Beträge der magnetischen Flussdichte (nt) des erdmagnetischen. Induktive Magnetisierung: magnetische Suszeptibilität M i = κ H 0,

Transkript

1 Magnetische Bohrlochmessverfahren Messgrößen Beträge der magnetischen Flussdichte (nt) des erdmagnetischen Totalfeldvektors T und seiner Komponenten Z, H ( X ; Y ), Magnetische Gesteinskennwerte: Induktive Magnetisierung: magnetische Suszeptibilität M i = κ H 0, (Remanente Magnetisierung M r).

2 Petromagnetische Grundlagen, magnetische Suszeptibilität Minerale Gesteinsbildende Minerale: para- bzw. diamagnetische Stoffe κ 0, Hohe Gesteinssuszeptibilität: ferro- und ferrimagnetische Beimengungen (Fe-Ti-Oxide, Fe-Sulfide), κ Minerale mit sehr hohen - Werten: Magnetit Fe3O4, Hämatit, Titanomagnetit. Gesteine Magmatite: κ - Anstieg von den sauren (z.b. Granit) zu den basischen (z. B. Basalt) Magmatiten, Sedimentite: Tendenz des Anstieges von mit dem Tongehalt, Basische Magmatite: remanente Magnetisierung M r. κ κ

3 Magnetische Suszeptibilität κ für ausgewählte Gesteine Gestein κ 10 5 Gestein κ 10 Granit Serpentinit Gabbro Steinsalz, Anhydrit Basalt Kalkstein, Dolomit Marmor Sandstein Gneis Tonstein 1 100

4 Messung von Komponenten des Erdmagnetfeldes Messgeräte Kernpräzessionsmagnetometer (Protonenmagnetometer) Absorptionszellenmagnetometer (Cäsiummagnetometer) Messgröße: T = T - Totalintensität in nt, Fluxgatemagnetometer (Förstersonde): Z, X, Y. System zur Lagebestimmung der Sonde (Richtung, Neigung), Räumliche Einordnung der magnetischen Feldkomponenten, Einsatz: Ortung magnetisch wirksamer Strukturen von einer Bohrung aus.

5 Geomagnetisches Koordinatensystem geogr. N magn. N P(x,y,z=0) M X D I mm Y H T geogr. E T - magnetischer Feldvektor H - Horizontalkomponente von T (Richtung magn. N) Z - Vertikalkomponente von T X - Komponente von H in Richtung geogr. N Y - Komponente von H in Richtung geogr. E D - Winkel der Deklination (Nadelabweichung) I - Winkel der Inklination mm - magnetischer Meridian Z M - Dreikomponenten-Fluxgatemagnetometer (X,Y,Z) T, H, I, D Tiefe

6 Messung der magnetischen Suszeptibilität κ S H 0 M i κ - Sonde κ < κ 0 1 κ 1 G Frequenzgenerator f G f G Sonde C L R C f L κ G R Anzeige M = κ H Induktive Magnetisierung:, i 0 κ = M i H 0

7 Messung der magnetischen Suszeptibilität κ - Sonden: Spulensysteme, Induktivität L = f ( M, κ ) Einsatz i Gestein Magnetisch wirksame Vererzungen und Gehaltsbestimmung VFκ F κgestein = 1 + P (1 V ) κ M F F V F κ ; V F F P M - Magnetische Suszeptibilität und Volumenanteil ferromagnetischer Minerale, - Entmagnetisierungsfaktor (Ellipsoide: ). Lithologisch-stratigraphische Gliederung von Gesteinsfolgen, Tonsperrennachweis (Tone + Magnetit) in Pegelbohrungen.

8

9 Baruther Maar NE Bautzen

10

11 Kernmagnetische Resonanzmessungen (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) Physikalische Grundlagen Jackson, Matthews: Nuclear Magnetic Resonance Bibliography. The Log Analyst, May-June 1993, S Wechselwirkung der magnetischen Momente von Atomkernen mit einem äußeren Magnetfeld, Orientierung der atomaren magnetischen Dipole in Feldrichtung, induzierte Magnetisierung, Abschalten des äußeren Feldes: zeitliches Abklingen der induzierten Magnetisierung (decay), Beschreibung des Abklingens der induzierten Magnetisierung (Relaxationsprozess) mittels Exponentialfunktionen, Wasserstoffkerne (Protonen) besitzen große magnetische Momente mit starkem Abklingverhalten.

12 NMR Messsystem, aktives Messverfahren Geberspule Statisches Magnetfeld H 0 Polarisation der atomaren magnetischen Momente (v. a. Protonen), Empfängerspule Messung der Abklingkurven (decay curves) der magnetischen Kernmomente vorzugsweise von Protonen, Signalamplitude: U = f ( t), E Bearbeitung Auswertung des Resonanzspektrums T = Relaxationszeit. U E = f ( T ) Spin Echo Messung, Puls Echo NMR Technik

13 NMR in porösen Gesteinen Abklingzeit (Relaxationszeit T ) für freies Wasser liegt bei s, Wasser in porösen Gesteinen: Wechselwirkung Kornoberfläche Wassermolekül, Drastische Verringerung der Relaxationszeit T < 0.3 s, Verringerung ist umso stärker, je größer die spezifische innere Oberfläche S Por des Porenraumes bzw. Porenkanals ist, Tone besitzen eine große innere Oberfläche, kurze Abklingzeiten der magnetischen Kernresonanz.

14 Statistische Verteilung der magnetischen Momenete m Spin N m S H Proton S N m Spin H Proton Magnetfeld H 0 S m N Magnetisierung (Polarisierung) Spin H Proton S N m Spin H Proton Proton "winziger Stabmagnet" H 0 Abklingkurve U(t) e - t / T(i) U in mv tongebundenes Wasser 2 - kapillar gebundenes Wasser 3 - frei bewegliches Wasser 3 Abschalten von H 0 zeitliches Abklingen der Magnetisierung bis zum statistischen Zustand Messung der Abklingkurve t in s Signalverteilung U(T) Bearbeitung: poröses, toniges, gesättigtes Gestein Abklingkurve = Summe von e-funktionen (e -t / T ) U in mv Signalverteilung als Funktion der Relaxationszeit T T in s clay bound capillary bound moveable water NMR - Messung (schematisch)

15 Ergebnisse aus NMR-Messungen Resonanzspektrum = Spektrum der Abklingzeiten T Rückschluss auf Porengrößenverteilung, Innere Oberfläche, Porenraumgeometrie, Wasserbindung an Porenoberflächen. Berechnung der auf den Porenraum bezogenen inneren Oberfläche aus NMR Messungen: Parallelschaltung der Abklingzeiten für das freie Wasser T bulk = s und das an Oberflächen gebundene Wasser : λ 1 1 λspor = + T T T bulk T surf - von den Oberflächeneigenschaften abhängiger Parameter (surface relaxivity). surf S Por

16 Informationen zu Speichergesteinen und seinen Poreninhalten Porosität Partielle Porositäten Φ( r), die verschiedenen Porengrößen zugeordnet werden, Φ tot Totale Porosität = Anteil des Porenvolumens am Gesamtvolumen des Gesteins, Integration über partielle Porositäten, Φ eff Effektive Porosität = verbundener Porenraum, der eine Fluidströmung ermöglicht, Porositätsbestimmung ist unabhängig von Matrixparametern z. B. Dichteporosität: Dichte der Festsubstanz : d = (1 Φ ) d F + Φd P d F

17 Bestimmung der Wasseranteile nach ihrer Bindung Gebundenes Wasser (ton- bzw. kapillar gebunden), Haftwasser, Frei bewegliches, mobiles Wasser, Porengröße r und ihre Verteilung, Porenraumgeometrie, je kleiner T, umso kleiner r (Tone), Bestimmung der Permeabilität k (Durchlässigkeit).

18 Schätzung der Permeabilität k aus bohrlochgeophysikalischen Daten Empirische Beziehungen, zugeschnittene Größengleichungen: COATES-Gleichung, NMR-Messungen: k NMR 4 2 Φ BVM = 10 BVI k NMR Φ in md ( 1 md = m²), - totale Porosität in %, BVM - Volumenanteil des mobilen Wassers in %, BVI - Volumenanteil des immobilen, gebundenen Wassers in %.

19 TIMUR - Gleichung: k = Φ S wi WYLLIE & ROSE - Gleichung: k = 100Φ S wi 2.25 k - Permeabilität in md, Φ - totale Porosität in %, S - Haftwasseranteil in %. wi PAPE - Gleichung: k vT = 0.332Φ Q 3.11 k - Permeabilität in md, Φ - totale Porosität, v - Tongehalt, T Q - Lamellenfaktor = 5.8 Rotliegendgesteine des Norddeutsch-Polnischen Beckens

20 Probleme Bestimmung der totalen Porosität Φ Gamma-Gamma-Dichtelog, Akustiklog, Widerstandsmessungen, Neutron-Neutronlog, Bestimmung des Haftwasseranteil Widerstandsmessungen, NMR Messungen, Bestimmung des Tongehaltes Gamma-Log, SP-Log. v T S wi

21 Φ eff Reiner Tonstein Reiner Sandstein Tonminerale, laminar Mineralmatrix Quarzmatrix (grob- bis feinkörnig) kleine Porenräume Porenraumgeometrie große Porenräume klein Mittl. Korndurchmesser groß groß Innere Oberfläche klein tongebundenes Haftwasser Wasserbindung Kapillargebundenes Wasser + freies Wasser klein NMR-Abklingzeit Mittel bis groß groß Totale Porosität klein klein Effektive Porosität groß klein Permeabilität groß Fluidstauer Funktion Fluidspeicher

22 NMR-Messung in einem sandig-tonigen Bereich (Baker Atlas, 1996) Gammalog (API), T-NMR Spektrum, Permeabilität und scheinbarer spezifischer Widerstand, Porenfluidananlyse und Bindungstyp.

23 Remanente Magnetisierung Stabile Magnetisierung (Thermoremanenz), die bei der Abkühlung basischer Magmen unter die CURIE-Temperatur T C und Wirkung des damals herrschenden Erdmagnetfeldes fest eingefrorenen wurde. Verlust der magnetischen Eigenschaften: T > T C Magnetische Vorgeschichte Paläomagnetik, Polumkehr, Polwanderung, Kontinentaldrift. Inklination und Intensität der Magnetisierung eines Bohrkernintervalls im Nord-Pazifik Sedimentationsrate: 1 cm/1000a