3 Elektrische Bohrlochmessung am Modelltrog

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ELEKTRISCHE BOHRLOCHMESSUNG AM MODELLTROG
3 Elektrische Bohrlochmessung am Modelltrog
3.1 Aufgabe
Die Bestimmung der lithologischen Gliederung einer Gesteinsformation sowie die Ermittlung ihrer petrophysikalischer Eigenschaften zählt zu den wichtigsten Aufgaben der bohrlochgeophysikalischen Verfahren.
Mittels elektrischer Widerstandsverfahren sind die lithologischen Grenzen einer Gesteinsformation zu bestimmen
sowie die Porosität der Formation zu ermitteln. Die Verhältnisse im Bohrloch werden dabei an einem Modelltrog
simuliert.
Abb. 1: Aufbau des Modelltrogs.
3.2 Grundlagen des Verfahrens
Widerstandselektrische Messungen in verschiedenen Modifikationen gehören zu den Standardverfahren in der
Bohrlochmessung (Logging). Ihre Hauptaufgabe besteht unter Einbeziehung weiterer Bohrlochmessverfahren in
der lithologischen Gliederung des Bohrprofils und der Schichtgrenzenbestimmung. Daneben wird aus der aufgenommenen Widerstandsverteilung über empirische Beziehungen die Porosität der Gesteine bestimmt. Auch die
Detektierung von Kluftzonen im Festgestein ist möglich. In der Hydrogeologie werden mit speziellen elektrischen
Verfahren unter Nutzung von geeigneten Tracern Wasserzuflüsse im Bohrloch lokalisiert. Analog zu geoelektrischen Messungen an der Erdoberfläche (vgl. Versuch Widerstandstiefensondierung) kommen auch bei Bohrlochmessungen Vierelektroden-Anordnungen zum Einsatz. Über zwei Stromelektroden A und B wird ein niederfrequenter Wechselstrom I in das Gebirge eingespeist und die Potentialdifferenz ∆U zwischen den Elektroden M und
N gemessen. Für den homogenen isotropen Vollraum mit dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ in Ω · m
1
3.2
Grundlagen des Verfahrens
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ELEKTRISCHE BOHRLOCHMESSUNG AM MODELLTROG
ergibt sich ∆U nach der Gleichung
1
1
1
1
ρI
−
−
+
∆U =
4π AM AN BM BN
(1)
Der scheinbare spezifische Widerstand des Gebirges berechnet sich zu
ρs =
∆U
· k,
I
(2)
wobei k der Geometriefaktor
1
1
1 −1
1
−
−
+
k = 4π
AM AN BM BN
(3)
ist. Im Allgemeinen wird die Stromelektrode B am Rohrschuh angebracht. Die Elektroden A, M und N befinden
sich auf der Bohrlochsonde. In Abhängigkeit der Abstände zwischen den Elektroden ergeben sich verschiedene
Sondentypen mit charakteristischen Eigenschaften.
Bedingung
Geometriefaktor
Potentialsonde (Normale)
Gradientsonde (Oberkante, Unterkante)
AM << MN
k = 4π AM
AM >> MN
k = 4π AM · AN/MN
Tab. 1: Elektrische Bohrlochsonden
Abb. 2: Potentialsonde (a-Normale) und Gradientsonden (b-Oberkante, c-Unterkante). 0-Sondenbezugspunkt, L-Spacing.
Im Praktikumsversuch wird das Bohrloch im Modelltrog als horizontalliegend und halbseitig aufgeschnitten simuliert. Da es sich hierbei nicht mehr um ein Vollraumproblem handelt, muss in Gl. (3) für den Geometriefaktor der
Term 4π durch 2π ersetzt werden.
Weitere wichtige Parameter elektrischer Bohlochsonden sind (vgl. Abb. 2):
• Sondenbezugspunkt und
• Spacing
Der Sondenbezugspunkt legt fest, welcher Teufe der Messwert zugeordnet wird. Dagegen beschreibt das Spacing
die laterale Wirkungstiefe der Sonde. Die Wirkungstiefe ist von der über die Elektroden A und B dem Gebirge aufgeprägten Stromdichteverteilung abhängig und beschreibt den bohrlochnahen Raum, in dem Änderungen
2
3.2
Grundlagen des Verfahrens
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ELEKTRISCHE BOHRLOCHMESSUNG AM MODELLTROG
des spezifischen Widerstandes sich noch in den Messwerten widerspiegeln. Das Kurvenbild der Potentialsonde
für eine schlechtleitenden Schicht mit einer Mächtigkeit h > 2L ist symmetrisch, und die Schichtgrenzen liegen
um den Betrag von L/2 außerhalb der Wendepunkte. Die Gradientsonden zeigen demgegenüber unsymmetrische
Kurvenverläufe, wobei jeweils nur eine Schichtgrenze durch den Wendepunkt der steileren Flanke des Widerstandsmaximums markiert wird (Abb. 3).
ρs in Ω⋅m
500
400
300
200
100
0
50
100
150
200
250
150
200
250
Teufe
ρs in Ω⋅m
1000
500
0
0
50
100
Teufe
Abb. 3: Idealisierte Kurvenbilder einer Normalen (oben) und einer Gradientsonde (Unterkante, unten) für ein Bohrloch vom Radius r=0.
Die Bohrlochspülung glättet den Verlauf der in der Praxis gemessenen Kurven.
Setzt man vollständige Wassersättigung voraus, kann der spezifische Widerstand des Gesteines ρ0 bei tonfreien
Gesteinen über die Archie-Beziehung aus dem spezifischen Widerstand des Porenfluids ρW bestimmt werden:
ρ0 = F · ρW
(4)
Der Formationsfaktor F hängt über
F=
1
Φm
(5)
mit der Porosität Φ zusammen. Der Zementationsexponent m nimmt bei stark verfestigten Sandsteinen den Wert
2.2 an.
Es wurde bisher davon ausgegangen, dass der Widerstand des Porenfluides dem Spülungswiderstand ρmf entspricht. In der Praxis beobachtet man teilweise erhebliche Abweichungen von dieser Annahme. Zur Korrektur des
spezifischen Widerstandes des Porenfluids kann eine Potentialmessung über dem Gesteinsblock dienen. Für die
elektrochemische Potentialdifferenz ϕ gilt
ρmf
∆ϕ[mV] = −70.7 log10
,
(6)
ρW
woraus ρW ermittelt werden kann.
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3.3
Durchführung
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3.3 Durchführung
Die Aufnahme der Messkurven für die Potential- und Gradientsonden erfolgt jeweils während der Sondenfahrt.
Die Messwerte werden in fest vorgegebenen Intervallen mittels AD-Wandler diskretisiert und digital gespeichert.
Da eine Konstantstromquelle mit I=2 mA eingesetzt wird, werden lediglich die Messspannungen abgespeichert.
Im Versuch kommen folgende Sondenkonfigurationen zum Einsatz:
• Potentialsonde: AM=0.04 m
• Oberkante, Unterkante: AM=0.06 m, MN=0.01 m
Die Messkurven liegen digital vor und werden nach der Versuchsdurchführung im Netz veröffentlicht. Der Link
wird vom Versuchsbetreuer bekannt gegeben. Die Dateien enthalten in der ersten und zweiten Spalte Sondenteufe
(in cm) bzw. Messspannung (in V). Daraus ist mit geeigneten Hilfsmitteln der scheinbare spezifische Widerstand
zu berechnen.
Zur Berechnung der Porosität sind die elektrische Leitfähigkeit der Bohrlochspülung sowie die Kurve des elektrochemischen Potentials zu bestimmen. Diese Angaben werden vom Praktikumsbetreuer zu Verfügung gestellt.
3.4 Auswertung
Zunächst führen Sie eine Gliederung nach Schichtgrenzen durch. Dazu sind die Widerstandslogs (ρs = f (Teufe))
graphisch darzustellen. Aus diesen Messkurven sind die Gesteinsgrenzen für den Betonblock sowie für die Monazitsandeinlagerung zu bestimmen.
Neben der lithologischen Gliederung ist die Bestimmung der Porosität nach (4) und (6) vorzunehmen. Als Näherungswert für den Gesteinswiderstand ρ0 nutzen Sie den maximalen scheinbaren spezifischen Widerstand der
Potentialsonde.
3.5 Protokoll
Das Protokoll soll folgende Punkte umfassen:
• Beschreibung des Versuchsaufbaus und der Zielstellung
• Darstellung der Messkurven
• Festlegung der Schichtgrenzen für den Beton und die Monazitsandeinlagerung
• Ermittlung der Porosität des Betonkörpers
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