BL rad Grundlagen Gamma

Radiometrische (passive) und kernphysikalische (aktive)
Bohrlochmessverfahren
Übersicht
Messung radioaktiver Strahlung im Bohrloch mittels Detektoren
(Zählrohre, Szintillationszähler, Halbleiterdetektoren),
Messung von Gamma- bzw. Neutronenstrahlung (γ , n ),
Alpha- und Betastrahlung: geringe Reichweite (mm – Bereich),
Gamma- und Neutronenstrahlung durchdringen Materie,
Einsatz in offenen und verrohrten Bohrlöchern.
Einteilung der radioaktiven Messverfahren
Messung der natürlichen γ - Strahlung (GR, NGAM )
Passive Messung,
Quelle: Gehalt an Nukliden der
238
U − bzw.
232
Th − Zerfallsreihe
und des radioaktiven Kaliumnuklids 40 K im Gestein.
Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) im Ergebnis von
atomphysikalischen Wechselwirkungsprozessen Strahlung - Materie,
Aktive Messung,
Quelle: Gamma- bzw. Neutronenemission einer künstlichen Quelle in
der Sonde,
Wechselwirkungen mit Atombausteinen:
Gammaquellen: Photoeffekt und Comptoneffekt,
Neutronenquellen: Brems- und Einfangreaktionen,
Detektor: Messung einer Streustrahlung.
Messprinzip
Die natürliche Gammastrahlung bzw. die Streustrahlungen besitzen
verschiedene Energieniveaus:
Integrale Messung: Zählung (Detektor) aller Ereignisse (Gamma-,
Neutronenimpulse) oberhalb einer Energieschwelle,
Selektive Messung: In Kanälen (Energiefenster) werden selektiv
charakteristische Energiebereiche der Strahlung analysiert
(K-, U-, Th-Kanal),
Spektrale Messung: Der gesamte Energiebereich (Energiespektrum)
der Strahlung wird über eine große Anzahl von Einzelkanälen
(z. B. 256 Kanäle) gemessen.
Besonderheiten radioaktiver Bohrlochmessungen
Radioaktive Zerfalls- bzw. Wechselwirkungsprozesse sind Zufallsprozesse
und folgen statistischen Gesetzen,
Statistische Schwankungen in den Bohrlochmesskurven.
Messgröße
Impulsrate N : Anzahl der detektierten Ereignisse pro Messzeit τ
(Zeitfenster),
−1
−1
Maßeinheit: cps, cpm - counts per second, minute ( s , min ).
POISSON-Verteilung:
Standardabweichung s des Messwertes N ist: s =
N,
Vertrauensintervall: 68% der Werte liegen innerhalb N ±
N.
Radioaktive Messungen in Bohrungen
Impulsrate N = f (z)
Zählung von Impulsen über ein Zeitfenster τ bei kontinuierlicher
Sondenfahrt mit der Geschwindigkeit v :
Zeitfenster τ : Statistik der Messkurve und vertikale Auflösung,
τ klein: große statistische Schwankungen, hohe vertikale Auflösung,
τ groß: geringmächtige Schichten werden „überfahren“.
Sondenfahrgeschwindigkeit v : Verschiebung der Messkurve in
Fahrtrichtung.
Wahl von optimalen Messparametern: Produkt v ⋅τ
Hohe Aussagekraft der Bohrlochmesskurven,
Ökonomische Randbedingungen.
Amplituden- und lagegetreue Abbildung bei: v → 0,τ → ∞ .
4.8 m/min
Analogapparaturen (Praktikum Modelltrog)
Elektronischer Integrator: Widerstand - Kondensatorglied (R - C - Glied)
mit der Zeitkonstante τ am Detektorausgang,
Optimales Signal durch Wahl von v ⋅τ ,
Schichtgrenzen: Verschiebung in Fahrtrichtung.
Digitalapparaturen
Impulszählung über dz
Elektronischer Integrator
R-C-Glied
95%
86%
R
γ
D
UE
τ = R*C
UA
C
UA
Analogdarstellung UA
Digitalisierung (Trog)
τ = R, C groß
63%
4τ 5τ
τ1
3τ1
2τ1
Ladezeit des Kondensators
τ
Statistisch verteilte
Spannungsimpulse
∼ γ - Impulse
τ = R, C klein
UA, max
2τ
3τ
t
Digitalapparaturen
Softwaregesteuerte Impulszählung am Detektorausgang mit einer kleinen
Samplingrate ∆z ,
Optimales Signal durch Kurvenbearbeitung mit einem Glättungsoperator,
Schichtgrenzen: keine Verschiebung in Fahrtrichtung bei symmetrischen
Glättungsoperatoren.
Gleitender Mittelwert,
HAMMING-Fenster: Gewichteter, symmetrischer Glättungsoperator.
N in cps
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
N in cps
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
vgr = 31.6 mm/s
n=1
dz = 1mm
0
N in cps
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
n=5
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
n = 11
0
N in cps
Modelltrog
Filter: gleitendes Mittel
τkl = 0.125 s
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
n = 21
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
z in mm
Wasser
Beton
Monazit
Natürliche Gamma-Strahlung
Natürliche Radioaktivität der Gesteine
Uranium-Zerfallsreihe: 238U → 206 Pb
Langlebiges Mutternuklid → stabiles
Endprodukt: γ -Spektrum,
Thorium-Zerfallsreihe:
γ -Spektrum,
232
Th → 208 Pb
40
K → 40Ca
Kalium-Nuklid:
Monoenergetische γ -Strahlung.
Markante Energielinien, Peaks:
Elementspezifische Energiebereiche im
γ -Spektrum:
Kalium ( 40 K ):
1.46 MeV,
Uranium ( 214 Bi ): 1.74 MeV,
Thorium ( 208Tl ): 2.61 MeV, (ThC''').
Kinetische Energie:
1eV = 1.602 ⋅10−19 J
1J = 1W ⋅ s = 1N ⋅ m
U-, Th- und K-Gehalte einiger Minerale
Mineral
U-Gehalt (ppm)
Th-Gehalt (ppm)
K-Gehalt (%)
Montmorillonit
2-5
14 - 24
0 - 4.9
3-5
0 - 0.35
Chlorit
Kaolinit
1.5 - 9
6 - 42
0 - 0.6
Illit
1.5
10 - 25
3.5 - 8.3
kleiner 10
3.2 - 5.8
Glaukonit
Bentonit
10 - 36
4 - 55
Hornblende
1 - 30
5 - 50
kleiner 0.5
Biotit
1 - 40
0.5 - 50
6.2 - 10.1
Muskovit
2-8
10 - 25
7.9 - 9.8
Mikroklin
10.9
Orthoklas
11.8 - 14
Plagioklas
0.2 - 5
0.5 - 3
Sylvinit
0
0
52.4
Carnallit
0
0
14.1
Polyhalit
0
0
13.4
Monazit
500 - 3000
25000 - 200000
Zirkon
300 - 3000
100 - 2500
Minerale mit hoher natürlicher Radioaktivität
Akzessorien (Monazit), Tonminerale, Kalifeldspäte, Glimmer, Kalisalze.
U-, Th- und K-Gehalte einiger Gesteine
Gruppe
Gestein
K (%)
U (ppm)
Th (ppm)
Th/U
Magmatite
Granite
3.4 - 4.0
4-7
15 - 40
3.5 - 5.6
Granodiorit
2.3
2.1
8.3
4
Basalt
1.0
0.7
2.3
3.2
Metamorphite
Krist. Schiefer
3.1
2.6
10
3.8
Sedimentite
Sandstein
1.7
2.9
10.4
3.6
Ton
Tonschiefer
2.7
4.0
11.5
2.9
Kalkstein
0.3
1.6
1.8
1.1
Anhydrit
0.02
1.0
1.0
1.0
Steinkohle
0.1
3.4
4.8
1.4
Tendenzen der natürlichen Radioaktivität für Gesteine
Kristalline Gesteine: Zunahme der Radioaktivität von den basischen
zu sauren den Magmatiten, Metamorphite abhängig vom Edukt,
Sedimentgesteine: Zunahme der Radioaktivität von den tonfreien zu
den tonhaltigen Gesteinen.
Gamma-Strahlungsmessung
integral
GR (api, cps)
selektiv
GRS-K (cps)
1.3 ... 1.6 MeV
GRS-U (cps)
1.6 ... 2.4 MeV
U (ppm)
GRS-Th (cps)
2.4 ... 2.8 MeV
Th (ppm)
spektral
K (%)
S
1000
T
Gammaspektrum Tiefe z0
K
Kalibrierung
I in cps
100
U
Th
1.5
2
E in MeV
2.5
10
S
1
Detektor
0.5
Spülung
Verrohrung
z
1
3
Integrale Gammamessung
Messung der Gammastrahlung über den gesamten Energiebereich:
∆E = 0.1 − 3MeV
Einführung eines Internationalen Standardmaßes
api-unit = american petroleum institute/Houston,Texas
GR(cps) → GR(api)
Eichnormal: Betonblock mit 4.07 % K; 24.2 ppm Th und 13.1 ppm U,
(Träger: Monazit, Glimmer, Radium)
Definition: Der Aktivitätsunterschied zwischen dem radioaktiven Block und
einem von Beimengungen freien Block = 200 api-Einheiten.
api-kalibrierter Gammadetektor
Vergleichbarkeit von Gamma-Messungen weltweit,
Korrektur von unterschiedlichen Detektoreigenschaften (Empfindlichkeit),
Empirische Kennwertformeln (Tongehalt) sind auf Gamma-Messungen
in api-Einheiten zugeschnitten,
ROBERTSON Geologging: Kalibrierung mit einer Gammaquelle (Cs-137)
bei bekanntem api-Wert in einem definierten Abstand r vom Detektor.
I 0 = 3.7MBq → 03.1995
I 0 (r ) = 200api
137
Cs → T1/2 = 30a
r
 −t ln(2) 
I t (api) = I 0 exp 

T
 1/2 
t = 16.25a → I t = 137.4api
I (api)
A=
I (cps)
z in m
0
FDGS-Sonde
dz = 5 cm
HGC
Gamma-Sonde
dz = 1 cm
Gleitendes Mittel
n=5
0
Hamming-Fenster
M = 11
0
1
2
2
4
4
4
0.8
6
6
6
0.6
8
8
8
10
10
10
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
20
20
20
22
22
22
24
24
24
26
26
26
28
28
28
30
30
30
32
32
32
34
34
34
36
36
36
38
38
38
40
40
40
42
42
42
44
44
44
46
46
46
40
80
120 160 200
NGAM in api
240
40
80
120 160 200
NGAM in api
240
w( n)
2
0.4
0.2
0
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5
n
M/2
-M/2
w(n) = 0.54+0.46cos(2πn/M)
Kalibrierunsfehler ??
125 api
40
80
170 api
120 160 200
NGAM in api
240
Wertebereiche der natürlichen Gammastrahlung in api-Einheiten
Mineral/Gestein
-Aktivität (api)
Mineral/Gestein
Quarz,Dolomit,Kalzit
0
Ton (Mittelwerte)
80 - 150
Plagioklas
0
Kaolinit
80 -130
Alkalifeldspäte
220
Chlorit
180 - 250
Glimmer
270
Illit
250 -300
Sylvin
500
Montmorillonit
150 -200
Carnallit
220
Polyhalit
200
γ
γ -Aktivität (api)
Tendenzen
Kristalline Gesteine: Zunahme der natürlichen Radioaktivität von den
basischen zu den sauren Gesteinen,
Sedimentgesteine: Zunahme der natürlichen Radioaktivität von den
tonfreien zu den tonhaltigen Gesteinen,
Kalisalze besitzen eine hohe natürliche Radioaktivität.
Hauptanwendungsgebiete der Gammamessung
Gamma-Log - Integrale Messung der natürlichen Gammastrahlung
Kaliberkorrektur
Absorptionseffekte durch Bohrlochinhalt und ev. Ausbau,
Verminderung der γ - Intensität,
Absorptionskorrektur = f (Dichte Absorbermaterial (Spülung, Verrohrung);
Bohrlochkaliber, Wandstärke)
Korrekturdiagramme.
Bohrung FG-3; Sonde: FDGS
z in m
2.5
3
3.5
4
4.5
60
5
80
100
120
140
160
60
0
0
0
2
2
2
4
4
4
6
6
6
8
8
8
10
10
10
12
12
12
14
14
14
16
16
16
18
18
18
20
20
20
22
22
22
24
24
24
26
26
26
28
28
28
30
30
30
32
32
32
34
34
34
36
36
36
38
38
38
40
40
40
42
42
42
44
44
44
46
46
46
2.5
3
3.5
4
Cal in inch
4.5
5
60
80
100 120 140
NGAM in api
dz = 0.1 m
160
80
100
120
140
160
ca. 50 api
ca. 10 api
60
80 100 120 140
NGAM(gl) in api
n=5
160
Radiale Wirkungstiefe
Abhängig von der Formationsdichte,
Absorption der natürlichen Gammastrahlung durch Compton-Streuung,
Anteil der Gammastrahlung aus größerer radialer Entfernung nimmt mit
steigender Dichte ab.
Vertikales Auflösungsvermögen (geringmächtige Schichten)
Einflussfaktoren
Sondenfahrgeschwindigkeit v
Normal: v = 4 ... 6 m/min, vertikale Schichtauflösung ∆z = 15 ... 30 cm,
Extrem langsame Fahrt: v = 1 ... 2 m/min, ∆z = ca. 10 cm.
Schichtmächtigkeit h , Gammastrahlung des Liegenden und Hangenden,
Samplingrate
Digitalapparaturen: ∆z
Analogapparaturen: Zeitkonstante τ .
Anwendungen des Gamma-Logs
Lithologische Gliederung sedimentärer Formationen,
Korrelation von Bohrung zu Bohrung anhand markanter Schichtindikationen
(Leithorizonte),
Bestimmung des Tongehaltes (Kennwert) von Sedimenten,
Tonmineralbestimmung durch spektrale Gamma-Messungen und
Einbeziehung weiterer Verfahren (n - und Pe - Messungen):
Glimmer und Tonminerale: charakteristische K/Th – Verhältnisse,
Problem: Tonmineralmischungen, Überlappung der K/Th – Bereiche.
Bestimmung des Tongehaltes VT (Abschätzung)
Korrelation Feinstkornanteil und Gammastrahlung:
Adsorption von Uranium und Thorium an Tonpartikel,
Hoher Kaliumgehalt von Tonmineralen,
Fehlerquelle: Anomale hohe Gammastrahlung durch Schwerminerale
(Monazit, Zirkon) mit hohem U -, Th - Gehalt,
Verfälschte (zu hohe) Tongehalte v. a. in Bereichen des Keupers und
Buntsandsteins,
Gammaspektrometrie.
Berechnung des Gamma-Ray Index GRI aus dem Gamma-Log GR( z ) :
GRI ( z ) =
GR( z ) − GRmin
GRmax − GRmin
Minimalwert der Gammastrahlung GR min : tonfreier Sand/Sandstein,
ca. 10 - 15 api (Sandlinie),
Maximalwert der Gammastrahlung GR max : reine Tone/Tonsteine,
ca.150 api (Tonlinie).
Empirische Beziehungen zur Bestimmung des Tongehaltes VT
(shale content VSh )
Problem: Tongehalt, Feinstkornanteil; welches Korngrößenspektrum
wird erfasst ??
VSh = GRI
Schluff- und Tonanteil: Kornfraktion < 0.063 mm,
VSh = 0.083 ⋅ (23.7⋅GRI − 1)
LARIONOW I: Unkonsolidierte tertiäre Gesteine,
VSh = 0.33 ⋅ (22⋅GRI − 1)
LARIONOW II: Konsolidierte tertiäre Gesteine,
CLAVIER:
VSh = 1.7 − 3.38 − (GRI + 0.7) 2
GRI + 0.41
a
mit
a
=
VSh = 10 (%)
0.733
Kornfraktion < 0.02 mm; Rotliegendsandsteine Norddeutschlands.
Hydrierwerk Zeitz (G- und GG-Messung)
GR in api
d in g/cm³
1.65 1.75 1.85 1.95 2.05
0
40
80
VT
120
160
0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
0
Lith.
U;t
1
Crossplot (VT; d)
2.1
2
4
Φ to
z in m
Kies G m,f
d = 1.84 - 2.02 g/cm³
VT = 5 - 25%
1.95
5
U;t
6
7
1.9
1.85
1.8
1.75
8
9
2
d in g/cm³
3
2.05
G
m,f
G
m,f
Φ to
1.7
1.65
1.6
10
11
U;t
12
13
Sandlinie
10 - 15 api
Φ to =
Ton
150 api
d F − d VT (d F − dT )
−
d F − dW
d F − dW
Tonkorrektur
LAR I (VT)
unkonsolidierte tertiäre
Gesteine
VSh = 0.33 ⋅ (22⋅GRI − 1)
Schluff U,t
d = 1.65 - 1.80 g/cm³
VT = 50 - 75 %
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
VT
Braunkohlebohrung
d (g/cm³)
GR (api)
z in m
0
30
60
90 120 150
VT
1 1.25 1.5 1.75 2 2.25
0
0.2
0.4
0.6
Crossplot
(d - VT)
0.8
60
60
61
61
62
62
63
63
2
64
64
1.9
65
65
1.8
66
66
67
67
68
68
69
69
70
70
71
71
72
72
73
73
74
74
75
75
76
76
77
77
78
78
79
79
80
80
81
81
82
Sand
Ton
2.3
2.2
d(g/cm³)
2.1
1.7
1.6
1.5
LAR I
CLAV
GRI
15,150api
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0
0.1
0.2
BK
BK; t, s
T, U
S
82
83
83
84
84
S; u
0.3 0.4 0.5
V T (LAR I)
0.6
0.7
0.8
Gammaspektrometrie
Messgröße: Gammaspektrum = f (z)
Auswertegrößen: Impulsraten Iγ (cps) im Zeitfenster τ für die drei
Energieintervalle K, U, Th,
z. B.
40
K -Linie: E = 1.46 ± ∆E (MeV).
Überlagerung des elementspezifischen Energiebereiches durch
Gammastrahlung der anderen radioaktiven Nuklide,
z. B. das U-Spektrum beeinflusst auch die Impulsraten im K- und
Th-Kanal.
Kalibrierung
Messung mit der zu kalibrierenden Sonde an Modellen mit genau
bekannten Kennwerten (K-, U-, Th-Gehalt),
Ziel: Bestimmung quantitativer Elementgehalte aus den gemessenen
Impulsraten in den Energiefenstern,
Sondenhersteller: Kalibriermatrix.
Verwendung von 3 Kalibriermodellen (test pits) mit bekannten K-, Uund Th-Gehalten:
Gehaltsbestimmung:
3
Ci = ∑ ( A ik ⋅ I k )
k =1
CK = A11I K + A12 IU + A13 ITh
CU = A12 I K + A22 IU + A23 ITh
CTh = A13 I K + A23 IU + A33 ITh
Ci - Konzentration (%, ppm) des Elementes i ,
I k - gemessene Impulsrate(cps) im Fenster k ,
k = 1 (Kalium); k = 2 (Uran); k = 3 (Thorium),
Aik - Kalibrierfaktoren (Verhältnis: Konzentration des Elementes k
und Impulsrate im Fenster i (% / cps; ppm / cps).
Gammaspektrum
Feldspektrometer: GR-256, Probe: Granit, Messzeit: 300s
Eγ in MeV
0.12 0.36
0.6
0.84 1.08 1.32 1.56
1.8
2.04 2.28 2.52 2.76
3
100000
Iγ in cpm
10000
K-40
Eγ=1.46 MeV
Ka:111-125
1000
Cs-137
Eγ= 0.66 MeV
Ref.-Kanal: 55
100
U-238
Eγ=1.76 MeV
Ka:133-151
Th-232
Eγ =2.62 MeV
Ka:197-219
10
1
10
30
50
70
90
110
130 150
Kanal-Nr.
170
190
210
230
Integrale Gamma-Messung
Eγ = 0.84 ... 3.06 MeV, Ka: 70 .... 256
250
Anwendung
Erkundung und Gehaltsbestimmung von Kalisalzen und Uranium
bzw. Thorium führenden Lagerstätten,
Bestimmung der radiogenen Wärmeproduktion A mittels GammaSpektrometrie, geothermische Energiegewinnung:
A = 0.133 ⋅ d (0.73 ⋅ Cu + 0.20 ⋅ CTh + 0.27 ⋅ CK )
3
A in µ W/m , Dichte d in g/cm³,
Cu , CTh , CK - Uran-, Thorium- und Kaliumkonzentration in ppm bzw. %
KTB
Gammaspektrometrie
CGR- uraniumkorr. GR
SGR- integrales GR
POTA in %
U, Th in ppm (g/t)
exzentrische Sondenlage
V = 6 m/min
∆z = 15 cm
C(Th) = 8 ppm C(U) = 4 ppm C(K) = 2 %