( Auflösung im 10 – 1 Meterbereich) ist die Auflösung bei Bohrloch

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Seismik und Bohrlochmessungen
1.
Im Vergleich zur Seismik ( Auflösung im 10 – 1 Meterbereich) ist
die Auflösung bei Bohrlochmessungen deutlich höher (0.1-0.001
Meterbereich)
2.
Mit Bohrlochmessungen werden aber nur Informationen in der
Nähe der Bohrung gewonnen
3.
Bohrlochmessungen ermöglichen die Transformation seismischer
Abbilder in Bilder physikalischer bzw. abgeleiteter Parameter
4.
Ein direkter Bezug zur Seismik ergibt sich durch eine spezielle
Bohrlochmessung: Vertical Seismic Profiling (VSP)
5.
Seismik und Bohrlochmessungen sollten als sich ergänzende
Messverfahren angesehen werden
Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme, Bohrlochmessungen 2
Bohrlochmessgeräte
(logging system)
Tool (Bohrlochmesssonde)
1.
Source (passive = no source)
2.
Sensor
3.
Analog electronics
4.
Analog-to-digital conversion (ADC)
5.
Data acquisisition and tool control (microprocessor, DSP)
6.
Data compression
7.
Data communication
8.
Power supply
Logging Unit (Logging Truck)
1.
Cable head
2.
Cable (standard cable length is 20,000 feet, 7-conductor)
3.
Winch
4.
Recording, quality control and processing system
5.
Calibration devices
Geophysikalische Bohrlochmessungen
(borehole logging)
Production
Exploration
calibration
logging
correction
geometrische
physikalische
Parameter
Parameter
log
interpretation
abgeleitete Parameter
des Gesteins
der Porenfüllung
Geometrische Parameter
•
Bohrlochteufe (Bohrlochlänge, depth, True Vertical Depth
(TVD))
•
Bohrlochneigung
•
Bohrlochrichtung (Bohrlochazimut)
•
Bohrlochquerschnitt (caliper)
Physikalische Parameter
1.
Druck
2.
Temperatur
3.
Fließgeschwindigkeit in der Bohrspülung
4.
elektrischer Widerstand
5.
elektrisches Potential
6.
Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Niederfrequenz- und
im Hochfrequenzbereich
7.
Absorption thermischer Neutronen
8.
Dämpfung von Neutronen
9.
natürliche Radioaktivität
10.
künstliche Radioaktivität
11.
Compton-Streuung
12.
Photoelektrische Absorption
13.
Kernmagnetische Resonanz
14.
Ausbreitung elastischer Wellen im seismischen Frequenzbereich,
im Schall- und im Ultraschallfrequezbereich
15.
Ausbreitung von Lichtwellen
Abgeleitete Parameter
1.
Gesteinsdichte
2.
Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen
3.
Tongehalt
4.
Lithologie
5.
Porosität
6.
Permeabilität des Gesteins, der Klüfte
7.
Porenfüllung (Öl, Gas, Wasser, Luft)
8.
Sättigung (Öl, Gas, Wasser)
9.
Porendruck
10.
Klufterkennung
11.
Kluftorientierung
12.
Orientierung von Schichtgrenzen (structural dip)
13.
Orientierung von Sedimentation und Foliation (stratigraphic dip)
14.
Geotechnische Parameter (dynamischer Elastizitätsmodul,
Druckfestigkeit, Scherfestigkeit, RockQuality-Zahl (RQD))
15.
Verrohrung
16.
Zementation
17.
Tonsperren
18.
Filter
19.
Perforationen
20.
Horizontales Spannunsfeld
Bohrlochmessung oder Kernbohrung
(logging or coring)
Vorteile Kernbohrung
1.
Lithologie
2.
genaue mineralogische Analyse
3.
direkte Messung der Porosität
4.
direkte Messung der Permeabilität
5.
Laborbestimmung geotechnischer Parameter
6.
Kalibrierung von Bohrlochmessdaten durch Vergleich mit
Kerndaten
Nachteile Kernbohrung
1.
Kontinuierliches Kernen (drillstring oder wireline) ist teurer
als Rotary-Bohren
2.
Kernverluste oft gerade in den interessanten Bereichen
(Teufenzuordnung, Informationsverlust)
3.
Druckentlastung
4.
Ausgasung
5.
Flüssigkeitsverlust
6.
Kontakt zur Bohrspülung
Bohrlochmessung oder Kernbohrung
Vorteile Bohrlochmessung
1.
Erfassung des In-Situ-Zustandes
2.
kontinuierliche Messung
3.
direkte Korrelation mit anderen geophysikalischen
Explorationsverfahren
4.
Orientierung von Schichtgrenzen und Klüften (Kerne sind in der
Regel nicht orientiert)
5.
Kostengünstiger als Kernen
6.
unabhängige Kontrolle der Kerndaten
Nachteile Bohrlochmessungen
1.
geringere Auflösung
2.
abhängig vom Bohrlochzustand (Bohrlochdurchmesser,
Bohrlochquerschnitt, Bohrlochstabilität)
3.
abhängig von der Bohrspülung (invaded zone, mudcake)
4.
abhängig von der Interpretation der Bohrlochmessdaten
Kerndaten und Bohrlochmessdaten sollten als sich ergänzende
Informationen gesehen werden.
Beim Rotary-Bohren kann direkte Information über die Gesteine durch
die Entnahme von Spülproben gewonnen werden.
Nicht in allen Fällen ist eine Kombination von Seismik, Kernanalyse
und Bohrlochmessungen notwendig und sinnvoll.
Randbedingungen bei Bohrlochmessungen
(logging environment)
1.
Bohrlochdurchmesser
2.
Innendurchmesser der Verrohrung
3.
Innendurchmesser des Bohrgestänges
4.
Innendurchmesser des Lubricator
5.
Druck (Teufe)
6.
Temperatur
7.
Invasionszone (invaded zone)
8.
Filterkuchen (mud cake)
9.
Spülung
10.
Bohrlochneigung
11.
Bohrlochrandausbrüche
12.
Messung innerhalb der Verrohrung
Geothermal logging environment
1.
hohe Temperaturen
2.
aggressive Spülung
Spezifikation von Bohrlochsonden
(tool specification)
1.
Druck (Standard 20,000psi = 140 MPa)
2.
Temperatur (Standard 160-175oC, Geothermie 250-300oC)
3.
Durchmesser
4.
Länge
5.
Gewicht
6.
Stromversorgung (Spannung, Strom)
7.
Analoge oder digitale Datenübertragung
8.
Datenrate
9.
Messgeschwindigkeit
10.
Nicht zentriert, zentriert, angedrückt (side wall)
11.
Maximaler, minimaler Bohrlochdurchmesser
12.
Beschreibung des Messverfahrens
13.
Umweltverträglichkeit (z.B Radioaktivität)
14.
vertikale Auflösung (resolution)
15.
Erkennbarkeit (detectibility)
16.
horizontale oder azimutale Auflösung
17.
Eindringtiefe der Messung (horizontal und vertikal)
18.
Kombinierbarkeit mit anderen Sonden
Bohrlochmessfirmen:
Schlumberger
Western-Atlas
Scientific Drilling
Weatherford
BLM
Robertson Geologging
Auszug aus der Internetpräsentation der Firma BLM (www.blm-muenchen.de)
Während des Abteufens der Bohrungen tragen
Bohrlochmessungen zur Überwachung des
Bohrprozesses bei (z.B. Abweichungs- und
Kalibermessungen), beim anschließenden
Ausbau der Bohrungen sowie bei
Reparaturarbeiten dienen
Bohrlochmessverfahren der Ermittlung des
technischen Zustandes von Rohrtouren und
Bohrlochinstallationen (z.B.
Zementationskontrolle,
Wanddickenmessungen, TV-Befahrungen).
Mittels Messungen im offenen Bohrloch erfolgt
die lithologisch-petrographische Gliederung
der durchteuften Gesteinsfolgen und die
Einschätzung der Eigenschaften
speicherfähiger Schichten (z.B. GammaMessung, elektrische Widerstandsmessungen,
Gamma-Gamma-Dichtemessung,
Porositätsbestimmung mittels NeutronNeutron- Messung bzw. akustischer
Laufzeitmessung). Zur Klärung der
hydraulischen Verhältnisse in den Bohrungen
können Zufluss- und Verlustprofile
aufgenommen werden (z.B. Fluid Logging,
Flowmetermessungen). Schließlich kann die
Entnahme von Tiefenproben und die
Durchführung von Perforationsarbeiten
notwendig sein.
Dr. Reinhard Schepers, Geothermische Energiesysteme,
Bohrlochmessungen 10
Homogener, isotroper Untergrund mit dem Widerstand R.
Potentialdifferenz dV zwischen 2 Kugelschalen mit den Radien r
und r + dr :
dV = (iR / 4πr2 ) ;
i = Strom
Integration von r bis unendlich (V = 0) :
V = iR / 4πr
Für die Normalsonde gilt :
Rs = 4π(AM)(V/i) = Kn(V/i)
Rs = scheinbarer Widerstand; Kn = Sondenkonstante
Kurze Normale: Distanz AM = 0,2m – 0,5m
Lange Normale: Distanz AM = 0,7m – 2m
Distanz AB = 5m –10m
Vertikale Auflösung: 0,3m – 2,5m
Eindringtiefe: etwa 2AM
Messgeschwindigkeit: 20m – 25m / min
Starker Einfluss von Spülungswiderstand, Bohrlochform,
Filterkuchen und Invasionszone
M1 und M2 sowie M1‘ und M2‘ sind kurzgeschlossen.
Der Strom ia wird automatisch geregelt, damit V(M1,M2) =
V(M1‘,M2‘) ist.
Eindringtiefe: etwa 0,3 – 0,5m
Geringer Einfluss von Spülungswiderstand, Bohrlochform,
Filterkuchen und Invasionszone
Vertikale Auflösung (medium, deep): 0,5m – 1,5m
Eindringtiefe: 0,6 – 3m
Das Induktionlog kann in luftgefüllten Bohrungen, in
Bohrspülungen mit hohem Widerstand (oil-based mud) und in
Bohrungen mit Kunststoffverrohrungen eingesetzt werden.
Schlumberger FMI tool
Pad of Schlumberger FMI tool
Vertikale und horizontale Auflösung: 0.02m – 0.03m
Eindringtiefe: 0.03m –0.06m
Messgeschwindigkeit: 6m –8m / min
Die Bohrlochsonde kann nicht in luftgefüllten oder mit
hochohmiger Spülung gefüllten Bohrungen eingesetzt werden.
Mechanik des STAR Imager der Firma Baker Hughes
Prinzip der Gamma-Sonde zur Messung der natürlichen
Gamma-Strahlung der Gesteine.
Eindringtiefe: 0,15m – 0,2m
Gamma-Sonden werden in API-Einheiten (American
Petroleum Institute Unit) kalibriert.
Die Gamma-Messung wird wenig durch den Bohrlochzustand
beeinflusst und kann auch in verrohrten Bohrungen
durchgeführt werden.
Photon Wechselwirkungsprozesse bei der
Gamma-Gamma-Messung (Dichtemessung)
Bei der Comptonstreuung gilt:
RHOe = 2Z / Ar RHO
RHOe = Elektronendichte
Z = Ordnungszahl
Ar = relative Atommasse
RHO = Dichte des Gesteins
Für die meisten in den Gesteinen vorkommenden Elemente ist 2Z/Ar=1.
Dichtemessung (Gamma-Gamma) erfolgt im Gebiet der
Comptonstreuung.
Als radioaktive Quelle wird Cs-137 verwendet.
Messgeschwindigkeit: 5m – 10m
Die Dichte Messung ist sehr empfindlich gegen
Bohrlochausbrüche.
Die Dichtesonde wird angedrückt gefahren.
Neutronwechselwirkungen
Die schnellen Neutronen der Neutronenquelle verlieren bei
Zusammenstössen mit Atomkernen laufend Energie und können dann
als thermische und/oder epithermische Neutronen registriert werden.
Der wirkungsvollste Energietransfer erfolgt mit den massegleichen
Wasserstoffkernen, d.h. je höher der Wassergehalt desto geringer die
registrierte Neutronenzahl. Die gemessene Zählrate ist umgekehrt
proportional dem Wassergehalt bzw. der Porosität in
wassergesättigten Gesteinen.
Die Neutron-Neutron-Messung reagiert empfindlich auf
Wasserstoffkonzentrationen in der Umgebung der Sonde.
Zur Kompensation der Bohrlocheinflüsse wird mit 2 Abständen
gemessen.
Die Sonde wird angedrückt gefahren.
Eindringtiefe: 0,1m – 1m
Messgeschwindigkeit: 8m – 10m
Von einer P-Wellenquelle einer Akustiksonde erzeugte
Wellentypen.
Von einer Akustik-Array-Sonde registrierte Signale, aus denen PWellen- , S-Wellen- und Stoneley-Wellengeschwindigkeit
bestimmt werden können.
Die Sonde wird in der Regel zentriert gefahren.
Mit Einschränkungen sind Messungen in verrohrten Bohrungen
möglich (CBL, Cement Bond Log).
Vertikale Auflösung: 0,2m – 1m
Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung: 50m/s – 800m/s
orientation
system
tool
borehole fluid
acoustic
transducer
2
amplitude
1
rotating
mirror
motor
borehole wall
traveltime
(a)
(b)
Principle of BoreHole TeleViewer (BHTV) measurements. (a) Outline of the mechanics of
the tool. The conical part of the tool housing represents the acoustic window, which is made
of a special synthetic material for optimum transmission of the acoustic energy through the
acoustic window. (b) Acoustic waveform received by the acoustic transducer. From left to
right the first signal (1) is the reflection from the acoustic window and the second signal (2)
is the reflection from the borehole wall.
Abbildung einer Kluft im akustischen Bild einer BHTV-Sonde.
Die Sonde liefert gleichzeitig ein akustisches Bild der
Bohrlochwand (amplitude image) und ein detailliertes Kaliberbild
(traveltime image).
Die Sonde muss zentriert gefahren werden.
Vertikale und horizontale Auflösung: 0,003m – 0, 03m
Erkennbarkeit (detectibility): < 0,0002
Messgeschwindigkeit: 1m – 6m /min
Die Sonde kann in Bohrungen mit Kunststoffverrohrungen
eingesetzt werden.
Aus FAZ vom 04.12.2007
Figure 1: Image data produced by the acoustic bore hole scanner FACSIMILE
Figure 2: Unrolled and 3D-display of acoustic scanner images.
Figure 3: Interpretation of structural features.
Figure 4: Example of an artificial fracture produced during a hydraulic fracturing experiment.
Figure 5: Breakout along the bore hole wall due to differential horizontal stress.

( Auflösung im 10 – 1 Meterbereich) ist die Auflösung bei Bohrloch

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