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

4.8 m/min

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

KTB GammaspektrometrieCGR- uraniumkorr. GRSGR- integrales GRPOTA in %U, Th in ppm (g/t)exzentrische SondenlageV = 6 m/min∆z = 15 cm

C(K) = 2 %C(U) = 4 ppmC(Th) = 8 ppm