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Gliederung LV Bohrlochgeophysik
Gegenstand und Anwendungsbereiche der Bohrlochgeophysik
Bohrlochmesstechnik Bestandteile einer Bohrlochmessapparatur, Messbedingungen, Radiales und vertikales Auflösungsvermögen, Messwertgewinnung und Darstellung, Bohrlochplots.
Bohrlochmessverfahren Elektrische und elektromagnetische Verfahren, Magnetische Verfahren, Radiometrische und kernphysikalische Verfahren, Akustische (seismische) Messverfahren, Temperaturmessung, Flowmetermessung, Kalibermessung und Messung des Bohrlochverlaufes, Optische Bohrlochuntersuchungen (Bohrlochfernseher).
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Bearbeitung, Interpretation von geophysikalischen Bohrlochmessungen
Lithologie, Schichtgrenzenbestimmung,
Gesteinskennwerte (quantitative Interpretation), Tongehalt, Porosität, Sättigung des Porenraumes, Permeabilität usw.,
Anwendungsbeispiele.
Literatur
FRICKE, SCHÖN: Praktische Bohrlochgeophysik. ENKE-Verlag, Stuttgart, 1999, mit umfangreichem Literaturverzeichnis, KTB REPORTS: Berichte Bohrlochgeophysik zur kontinentalen Tiefbohrung. The Log Analyst: Zeitschrift mit neuesten Entwicklungen in der Bohrlochgeophysik.
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Praktika (PVL : 2 Protokolle)
Bohrung FG-3, Modelltrog.
Material zur Vorlesung und Praktika (pdf-Format)
www.geophysik.tu-freiberg.de/Mitarbeiter/Rolf Käppler/Bohrlochgeophysikwww.geophysik.tu-freiberg.de/~kaeppler/Bohrloch
Vorlesung (wird aktualisiert)
Einführung, Bohrlochgeometrie, Bohrlochinhalt usw.
Modulnote: arithmetisches Mittel aus Klausurnote (90 min) und PVL
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Aufgabenstellungen der Bohrlochgeophysik
Dokumentation des Bohrprofils mit physikalischen Messgrößen: Lithologie, Schichtgrenzen,
Korrelation von Schichtprofilen in einem Untersuchungsgebiet: Typische Kurvenindikationen, Korrelation von Leithorizonten, Ableitung von 2D- und 3D-Modellen,
Quantitative Bestimmung von Gesteinsparametern: Porosität, Sättigungsverhältnisse im Porenraum, Permeabilität,
hydrogeologische und geotechnische Kennwerte (E, µ),
Aussagen zur stofflichen und mineralogischen Zusammensetzung der Festsubstanz (Matrix),
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Bestimmung von kleinräumigen Strukturelementen, Schichtmerkmalen und Klüften (cm-Bereich),
Quantitative Bestimmung von Kennwerten des Bohrlochfluids:
Temperatur, elektrische Leitfähigkeit und Fluidbewegungen,
Dokumentation und Überwachung des technischen Zustandes von Bohrungen, Brunnen, Pegel:
Hydraulische Funktion, Ausbau,
Kontrolle und Monitoring (zeitliche Beobachtung) von Abbau- bzw. Förderprozessen,
Verknüpfung mit oberflächengeophysikalischen Messungen, z. B. seismische Erkundung von KW-Lagerstätten.
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Einsatzgebiete der Bohrlochgeophysik
Kohlenwasserstofferkundung,
Bau geologischer Einheiten (z.B. Maarstrukturen),
Rohstofferkundung (Baurohstoffe, Erz- und Kohlelagerstätten),
Wasser- und Umweltfragen (Kontaminationen),
Geotechnik und Ingenieurgeologie (Baugrund),
Geothermische Energiegewinnung,
Erkundung von Wirtgesteinen für radioaktive Endlager,
Einsatz in Forschungsbohrungen: KTB – Kontinentale Tiefbohrung der BRD, ODP – ocean drilling program, ICDP – international continental drilling program.
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Erkundung von KW - Lagerstätten
Seismik, Elektromagnetik, Gravimetrie, Magnetik
Höffige Strukturen für KW-Stoffe, Bohransatzpunkt
Prospektion: A = A(x, y, z0 , t) Sensoren: EO, Wasser, Luft (marine- und Aerogeophysik)
Vertikale und laterale Auflösung nimmt mit der Tiefe ab
Elektrische, radioaktive, seismische BL-Verfahren
Hohe vertikale Auflösung dz, geringe laterale Wirkungstiefe
Detaillierte Aussagen zur Lithologie undKennwertsituation(Porosität, Sättigung) Empirische Beziehungen
Bohransatzpunkt (x0, y0, z0), Nadelstich: Sensoren in der Formation: A = A(z, t)
2D-, 3D-Modellierung, petrophysikalisches Modell
1. Erkundungsphase Oberflächengeophysik
2. Erkundungsphase Bohrlochgeophysik
A
z
Gas
Gas
DichteWiderstand
dz1
dz2
Φ1 ,SGas,1
Φ2 ,SGas,2
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Bohrlochinhalt: Eigenschaften, Bewegung
Bohrlochausbau:- Geometrie, Eigenschaften des Ausbaus,- Korrosion,- Bindung Rohr - Zement,- Bindung Zement - Gebirge.
Bohrloch:- Bohrlochdurchmesser (Kaliber),- Bohrlochverlauf,- Bohrlochwand (Kontur, Eigenschaften),- Klüfte, Kluftparameter.
Gebirge, Formation:- Schichtgrenzen, Tiefe, Raumlage,- Schichtmächtigkeit,- Lithologie: Gesteinsart,- Gesteinseigenschaften: Porosität, Tongehalt,- Poren- bzw. Kluftinhalte: Sättigungsverhältnisse,- Radiale Änderungen der Gesteinseigenschaften, Infiltration,- Zeitliche Änderungen des Poreninhaltes,- Druckverhalten.
z
FilterkuchenInfiltrationszone
Zielbereiche der Bohrlochgeophysik
Kluftzone
z1
z2
SS
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Geophysikalische Bohrlochmessanlagen
Tragbare Bohrlochmessapparaturen; Tiefe: bis 300 m, Flachbohrungen: Wasser-, Umwelt- und geotechnisch-geologische Probleme, Untertageeinsatz: Steinkohle- bzw. Salzbohrungen.
Auf Kleintransportern installierte Bohrlochmessapparaturen; Tiefe: 300 bis 2000 m, Flach-,Tiefbohrungen: Wasser-, Umwelt- und geotechnisch-geologische Probleme, Rohstoff- und Mineralerkundung. Institut f. Geophysik: ROBERTSON Geologging (GB), 1995,
Kabellänge: 500 m,
Bohrlochmessapparaturen für Tiefen bis ca. 7000 ...8000 m, Tiefbohrungen, Kohlenwasserstoffexploration auf dem Festland und im offshore-
Bereich. Stationäre Bohrlochmessapparaturen für Forschungsbohrungen (KTB).
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Tiefbohrungen bis 8 km
Flachbohrungen bis 1 km
Robertson Geologging
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Analoge BL-Messapparaturen Digitale BL-Messapparaturen
1970 ... 1980
A
z
A
z
z1
z2 dz = 1 - 10cm
AD-Wandler in der SondeU in cps
Sensor in der Sonde:Analoges Spannungssignal U = f (A),A - Physikalischer Messwert
Kalibrierung A = f (U)
Analogausdruck
Interpretation
Induktive, magnetische Triggering dzüber Tiefengeber an der Umlenkrolle
A = f (z)
Analoge Übertragung U = f (A; z)über das Messkabel
Registriereinheit: A = f (z)Analogdarstellung - BildschirmSpeicherung: "...".log
Mathematische Bearbeitung,Interpretation
Digitale, binärcodierte Übertragung von U = f (A; z) über das Messkabel
Kalibrierung A = f (U)
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Bestandteile einer Bohrlochmessausrüstung
Registriereinheit
Steuerung des Messvorganges, Energieversorgung der Sonde über das Kabel, Aufnahme, Darstellung und Speicherung der Messwerte,
Formationsparameter, Fahrgeschwindigkeit, Zugspannung des Kabels.
Bohrlochmesskabel
Mechanische Halterung der Sonde, Stromversorgung der Sonde, Messwertübertragung, Tiefenposition der Sonde.
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Messsonde mit Sensoren
Passive geophysikalische Messung Natürlich vorhandene physikalische Parameter,
Temperatur, natürliche Radioaktivität, elektrisches Eigenpotential.
Aktive geophysikalische Messung Geber: Einspeisung eines physikalischen Feldes oder einer
Teilchenstrahlung, Empfänger: Messung der physikalischen „Antwort“ der Formation, Elektrische Widerstandsmessungen, Gamma-Gamma-Dichtemessung.
Geometrische Größen des Bohrlochs Kaliber, Neigung und Richtung.
Multisonden (Mehrkanalsonden) Simultane Registrierung von mehreren physikalischen, geochemischen und geometrischen Größen während einer Sondenfahrt.
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Sondenposition im Bohrloch
Freihängende Sonde (Widerstandssonden), Zentrisch geführte Sonde (Akustiksonden), Angedrückte Sonde (sidewall - Sonden, Gamma-Gamma-Dichtesonde).
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Praktikum: Bohrung FG-3
Multisonde: Elektrische Sonde ELGG, Robertson Geologging,
Sondenlänge: 2.50 m; Durchmesser: 44 mm; T(max): 70°C, Messung: Aufwärtsfahrt (up); freihängend,
5 Kanäle
NGAM: Natürliche Gamma-Strahlung (natural gamma), passiv, SP: Natürliches Eigenpotential (self potential), passiv, SPR: Ohmscher Übergangswiderstand (single point resistivity), aktiv, SHNO: Scheinbarer spezifischer elektrischer Widerstand, kleine
Normale (short normal), aktiv, LONO: Scheinbarer spezifischer elektrischer Widerstand, große
Normale (long normal), aktiv.
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Neue Entwicklungen in der Bohrlochgeophysik
Messung während des Bohrprozesses
Measurement While Drilling MWD: Bestimmung von petrophysikalischen Parameter, Bohrdaten und Bohrlochverlauf,
Logging While Drilling LWD: Messung petrophysikalischer Parameter.
Einbau von Sensoren hinter der Bohrkrone,
Datenübertragung über Bohrspülung, Wandlung elektrischer Signale in Druckimpulse.
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Ziele
Kontrolle und Beeinflussung des Bohrvorganges, Richtung von Horizontalbohrungen, Position der Bohrkrone in der Speicherformation.
Schnellanalyse von Formationsparametern (Porosität, Sättigung) vor Verdrängung des Porenfluids durch das Spülungsfiltrat,
Untersuchung der Infiltration nach dem Bohren,
Kombination LWD und Bohrlochmessung (wireline logging) in der fertiggestellten offenen Bohrung.
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Messbedingungen
Einflussgrößen auf das Sondensignal bei geophysikalischen Bohrlochmessungen:
Physikalische Eigenschaften des durchteuften Gebirges (geologische Formation),
Bohrlochgeometrie (Kaliber, Beschaffenheit der Bohrlochwand, Ausbrüche, Kavernen, Kaliberverengungen),
Eigenschaften des Fluids in der Bohrung (Wasser, Luft, Spülung) und Infiltrationsverhältnisse,
Eigenschaften des Ausbaus (Verrohrung, Zementation, Hinterfüllung),
Druck- und Temperaturverhältnisse,
Position der Sonde im Bohrloch (zentrisch, gedrückt).
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Bohrlochtypen
Offenes Bohrloch ohne Infiltration
Impermeables Gestein: Magmatite, Metamorphite, Bohrung FG-3: Freiberger Graugneis.
Offenes Bohrloch mit Infiltration
Permeables Gestein: Sedimentite, Sedimente, Eindringen der Spülung in die Formation und Verdrängung des
Porenfluids: Bohrlochwand: Filterkuchen, Geflutete Zone: Spülungsfiltrat, Übergangszone (teilweise geflutete Zone): Spülungsfiltrat und
Porenfluid, Ungestörtes Gebirge,
Ausgebautes (verrohrtes) Bohrloch
Spülung – Verrohrung – Zement – Gebirge.
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Bearbeitung bohrlochgeophysikalischer Primärdaten
Messwert = f (Bohrloch, Bohrlochumgebung, Schichtenfolge) Inhomogene Verhältnisse: petrophysikalische Parameter sind
ortsabhängig,
Messwert = „Scheinbarer“ physikalischer Kennwerte für den erfassten radialen Bereich.
Bearbeitung der Messwerte Ermittlung „wahrer“ physikalischer Kennwerte, die sich auf
homogene Bereiche (Infiltrationszone, ungestörtes Gebirge) beziehen,
Widerstandstiefensondierung: Messung: Modellierung:
( / 2)aR f AB=
1;i iR h −
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Horizontalschnittsymmetrische Infiltrationszone
Vertikalschnittasymmetrische Infiltrationszone
Vertikales BohrlochHorizontale SchichtenZylindersymmetrie
Abgelenkte BohrungHorizontalbohrungSpeichergestein
Infiltrationszone in porösen permeablen Gesteinen
dm < dp
dm > dp
Bohrung mitSpülung
S 1
S 2
S 3
Infiltrationszone
Formation
dm - Dichte Spülungsfiltratdp - Dichte Porenfluid
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Poröse, hochpermeable Gesteine:Infiltrationstiefe gering,
Blockierung der Infiltration durch Filterkuchenaufbau.
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Radiale und vertikale Sondencharakteristik
Radiales und vertikales Auflösungsvermögen (Sensitivität)
Radiales Auflösungsvermögen: Vermögen einer Messkonfiguration, radiale Bereiche mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften zu erkennen und abzugrenzen.
Vertikales Auflösungsvermögen: Fähigkeit eines Verfahrens, Schichten mit bestimmten physikalischen Kontrasten voneinander exakt abzugrenzen und ihre Lage teufenmäßig zu bestimmen.
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Einflussfaktoren auf das radiale und vertikale Auflösungsvermögen Sondenspacing L
L = G - E – Abstand (aktive Verfahren) bzw. Abmessungen des Detektors,
Kaliber und physikalische Spülungseigenschaften,
Physikalische Eigenschaften und Tiefe der Infiltrationszone,
Physikalische Formationsparameter.
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Integraler und differentieller radialer Sondenfaktor G (r) und g (r)
Aktive Sonde mit Geber G und Empfänger E, Spacing L
Zylinderring mit differentiellen Radius dr differentieller Beitrag dG zum Messsignal,
für einen Zylinder mit dem Radius r folgt das Messsignal G(r) durch Integration,
Integraler radialer Faktor G(r) = Messwertanteil für einen Zylinderring mit r.
; ( ) 1r G r→ ∞ =
G
E1
r
drL1
E2
L2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1r in m
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G(r
)
G(r)
→
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Differentieller radialer Faktor:
ist die Gewichtsfunktion der Sonde hinsichtlich der Beiträge zum Messwert.
( )( )
dG rg r
dr=
Radiale Eindringtiefe
Nukleare Verfahren: Radius für G(r) = 0.9 Widerstandsmessungen: Radius für G(r) = 0.5
Kleine Normale SHNO: L1 = 16“Große Normale LONO: L2 = 64“
r0
0.5
1
G(r
) G1 (r)
g1 (r)
G2 (r)
g2(r)
r1 ∼ L1 r2 ∼ L2
SHNO LONO
BL Infilt. Formation
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Annahme: Homogenität der Bohrlochumgebung
Die Funktionen G (r), g (r) sind nur vom Sonden(Geometrie)parameter L abhängig,
Bei radialer Inhomogenität:
Die Funktionen G (r), g (r) sind auch von den physikalischen Parametern der Bohrlochumgebung abhängig:
Pseudogeometrische Faktoren.
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G
E
z
z0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
G(z
), g
(z)
G(z)
g(z)dz
Ldz
Integraler und differentieller vertikaler Faktor G(z) und g(z)
Beschreibung der Messwertänderung beim Durchfahren einer Schichtgrenze.
Vertikales Auflösungsvermögen Abstand dz zwischen den Werten G(z) = 0.1 und G(z) = 0.9
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Messverfahren Vertikales Auflösungsvermögen in cm
Formation Microscanner 0.5
Microlog 5 ... 10
Microlaterolog 10
Gammalog 20 ... 30
Laterolog 60 ... 75
Inductionlog (deep) 120
SP-Log 150
γ - γ - Dichtelog 46 ... 60
n - n - Neutronlog 46 ... 60
Akustiklog 60