Gliederung der Vorlesung 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).

Bearbeitung, Interpretation von geophysikalischen Bohrlochmessungen

Lithologie: Schichtgrenzenbestimmung, geologisches Profil,

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.

Übung: gerade Woche, Dienstag 7.30 – 9.00 Uhr, MEI-0080,PVL : 1 Protokoll (Gruppenarbeit bis 3 Studenten)

Geophysikalische Bohrlochmessungen in der Bohrung FG 3, Simulation von Bohrlochmessungen an einem Modelltrog.

Material zur Vorlesung und Praktika (pdf-Format)http://tu-freiberg.de/geophysik/teaching/bohrlochgeophysik

Vorlesung: Praktikum:BL Grundlagen Bhrg_FG_3BL GeometrieBL Spülung

Klausur: letzte Semesterwoche, Montag, 13.07.2015, 18 Uhr, MEI-0080 letzter Übungstermin, Dienstag, 07.07.2015, 7.30 Uhr, MEI-0080

Modulnote: arithmetisches Mittel aus Klausurnote (90 min) und PVL

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),

Bestimmung von kleinräumigen Strukturelementen, Schichtmerkmalen und Mikroklüften (cm-Bereich),

Quantitative Bestimmung von Kennwerten des Bohrlochfluids,

Spülung: 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.

Einsatzgebiete der Bohrlochgeophysik

Kohlenwasserstofferkundung,

Bau geologischer Einheiten (z.B. Maarstrukturen),

Rohstofferkundung (Baurohstoffe, Erz- und Kohlelagerstätten),

Wasser- und Umweltfragen (Kontaminationen),

Geotechnik und Ingenieurgeologie (Baugrunduntersuchung),

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.

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

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

Geophysikalische Bohrlochmessanlagen

Tragbare Bohrlochmessapparaturen, Flachbohrungen, Tiefe bis 300 m: Wasser-, Umwelt- und geotechnisch-geologische Probleme, Untertageeinsatz: Steinkohle- bzw. Salzbohrungen.

Auf Kleintransportern installierte Bohrlochmessapparaturen, Flach- und Tiefbohrungen, Tiefe 300 bis 2000 m:

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).

Tiefbohrungen bis 8 km

Flachbohrungen bis 1 km

Robertson Geologging

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)

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.

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.

Sondenposition im Bohrloch

Freihängende Sonde (Widerstandssonden), Zentrisch geführte Sonde (Akustiksonden), Angedrückte Sonde (sidewall - Sonden, Gamma-Gamma-Dichtesonde).

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.

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.

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.

Bohrlochtypen

Offenes Bohrloch ohne Infiltration

Impermeables Gestein: Magmatite, Metamorphite, Tonsteine, Bohrung FG-3: Freiberger Graugneis (oberflächennah: stark geklüftet)

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.

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).

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 −

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

Poröse, hochpermeable Gesteine:Infiltrationstiefe gering,

Blockierung der Infiltration durch Filterkuchenaufbau.

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.

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.

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)

→

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“ = 40 cm,

Große Normale LONO: L2 = 64“ = 160 cm.

r0

0.5

1

G(r

) G1 (r)

g1 (r)

G2 (r)

g2(r)

r1 ∼ L1 r2 ∼ L2

SHNO LONO

BL Infilt. Formation

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.

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.

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

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