Messung radioaktiver Strahlung im Bohrloch mittels Detektoren (Zählrohre, Szintillationszähler, Halbleiterdetektoren),

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1 Radiometrische (passive) und kernphysikalische (aktive) Bohrlochmessverfahren Übersicht Messung radioaktiver Strahlung im Bohrloch mittels Detektoren (Zählrohre, Szintillationszähler, Halbleiterdetektoren), Messung von Gamma- bzw. Neutronenstrahlung ( γ,n), Alpha- und Betastrahlung: geringe Reichweite (mm Bereich), Gamma- und Neutronenstrahlung durchdringen Materie, Einsatz in offenen und verrohrten Bohrlöchern.

2 Einteilung der radioaktiven Messverfahren Messung der natürlichen γ - Strahlung (GR, NGAM ) Passive Messung, Quelle: Gehalt an Nukliden der 238 U bzw. 232 Th Zerfallsreihe 40 K und des radioaktiven Kaliumnuklids im Gestein.

3 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.

4 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.

5 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 ( s,min ). POISSON-Verteilung: Standardabweichung s des Messwertes N ist: s = N, 1 1 Vertrauensintervall: 68% der Werte liegen innerhalb N ± N. τ

6 Radioaktive Messungen in Bohrungen Impulsrate N = f (z) Zählung von Impulsen über ein Zeitfenster bei kontinuierlicher Sondenfahrt mit der Geschwindigkeit v : Zeitfenster : Statistik der Messkurve und vertikale Auflösung, τ τ τ klein: große statistische Schwankungen, hohe vertikale Auflösung, groß: geringmächtige Schichten werden überfahren. Sondenfahrgeschwindigkeit v : Verschiebung der Messkurve in Fahrtrichtung. Wahl von optimalen Messparametern: Produkt v τ Hohe Aussagekraft der Bohrlochmesskurven, Ökonomische Randbedingungen. Amplituden- und lagegetreue Abbildung bei:. τ v 0, τ

7 4.8 m/min

8 Analogapparaturen (Praktikum Modelltrog) Elektronischer Integrator: Widerstand - Kondensatorglied (R - C - Glied) mit der Zeitkonstante τ am Detektorausgang, Optimales Signal durch Wahl von v τ, Schichtgrenzen: Verschiebung in Fahrtrichtung. Digitalapparaturen Impulszählung über dz γ D U E Elektronischer Integrator R-C-Glied R τ = R*C C U A Analogdarstellung U A Digitalisierung (Trog) 95% 86% 63% U A U A, max τ = R, C klein τ = R, C groß Statistisch verteilte Spannungsimpulse γ - Impulse τ 2τ 3τ 4τ 5τ τ 1 2τ 1 3τ 1 Ladezeit des Kondensators t

9 Digitalapparaturen Softwaregesteuerte Impulszählung am Detektorausgang mit einer kleinen Samplingrate z, Optimales Signal durch Kurvenbearbeitung mit einem Glättungsoperator, Schichtgrenzen: keine Verschiebung in Fahrtrichtung bei symmetrischen Glättungsoperatoren. Gleitender Mittelwert, HAMMING-Fenster: Gewichteter, symmetrischer Glättungsoperator.

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11 N in cps v gr = 31.6 mm/s τ kl = s n = 1 dz = 1mm Modelltrog Filter: gleitendes Mittel N in cps n = N in cps N in cps n = n = z in mm Wasser Beton Monazit

12 Natürliche Gamma-Strahlung Natürliche Radioaktivität der Gesteine Uranium-Zerfallsreihe: U Pb Langlebiges Mutternuklid stabiles Endprodukt: -Spektrum, γ Thorium-Zerfallsreihe: -Spektrum, γ Th Kalium-Nuklid: K Monoenergetische -Strahlung. γ Pb Ca Markante Energielinien, Peaks: Elementspezifische Energiebereiche im γ -Spektrum: Kalium ( ): 1.46 MeV, 40 K 214 Bi Uranium ( ): 1.74 MeV, Kinetische Energie: 19 1eV = J 1J = 1W s = 1N m 208 Tl Thorium ( ): 2.61 MeV, (ThC''').

13 U-, Th- und K-Gehalte einiger Minerale Mineral U-Gehalt (ppm) Th-Gehalt (ppm) K-Gehalt (%) Montmorillonit Chlorit Kaolinit Illit Glaukonit kleiner Bentonit Hornblende kleiner 0.5 Biotit Muskovit Mikroklin 10.9 Orthoklas Plagioklas Sylvinit Carnallit Polyhalit Monazit Zirkon Minerale mit hoher natürlicher Radioaktivität Akzessorien (Monazit), Tonminerale, Kalifeldspäte, Glimmer, Kalisalze.

14 U-, Th- und K-Gehalte einiger Gesteine Gruppe Gestein K (%) U (ppm) Th (ppm) Th/U Magmatite Granite Granodiorit Basalt Metamorphite Krist. Schiefer Sedimentite Sandstein Ton Tonschiefer Kalkstein Anhydrit Steinkohle 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.

15 Gamma-Strahlungsmessung integral GR (api, cps) selektiv GRS-K (cps) MeV GRS-U (cps) MeV GRS-Th (cps) MeV spektral K (%) U (ppm) Th (ppm) S T 1000 Gammaspektrum Tiefe z 0 K Kalibrierung I in cps U Th S Detektor E in MeV Spülung Verrohrung z

16 Integrale Gammamessung Messung der Gammastrahlung über den gesamten Energiebereich: E = 0.1 3MeV Einführung eines Internationalen Standardmaßes api-unit = american petroleum institute/houston,texas GR(cps) GR(api) 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.

17 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 r vom Detektor. I 0 = 3.7MBq Cs I 0 ( r ) = 200api r T = 1/2 30a I t (api) t ln(2) = I0 exp T 1/2 t = 16.25a I t = 137.4api A = I(api) I (cps)

18 0 2 4 FDGS-Sonde dz = 5 cm HGC Gamma-Sonde dz = 1 cm Gleitendes Mittel n = Hamming-Fenster M = w( n) n -M/2 M/2 w(n) = cos(2πn/M) z in m Kalibrierunsfehler?? api 170 api NGAM in api NGAM in api NGAM in api

19 Wertebereiche der natürlichen Gammastrahlung in api-einheiten γ Mineral/Gestein -Aktivität (api) Mineral/Gestein -Aktivität (api) Quarz,Dolomit,Kalzit 0 Ton (Mittelwerte) Plagioklas 0 Kaolinit Alkalifeldspäte 220 Chlorit Glimmer 270 Illit Sylvin 500 Montmorillonit Carnallit 220 Polyhalit 200 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 γ

20 Gamma-Log - Integrale Messung der natürlichen Gammastrahlung Kaliberkorrektur Absorptionseffekte durch Bohrlochinhalt und ev. Ausbau, Verminderung der γ - Intensität, Absorptionskorrektur = f (Dichte Absorbermaterial (Spülung, Verrohrung); Bohrlochkaliber, Wandstärke) Korrekturdiagramme.

21 Bohrung FG-3; Sonde: FDGS ca. 50 api ca. 10 api z in m Cal in inch NGAM in api NGAM(gl) in api dz = 0.1 m n = 5

22 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.

23 Vertikales Auflösungsvermögen (geringmächtige Schichten) Einflussfaktoren Sondenfahrgeschwindigkeit v Normal: v = m/min, vertikale Schichtauflösung z = cm, Extrem langsame Fahrt: v = m/min, z = ca. 10 cm. Schichtmächtigkeit h, Gammastrahlung des Liegenden und Hangenden, Samplingrate Digitalapparaturen: z Analogapparaturen: Zeitkonstante τ.

24 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.

25 V T 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.

26 GR( z) Berechnung des Gamma-Ray Index GRI aus dem Gamma-Log : GRI ( z) = GR( z) GR GR GR max min min GR min Minimalwert der Gammastrahlung : tonfreier Sand/Sandstein, ca api (Sandlinie), GR max Maximalwert der Gammastrahlung : reine Tone/Tonsteine, ca.150 api (Tonlinie).

27 Empirische Beziehungen zur Bestimmung des Tongehaltes (shale content ) V Sh V T Problem: Tongehalt, Feinstkornanteil; welches Korngrößenspektrum wird erfasst?? VSh = GRI Schluff- und Tonanteil: Kornfraktion < mm, 3.7 GRI V Sh = (2 1) LARIONOW I: Unkonsolidierte tertiäre Gesteine, V Sh 2 GRI = 0.33 (2 1) LARIONOW II: Konsolidierte tertiäre Gesteine, CLAVIER: VSh = ( GRI + 0.7) a GRI V mit Sh = 10 (%) a = Kornfraktion < 0.02 mm; Rotliegendsandsteine Norddeutschlands. 2

28 Hydrierwerk Zeitz (G- und GG-Messung) d in g/cm³ GR in api V T Lith. U;t Crossplot (V T ; d) Φ to G m,f Kies G m,f d = g/cm³ V T = 5-25% z in m Φ to U;t G m,f d in g/cm³ Schluff U,t d = g/cm³ V T = % U;t V T 13 Sandlinie api df d VT ( df dt ) Φ to = d d d d F W F W Tonkorrektur Ton 150 api LAR I (V T ) unkonsolidierte tertiäre Gesteine V Sh 2 GRI = 0.33 (2 1)

29 Braunkohlebohrung GR (api) d (g/cm³) V T Crossplot (d - V T ) z in m LAR I CLAV GRI 15,150api d(g/cm³) V T (LAR I) BK BK; t, s T, U Sand Ton S S; u

30 Gammaspektrometrie Messgröße: Gammaspektrum = f (z) Auswertegrößen: Impulsraten (cps) im Zeitfenster für die drei Energieintervalle K, U, Th, z. B. 40 K -Linie: E = 1.46 ± E (MeV). I γ Überlagerung des elementspezifischen Energiebereiches durch Gammastrahlung der anderen radioaktiven Nuklide, z. B. das U-Spektrum beeinflusst auch die Impulsraten im K- und Th-Kanal. τ

31 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.

32 Verwendung von 3 Kalibriermodellen (test pits) mit bekannten K-, U- und Th-Gehalten: Gehaltsbestimmung: 3 C = ( A I ) C C C K U Th i ik k k = 1 = A I + A I + A 11 K 12 U 13 = A I + A I + A I 12 K 22 U 23 = A I + A I + A I 13 K 23 U 33 I Th Th Th C i - Konzentration (%, ppm) des Elementes i, I k - 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). A ik

33 Gammaspektrum Feldspektrometer: GR-256, Probe: Granit, Messzeit: 300s Eγ in MeV I γ in cpm Cs-137 E γ = 0.66 MeV Ref.-Kanal: 55 K-40 E γ =1.46 MeV Ka: U-238 E γ =1.76 MeV Ka: Th-232 E γ =2.62 MeV Ka: Kanal-Nr. Integrale Gamma-Messung E γ = MeV, Ka:

34 Anwendung Erkundung und Gehaltsbestimmung von Kalisalzen und Uranium bzw. Thorium führenden Lagerstätten, Bestimmung der radiogenen Wärmeproduktion A mittels Gamma- Spektrometrie, geothermische Energiegewinnung: A = d(0.73 C C C ) 3 A in µw/m, Dichte d in g/cm³, u Th K Cu, CTh, CK - Uran-, Thorium- und Kaliumkonzentration in ppm bzw. %

35 KTB Gammaspektrometrie CGR- uraniumkorr. GR SGR- integrales GR POTA in % U, Th in ppm (g/t) exzentrische Sondenlage V = 6 m/min z = 15 cm C(Th) = 8 ppm C(U) = 4 ppm C(K) = 2 %