13
1 Issue 26 – November 2017 W W I I R R E E L L I I N N E E W W O O R R K K S S H H O O P P A BIMONTHLY BULLETIN FOR WIRELINE LOGGERS AND GEOSCIENTISTS ENGAGED IN MINING AND MINERAL EXPLORATION A Review of the Basics (part 3) Rock Mass Rating a guest's perspective 1. Wireline Logging What does the Average Geo need to know? Part 3 of 3. Borehole Images and Structure Logs We have considered the density log and made pains to point out that, of all the physical property logs, that important measurement is the toughest to get right. It is perturbed by varying borehole conditions and formation chemistry. It also suffers from resolution issues; each 1cm datum describes the average density of a sample of data, depending on sourcedetector separation. Boundaries between very different rock densities are not sharp. Once the various perturbations and resolution issues are understood, the density log may be used very effectively. Borehole image logs are fundamentally different. Notwithstanding the effects of magnetic formations on its orientation, the image describes the formation reliably, repeatably and at very high resolution. In the vast majority of cases, the geologist can believe what he is given. There will always be small errors in image orientation or the borehole navigation data (captured during the same log run as the image) but, in the context of the knowledge requirement, these can be ignored. Vertical resolution is very high. One can measure the thickness of a coal seam or open fracture with great accuracy...within a millimetres or two in some cases. The optical televiewer image on the right is a good example of measurement resolution. Nothing is missing. Colour, texture and continuity are described perfectly. The angle and orientation of structures may be measured confidently. The log is entirely unambiguous. QA is easy to do. The explorer is comfortable with image data. He knows enough about his ground to recognise if anything strange or unbelievable is described. His instincts can be trusted, whereas he might sometimes feel technically enfeebled when presented with a page full of wiggly lines. The NMR log, discussed last month, is an example...great technology, important measurement, but, in terms of data fidelity, the geologist depends entirely on his logging contractor who depends very much on his equipment supplier. There are three types of orientated borehole wall image available to the geologist. These may be grouped into injected electrical resistance, reflected sonic, and various photographic images.

Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

  • Upload
    ngodien

  • View
    215

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

1  

Issue 26 – November 2017 

WWIIRREELLIINNEE WWOORRKKSSHHOOPP A  BIMONTHLY  BULLETIN  FOR  WIRELINE  LOGGERS  AND GEOSCIENTISTS  ENGAGED  IN  MINING  AND  MINERAL EXPLORATION

A Review of the Basics (part 3) 

Rock Mass Rating ‐ a guest's perspective 

11.. WWiirreelliinnee  LLooggggiinngg  ‐‐  WWhhaatt  ddooeess  tthhee  AAvveerraaggee  

GGeeoo  nneeeedd  ttoo  kknnooww??      

PPaarrtt  33  ooff  33..  

Borehole Images and Structure Logs 

We have considered the density log and made pains to point out that, of all the physical property  logs, that  important measurement  is the toughest to get  right.  It  is  perturbed  by  varying  borehole  conditions  and  formation chemistry. It also suffers from resolution issues; each 1cm datum describes the  average  density  of  a  sample  of  data,  depending  on  source‐detector separation. Boundaries between very different rock densities are not sharp.  

Once  the various perturbations and  resolution  issues are understood,  the density log may be used very effectively. 

Borehole  image  logs  are  fundamentally  different.  Notwithstanding  the effects of magnetic  formations on  its orientation,  the  image describes  the formation reliably, repeatably and at very high resolution.  

In  the  vast  majority  of  cases,  the  geologist  can believe what he is given. 

There  will  always  be  small  errors  in  image  orientation  or  the  borehole navigation data (captured during the same log run as the image) but, in the context of the knowledge requirement, these can be ignored. 

Vertical  resolution  is  very  high. One  can measure  the  thickness  of  a  coal seam or open fracture with great accuracy...within a millimetres or two   in some cases. The optical televiewer image on the right is a good example of measurement resolution. Nothing  is missing. Colour, texture and continuity are  described  perfectly.  The  angle  and  orientation  of  structures may  be measured confidently. The log is entirely unambiguous. QA is easy to do. 

The explorer  is  comfortable with  image data. He knows enough about his ground  to  recognise  if  anything  strange  or  unbelievable  is  described.  His instincts  can  be  trusted,  whereas  he  might  sometimes  feel  technically enfeebled  when  presented  with  a  page  full  of  wiggly  lines.  The  NMR  log,  discussed  last  month,  is  an example...great  technology,  important  measurement,  but,  in  terms  of  data  fidelity,  the  geologist  depends entirely on his logging contractor who depends very much on his equipment supplier. 

There are  three  types of orientated borehole wall  image available  to  the geologist.  These  may  be  grouped  into  injected  electrical  resistance, reflected sonic, and various photographic images. 

Page 2: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

2  

The electrical option  

The  borehole  micro‐scanner,  is  a  multi‐button dipmeter  that  images  the borehole wall  in  terms of  its  resistance  to  the  flow  of  electric  current between  an  electrode  array  and  the body of  the sonde.  Guard  or  bucking  currents  force  the injected  current  several  centimetres  into  the formation (through mudcake and skin effects). 

The advantage here is that, regardless of borehole diameter,  the measuring  electrodes  are  close  to the borehole wall and so  the  log  is unaffected by signal  travel  length or borehole  fluid density.  For that reason, it is preferred by oilfield explorers. 

Its cost and size (it is difficult to build a little one), as  well  as  the  small  diameter  boreholes  usually encountered by the mineral logger, have generally disqualified  the  tool  from  use  in  mining exploration projects. 

There  are  crossover  projects  like  carbon sequestration, shale gas stratigraphy and Coalbed Methane  logging where one can  imagine the micro‐scanner being deployed by  a modified mineral  logging  truck.  It  rather depends on  the drilling  system  employed,  the borehole fluid and the diameter of the bore. 

In  large  diameter mud‐filled  boreholes  the Acoustic Televiewer image will be very poor and the optical version sees nothing. That is when the micro‐scanner is the only option. 

One  drawback  is  the  lack  of  total  borehole  coverage.  As  the caliper arms open to  larger diameters, the pads separate,  leaving gaps between them. That is not really a big problem as we can see from the image on the right. 

 

Formation Micro‐Imaging log (from Weatherford) 

 

The log analyst gets used to looking through the bars of his cage in order  to  see  the world beyond.  In  fact, very  little  information  is lost but, even so, normalisation programs are being developed to automatically interpolate the data and fill the gaps. 

It must be  said  that  this  technology  is not  routinely provided by the mineral logger but is included here for completeness. 

A moving picture 

Perhaps the first mineral imaging tool was the borehole camera. This device offers a continuous real time video recording of its progress down a borehole, mine shaft or other void. It relies on an air‐filled or clean water‐filled environment. For this reason its use is restricted somewhat. It is often employed in groundwater studies and for describing  borehole  blockages  or  lost  equipment.  The  borehole  camera  can  include  a  side  view  lense  to supplement  the  axial  (downward)  view  and  it may,  with  the  addition  of  a  navigation  sub  or  compass,  be orientated but it is predominantly a borehole inspection device rather than a geological tool. 

Page 3: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

3  

For  most  mineral  exploration  and  geotechnical  studies  the  borehole televiewer, optical or acoustical, is the main imaging tool for the geologist. 

The choice for the geologist is which to use, optical or acoustical televiewer, and whether to run both. There are borehole conditions  that prohibit use of one or  the other but, even when conditions are  favourable  to  them both, they do not always provide the same knowledge. 

The Optical Measurement 

The optical televiewer provides a 360 degree orientated photographic image of the borehole wall. It may not be run effectively in opaque borehole fluid. It requires a caliper log to describe the borehole wall and its diameter. 

A typical OTV presentation with picked structures, navigation data and a caliper log on the far right 

Introducing  clean water  into  a  borehole  should  not  be  seen  as  a  problem.  It  is  usually  straightforward  and inexpensive in the context of the drilling programme. In old boreholes, the fines have usually settled out. 

Geologists are often disappointed with the acoustic televiewer log produced in a large diameter rough‐walled  borehole.  The  sonic  signal  is  dispersed  by the  long  journey  and  by  the  rough  surface  from which  it  is  reflected.  The  optical  televiewer  will produce a better log...if the borehole fluid is clean.  

Of course, if the borehole is dry, there is no choice. The  acoustic  televiewer  will  not  work  in  a  dry borehole.  

Some optical images captured in dry boreholes are fantastic...see page 1 and 4.  

The big advantage, as with all wireline logs,  is  that  the  representation  is complete, no gaps, no uncertainty. 

In  hard  rocks,  the  optical  image  will  describe bedding  but  for  the  acoustic  device  bedding  and layering is often invisible (see page 6). 

Page 4: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

4  

The optical image on the right was originally rather dark  and  much  of  the  detail  was  hidden.  It  is possible to brighten the original RGB image or, as in this  case,  convert  it  into  a  borehole  image  with presentation  and  palette  options  that  allow  some improvement.  Natural  colour  is  lost  but  can  be approximated.    

This is typical optical image quality in a dry borehole after some enhancement for picking 

purposes. The logger chose less than maximum resolution, because logging speed/time was an 

issue, but the result is fit for purpose.      

This version was eventually plotted alongside the original true colour image. Some minor 

vertically aligned artefacts are caused by dust on the lense cover. 

    

Classification of picked artefacts is an important acquired skill. In this case, natural flat lying open fractures and bedding dominate. The sub vertical 

events appear to be drilling‐induced. 

   The best optical images, captured in clean water or air‐filled  boreholes  provide  the  geologist  with  a great deal of assurance  that nothing  is missed.  It  is an excellent descriptor of  texture and bedding and offers very accurate measurement of fracture aperture and bed thickness. Image resolution is higher than that of the acoustical measurement and, frankly, it is a waste of time plotting the OTV log on paper except, perhaps, as part of  the  final  structure  log with polar plots  etc...the  user  should  interrogate  the data on  a  computer because viewing scales of even 1:1 are now valid. 

Page 5: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

5  

The Acoustical Measurement 

Let's first try to deal with the semantics. Most loggers refer to the "Acoustic" Televiewer and (we) will probably continue  to  do  so.  Strictly  speaking,  that  is  incorrect...a  bit  like  referring  to  the Optic  Televiewer.  The  term "Acoustical" Televiewer is grammatically correct but it sounds rather quaint and dated. Hang on though, one can use  the  term  acoustic  transducer  because  sound  is  being  "transduced".  Is  sound  being  televiewed? No,  the borehole  is being televiewed by means of sound.  It's a very fine  line because, according to the text book, one can say acoustic signal but not acoustic measurement....Really? It's so fine that the Loggers can be forgiven and, anyway, time and repetition modify language. Whose ever heard of an acoustical guitar?  

Sticklers respond please. 

The  ...  ATV  generates  images  of  the  transit time and amplitude of a high frequency sonic pulse  that  is  reflected  directly  off  the borehole wall.  The  transit  time  is  governed by  fluid  characteristics  and  borehole  radius (the tool is centralised).  

 

Acoustic time and amplitude images orientated to the high side of a borehole 

drilled at 30 degrees from vertical through a magnetic formation. 

 

The  amplitude  is  governed  also,  to  some degree,  by  the  borehole  fluid  and  the diameter  but  more  importantly  by  the hardness of  the  reflecting  surface...the borehole wall. The  relative  time and amplitude values across  the  two images describe borehole radius (and so deduced diameter) and formation hardness. 

The  log presentation above shows the time  image TIMH (grey palette) describing parallel open or washed out joints  that  can be  seen as well on  the amplitude  image AMPH. Note  that, although both OTV and ATV  tools navigate and orientate using magnetometers, they can log magnetic formations by orientating their images with respect  to  the high‐side of  the borehole  (using accelerometers  from  the  tilt cells). Structures are picked with respect to the same reference and  the structure  log  is  later rotated to be with respect to horizontal and true north using navigation data from a gyro sonde.  

If the Geologist wants to log magnetic formations, he should drill an angled borehole...anything over 5 degrees from vertical will be fine. 

There are a few limitations to the Acoustic Televiewer. 

It requires a fluid‐filled borehole (it cannot log above the fluid level). 

Its image becomes fuzzy and difficult to interpret in drilling mud...water is best. 

Large diameter and/or rugged boreholes also yield poorly defined image data. 

Tool centralisation is important for best results. 

The amplitude image does not describe bedding well in very hard rock (see the log on page 6) 

Given a good quality data set, the log analyst can describe formation texture, bedding dip and direction, fracture orientation and aperture, stress‐related breakout, fracture frequency, depth and thickness of target layers such as coal seams and he gets an acoustic caliper and borehole navigation log as a bonus. 

It is important to recognise drilling‐induced events on the images. Drilling‐induced fractures normally propagate parallel  to  the  path  of  the  bore  and  are  usually  orientated  roughly  in  line with  the  prevailing  stress  tensor. Including these DIFs in a fracture count would be misleading. 

Page 6: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

6  

Sometimes  the  geologist  is  best advised  to  run  both  types  of televiewer. 

The  log  on  the  right,  captured recently in Mozambique as part of a dam  wall  foundation  study, illustrates  the  differences  in information  provided  by  the  two types of borehole image.  

The  geologist  needs  to  be  aware that  the  two  sonde  types  do  not always measure  the  same  thing,  or he  will  fail  to  design  his  logging programme correctly. 

 

From the left; depth, ATV acoustic travel time image, ATV reflected 

acoustic amplitude image, OTV optical image and three‐arm caliper. 

 

The acoustical images are far better at describing fractures but, in these hard rocks, they miss most of the bedding. 

 

The optical image offers fine geological detail despite the borehole fluid, which 

was not perfectly clean. 

 

In  this  case, both  types of  image are orientated with  the  left edge being aligned  to magnetic north. The  log analyst  laid one structure  log over both  images  in  turn  in order  to measure and classify  the various artefacts. Running both logs provided a high degree of quality assurance in terms of structure orientation. 

Having  said  at  the  outset  that  image  logs  are fundamentally  different  to  density  logs  or,  for instance, spectral gamma logs because the image is an  accurate  representation  of  the  borehole,  we have  to  confess  that  image  analysis,  picking  and classification,  introduces  a  very  large  subjective element to the process. 

The  acoustic  image  makes  life  easy  in  terms  of identifying  fractures, particularly  in hard  rocks, but classifying  them and counting  them all  for  fracture frequency  and  RQD  calculation  is  not  an  exact science. 

The  logging  contractor  might  offer  the  finest equipment but lack an experienced analyst. Drilling‐induced  fractures  might  be  classified  as  natural fractures. 

As with density calibration and QA,  it  is  incumbent on  the  geologist  to  invest  some  time  in understanding the analysis of image data. 

Page 7: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

7  

A major fault system with bedding drag and block rotation 

In  summary,  the major  imaging  tools  in mining, mining exploration  and  civil  engineering  are  the optical  and acoustic televiewers. Each has advantages and sometimes it is prudent to run both. The latest designs offer very high resolution of the borehole wall. Results are not usually ambiguous but analysis might introduce a subjective element to the data. Overall, because of water clarity issues, most metres are logged with the acoustic tool. The acoustic image is usually easier to interpret, particularly in geotechnical applications. 

 

22.. LLeeggaall  MMaatttteerrss  

The logging contractor will normally protect himself contractually when engaged by a client and the length and content of logging contracts varies quite a bit. The biggest threat has always been loss of equipment downhole but there is also the data fidelity issue to consider. Here is a typical indemnity statement found on a log header: 

In making  interpretations of wireline  logs, Wireline Workshop and  its employees will give  the customer  the benefit of their  best  judgement  always,  but  since  all  interpretations  are  opinions  based  on  inferences  from  electric  or  other measurements, Wireline Workshop  cannot and does not guarantee  the accuracy or  correctness of any  interpretation made. Wireline Workshop  shall  not  be  liable  or  responsible  for  any  losses,  costs,  damages,  proceedings  or  expenses incurred by the customer resulting from any interpretation made by Wireline Workshop and its employees. 

The logger is letting his client know, clearly and not hidden in the small print, that if the client sinks a mine‐shaft based on the dipmeter  log provided and the  log  is 180 degrees out, the  logger will not pay for a new shaft or, indeed, for anything but he should certainly offer to relog the borehole. 

Page 8: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

8  

It is a very good idea to place such an indemnity on a log header. It is not an admission of a probable failure on his part...it just acknowledges the difference in scale of the mining operation to the logging job and the need to avoid making decisions based on one source of knowledge. That is one of the benefits of wireline logging...extra knowledge for the decision maker. 

Perhaps the bigger  issue  is tool entrapment within the borehole and the need to recover a radioactive source. Here is an example from a client advisory. 

Awareness of the environment in which we live is very much a feature of our lives these days. Many industrial processes have  been  highlighted  as  potentially  dangerous  to  some  part  of  the  biosphere  in  which  we  exist,  and  the  use  of radioactive material poses many questions in this regard. 

This information is intended to let you, our client, know about the radioactive sources that we use, and to give you a clear picture of the potential dangers  inherent  in  their use.  It  is also  to clarify the responsibility  that we ask you to assume when you ask us to log your borehole. 

When  invited  by  you,  our  client,  to  run  logging  tools  in  your borehole,  Wireline  Workshop  does  so  on  the  explicit understanding that the client has responsibility for our equipment once it enters the borehole. Borehole conditions are better known to you than to Wireline Workshop and we assume you would not allow us to lower equipment into your borehole if conditions were unsafe for the nature of the operation to be carried out. After all, you have spent a lot of money in drilling this borehole and you are aware of the risks involved when anything is introduced into it.  

In  some  circumstances,  Wireline  Workshop  will  offer  its  client special insurance for the risk of equipment loss or damage but not for the recovery operation or any environmental impact that might result from the recovery process.  

In  the  rare event of a  logging  tool becoming  lodged  in a borehole, please  remember  that you have  the responsibility  to  recover  it  and  that  Wireline  Workshop  can  only  act  in  an  advisory  capacity  during recovery operations. If the logging tool is carrying a radioactive source, then additional precautions must be  taken  not  to  damage  the  source  holder  and  to  avoid  dispersal  of  the  radioactive material  into  the borehole environment and subsequently on to the surface through the drill fluid circulation process. 

This  is a  very useful explanation of  the division of  responsibilities and  should  leave  the  logger's client  in no doubt  as  to where he  stands  if his borehole  collapses onto his  logging  contractor's sonde. The Logger's terms and conditions will usually include something more formal like: 

If  the  Customer  requests  the  Contractor  to  perform  logging  operations  using  the  Contractor's  own equipment,  the  Customer  recognises  that  he  has  superior  knowledge  of  the  borehole,  formations  and conditions existing  in the borehole, and also recognises that the Contractor’s equipment can be seriously damaged  by  severe  conditions which  are  not  normally  encountered  in  boreholes.    The  Customer  shall, therefore, notify the Contractor  in advance of severe or hazardous conditions existing  in the borehole, of which he  is aware,  in particular, high  temperature and pressure, gas or  chemicals, deviated holes and obstacles in the bore. 

In  the event  that any of  the Contractor’s  instruments or equipment become  lodged  in  the borehole,  the Customer shall make every attempt to  recover  the  instruments or equipment without cost or risk  to  the Contractor.  During such recovery or fishing operations the Customer assumes the entire responsibility and risk for such operations but the Contractor will, if so desired, without any responsibility on the Contractor’s part, act in an advisory capacity for the recovery of the equipment and instruments.  

The Customer recognises that the radioactive sources used in the Contractor’s instruments are potentially dangerous and should such a radioactive source be lost in the borehole, special precautions must be taken 

to  avoid  breaking  or  damaging  the  source  container.    If  a  radioactive  source  is  not  recovered, or  if  the  container  is broken, the container or radioactive material must be isolated by cementing it in place or by other appropriate means by the Customer in accordance with local statutory regulations. 

If  any  of  the  contractor’s  equipment  is  lost,  destroyed,  or  damaged  in  the  well,  at  the  well  site,  or  whilst  being transported by or on behalf of  the customer, by  transportation arranged by  the customer, or whilst  in  the customer’s custody,  then  the  customer  shall  reimburse  the  contractor  for  the  repair  of  such  equipment,  if  repairable,  or  the replacement cost of such equipment, if destroyed or not recovered.  Damaged or lost equipment subsequently recovered shall be returned to the contractor.  All rights to such equipment shall at all times remain with the contractor. 

Page 9: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

9  

Sometimes, a geologist will solicit borehole  logging services without availing himself of  the  logger's  terms. He might  not  have  been  given  a  simple  advisory  that  clarifies  his  responsibility. He will  be  aware  of  the  usual standard  terms  and  conditions,  peppered with words  like  governing  law  and  force majeure,  but  he  should recognise  that borehole  logging  introduces unusual  risks  and  that  these  should be understood.  The wording examples above should assist him as they are fairly standard in mineral logging. 

All this should not give the geologist any sense of trepidation. Stuck sondes are a rare event and ninety percent of stuck sondes are  fished out of a borehole quickly and without serious damage. Radioactive equipment  loss and the need to cement it in place is extremely rare. 

33.. GGuueesstt  AArrttiiccllee  By Neil Andersen and Julian Luyt 

The Use of Wireline Geophysics in Rock Mass Classification 

1 Introduction 

During  the design phases  for  the extension of an existing open cast or underground mine  there  is often very little  detailed  information  available  on  the  rock  mass  characteristics,  in  situ  stress,  rock  strengths  and hydrological characteristics for the evaluation of the project.  Geotechnical core boreholes would now be drilled and  geotechnically  logged  to  determine  the  rock  mass  parameters  required.    Multi‐parameter  Rock Mass Classification schemes such as those developed by Bieniawski (1989), Laubscher, (1977), Barton et al., ( 2002), Andersen (2015) and others can then be applied. 

However,  if  there are existing mineral exploration boreholes, which are  still accessible,  these  can be used  to provide geotechnical information, by running a suite of wireline tools and using the geophysical parameters as a proxy for geotechnical attributes.  This provides an alternative means of determining the down‐hole geology and structural  attributes  without  the  need  for  coring  and  core  logging.    These  structural  and  petro‐physical properties  are  exploited  by  the  authors  to  devise  a  pseudo  Barton  Q‐Factor  rock  rating  based  on  an understanding of the geophysical properties alone.   

Peter Hatherly et al.,  (2005) proposed a scheme  for a rock mass rating of clastic sediments based on wireline geophysical measurements, which allow an approximation of rock composition.  They developed a Geophysical Strata Rating (GSR), which is based on (i) the porosity determined from density logs, (ii) the clay content derived from  the  natural  gamma  (also  neutron  and  resistivity)  and  (iii)  rock moduli  determined  by  sonic  logs.    The scheme  provides  a  value  of  rock  quality  between  about  15  and  100,  whereby  rock  quality  improves  with increasing value of GSR. 

In this paper, the authors use the Acoustic Televiewer (ATV), Full Waveform Sonic (FWS), P‐Wave Sonic (VL2F) and Focused Electric Resistivity (Res), to simulate the three quotients used by Barton et al. (1974) to calculate the Q‐Factor.    In addition the Sidewall Stability  Index (SSI, Andersen, 2015)  is calculated.   The wireline surveys used  here were  conducted  in  a  vertical  borehole  drilled  in  the Main  Zone,  (anorthosite  and  norite)  of  the Bushveld Igneous Complex. 

 

2  Calculating the Q Factor 

 

Barton  et  al.,  (1974),  chose  6  parameters  to describe  rock  mass  quality  and  combined them in the following way:   

 

Q = (RQD/Jn) . (Jr/Ja) . (Jw/SRF)  where: 

  

RQD  Rock quality designation (Deere, 1963) 

Jn  Joint set number 

Jr  Joint roughness number 

Ja  Joint alteration number 

Jw  Joint water reduction factor 

SFR  Stress reduction factor 

Page 10: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

10  

The Barton parameters would normally be derived from geotechnical  logging of the borehole core, but  in this note, the authors have used geophysical wireline values to simulate the three quotients.  The range of possible Q values, extends from approximately 0.001 to 1000 and encompasses a spectrum of rock mass qualities from exceptionally poor to exceptionally good. 

2.1  Definition of Geotechnical Zones 

The  first  process  is  to  pick  the  ATV  image classifying  all  the  structures  present.    Using only  the  medium  to  well  developed joints/fractures,  a  fracture  frequency  per metre  is  calculated,  and  geotechnical  zones are then defined.  The geophysical data is then average  and  interpreted within  each  zone  to define the Barton (2002) parameters described below. 

2.2  The Block Factor 

The first quotient, RQD/Jn  is also described as the block  factor  as  it  indicates  the blockiness of the formations.  The RQD is derived directly from  the  fracture  frequency per meter  (λ)  as picked  from  the  ATV  imagery.    In  this calculation,  only  the  fractures,  with  a  fully developed  sine  wave  as  seen  on  the  ATV image  are  used.    The  following  equation  is used to calculate the RQD. 

RQD  =  100  (0.1  λ+1)e‐0.1  λ    where  λ  is  the fracture frequency,  Vali and Arpa, (2013). 

The number of joint sets Jn is derived directly from a clustering of poles on a stereographic plot of the fractures and joints developed over the geotechnical zone being examined, not by a single pole. 

2.3  Relative Frictional Strength 

The  second  quotient  Jr/Ja  is  the  relative  frictional  strength  of  the  least  favourable  joint  set  or  discontinuity within a geotechnical zone.   Jr  is the rating for the roughness and Ja the rating for the degree of alteration or clay filling.  A proxy for Jr is derived from the P‐Wave Velocity of the geotechnical zone and a proxy for Ja from the resistivity for the same zone. In  this  case  the  20cm  P‐Wave velocity  (limited  to  7 000m/s) has been used (VL2F).   

The  mean  value,  plus  two standard  deviations  is  assigned to  a  Jr  value  of  4,  indicating discontinuous or irregular joints, which would be tight and have a high velocity.   

Joints with values of the mean –1,  ‐2,  ‐3 standard deviations are assigned  to  progressively smoother  and  more  planar joints which  would  impede  the P‐wave to a greater extent. 

Page 11: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

11  

 

A  proxy  for  Ja  is  derived  from  the focused  electric  resistivity  values.  The more altered and clay and water filled a joint set or fracture zone are, the more conductive it will become.   

 

By  drawing  a  histogram  of  the resistivity  values  of  the  entire borehole,  the  most  resistive  zone would  indicate  unaltered  joint  walls or no structures, with a Ja value of 1.  Conversely,  the  most  conductive zones  would  have  joints/fractures with the most clay with a Ja value of 4.    The  rock  type  also  needs  to  be taken into consideration when doing this evaluation. 

 

2.4  The Active Stress 

The third quotient Jw/SRF is defined as the active stress.  Jw is the rating for water inflow or pressure that could cause outwash of  alteration products  in  a  jointed or  fractured  zone,  and  SRF  is  the  rating  for  the degree of competency of the sheared or jointed zones.  In a borehole environment, Jw is difficult to define unless pump‐

out  tests  have  been  done,  or  else there  is  a  driller’s  record  of  water losses  incurred  while  drilling.    A physical geotechnical  log of  the core could  indicate  zones  of  oxidation, related  to  fracture  zones,  which would indicate water movement.   

In  the absence of  this data,  fracture width,  fluid  conductivity  and differential temperature can be used as a proxy to water movement.   

In this case, fracture width measured using  the  televiewer  imagery,  was used  to  assign  a  Jw  of  1,  to  zones such as that from 100 – 136m below, or else medium flow, a Jw of 0.66, to the open fractures and joints such as that from 136 – 144m.   

These  are  Barton’s  (2002) parameters  and  the  geotechnical zones  evaluated  are  shown  in  the diagram on the left. 

 

The SRF  is Barton’s  (op.  cit.)  ranking  for  the degree of  competency of  the  zone and  ism  ranked  from 10,  for multiple weak zones down to 2.5 for a single shear zone in competent rock.  In this example the SRF was ranked on what could be seen on both the ATV and FWS images.  The igneous rocks logged are competent so the zones from 100 – 136m were assigned a value of 2.5.   The shear zone from 136 – 142m was judged to be a multiple shear zone in competent rock was assigned a value of 7.5. 

Page 12: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

12  

3  Sidewall Stability Index (SSI) 

This  is  a  parameter  that  was  developed  by  Andersen Geological Consulting in order to quantify the stability of the  sidewall  of  a  raise  bore.    It  is  essentially  an  early warning  system  to  alert  the  operators  as  to  where sidewall  conditions  have  deteriorated  and  sidewall collapse may occur.   The  index  is not an absolute value, but  is  a probabilistic determination between  good  and very poor. 

This  index relates to the stability of the sidewall so dips were  ranked  from  60º  to  90º, with  a dip number of  2 being allocated  to  the category 60º  to 65º, and  that of 12 for the category 85º to 90º.  Any dip less that 60º was given the value of 1.  It was considered that dips of less than  60º  were  less  likely  to  cause  sidewall  problems during raise boring than steeper dips.  The SSI was initially designed for assessing the stability of shafts, but can be equally applicable  to  the hanging wall of  stopes.   The SSI was  calculated and  is plotted on  the  rock mass classification below. 

 

4    Rock  Mass  Classification  using Wireline Geophysics 

The chart below shows the upper 250m of a borehole drilled in the Bushveld Igneous Complex.   

The  Fracture  Frequency,  shown  as  a  bar graph  in  the  fourth  column was  used  to determine the geotechnical zones used for the  calculation  of  the  “Geophysical”  Q‐Factor,  and  the  Sidewall  Stability  Index (SSI).   

The  Q‐Factor  Rock  Mass  Quality  ratings are  based  on  those  developed  by  Barton et al. (1974, 2002), purple being very good and blue being fair.   

The  SSI  shows  two  zones where  sidewall conditions  will  be  poor  (red)  should tunnels be excavated  in  that  vicinity, due to  the  presence  of  steeply  dipping fractures which have possible clay filling. 

Column  3  is  a  bar  graph  of  the  focused electrical resistivity values.  There is a clear relationship  between  high  resistivity values  (shown  in  red)  and  low  fracture frequency. 

Column 4 shows the relationship between high  fracture  frequency  and  the  FWS response. 

Neil Andersen MSc, Pr. Sci. Nat., FGSSA (Life Fellow) 

Julian Luyt BSc (Hons), MGSSA, Pr. Sci. Nat. 

Page 13: Issue November 2017 WIRELINE WORKSHOP - Geophysical logging · Issue 26 – November 2017 WIRELINE WORKSHOP ... The NMR log, discussed last month, is an ... see page 1 and 4

13  References: Andersen, N.J.B., (2015). Pre‐Sink Shaft Safety Analysis using Wireline Geophysics.  SAIMM Vol. 15, May, 2015. Barton, N., 

Lien, R. and Lunde, J. (1974). Engineering Classification of Rock Masses for the Design of Tunnel Support.   Rock Mechanics 6, 189‐236.  Springer‐Verlag. Barton, N.,  (2002). Some new Q‐value  correlations  to assist  in  site  characterization and  tunnel design.    International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences 39 (2002) 185‐216. Bieniawski, Z.T., (1989). Engineering rock mass classification.  New York: Wiley. Hatherly, P., Medhurst, T.P. and McGregor, S.A., (2005). A Rock Mass Rating Scheme for Clastic Sediments based on Geophysical Logs.    Proceedings  of  the  International Workshop  on  Rock Mass  Classification.    CDC  Stacks.  Laubscher, D.H.,  (1977). Geomechanics classification of  jointed  rock masses – mining applications.   Trans.  Instn. Min. Merall. 93,   A70 – A82. McCracken, A. and Stacey, T.R., (1989). Geotechnical rock assessment  for  large‐diameter raise‐bored shafts.   Trans.  Instn. M. Metall.  (Sect. A: Min.  industry), 98, Sept‐Dec, 1989. Vali, B. and Arpa, G., (2013). Finding the Relationship between RQD and Fracture Frequency in the different OkTedi lithologies. Procedia Earth and Planetary Science 6 (2013) 403 ‐ 410 

44.. FFoooottnnoottee  That Caliper job in Brazzaville 

On page 6 of the July 2017 issue, the author mentioned a caliper  job which was due to commence quite soon. It  involved extra  long  arms designed  to describe  very large bored pile diameters before the reinforcing cage was to be lowered and the concrete poured. 

Well, after a  few mishaps and adventures, everything went rather well. The aluminium arms stood up to the test. Over fifty piles were logged. 

 

Next Time... 

Radiation and logging ‐ the right mindset 

 

 

MMaarrccuuss  CChhaattffiieelldd  ––  NNoovveemmbbeerr  22001177  

CCooppyyrriigghhttss  aappppllyy::  wwwwww..wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm//bbuulllleettiinn//ccooppyyrriigghhtt  

EEddiittoorr//ccoonnttaacctt::  wwiillnnaa@@wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm  

FFoorr  bbaacckk  iissssuueess,,  ggoo  ttoo::  wwwwww..wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm//bbuulllleettiinn//aarrcchhiivvee