BL Magnetik - TU Freiberg

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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
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