Radiometrische (passive) und kernphysikalische (aktive) Bohrlochmessverfahren
Übersicht
Messung radioaktiver Strahlung im Bohrloch mittels Detektoren (Zählrohre, Szintillationszähler, Halbleiterdetektoren),
Messung von Gamma- bzw. Neutronenstrahlung ( ), Alpha- und Betastrahlung: geringe Reichweite (mm – Bereich),
Gamma- und Neutronenstrahlung durchdringen Materie, Einsatz in offenen und verrohrten Bohrlöchern.
,nγ
Einteilung der radioaktiven Messverfahren
Messung der natürlichen - Strahlung (GR, NGAM )
Passive Messung,
Quelle: Gehalt an Nukliden der bzw. Zerfallsreihe und des radioaktiven Kaliumnuklids im Gestein.
γ
238U −
232Th −
40K
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 (Zeitfenster),
Maßeinheit: cps, cpm - counts per second, minute ( ).
POISSON-Verteilung:
Standardabweichung s des Messwertes N ist: ,
Vertrauensintervall: 68% der Werte liegen innerhalb .
1 1s ,min
− −
s N=
N N±
τ
Radioaktive Messungen in Bohrungen
Impulsrate N = f (z)
Zählung von Impulsen über ein Zeitfenster bei kontinuierlicher Sondenfahrt mit der Geschwindigkeit :
Zeitfenster : Statistik der Messkurve und vertikale Auflösung,
klein: große statistische Schwankungen, hohe vertikale Auflösung, groß: geringmächtige Schichten werden „überfahren“.
Sondenfahrgeschwindigkeit : Verschiebung der Messkurve in Fahrtrichtung.
Wahl von optimalen Messparametern: Produkt Hohe Aussagekraft der Bohrlochmesskurven, Ökonomische Randbedingungen.
Amplituden- und lagegetreue Abbildung bei: .
v τ⋅
τv
τ
τ
v
0,v τ→ → ∞
τ
Analogapparaturen (Praktikum Modelltrog)
Elektronischer Integrator: Widerstand - Kondensatorglied (R - C - Glied) mit der Zeitkonstante am Detektorausgang,
Optimales Signal durch Wahl von , Schichtgrenzen: Verschiebung in Fahrtrichtung.
τ
v τ⋅
R
UED
Statistisch verteilte Spannungsimpulse∼ γ - Impulse
γ
UAAnalogdarstellung UA
Digitalisierung (Trog)
DigitalapparaturenImpulszählung über dz
Cτ = R*C
Elektronischer IntegratorR-C-Glied
UA
t
Ladezeit des Kondensators
UA, max
63%
86%95%
τ 2τ 3τ 4τ 5τ τ1 2τ1 3τ1
τ = R, C groß
τ = R, C klein
Digitalapparaturen
Softwaregesteuerte Impulszählung am Detektorausgang mit einer kleinen Samplingrate ,
Optimales Signal durch Kurvenbearbeitung mit einem Glättungsoperator, Schichtgrenzen: keine Verschiebung in Fahrtrichtung bei symmetrischen
Glättungsoperatoren.
Gleitender Mittelwert, HAMMING-Fenster: Gewichteter, symmetrischer Glättungsoperator.
z∆
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
N in
cp
s
τkl = 0.125 s
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
N in
cp
s
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
N in
cp
s
Wasser Beton Monazit
n = 5
vgr = 31.6 mm/s
n = 11
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800z in mm
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
N in
cp
s
n = 21
ModelltrogFilter: gleitendes Mittel
n = 1dz = 1mm
Natürliche Gamma-Strahlung
Natürliche Radioaktivität der Gesteine Uranium-Zerfallsreihe:
Langlebiges Mutternuklid stabiles Endprodukt: -Spektrum,
Thorium-Zerfallsreihe: -Spektrum,
Kalium-Nuklid: Monoenergetische -Strahlung.
Markante Energielinien, Peaks: Elementspezifische Energiebereiche im -Spektrum:
Kalium ( ): 1.46 MeV,
Uranium ( ): 1.74 MeV,
Thorium ( ): 2.61 MeV, (ThC''').
Kinetische Energie:
238 206U Pb→
→
γ
γ
232 208Th Pb→
40 40K Ca→
γ
γ40
K
214Bi
208Tl
191eV 1.602 10 J
1J 1W s 1N m
−= ⋅
= ⋅ = ⋅
Mineral U-Gehalt (ppm) Th-Gehalt (ppm) K-Gehalt (%)
Montmorillonit 2 - 5 14 - 24 0 - 4.9
Chlorit 3 - 5 0 - 0.35
Kaolinit 1.5 - 9 6 - 42 0 - 0.6
Illit 1.5 10 - 25 3.5 - 8.3
Glaukonit kleiner 10 3.2 - 5.8
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
U-, Th- und K-Gehalte einiger Minerale
Minerale mit hoher natürlicher RadioaktivitätAkzessorien (Monazit), Tonminerale, Kalifeldspäte, Glimmer, Kalisalze.
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.
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
TonTonschiefer
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
U-, Th- und K-Gehalte einiger Gesteine
Spülung Verrohrung
S
S
T
U (ppm)
Th (ppm)
K (%)
selektivspektral
0.5 1 1.5 2 2.5 3E in MeV
1
10
100
1000
I in
cps ThU
K
Gammaspektrum Tiefe z0
Kalibrierung
z
Detektor
GRS-K (cps)1.3 ... 1.6 MeV
GRS-U (cps)1.6 ... 2.4 MeV
GRS-Th (cps)2.4 ... 2.8 MeV
integralGR (api, cps)
Gamma-Strahlungsmessung
Integrale Gammamessung
Messung der Gammastrahlung über den gesamten Energiebereich:
Einführung eines Internationalen Standardmaßesapi-unit = american petroleum institute/Houston,Texas
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.
0.1 3MeVE∆ = −
(cps) (api)GR GR→
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 vom Detektor.
r
01/2
ln(2)(api) expt
tI I
T
−=
0 3.7MBq 03.1995I = → 1371/2Cs 30aT→ =
0 ( ) 200apiI r =
r
16.25a 137.4apitt I= → =(api)
(cps)
IA
I=
40 80 120 160 200 240NGAM in api
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
z in
m
FDGS-Sondedz = 5 cm
HGCGamma-Sondedz = 1 cm
Kalibrieruns-fehler ??
40 80 120 160 200 240NGAM in api
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Gleitendes Mitteln = 5
40 80 120 160 200 240NGAM in api
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0Hamming-FensterM = 11
170 api125 api
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5n
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
w(
n)
M/2-M/2
w(n) = 0.54+0.46cos(2πn/M)
Wertebereiche der natürlichen Gammastrahlung in api-Einheiten
Mineral/Gestein -Aktivität (api) Mineral/Gestein -Aktivität (api)
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
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 - Intensität, Absorptionskorrektur = f (Dichte Absorbermaterial (Spülung, Verrohrung);
Bohrlochkaliber, Wandstärke) Korrekturdiagramme.
γ
60 80 100 120 140 160NGAM in api
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
60 80 100 120 140 160
2.5 3 3.5 4 4.5 5Cal in inch
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
z in
m
2.5 3 3.5 4 4.5 5
60 80 100 120 140 160NGAM(gl) in api
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
60 80 100 120 140 160
dz = 0.1 m n = 5
Bohrung FG-3; Sonde: FDGS
ca. 10 api
ca. 50 api
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 = 15 ... 30 cm, Extrem langsame Fahrt: v = 1 ... 2 m/min, = ca. 10 cm.
Schichtmächtigkeit h , Gammastrahlung des Liegenden und Hangenden,
Samplingrate Digitalapparaturen: Analogapparaturen: Zeitkonstante .
z∆z∆
z∆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 (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.
TV
Berechnung des Gamma-Ray Index GRI aus dem Gamma-Log :
Minimalwert der Gammastrahlung : tonfreier Sand/Sandstein, ca. 10 - 15 api (Sandlinie),
Maximalwert der Gammastrahlung : reine Tone/Tonsteine, ca.150 api (Tonlinie).
min
max min
( )( )
GR z GRGRI z
GR GR
−=
−
minGR
( )GR z
maxGR
Empirische Beziehungen zur Bestimmung des Tongehaltes(shale content )
Problem: Tongehalt, Feinstkornanteil; welches Korngrößenspektrum wird erfasst ??
Schluff- und Tonanteil: Kornfraktion < 0.063 mm,
LARIONOW I: Unkonsolidierte tertiäre Gesteine,
LARIONOW II: Konsolidierte tertiäre Gesteine,
CLAVIER:
mit
Kornfraktion < 0.02 mm; Rotliegendsandsteine Norddeutschlands.
ShVTV
ShV GRI=
3.70.083 (2 1)GRIShV
⋅= ⋅ −
20.33 (2 1)
GRIShV
⋅= ⋅ −
21.7 3.38 ( 0.7)ShV GRI= − − +
10 (%)aShV =
0.41
0.733
GRIa
+=
Hydrierwerk Zeitz (G- und GG-Messung)
Sandlinie10 - 15 api
Ton150 api
0 40 80 120 160
GR in api
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
z in
m
1.65 1.75 1.85 1.95 2.05
d in g/cm³
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
VT
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1VT
1.6
1.65
1.7
1.75
1.8
1.85
1.9
1.95
2
2.05
2.1
d in
g/c
m³
Schluff U,td = 1.65 - 1.80 g/cm³VT = 50 - 75 %
Kies G m,fd = 1.84 - 2.02 g/cm³VT = 5 - 25%
Crossplot (VT; d)
Lith.
LAR I (VT)unkonsolidierte tertiäreGesteine
Gm,f
U;t
Gm,f
U;t
U;t
20.33 (2 1)
GRIShV
⋅= ⋅ −
( )F T F Tto
F W F W
d d V d d
d d d d
− −Φ = −
− −
toΦ
toΦ
Tonkorrektur
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
z in
m
0 30 60 90 120 150
GR (api)
1 1.25 1.5 1.75 2 2.25
d (g/cm³)
84
83
82
81
80
79
78
77
76
75
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
63
62
61
60
0 0.2 0.4 0.6 0.8
VT
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8VT (LAR I)
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
2.1
2.2
2.3
d(g
/cm
³)Sand Ton
LAR ICLAVGRI15,150api
Crossplot(d - VT)
BK
BK; t, s
T, U
S
S; u
Braunkohlebohrung
Gammaspektrometrie
Messgröße: Gammaspektrum = f (z)
Auswertegrößen: Impulsraten (cps) im Zeitfenster für die drei Energieintervalle K, U, Th,
z. B. -Linie: (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.
Iγ
40K 1.46E E= ± ∆
τ
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.
Gehaltsbestimmung:
- Konzentration (%, ppm) des Elementes i , - gemessene Impulsrate(cps) im Fenster k , k = 1 (Kalium); k = 2 (Uran); k = 3 (Thorium), - Kalibrierfaktoren (Verhältnis: Konzentration des Elementes k und Impulsrate im Fenster i (% / cps; ppm / cps).
ikA
3
1( )i ik k
k
C A I=∑= ⋅
iC
kI
12 1311K UK ThA I IC AA I= + +
2212 23U UK ThC A IA I A I= + +
13 23 33Th ThK UA I A IC A I= + +
Verwendung von 3 Kalibriermodellen (test pits) mit bekannten K-, U- und Th-Gehalten:
10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250Kanal-Nr.
1
10
100
1000
10000
100000I γ
in c
pm
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
Eγ in MeV
GammaspektrumFeldspektrometer: GR-256, Probe: Granit, Messzeit: 300s
Integrale Gamma-MessungEγ = 0.84 ... 3.06 MeV, Ka: 70 .... 256
K-40Eγ=1.46 MeV
Ka:111-125 U-238Eγ=1.76 MeV
Ka:133-151
Th-232Eγ =2.62 MeV
Ka:197-219
Cs-137Eγ= 0.66 MeV
Ref.-Kanal: 55
Anwendung
Erkundung und Gehaltsbestimmung von Kalisalzen und Uranium bzw. Thorium führenden Lagerstätten,
Bestimmung der radiogenen Wärmeproduktion A mittels Gamma- Spektrometrie, geothermische Energiegewinnung:
A in , Dichte d in g/cm³, - Uran-, Thorium- und Kaliumkonzentration in ppm bzw. %
0.133 (0.73 0.20 0.27 )u Th KA d C C C= ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅
, ,u Th KC C C
3W/mµ