γ x γ γ Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren)

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1 Gamma-Gamma-Verfahren (aktives Messverfahren) Gamma-Strahlungsquelle, Atomphysikalische Wechselwirkungsprozesse Gammastrahlung Materie, Messung der Streustrahlung (Reststrahlung) am Detektor. Wechselwirkungsprozesse = f (Energie der -Strahlung; mittlere Kernladungszahl Z der Formation). Photoeffekt, COMPTON-Effekt, Paarbildungseffekt. γ 0 Energieabsorption der Strahlung γ γ 0 x γ γ x

2 Absorptionsgesetz für -Strahlung (monoenergetisches, paralleles Bündel): I 0 I x I = I e µ x γ Intensität der Quellstrahlung, - Intensität der Reststrahlung γ x nach passieren des Absorbers (Gestein) x - Weglänge, - Absorptionskoeffizient des Absorbers für den jeweiligen Effekt. µ i γ i x Gamma-Gamma-Messungen: Wechselwirkungsprozesse und Strahlungsquellen Verfahren WW - Effekt Quelle Nuklid Gamma- Gamma- Dichtemessung Gamma- Gamma- Pe-Messung Compton Co Cs E γ in MeV Halbwertszeit in a Photo 95 Am

3 Aussagen von Gamma-Gamma-Messungen Gamma-Gamma-Verfahren liefern mittlere bzw. wirksame atomphysikalische Kennwerte, Gewichteter Beitrag aller am Gesteinsaufbau beteiligten Elemente, Gesteinsspezifische Kennwerte: Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte) d GG, Pe-Wirkungsquerschnitt. P e Röntgenfluoreszenzanalyse und Gamma-Neutronmessungen liefern bei Bestrahlung von Materie mit Gammastrahlung eine elementspezifische Reststrahlung Gehaltsbestimmung bestimmter Elemente.

4 Gamma-Gamma-Dichtemessung Übung Sondierungsbohrung: s. Anleitung Dichtebestimmung nach der Gamma-Gamma-Methode COMTON-Effekt: Streuung einer monoenergetischen Gammastrahlung (elektromagnetische Welle) an Hüllenelektronen e, Energieabsorption und Vergrößerung der Wellenlänge der Gammastrahlung: h λ = (1 cos ϕ) m c ϕ m e - Streuwinkel, h - PLANCKsches Wirkungsquantum, c - Lichtgeschwindigkeit, - Masse des Elektrons. COMPTON-Wellenlänge des Elektrons: h Λ = m c e e

5 COMTON-Effekt: e - ϕ gestreutes Gammaquant γ γ 1 0 Gammaquant E 0 = hν 0 elastischer Stoßprozess E 1 = E 0 - B = hν 1 B - Bindungsenergie des e - E 1 < E 0 ν 1 < ν 0 Hüllenelektronen e - Atomhülle Atomkern γ x Detektor γ x = f (e - ) = f ( Z eff ) Compton-Effekt Weglänge x γ 0 Quelle Cs-137

6 Absorptionsgesetz für Gammastrahlung durch den COMPTON-Effekt: I = I e µ COMPTON-Absorptionskoeffizient des Absorbers: d GG - Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte), Z - Kernladungszahl, A - Atommassenzahl. Für die meisten gesteinsbildenden Elemente mit gilt: x C Direkter Zusammenhang zwischen der gemessenen Intensität der Reststrahlung und der Gesteinsdichte d (Quotient aus Masse und Volumen): dgg = d Wasserstoff: / 1 d d Z A = GG 0 GG C x ( / ) µ d Z A Z / A 0.5 Z < 20 Lithologiekorrektur für wasserstoffreiche Formationen. I x

7 Effektive Ordnungszahl, effektives Verhältnis, Massendichte d, Gamma-Gamma-Dichte (Elektronendichte) Mineral Poreninhalt Quarz Calzit Dolomit Anhydrit Gips Halit Montmorillonit Illit Kaolinit Barit Wasser Salzwasser ppm Z eff Z eff d GG ( Z / A) eff ( Z / A) eff 3 d(g/cm ) 3 d GG (g/cm ) Öl

8 Sondenaufbau und Kalibrierungskurve Andruckarm, definierte Lage von Quelle und Detektor, Kalibermessung. Gammaquelle (Cs - 137, Co - 60) mit Bleiabschirmung zur Unterdrückung der Direktstrahlung Quelle Detektor und Kollimator (gerichtetes, paralleles Gamma-Strahlungsbündel), Robertson Geologging: Sonde FDGS Formation Density Gamma Sonde Quelle: Cs - 137; 9 1 Aktivität (1995): I = 3.7 GBq = s. 0

9 Gammadetektoren, FDGS: 2 Szintillationszähler High Resolution Detektor HRD Abstand Quelle Detektor, Spacing L = 24 cm, Hohe Schichtauflösung, Lithologie, Korrektur von bohrlochnahen Einflüssen (Kaliberausbrüche, Filterkuchen). Long Spacing Detektor LSD, L = 48 cm, Größere radiale Wirkungstiefe, Kennwertermittlung (Kalibrierungskurve): Dichte.

10 Kalibrierung einer Gamma-Gamma-Sonde (Erstkalibrierung Sondenhersteller) x C = x d ( Z / A) I I e µ 0 I x Messung der Reststrahlung an Kalibriermodellen mit bekannten Dichtewerten d und variablem Bohrlochkaliber D, Zylindermodelle: Dimension = Simulation Vollraum (radiale Wirkungstiefe), FDGS: Kalibrierung nur für LSD. µ I = f ( d ; x) C GG x GG

11 Formation Density Gamma Sonde FDGS Filterkuchen Relief der Bohrlochwand Kalibrierungskurve für zwei spacings L Gamma-Tiefensonde S-24.2 (Ingenieurgeophysik) Impulszähler GR Wasser 1.11 Sand 1.65 Sandstein 2.05 Granit 2.60 L1 Führungsrohr (Eisen) LSD L2 HRD L1 L2 Detektor (Zählrohr) Spacing L = 20cm Quelle Cs-137 A = 185 MBq D Quelle Kollimator gerichtetes Strahlenbündel Kalibriermodell d - bekannt

12 Kalibrierfunktion: Logarithmischer Zusammenhang d = d = A ln I + B GG GG ( Z / A = 0.5) A, B Koeffizienten, Bestimmung von A, B durch Regressionsanalyse aus den Wertepaaren ( d ; I ) der Kalibriermodelle. GG GG FDGS: Kaliberkompensierte Dichte für den Long Spacing Detektor LSD: d = dgg = j ln IGG + ( j) 1 j = D D I GG d Dichte in g/cm³, - Impulsrate in cps, D Kaliber in inch.

13 Praktikumsbohrung diskrete Messung: dt = 1min, dz = 0.2 m Kalibrierungskurve: Gamma-Gamma-Tiefensonde S mm-gestänge, August 2001, dt = 1 min 0 d GG in g/cm Vierpunkt-Kalibrierung d GG w V LG d GG in g/cm Festgestein Lockergestein Granodiorit: d GG = 2.70 g/cm 3 Sandstein: 2.10 Sand: 1.60 Wasser: 1.11 d GG = ln(i GG ) n = 4 R 2 = d GG in g/cm 3, I GG in cpm A Wasserpunkt : cpm, Überprüfung I 0 (t) z in m I GG in cpm Gnw w V LG - Lockergestein, A - Auffüllung; Gnw - Gneis, verwittert, Gn frisch: d = 2.7 g/cm 3

14 Hochwasserdamm bei Speyer / Rhein W V d (g/cm³) Wasserseite Dammfuß GW-Spiegel d Tr Sondierungsgestänge d = (1- Φ ) d F + w V d W d Tr = (1- Φ ) d F

15 Bohrung FREIBERG 3 Sonde: FDGS Cal (inch) N (cps) Dichte (g/cm³) KL (%) VR ACS MCAL Gn stkl z in m Dichte Lithologie KL-SHNO KL Gn swkl LSD HRD KL-Dichte d F = 2.7 g/cm³

16 Radiale Eindringtiefe ist abhängig: Spacing L, Strahlungsenergie E γ der Quelle (Cs-137, Co-60), Formationsdichte d, Detektoreigenschaften. Eindringtiefe = Materialdicke, die 90% der Impulsrate des unendlich ausgedehnten Absorbers erzeugt. Orientierungswerte Quelle d in g/cm³ Eindringtiefe in cm Cs (FG) 5 Cs (LG) 6 Co-60 12

17 Korrekturen Absorptionskorrektur: Spülungs- und Kalibereinfluss, Eingangsgrößen: Dichte des Bohrlochinhaltes, Kaliber. Ausbaukorrektur: Eingangsgrößen: Dichte und Abmessungen des Ausbaus, (Verrohrung, Zementation). Z/A Korrektur (Lithologiekorrektur) Formationen, wo Z/A = 0.5 nicht gilt: Gips, Steinsalz, stark wasserführende Gesteine. dgg d d 0.5 = dgg ( Z / A) eff

18 Anwendungen Bestimmung der Formationsdichte und Ableitung der Porosität/Klüftigkeit, Lithologische Profilgliederung v. a. in porenfreien (dichten) Gesteinen mit deutlichen Dichteunterschieden (Salinar), Tiefenlage und Mächtigkeit von Kohleflözen und Aschegehaltsbestimmung. Mittlere Dichtewerte von Sedimentiten, Sedimenten Gestein d (g/cm³) Dolomit Kalkstein Sandstein Geschiebemergel Ton Sand/Kies Braunkohle Steinkohle Torf 1.05 Φ Einfluss

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20 Porositätsbestimmung mit der Dichtemittelgleichung (Mehrphasensystem) n Vi Dichte Festsubstanz, Matrixdichte: df = di i= 1V d Wassergesättigtes, tonfreies Gestein: d = (1 Φ ) d F + Φd W F d Φ = S = 1 V = 0 df dw W T Teilgesättigtes, tonfreies Gestein: V = S < 1 0 W T d d = (1 Φ ) d F + ΦS W d W F Φ = d d S d F W W Teilgesättigtes (kohlenwasserstoffführendes), tonfreies Gesteine: S = 1 S V = 0 W KW Gesättigte, tonige Gesteine: V > S = 1 0 W T T d = (1 Φ V ) d + Φ d + S d KW F W KW KW df d ( df dkw ) Φ = (1 SW ) d d d d F W F W d = (1 Φ V ) d + Φ d + V d T F W T T df d VT ( df dt ) Φ to = d d d d F W F W

21 Φ - totale Porosität, Φ to - tonkorrigierte Porosität, Plattenmodell nach WYLLIE Mehrphasensystem Gestein d - gemessene Dichte, d F - Dichte der tonfreien Festsubstanz, d d F F 1 - Φ = V F / V V d KW - Dichte der Kohlenwasserstoffe (Öl, Gas), d W P Φ = V P / V d W - Dichte des Porenwassers, d T - Dichte des Tones, d F F 1 - Φ = V F / V V T - Tongehalt, d V S W - Wassersättigung des Porenraumes, d KW d W KW P W Φ = V P / V S W = V W / V P S KW - Kohlenwasserstoffsättigung des Porenraumes

22 Gamma-Gamma-Messung auf der Basis des Photoeffektes Quelle: Niederenergetische Gammastrahlungquelle (Am - 241) mit E γ = MeV, Geringe Eindringtiefe (mm cm). Energieabsorption der Gammastrahlung durch Photoeffekt: P I = I e µ x x µ P 0 Z Absorptionskoeffizient für den Photoeffekt wird von der Kernladungszahl des Mediums bestimmt. 4.6 µ P

23 Beschreibung der element- bzw. gesteinsspezifischen Eigenschaften durch Wirkungsquerschnitte: Photoabsorptions-Index (Mikroskopischer Wirkungsquerschnitt) P e Z = in barn/electron: 1 barn = m

24 Mineral Poreninhalt e (barn/electron) Quarz Calzit Dolomit Anhydrit Gips Halit Montmorillonit Illit Kaolinit Barit Wasser Salzwasser ppm Zeff P Öl Photoeffekt elastischer Stoßprozess e - Gammaquant γ 0 E 0 < 0.1 MeV

25 Messergebnis Impulsrate der Gamma-Reststrahlung, Abhängig von der mittleren Kernladungszahl des Gesteins, Unterscheidung von Gesteinen nach ihrem Elementbestand, Kombination mit Gamma-Gamma-Dichtemessung: Litho Density Log. I x Z eff

26 P e : groß I x : klein Detektor P e : klein I x : groß Atomhülle Atomkern e - Hüllenelektronen I 0 I 0 Quelle, Am-241 Photoeffekt I x = f (e - ; Z eff ; P e ) Reststrahlung I x Sandstein Dolomit Kalkstein Φ = 40% 0% Mittlere Kernladungszahl Z

27 Röntgenfluoreszenzanalyse Bestrahlung von Materie mit niederenergetischer Gammastrahlung (z.b. Samarium, MeV), Bei schweren Elementen ( Z > 26): Emission einer elementspezifischen Röntgenstrahlung ( weiche Gammastrahlung mit einigen 0.01 MeV), Extrem geringe Reichweite im µm...mm - Bereich, Element- und Gehaltsbestimmung: Ni, Cu, Zn, As, Sr, Zr, Nb, Ag, Sn, Sb, Ba, W, Hg, Pb, Bi, Einsatz: Trockene Bohrungen mit glatter Wand.

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