( Auflösung im 10 – 1 Meterbereich) ist die Auflösung bei Bohrloch
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Seismik und Bohrlochmessungen 1. Im Vergleich zur Seismik ( Auflösung im 10 – 1 Meterbereich) ist die Auflösung bei Bohrlochmessungen deutlich höher (0.1-0.001 Meterbereich) 2. Mit Bohrlochmessungen werden aber nur Informationen in der Nähe der Bohrung gewonnen 3. Bohrlochmessungen ermöglichen die Transformation seismischer Abbilder in Bilder physikalischer bzw. abgeleiteter Parameter 4. Ein direkter Bezug zur Seismik ergibt sich durch eine spezielle Bohrlochmessung: Vertical Seismic Profiling (VSP) 5. Seismik und Bohrlochmessungen sollten als sich ergänzende Messverfahren angesehen werden Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 2 Bohrlochmessgeräte (logging system) Tool (Bohrlochmesssonde) 1. Source (passive = no source) 2. Sensor 3. Analog electronics 4. Analog-to-digital conversion (ADC) 5. Data acquisisition and tool control (microprocessor, DSP) 6. Data compression 7. Data communication 8. Power supply Logging Unit (Logging Truck) 1. Cable head 2. Cable (standard cable length is 20,000 feet, 7-conductor) 3. Winch 4. Recording, quality control and processing system 5. Calibration devices Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 7 Geophysikalische Bohrlochmessungen (borehole logging) Production Exploration calibration logging correction geometrische physikalische Parameter Parameter log interpretation abgeleitete Parameter des Gesteins der Porenfüllung Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 1 Geometrische Parameter • Bohrlochteufe (Bohrlochlänge, depth, True Vertical Depth (TVD)) • Bohrlochneigung • Bohrlochrichtung (Bohrlochazimut) • Bohrlochquerschnitt (caliper) Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 2 Physikalische Parameter 1. Druck 2. Temperatur 3. Fließgeschwindigkeit in der Bohrspülung 4. elektrischer Widerstand 5. elektrisches Potential 6. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Niederfrequenz- und im Hochfrequenzbereich 7. Absorption thermischer Neutronen 8. Dämpfung von Neutronen 9. natürliche Radioaktivität 10. künstliche Radioaktivität 11. Compton-Streuung 12. Photoelektrische Absorption 13. Kernmagnetische Resonanz 14. Ausbreitung elastischer Wellen im seismischen Frequenzbereich, im Schall- und im Ultraschallfrequezbereich 15. Ausbreitung von Lichtwellen Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 3 Abgeleitete Parameter 1. Gesteinsdichte 2. Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen 3. Tongehalt 4. Lithologie 5. Porosität 6. Permeabilität des Gesteins, der Klüfte 7. Porenfüllung (Öl, Gas, Wasser, Luft) 8. Sättigung (Öl, Gas, Wasser) 9. Porendruck 10. Klufterkennung 11. Kluftorientierung 12. Orientierung von Schichtgrenzen (structural dip) 13. Orientierung von Sedimentation und Foliation (stratigraphic dip) 14. Geotechnische Parameter (dynamischer Elastizitätsmodul, Druckfestigkeit, Scherfestigkeit, RockQuality-Zahl (RQD)) 15. Verrohrung 16. Zementation 17. Tonsperren 18. Filter 19. Perforationen 20. Horizontales Spannunsfeld Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 4 Bohrlochmessung oder Kernbohrung (logging or coring) Vorteile Kernbohrung 1. Lithologie 2. genaue mineralogische Analyse 3. direkte Messung der Porosität 4. direkte Messung der Permeabilität 5. Laborbestimmung geotechnischer Parameter 6. Kalibrierung von Bohrlochmessdaten durch Vergleich mit Kerndaten Nachteile Kernbohrung 1. Kontinuierliches Kernen (drillstring oder wireline) ist teurer als Rotary-Bohren 2. Kernverluste oft gerade in den interessanten Bereichen (Teufenzuordnung, Informationsverlust) 3. Druckentlastung 4. Ausgasung 5. Flüssigkeitsverlust 6. Kontakt zur Bohrspülung Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 5 Bohrlochmessung oder Kernbohrung Vorteile Bohrlochmessung 1. Erfassung des In-Situ-Zustandes 2. kontinuierliche Messung 3. direkte Korrelation mit anderen geophysikalischen Explorationsverfahren 4. Orientierung von Schichtgrenzen und Klüften (Kerne sind in der Regel nicht orientiert) 5. Kostengünstiger als Kernen 6. unabhängige Kontrolle der Kerndaten Nachteile Bohrlochmessungen 1. geringere Auflösung 2. abhängig vom Bohrlochzustand (Bohrlochdurchmesser, Bohrlochquerschnitt, Bohrlochstabilität) 3. abhängig von der Bohrspülung (invaded zone, mudcake) 4. abhängig von der Interpretation der Bohrlochmessdaten Kerndaten und Bohrlochmessdaten sollten als sich ergänzende Informationen gesehen werden. Beim Rotary-Bohren kann direkte Information über die Gesteine durch die Entnahme von Spülproben gewonnen werden. Nicht in allen Fällen ist eine Kombination von Seismik, Kernanalyse und Bohrlochmessungen notwendig und sinnvoll. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 6 Randbedingungen bei Bohrlochmessungen (logging environment) 1. Bohrlochdurchmesser 2. Innendurchmesser der Verrohrung 3. Innendurchmesser des Bohrgestänges 4. Innendurchmesser des Lubricator 5. Druck (Teufe) 6. Temperatur 7. Invasionszone (invaded zone) 8. Filterkuchen (mud cake) 9. Spülung 10. Bohrlochneigung 11. Bohrlochrandausbrüche 12. Messung innerhalb der Verrohrung Geothermal logging environment 1. hohe Temperaturen 2. aggressive Spülung Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 8 Spezifikation von Bohrlochsonden (tool specification) 1. Druck (Standard 20,000psi = 140 MPa) 2. Temperatur (Standard 160-175oC, Geothermie 250-300oC) 3. Durchmesser 4. Länge 5. Gewicht 6. Stromversorgung (Spannung, Strom) 7. Analoge oder digitale Datenübertragung 8. Datenrate 9. Messgeschwindigkeit 10. Nicht zentriert, zentriert, angedrückt (side wall) 11. Maximaler, minimaler Bohrlochdurchmesser 12. Beschreibung des Messverfahrens 13. Umweltverträglichkeit (z.B Radioaktivität) 14. vertikale Auflösung (resolution) 15. Erkennbarkeit (detectibility) 16. horizontale oder azimutale Auflösung 17. Eindringtiefe der Messung (horizontal und vertikal) 18. Kombinierbarkeit mit anderen Sonden Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 9 Bohrlochmessfirmen: Schlumberger Western-Atlas Scientific Drilling Weatherford BLM Robertson Geologging Auszug aus der Internetpräsentation der Firma BLM (www.blm-muenchen.de) Während des Abteufens der Bohrungen tragen Bohrlochmessungen zur Überwachung des Bohrprozesses bei (z.B. Abweichungs- und Kalibermessungen), beim anschließenden Ausbau der Bohrungen sowie bei Reparaturarbeiten dienen Bohrlochmessverfahren der Ermittlung des technischen Zustandes von Rohrtouren und Bohrlochinstallationen (z.B. Zementationskontrolle, Wanddickenmessungen, TV-Befahrungen). Mittels Messungen im offenen Bohrloch erfolgt die lithologisch-petrographische Gliederung der durchteuften Gesteinsfolgen und die Einschätzung der Eigenschaften speicherfähiger Schichten (z.B. GammaMessung, elektrische Widerstandsmessungen, Gamma-Gamma-Dichtemessung, Porositätsbestimmung mittels NeutronNeutron- Messung bzw. akustischer Laufzeitmessung). Zur Klärung der hydraulischen Verhältnisse in den Bohrungen können Zufluss- und Verlustprofile aufgenommen werden (z.B. Fluid Logging, Flowmetermessungen). Schließlich kann die Entnahme von Tiefenproben und die Durchführung von Perforationsarbeiten notwendig sein. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 10 Homogener, isotroper Untergrund mit dem Widerstand R. Potentialdifferenz dV zwischen 2 Kugelschalen mit den Radien r und r + dr : dV = (iR / 4πr2 ) ; i = Strom Integration von r bis unendlich (V = 0) : V = iR / 4πr Für die Normalsonde gilt : Rs = 4π(AM)(V/i) = Kn(V/i) Rs = scheinbarer Widerstand; Kn = Sondenkonstante Kurze Normale: Distanz AM = 0,2m – 0,5m Lange Normale: Distanz AM = 0,7m – 2m Distanz AB = 5m –10m Vertikale Auflösung: 0,3m – 2,5m Eindringtiefe: etwa 2AM Messgeschwindigkeit: 20m – 25m / min Starker Einfluss von Spülungswiderstand, Bohrlochform, Filterkuchen und Invasionszone Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 11 M1 und M2 sowie M1‘ und M2‘ sind kurzgeschlossen. Der Strom ia wird automatisch geregelt, damit V(M1,M2) = V(M1‘,M2‘) ist. Vertikale Auflösung: 0,2m – 0,3m Eindringtiefe: etwa 0,3 – 0,5m Messgeschwindigkeit: 8m – 10m / min Geringer Einfluss von Spülungswiderstand, Bohrlochform, Filterkuchen und Invasionszone Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 12 Vertikale Auflösung (medium, deep): 0,5m – 1,5m Eindringtiefe: 0,6 – 3m Messgeschwindigkeit: 10m – 15m / min Das Induktionlog kann in luftgefüllten Bohrungen, in Bohrspülungen mit hohem Widerstand (oil-based mud) und in Bohrungen mit Kunststoffverrohrungen eingesetzt werden. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 13 Schlumberger FMI tool Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 14 Pad of Schlumberger FMI tool Vertikale und horizontale Auflösung: 0.02m – 0.03m Eindringtiefe: 0.03m –0.06m Messgeschwindigkeit: 6m –8m / min Die Bohrlochsonde kann nicht in luftgefüllten oder mit hochohmiger Spülung gefüllten Bohrungen eingesetzt werden. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 15 Mechanik des STAR Imager der Firma Baker Hughes Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 16 Prinzip der Gamma-Sonde zur Messung der natürlichen Gamma-Strahlung der Gesteine. Vertikale Auflösung: 0,25m – 0,35m Eindringtiefe: 0,15m – 0,2m Messgeschwindigkeit: 8m – 10m / min Gamma-Sonden werden in API-Einheiten (American Petroleum Institute Unit) kalibriert. Die Gamma-Messung wird wenig durch den Bohrlochzustand beeinflusst und kann auch in verrohrten Bohrungen durchgeführt werden. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 17 Photon Wechselwirkungsprozesse bei der Gamma-Gamma-Messung (Dichtemessung) Bei der Comptonstreuung gilt: RHOe = 2Z / Ar RHO RHOe = Elektronendichte Z = Ordnungszahl Ar = relative Atommasse RHO = Dichte des Gesteins Für die meisten in den Gesteinen vorkommenden Elemente ist 2Z/Ar=1. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 18 Dichtemessung (Gamma-Gamma) erfolgt im Gebiet der Comptonstreuung. Als radioaktive Quelle wird Cs-137 verwendet. Vertikale Auflösung: 0,15m – 0,5m Eindringtiefe: 0,05m – 0,15m Messgeschwindigkeit: 5m – 10m Die Dichte Messung ist sehr empfindlich gegen Bohrlochausbrüche. Die Dichtesonde wird angedrückt gefahren. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 19 Neutronwechselwirkungen Die schnellen Neutronen der Neutronenquelle verlieren bei Zusammenstössen mit Atomkernen laufend Energie und können dann als thermische und/oder epithermische Neutronen registriert werden. Der wirkungsvollste Energietransfer erfolgt mit den massegleichen Wasserstoffkernen, d.h. je höher der Wassergehalt desto geringer die registrierte Neutronenzahl. Die gemessene Zählrate ist umgekehrt proportional dem Wassergehalt bzw. der Porosität in wassergesättigten Gesteinen. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 20 Die Neutron-Neutron-Messung reagiert empfindlich auf Wasserstoffkonzentrationen in der Umgebung der Sonde. Zur Kompensation der Bohrlocheinflüsse wird mit 2 Abständen gemessen. Die Sonde wird angedrückt gefahren. Vertikale Auflösung: 0,4m – 0,6m Eindringtiefe: 0,1m – 1m Messgeschwindigkeit: 8m – 10m Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 21 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 22 Von einer P-Wellenquelle einer Akustiksonde erzeugte Wellentypen. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 24 Von einer Akustik-Array-Sonde registrierte Signale, aus denen PWellen- , S-Wellen- und Stoneley-Wellengeschwindigkeit bestimmt werden können. Die Sonde wird in der Regel zentriert gefahren. Mit Einschränkungen sind Messungen in verrohrten Bohrungen möglich (CBL, Cement Bond Log). Vertikale Auflösung: 0,2m – 1m Eindringtiefe: 0,1m – 0,2m Messgeschwindigkeit: 5m – 10m / min Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung: 50m/s – 800m/s Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 23 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 27 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 28 orientation system tool borehole fluid acoustic transducer 2 amplitude 1 rotating mirror motor borehole wall traveltime (a) (b) Principle of BoreHole TeleViewer (BHTV) measurements. (a) Outline of the mechanics of the tool. The conical part of the tool housing represents the acoustic window, which is made of a special synthetic material for optimum transmission of the acoustic energy through the acoustic window. (b) Acoustic waveform received by the acoustic transducer. From left to right the first signal (1) is the reflection from the acoustic window and the second signal (2) is the reflection from the borehole wall. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 25 Abbildung einer Kluft im akustischen Bild einer BHTV-Sonde. Die Sonde liefert gleichzeitig ein akustisches Bild der Bohrlochwand (amplitude image) und ein detailliertes Kaliberbild (traveltime image). Die Sonde muss zentriert gefahren werden. Vertikale und horizontale Auflösung: 0,003m – 0, 03m Erkennbarkeit (detectibility): < 0,0002 Messgeschwindigkeit: 1m – 6m /min Die Sonde kann in Bohrungen mit Kunststoffverrohrungen eingesetzt werden. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 26 Aus FAZ vom 04.12.2007 Figure 1: Image data produced by the acoustic bore hole scanner FACSIMILE Figure 2: Unrolled and 3D-display of acoustic scanner images. Figure 3: Interpretation of structural features. Figure 4: Example of an artificial fracture produced during a hydraulic fracturing experiment. Figure 5: Breakout along the bore hole wall due to differential horizontal stress. Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 37 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 29 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 30 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 31 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 32 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 33 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 34 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 35 Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 36
