignetes Verfahren. Der Einfluß von Tonmineralen ist bei niedrigen Temperaturen nicht hinderlich. Die Verwendung der Standardparameter a=1 und m=2 gibt einen
ersten Eindruck.
Die Anwendbarkeit der Verfahren ist auch von der Größe und der Struktur des Porenraums
abhängig. Grundsätzlich sind die Verfahren um so erfolgreicher, je größer der Anteil des
Porenraums ist, und je homogener dieser aufgebaut ist. Da alle Verfahren für Sedimentgesteine entwickelt wurden, ist ein Porenraum der vor allem durch intergranulare Porosität aufgebaut wird, der günstigste Fall. Hier können alle Verfahren problemlos angewendet werden.
Dies gilt für die Bohrung 866A. Strukturelle Ähnlichkeiten mit Sedimentgesteinen liegen im
Aufbau des Porenraums der subaerischen Basalte (Bohrung 642E) vor, hier wird Porenraum
vor allem durch verbundene Vesikel gebildet. Auch in diesem Gestein kann die Porositätsberechnung aus Dichte- Widerstands- und Laufzeitdaten angewendet werden. Junge ozeanische
Kruste, wie sie in den Bohrungen 395A durchteuft wird, ist für die Porositätsbestimmung
aufgrund ihrer Inhomogenität der schwierigste Fall. Eine geringe Matrixporosität ist verbunden mit einer größeren Interpillowporosität und einer sehr großen Kluftporosität. Die Verfahren sind geeignet, eine qualitative Beurteilung vorzunehmen. Kristalline Gesteine, wie die
Granite der Bohrung GPK-1 besitzen eine sehr geringe Matrixporosität. Diese steht im Kontrast zu großen Porositäten aufgrund von Kluft- und Störungszonen. Im ungestörten Gestein
ist eine Porositätsabschätzung aus den verschiedenen Verfahren schwierig, da die Unterschiede zwischen den einzelnen Verfahren teilweise in der Größenordnung der Gesamtporosität liegen. Zudem ist bei geringen Porositäten der Einfluß von Matrixdichte und -geschwindigkeit sehr groß.
Insgesamt bieten die Standardverfahren zur Porositätsberechnung auch in kristallinen
Gesteinen eine gute Möglichkeit, Aussagen über Größe und Struktur des Porenraums sowie
das Vorhandensein von Kluftzonen zu treffen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn alle
Verfahren vergleichend angewendet werden. Eine kritische Betrachtung der Ergebnisse vor
dem geologischen Hintergrund ist unerläßlich, um die Verwendbarkeit der Verfahren sowie
die Güte der Berechnung beurteilen zu können.
Literaturverzeichnis
Archie, G.E. (1942). The electrical resistivity log as an aid in determining some reservoir characteristics. Pet. Tech.,5, pp. 18.
Broglia, C. & Ellis, D. (1990). Effect of alteration, formation absorption, and stand-off on the response of the thermal neutron
porosity log in gabbros and basalts: examples from Deep Sea Drilling Project-Ocean Drilling Program Sites. J. Geophys.
Res., 95, pp. 9171-9188.
Lysne, P. (1989). Investigation of neutron-porosity log uncertainties: Ocean Drilling Program Hole 642E. In: Eldholm, O.,
Thiede, J., Taylor, E., et al. Proc. ODP. Sci. Res. College Station, TX (Ocean Drilling Program), 104, pp. 973-977.
Wyllie, M.R.J., Gregory, A.R. & Gardner, G.H.F. (1956). Elastic wave velocities in heterogeneous and porous media.
Geophysics, 21, pp. 41-70.
32
Abb. 1: Vergleich von Porositäten, die für verschiedene Umgebungen mit unterschiedlichen Methoden aus
Bohrlochmessungen ermittelt wurden. In Flachwasserkarbonaten liegen gute Übereinstimmungen
zwischen den verschiedenen berechneten Porositäten vor, da die Randbedingungen für die Anwendung
der Verfahren eingehalten werden. Im Kristallingestein herrschen abweichende Bedingungen vor und
die mit verschiedenen Verfahren ermittelten Porositäten zeigen Abweichungen voneinander.
33