Bohrloch­geophysikalische Messverfahren

Die von der Quelle ausgehenden Gammastrahlen werden an den Elektronenhüllen der Gesteinsatome gestreut und je nach deren Dichte mehr oder weniger absorbiert (Compton-Effekt). Ein Teil der Streustrahlung gelangt zum Detektor und wird dort als Gamma-Gamma-Signal registriert. Das bei der Messung erfasste Volumen (Eindringtiefe) ist im wesentlichen von der Entfernung Quelle-Detektor und der Dichte des Gesteins abhängig. Seine horizontale Maximalausdehnung beträgt für eine Anordnung Quelle-Detektor 50 cm und einer Gesteinsdichte von 2,0 g/cm³ ungefähr
20 cm. Der Zweck der Messung ist die Ermittlung von Schichtgrenzen, Unterscheidung verschiedener Gesteine nach ihrer Dichte, Bestimmung der Gesteinsporosität sowie als Ringraumkontrollmessung die Bestimmung von Tonsperren und Verkiesungen im Filterbereich. Wegen der extremen Abhängigkeit des Gamma-Gamma-Signals von Spülung und Filterkuchenbildung werden ausschließlich angedrückte Messsonden verwendet. Kalibereinflüsse, die den Messeffekt ebenfalls stark verfälschen können, werden dadurch jedoch nicht beseitigt.

Die Auswertung erfolgt computergestützt durch die Umrechnung der Impulsraten der beiden Kanäle unter Berücksichtigung der Kalibrierwerte und Korrekturtafeln in die Gesteinsdichte.

Ersetzt man den Stab durch ein Rohr, so verändert das Medium, das sich im Rohr befindet, die Masse des schwingenden Systems und somit seine Resonanzfrequenz. Für die Dichte ergibt sich folgende grundlegende Beziehung: 

d = A _* T² - B 

wobei die Konstanten A und B durch das mechanische System bestimmt sind. T ist die Periode der Schwingung im Resonanzfall. Da die o. a. Gleichung aufgrund der Parameter A und B eine sehr flache Parabel darstellt, kann man auch bei eingeschränktem Dichtebereich mit einer linearen Annäherung arbeiten. Der Flüssigkeitsdichtesensor wird in zwei Medien unterschiedlicher, bekannter Dichte kalibriert und gestattet so die Bestimmung der Flüssikeitsdichte kontinuierlich im Bohrloch ohne Einsatz von Gammastrahlungsquellen.

Unterschiedliche Temperaturen beeinflussen in der Regel das Verhalten des schwingenden Systems, der Schwingungsanregung, des Empfängers und der elektronischen Schaltung. Durch geeignete Maßnahmen wird der Einfluss der Temperatur auf die elektronische Schaltung beseitigt und der Einfluss auf die Schwingungsanregung und -abnahme minimiert. Der Einfluss der Temperatur auf die Elastizitätskonstante des Schwingrohrmaterials und die Wärmeausdehnung des Gesamtsystems wurde ermittelt und wird rechentechnisch kompensiert.

Mit steigendem Druck nimmt die Dämpfung der Schwingung des Rohres zu. Durch eine geeignete Anregungsmethode wird erreicht, dass im gesamten Einsatzbereich (bis 1500 m) immer eine zur Auswertung ausreichend große Amplitude zur Verfügung steht. Kurzzeitige, große Druckänderungen führen zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz. Langsame Druckänderungen, wie sie beim Befahren eines Bohrlochs auftreten, sind ohne nachweisbaren Einfluss auf das Messergebnis.

Zwei Detektoren unterschiedlichen Spacings (380 mm und 630 mm) empfangen die mit dem umgebenden Gestein wechselwirkenden thermischen Neutronen und messen deren Abklingzeit normiert auf den Anfangsimpuls. Eine sehr hohe Pulsfrequenz gestattet bei einer relativ geringen Messgeschwindigkeit (ca. 1 - 2 m/min.) einen sogenannten, aus der Seismik bekannten, Stapeleffekt so dass die erhaltenen Messwerte einen sehr geringen statistischen Messfehler beinhalten. Pro Neutronenstoß wird ein zeitliches Spektrum (aufgeteilt in mehrere sogenannte Zeitfenster) der wiederkehrenden thermischen Neutronen aufgezeichnet, welches durch nachfolgende computergestützte Bearbeitungen eine variable Eindringtiefe des Verfahrens gestattet. Somit kann die bohrlochnahe und bohrlochferne Zone (infiltrierter und nichtinfiltrierter Bereich) je nach Aufgabenstellung untersucht werden. Bei Messungen im offenen Bohrloch ist der nichtinfiltrierte Bereich interessant und somit Abklingzeiten im Bereich über 200 Mikrosekunden (mks). Zur Porositätsbestimmung werden die gemessenen Rohdaten nochmals mit dem zur Verfügung stehenden Porositätsprogramm bearbeitet, und Korrekturen zum Bohrlochkaliber und zum Spülungswiderstand angebracht. Aus den korrigierten Impulskurven wird dann ein neues TAU berechnet und aus diesem wiederum die Porosität. Bei der Porositätsberechnung geht man von einer Wassersättigung des umgebenden Gesteins von 100 % aus, sodass die Porositätsangaben im Profil über dem Grundwasseranschnitt verfälscht sind, wie auch bei allen anderen Neutronenverfahren. Eine Bestimmung der Porositäten im trockenen Bereich ist unter Einbeziehung der Widerstandsverfahren und der Gamma-Gamma-Dichtemessung möglich.

Zweck der Messung ist die Bestimmung der Gesteinsporosität, die Ermittlung des Grundwasserspiegels und die lithologische Unterscheidung bindiger Horizonte.

Die Elektrodenabstände auf dieser Sonde sind sehr klein (wenige cm), außerdem ist die gesamte Elektrodenanordnung an einem innen isolierten metallischen Rohr angebracht, durch das die Bohrlochflüssigkeit hindurchströmen kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Gesteinswiderstände die Messung nicht beeinflussen. Die Messung erfolgt während der Einfahrt der Sonde in das Bohrloch (sogenannte Ab-Messung), um den Spülungswiderstand in ungestörten Bedingungen zu messen.

Zweck der Messung ist die Bestimmung des spezifischen Widerstandes der Bohrlochflüssigkeit und die Erkennung von Zu- und Abflüssen.

Falls der örtliche Gebirgstemperaturverlauf unverfälscht gemessen werden soll, müssen allerdings die durch den Bohrvorgang hervorgerufenen Temperaturstörungen abgeklungen sein. Hierfür nimmt man als Minimalwert die gleiche Zeit an die das Bohren selbst beansprucht hat. Zweck der Messung ist die Ermittlung der Gesteinstemperatur, die Bestimmung der Spülungstemperatur zur Korrektur des Salinitätslogs und die Ermittlung von Zu- und Abflüssen.

Der Spannungsimpuls wird direkt als Messeffekt wiedergegeben.

Zweck der Messung ist die Anzeige der teufenmäßigen Lage von Rohrverbindungen in Stahlverrohrungen sowie das Auffinden von Schadstellen.

Immer dann wenn das Flowmeter an einer fördernden Schicht vorbei abwärts fährt, geht die Umdrehungszahl des Messflügels um einen gewissen Betrag zurück, weil die dem Brunnen aus dieser Schicht zufließende, nach oben strömende, Wassermenge vom Flowmeter entsprechend erfasst wird. Es ergibt sich somit eine Art Treppenkurve, welche Zuflüsse, Abflüsse und Stillstand des Wassers in der Bohrung anzeigt.

Zweck der Messung ist die Ermittlung des Anteils jeder fördernden Schicht an der Gesamtförderung einer durchteuften Schichtenfolge.

Bei einer Änderung der magnetischen Suszeptibilität des umgebenden Gesteins oder Materials ändert sich auch die Induktivität und damit der Wechselstromwiderstand der Spule, der mit einer Brückenschaltung gemessen wird. Suszeptibilitätsmessungen werden in erster Linie zum Nachweis von ferromagnetischen Eisenerzen und anderen Erzen, die Magnetit und Magnetkies als Komponenten enthalten, eingesetzt. Daneben dienen sie zur Gliederung der Profile von Eruptiv- und metamorphen Gesteinen, die sich in ihrer magnetischen Suszeptibilität oft recht erheblich unterscheiden.

Durch den Einsatz magnetithaltiger Tonsperrenmaterialien, wie z. B. Quellon HD, kann man das Suszeptibilitätsmessverfahren auch sinnvoll zur Bestimmung der Lage der Tonsperren in ausgebauten Grundwassermessstellen einsetzen. Da das Messverfahren eine hohe Messgenauigkeit besitzt, können bereits geringste Mengen nachgewiesen werden.