r - TU Freiberg

Gliederung LV Bohrlochgeophysik
Gegenstand und Anwendungsbereiche der Bohrlochgeophysik
Bohrlochmesstechnik
Bestandteile einer Bohrlochmessapparatur,
Messbedingungen,
Radiales und vertikales Auflösungsvermögen,
Messwertgewinnung und Darstellung, Bohrlochplots.
Bohrlochmessverfahren
Elektrische und elektromagnetische Verfahren,
Magnetische Verfahren,
Radiometrische und kernphysikalische Verfahren,
Akustische (seismische) Messverfahren,
Temperaturmessung,
Flowmetermessung,
Kalibermessung und Messung des Bohrlochverlaufes,
Optische Bohrlochuntersuchungen (Bohrlochfernseher).
Bearbeitung, Interpretation von geophysikalischen Bohrlochmessungen
Lithologie, Schichtgrenzenbestimmung,
Gesteinskennwerte (quantitative Interpretation), Tongehalt, Porosität,
Sättigung des Porenraumes, Permeabilität usw.,
Anwendungsbeispiele.
Literatur
FRICKE, SCHÖN: Praktische Bohrlochgeophysik.
ENKE-Verlag, Stuttgart, 1999, mit umfangreichem Literaturverzeichnis,
KTB REPORTS: Berichte Bohrlochgeophysik zur kontinentalen Tiefbohrung.
The Log Analyst: Zeitschrift mit neuesten Entwicklungen in der
Bohrlochgeophysik.
Praktika (PVL : 2 Protokolle)
Bohrung FG-3,
Modelltrog.
Material zur Vorlesung und Praktika (pdf-Format)
www.geophysik.tu-freiberg.de/Mitarbeiter/Rolf Käppler/Bohrlochgeophysik
www.geophysik.tu-freiberg.de/~kaeppler/Bohrloch
Vorlesung (wird aktualisiert)
Einführung,
Bohrlochgeometrie,
Bohrlochinhalt usw.
Modulnote: arithmetisches Mittel aus Klausurnote (90 min) und PVL
Aufgabenstellungen der Bohrlochgeophysik
Dokumentation des Bohrprofils mit physikalischen Messgrößen:
Lithologie, Schichtgrenzen,
Korrelation von Schichtprofilen in einem Untersuchungsgebiet:
Typische Kurvenindikationen, Korrelation von Leithorizonten,
Ableitung von 2D- und 3D-Modellen,
Quantitative Bestimmung von Gesteinsparametern:
Porosität, Sättigungsverhältnisse im Porenraum, Permeabilität,
hydrogeologische und geotechnische Kennwerte (E, µ),
Aussagen zur stofflichen und mineralogischen Zusammensetzung der
Festsubstanz (Matrix),
Bestimmung von kleinräumigen Strukturelementen,
Schichtmerkmalen und Klüften (cm-Bereich),
Quantitative Bestimmung von Kennwerten des Bohrlochfluids:
Temperatur, elektrische Leitfähigkeit und Fluidbewegungen,
Dokumentation und Überwachung des technischen Zustandes von
Bohrungen, Brunnen, Pegel:
Hydraulische Funktion, Ausbau,
Kontrolle und Monitoring (zeitliche Beobachtung) von Abbau- bzw.
Förderprozessen,
Verknüpfung mit oberflächengeophysikalischen Messungen,
z. B. seismische Erkundung von KW-Lagerstätten.
Einsatzgebiete der Bohrlochgeophysik
Kohlenwasserstofferkundung,
Bau geologischer Einheiten (z.B. Maarstrukturen),
Rohstofferkundung (Baurohstoffe, Erz- und Kohlelagerstätten),
Wasser- und Umweltfragen (Kontaminationen),
Geotechnik und Ingenieurgeologie (Baugrund),
Geothermische Energiegewinnung,
Erkundung von Wirtgesteinen für radioaktive Endlager,
Einsatz in Forschungsbohrungen:
KTB – Kontinentale Tiefbohrung der BRD,
ODP – ocean drilling program,
ICDP – international continental drilling program.
Erkundung von KW - Lagerstätten
1. Erkundungsphase
Oberflächengeophysik
2. Erkundungsphase
Bohrlochgeophysik
Seismik, Elektromagnetik, Gravimetrie, Magnetik
Elektrische, radioaktive, seismische BL-Verfahren
Prospektion: A = A(x, y, z0 , t)
Sensoren: EO, Wasser, Luft (marine- und Aerogeophysik)
Bohransatzpunkt (x0, y0, z0), Nadelstich:
Sensoren in der Formation: A = A(z, t)
Vertikale und laterale Auflösung nimmt mit der Tiefe ab
Hohe vertikale Auflösung dz, geringe laterale
Wirkungstiefe
2D-, 3D-Modellierung, petrophysikalisches Modell
Detaillierte Aussagen zur Lithologie und
Kennwertsituation(Porosität, Sättigung)
Empirische Beziehungen
Höffige Strukturen für KW-Stoffe, Bohransatzpunkt
Widerstand Dichte
A
Φ1 ,SGas,1
Φ2 ,SGas,2
z
dz1 Gas
dz2 Gas
Bohrlochinhalt: Eigenschaften, Bewegung
Bohrlochausbau:
- Geometrie, Eigenschaften des Ausbaus,
- Korrosion,
- Bindung Rohr - Zement,
- Bindung Zement - Gebirge.
Bohrloch:
- Bohrlochdurchmesser (Kaliber),
- Bohrlochverlauf,
- Bohrlochwand (Kontur, Eigenschaften),
- Klüfte, Kluftparameter.
z1
S
S
z2
Gebirge, Formation:
- Schichtgrenzen, Tiefe, Raumlage,
- Schichtmächtigkeit,
- Lithologie: Gesteinsart,
- Gesteinseigenschaften: Porosität, Tongehalt,
- Poren- bzw. Kluftinhalte: Sättigungsverhältnisse,
- Radiale Änderungen der Gesteinseigenschaften, Infiltration,
- Zeitliche Änderungen des Poreninhaltes,
- Druckverhalten.
Kluftzone
Zielbereiche der Bohrlochgeophysik
Filterkuchen
Infiltrationszone
z
Geophysikalische Bohrlochmessanlagen
Tragbare Bohrlochmessapparaturen; Tiefe: bis 300 m, Flachbohrungen:
Wasser-, Umwelt- und geotechnisch-geologische Probleme,
Untertageeinsatz: Steinkohle- bzw. Salzbohrungen.
Auf Kleintransportern installierte Bohrlochmessapparaturen;
Tiefe: 300 bis 2000 m, Flach-,Tiefbohrungen:
Wasser-, Umwelt- und geotechnisch-geologische Probleme,
Rohstoff- und Mineralerkundung.
Institut f. Geophysik: ROBERTSON Geologging (GB), 1995,
Kabellänge: 500 m,
Bohrlochmessapparaturen für Tiefen bis ca. 7000 ...8000 m,
Tiefbohrungen,
Kohlenwasserstoffexploration auf dem Festland und im offshoreBereich.
Stationäre Bohrlochmessapparaturen für Forschungsbohrungen (KTB).
Tiefbohrungen bis 8 km
Flachbohrungen bis 1 km
Robertson Geologging
1970 ... 1980
Analoge BL-Messapparaturen
Digitale BL-Messapparaturen
Sensor in der Sonde:
Analoges Spannungssignal U = f (A),
A - Physikalischer Messwert
Analoge Übertragung U = f (A; z)
über das Messkabel
Kalibrierung A = f (U)
A = f (z)
A
Analogausdruck
AD-Wandler in der Sonde
U in cps
Induktive, magnetische Triggering dz
über Tiefengeber an der Umlenkrolle
Digitale, binärcodierte Übertragung
von U = f (A; z) über das Messkabel
Kalibrierung A = f (U)
Registriereinheit: A = f (z)
Analogdarstellung - Bildschirm
Speicherung: "...".log
A
Interpretation
Mathematische Bearbeitung,
Interpretation
z
z2
z1 dz = 1 - 10cm
z
Bestandteile einer Bohrlochmessausrüstung
Registriereinheit
Steuerung des Messvorganges,
Energieversorgung der Sonde über das Kabel,
Aufnahme, Darstellung und Speicherung der Messwerte,
Formationsparameter, Fahrgeschwindigkeit, Zugspannung des
Kabels.
Bohrlochmesskabel
Mechanische Halterung der Sonde,
Stromversorgung der Sonde,
Messwertübertragung,
Tiefenposition der Sonde.
Messsonde mit Sensoren
Passive geophysikalische Messung
Natürlich vorhandene physikalische Parameter,
Temperatur, natürliche Radioaktivität, elektrisches Eigenpotential.
Aktive geophysikalische Messung
Geber: Einspeisung eines physikalischen Feldes oder einer
Teilchenstrahlung,
Empfänger: Messung der physikalischen „Antwort“ der Formation,
Elektrische Widerstandsmessungen, Gamma-Gamma-Dichtemessung.
Geometrische Größen des Bohrlochs
Kaliber, Neigung und Richtung.
Multisonden (Mehrkanalsonden)
Simultane Registrierung von mehreren physikalischen, geochemischen
und geometrischen Größen während einer Sondenfahrt.
Sondenposition im Bohrloch
Freihängende Sonde (Widerstandssonden),
Zentrisch geführte Sonde (Akustiksonden),
Angedrückte Sonde (sidewall - Sonden, Gamma-Gamma-Dichtesonde).
Praktikum: Bohrung FG-3
Multisonde: Elektrische Sonde ELGG, Robertson Geologging,
Sondenlänge: 2.50 m; Durchmesser: 44 mm; T(max): 70°C,
Messung: Aufwärtsfahrt (up); freihängend,
5 Kanäle
NGAM: Natürliche Gamma-Strahlung (natural gamma), passiv,
SP: Natürliches Eigenpotential (self potential), passiv,
SPR: Ohmscher Übergangswiderstand (single point resistivity), aktiv,
SHNO: Scheinbarer spezifischer elektrischer Widerstand, kleine
Normale (short normal), aktiv,
LONO: Scheinbarer spezifischer elektrischer Widerstand, große
Normale (long normal), aktiv.
Neue Entwicklungen in der Bohrlochgeophysik
Messung während des Bohrprozesses
Measurement While Drilling MWD: Bestimmung von petrophysikalischen
Parameter, Bohrdaten und Bohrlochverlauf,
Logging While Drilling LWD: Messung petrophysikalischer Parameter.
Einbau von Sensoren hinter der Bohrkrone,
Datenübertragung über Bohrspülung, Wandlung elektrischer Signale in
Druckimpulse.
Ziele
Kontrolle und Beeinflussung des Bohrvorganges,
Richtung von Horizontalbohrungen,
Position der Bohrkrone in der Speicherformation.
Schnellanalyse von Formationsparametern (Porosität, Sättigung) vor
Verdrängung des Porenfluids durch das Spülungsfiltrat,
Untersuchung der Infiltration nach dem Bohren,
Kombination LWD und Bohrlochmessung (wireline logging) in der
fertiggestellten offenen Bohrung.
Messbedingungen
Einflussgrößen auf das Sondensignal bei geophysikalischen
Bohrlochmessungen:
Physikalische Eigenschaften des durchteuften Gebirges (geologische
Formation),
Bohrlochgeometrie (Kaliber, Beschaffenheit der Bohrlochwand,
Ausbrüche, Kavernen, Kaliberverengungen),
Eigenschaften des Fluids in der Bohrung (Wasser, Luft, Spülung) und
Infiltrationsverhältnisse,
Eigenschaften des Ausbaus (Verrohrung, Zementation, Hinterfüllung),
Druck- und Temperaturverhältnisse,
Position der Sonde im Bohrloch (zentrisch, gedrückt).
Bohrlochtypen
Offenes Bohrloch ohne Infiltration
Impermeables Gestein: Magmatite, Metamorphite,
Bohrung FG-3: Freiberger Graugneis.
Offenes Bohrloch mit Infiltration
Permeables Gestein: Sedimentite, Sedimente,
Eindringen der Spülung in die Formation und Verdrängung des
Porenfluids:
Bohrlochwand: Filterkuchen,
Geflutete Zone: Spülungsfiltrat,
Übergangszone (teilweise geflutete Zone): Spülungsfiltrat und
Porenfluid,
Ungestörtes Gebirge,
Ausgebautes (verrohrtes) Bohrloch
Spülung – Verrohrung – Zement – Gebirge.
Bearbeitung bohrlochgeophysikalischer Primärdaten
Messwert = f (Bohrloch, Bohrlochumgebung, Schichtenfolge)
Inhomogene Verhältnisse: petrophysikalische Parameter sind
ortsabhängig,
Messwert = „Scheinbarer“ physikalischer Kennwerte für den
erfassten radialen Bereich.
Bearbeitung der Messwerte
Ermittlung „wahrer“ physikalischer Kennwerte, die sich auf
homogene Bereiche (Infiltrationszone, ungestörtes Gebirge)
beziehen,
Ra = f ( AB / 2)
Widerstandstiefensondierung: Messung:
Modellierung: Ri ; hi −1
Infiltrationszone in porösen permeablen Gesteinen
Vertikales Bohrloch
Horizontale Schichten
Zylindersymmetrie
Abgelenkte Bohrung
Horizontalbohrung
Speichergestein
S1
S2
Bohrung mit
Spülung
S3
Infiltrationszone
dm < dp
Formation
Horizontalschnitt
symmetrische Infiltrationszone
dm > dp
Vertikalschnitt
asymmetrische Infiltrationszone
dm - Dichte Spülungsfiltrat
dp - Dichte Porenfluid
Poröse, hochpermeable Gesteine:
Infiltrationstiefe gering,
Blockierung der Infiltration durch Filterkuchenaufbau.
Radiale und vertikale Sondencharakteristik
Radiales und vertikales Auflösungsvermögen (Sensitivität)
Radiales Auflösungsvermögen: Vermögen einer Messkonfiguration, radiale
Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu erkennen
und abzugrenzen.
Vertikales Auflösungsvermögen: Fähigkeit eines Verfahrens, Schichten mit
bestimmten physikalischen Kontrasten voneinander exakt abzugrenzen und
ihre Lage teufenmäßig zu bestimmen.
Einflussfaktoren auf das radiale und vertikale Auflösungsvermögen
Sondenspacing L
L = G - E – Abstand (aktive Verfahren) bzw.
Abmessungen des Detektors,
Kaliber und physikalische Spülungseigenschaften,
Physikalische Eigenschaften und Tiefe der Infiltrationszone,
Physikalische Formationsparameter.
Integraler und differentieller radialer Sondenfaktor G (r) und g (r)
Aktive Sonde mit Geber G und Empfänger E, Spacing L
Zylinderring mit differentiellen Radius dr → differentieller Beitrag dG
zum Messsignal,
für einen Zylinder mit dem Radius r folgt das Messsignal G(r) durch
Integration,
Integraler radialer Faktor G(r) = Messwertanteil für einen
Zylinderring mit r.
1
G(r)
0.8
E2
E1
L1
0.6
G(r)
L2
r → ∞; G (r ) = 1
r
0.4
dr
0.2
G
0
0
0.2
0.4
0.6
r in m
0.8
1
Radiale Eindringtiefe
Nukleare Verfahren: Radius für G(r) = 0.9
Widerstandsmessungen: Radius für G(r) = 0.5
1
Kleine Normale SHNO: L1 = 16“
Große Normale LONO: L2 = 64“
LONO
G(r)
SHNO
G2 (r)
G1 (r)
0.5
g1 (r)
g2(r)
r
0
r1 ∼ L1
BL
Infilt.
r2 ∼ L2
Formation
dG (r )
dr
ist die Gewichtsfunktion der Sonde hinsichtlich der Beiträge zum
Messwert.
Differentieller radialer Faktor: g ( r ) =
Annahme: Homogenität der Bohrlochumgebung
Die Funktionen G (r), g (r) sind nur vom Sonden(Geometrie)parameter
L abhängig,
Bei radialer Inhomogenität:
Die Funktionen G (r), g (r) sind auch von den physikalischen
Parametern der Bohrlochumgebung abhängig:
Pseudogeometrische Faktoren.
Integraler und differentieller vertikaler Faktor G(z) und g(z)
Beschreibung der Messwertänderung beim Durchfahren einer
Schichtgrenze.
Vertikales Auflösungsvermögen
Abstand dz zwischen den Werten G(z) = 0.1 und G(z) = 0.9
1
G(z)
z
E
dz
L
G
G(z), g(z)
0.8
0.6
0.4
0.2
dz
0
z
g(z)
Messverfahren
Vertikales Auflösungsvermögen
in cm
Formation Microscanner
0.5
Microlog
5 ... 10
Microlaterolog
10
Gammalog
20 ... 30
Laterolog
60 ... 75
Inductionlog (deep)
120
SP-Log
150
γ - γ - Dichtelog
46 ... 60
n - n - Neutronlog
46 ... 60
Akustiklog
60