BL Magnetik - TU Freiberg
Werbung
Magnetische Bohrlochmessverfahren Messgrößen Beträge der magnetischen Flussdichte (nT) des erdmagnetischen Totalfeldvektors T und seiner Komponenten Z , H ( X ; Y ) , Magnetische Gesteinskennwerte: Induktive Magnetisierung: magnetische Suszeptibilität M i = κ H 0 , (Remanente Magnetisierung M r ) . Petromagnetische Grundlagen, magnetische Suszeptibilität κ Minerale Gesteinsbildende Minerale: para- bzw. diamagnetische Stoffe κ → 0 , Hohe Gesteinssuszeptibilität: ferro- und ferrimagnetische Beimengungen (Fe-Ti-Oxide, Fe-Sulfide), Minerale mit sehr hohen κ - Werten: Magnetit Fe3O4 , Hämatit, Titanomagnetit. Gesteine Magmatite: κ - Anstieg von den sauren (z.B. Granit) zu den basischen (z. B. Basalt) Magmatiten, Sedimentite: Tendenz des Anstieges von κ mit dem Tongehalt, Basische Magmatite: remanente Magnetisierung M r . Magnetische Suszeptibilität κ für ausgewählte Gesteine Gestein κ ⋅10−5 Gestein κ ⋅10−5 Granit 0.1 … 1000 Serpentinit 100 … 20000 Gabbro 100 … 10000 Steinsalz, Anhydrit 0.5 … 1 Basalt 100 … 100000 Kalkstein, Dolomit 0…1 Marmor 0.1 … 0.01 Sandstein 0.1 … 10 Gneis 10 … 1000 Tonstein 1 … 100 Messung von Komponenten des Erdmagnetfeldes Messgeräte Kernpräzessionsmagnetometer (Protonenmagnetometer) Absorptionszellenmagnetometer (Cäsiummagnetometer) Messgröße: T = T - Totalintensität in nT, Fluxgatemagnetometer (Förstersonde): Z , X , Y . System zur Lagebestimmung der Sonde (Richtung, Neigung), Räumliche Einordnung der magnetischen Feldkomponenten, Einsatz: Ortung magnetisch wirksamer Strukturen von einer Bohrung aus. Geomagnetisches Koordinatensystem geogr. N magn. N X H D M P(x,y,z=0) I mM Z Tiefe geogr. E Y T T - magnetischer Feldvektor H - Horizontalkomponente von T (Richtung magn. N) Z - Vertikalkomponente von T X - Komponente von H in Richtung geogr. N Y - Komponente von H in Richtung geogr. E D - Winkel der Deklination (Nadelabweichung) I - Winkel der Inklination mM - magnetischer Meridian M - Dreikomponenten-Fluxgatemagnetometer (X,Y,Z) T, H, I, D Messung der magnetischen Suszeptibilität κ Sonde H0 C L κ 0 < κ1 Mi S κ ∆fG ∼ ∆L ∼ κ - Sonde R RC κ1 FrequenzG generator fG Anzeige fG Mi κ = Induktive Magnetisierung: M i = κ H 0 , H0 Messung der magnetischen Suszeptibilität κ - Sonden: Spulensysteme, Induktivität L = f ( M i , κ Gestein ) Einsatz Magnetisch wirksame Vererzungen und Gehaltsbestimmung VF κ Gestein VF κ F = 1 + PM κ F (1 − VF ) κ F ;VF - Magnetische Suszeptibilität und Volumenanteil ferromagnetischer Minerale, PM - Entmagnetisierungsfaktor (Ellipsoide: 3.2 ... 3.9). Lithologisch-stratigraphische Gliederung von Gesteinsfolgen, Tonsperrennachweis (Tone + Magnetit) in Pegelbohrungen. Baruther Maar NE Bautzen Kernmagnetische Resonanzmessungen (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) Physikalische Grundlagen Jackson, Matthews: Nuclear Magnetic Resonance Bibliography. The Log Analyst, May-June 1993, S. 35 - 67. Wechselwirkung der magnetischen Momente von Atomkernen mit einem äußeren Magnetfeld, Orientierung der atomaren magnetischen Dipole in Feldrichtung, induzierte Magnetisierung, Abschalten des äußeren Feldes: zeitliches Abklingen der induzierten Magnetisierung (decay), Beschreibung des Abklingens der induzierten Magnetisierung (Relaxationsprozess) mittels Exponentialfunktionen, Wasserstoffkerne (Protonen) besitzen große magnetische Momente mit starkem Abklingverhalten. NMR – Messsystem, aktives Messverfahren Geberspule Statisches Magnetfeld H 0 Polarisation der atomaren magnetischen Momente (v. a. Protonen), Empfängerspule Messung der Abklingkurven (decay – curves) der magnetischen Kernmomente vorzugsweise von Protonen, Signalamplitude: U E = f (t ) , Bearbeitung Auswertung des Resonanzspektrums U E = f (T ) T = Relaxationszeit. Spin – Echo – Messung, Puls – Echo – NMR – Technik NMR in porösen Gesteinen Abklingzeit (Relaxationszeit T ) für freies Wasser liegt bei 3 ... 5s, Wasser in porösen Gesteinen: Wechselwirkung Kornoberfläche – Wassermolekül, Drastische Verringerung der Relaxationszeit T < 0.3 s, Verringerung ist umso stärker, je größer die spezifische innere Oberfläche S Por des Porenraumes bzw. Porenkanals ist, Tone besitzen eine große innere Oberfläche, kurze Abklingzeiten der magnetischen Kernresonanz. Statistische Verteilung der magnetischen Momenete m Spin Magnetisierung (Polarisierung) Spin Spin HProton N Proton "winziger Stabmagnet" N N m S S S S Magnetfeld H0 m m m Spin HProton N HProton HProton H0 Abklingkurve U(t) ∼ e- t / T(i) Abschalten von H0 U in mV 1 - tongebundenes Wasser 2 - kapillar gebundenes Wasser 3 - frei bewegliches Wasser zeitliches Abklingen der Magnetisierung bis zum statistischen Zustand 3 1 0 2 Messung der Abklingkurve 1 2 3 4 Signalverteilung U(T) 5 t in s U in mV Bearbeitung: poröses, toniges, gesättigtes Gestein Abklingkurve = Summe von e-Funktionen (e-t / T) Signalverteilung als Funktion der Relaxationszeit T 0.0001 1 2 0.001 0.01 1 2 clay bound capillary bound 3 0.1 1 3 moveable water 10 T in s NMR - Messung (schematisch) Ergebnisse aus NMR-Messungen Resonanzspektrum = Spektrum der Abklingzeiten T Rückschluss auf Porengrößenverteilung, Innere Oberfläche, Porenraumgeometrie, Wasserbindung an Porenoberflächen. Berechnung der auf den Porenraum bezogenen inneren Oberfläche S Por aus NMR – Messungen: Parallelschaltung der Abklingzeiten für das freie Wasser Tbulk = 3 ... 5s und das an Oberflächen gebundene Wasser Tsurf : λS 1 1 = + Por T Tbulk Tsurf λ - von den Oberflächeneigenschaften abhängiger Parameter (surface relaxivity). Informationen zu Speichergesteinen und seinen Poreninhalten Porosität Partielle Porositäten Φ ( r ) , die verschiedenen Porengrößen zugeordnet werden, Totale Porosität Φ tot = Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen des Gesteins, Integration über partielle Porositäten, Effektive Porosität Φ eff = verbundener Porenraum, der eine Fluidströmung ermöglicht, Porositätsbestimmung ist unabhängig von Matrixparametern z. B. Dichteporosität: Dichte der Festsubstanz d F : d = (1 − Φ )d F + Φd P Bestimmung der Wasseranteile nach ihrer Bindung Gebundenes Wasser (ton- bzw. kapillar gebunden), Haftwasser, Frei bewegliches, mobiles Wasser, Porengröße r und ihre Verteilung, Porenraumgeometrie, je kleiner T, umso kleiner r (Tone), Bestimmung der Permeabilität k (Durchlässigkeit). Schätzung der Permeabilität k aus bohrlochgeophysikalischen Daten Empirische Beziehungen, zugeschnittene Größengleichungen: COATES-Gleichung, NMR-Messungen: k NMR k NMR - in mD ( 1 mD = 10 Φ = 10 −15 4 BVM ⋅ BVI 2 m²), Φ - totale Porosität in %, BVM - Volumenanteil des mobilen Wassers in %, BVI - Volumenanteil des immobilen, gebundenen Wassers in %. TIMUR - Gleichung: Φ 4.4 k = 0.136 2 S wi 100Φ 2.25 WYLLIE & ROSE - Gleichung: k = S wi k - Permeabilität in mD, Φ - totale Porosität in %, S wi - Haftwasseranteil in %. PAPE - Gleichung: 2 0.313vT k = 0.332Φ Q −3.11 k - Permeabilität in mD, Φ - totale Porosität, vT - Tongehalt, Q - Lamellenfaktor = 5.8 Rotliegendgesteine des Norddeutsch-Polnischen Beckens Probleme Bestimmung der totalen Porosität Φ Gamma-Gamma-Dichtelog, Akustiklog, Widerstandsmessungen, Neutron-Neutronlog, Bestimmung des Haftwasseranteil S wi Widerstandsmessungen, NMR – Messungen, Bestimmung des Tongehaltes vT Gamma-Log, SP-Log. Φ eff Reiner Tonstein Reiner Sandstein Tonminerale, laminar Mineralmatrix Quarzmatrix (grob- bis feinkörnig) kleine Porenräume Porenraumgeometrie große Porenräume klein Mittl. Korndurchmesser groß groß Innere Oberfläche klein tongebundenes Haftwasser Wasserbindung klein NMR-Abklingzeit Mittel bis groß groß Totale Porosität klein klein Effektive Porosität groß klein Permeabilität groß Fluidstauer Funktion Fluidspeicher Kapillargebundenes Wasser + freies Wasser NMR-Messung in einem sandig-tonigen Bereich (Baker Atlas, 1996) Gammalog (API), T-NMR – Spektrum, Permeabilität und scheinbarer spezifischer Widerstand, Porenfluidananlyse und Bindungstyp. Remanente Magnetisierung Stabile Magnetisierung (Thermoremanenz), die bei der Abkühlung basischer Magmen unter die CURIE-Temperatur TC und Wirkung des damals herrschenden Erdmagnetfeldes „fest eingefrorenen“ wurde. Verlust der magnetischen Eigenschaften: T > TC Magnetische Vorgeschichte Paläomagnetik, Polumkehr, Polwanderung, Kontinentaldrift. Inklination und Intensität der Magnetisierung eines Bohrkernintervalls im Nord-Pazifik Sedimentationsrate: 1 cm/1000a
