BGM nach dem 1. Semester, BAS-Nr. 031TU Bergakademie Freiberg: DG Detlev Tondera, Dr. Frank Scholze,

MSc. Marcel Hübner, Dr. Birgit Gaitzsch

Bohrkerndokumentation 12.-16.02.2018

Bohren, Bohrungen, Bohrverfahren

Geologisches Bohren: Herstellen eines Bohrloches in

der Erde oder im Eis mit mechanisch, thermisch

oder hydraulisch wirkenden Mitteln

Dimensionen: sehr unterschiedlich, von > 10 km Teufe

mit Enddurchmesser von wenigen cm bis zu

Schachtbohrungen, nur wenige 100 m tief, aber

Durchmesser bis zu einigen 10er m, Baugrund-

Bohrungen nur wenige m tief

Richtung: im Bergbau oft horizontal, schräg, sonst

meist von EO aus vertikal

geologische Bedingungen und Zielstellung

der Bohrung bestimmen Auswahl

Aufgaben:

* Zerstörung des Gesteins auf der Bohrlochsohle

* Austrag des Bohrkleins aus dem Bohrloch

(kontinuierlich, diskontinuierlich)

* Stabilisierung und Sicherung der Bohrlochwand

(Bohrspülung und/oder Futterrohre)

Einfache Klassifizierungen

…nach Teufe

…nach Aufgabenstellung

…nach Technik/Technologie

…nach hydraulischen Verhältnissen

…nach Umfang der Gesteinszerstörung

- Baugrunduntersuchgungen, wenige Meter- Flachbohrung, bis ca. 500 m, kein Blowout Preventer- Tiefbohrungen, bis ca. 6000 m, BOP- Supertiefe Bohrungen > 6000 m

3.1 Klassifizierung nach Aufgabenstellung

• Forschungsbohrungen (KTB, ODP, CDP)

• Suchbohrungen

• Erkundungsbohrungen

• Produktionsbohrungen

• Technische Bohrungen

• Kartierungsbohrungen

• Baugrundbohrungen

3.2 Klassifizierung nach Technik-Technologie des Niederbringens

2 Verfahrensgruppen:

1. mechanisch wirkende Mittel

2. andere Mittel

3 wichtige Verfahren:

Drehbohrverfahren

Schlagbohrverfahren

Drehschlagbohrverfahren

Mechanische Gesteinszerstörung

3.3 Klassifizierung nach hydraulischen Verhältnissen

* Trockenbohrungen

* Spülbohrungen

3.4 Klassifizierung nach Umfang der Gesteinszerstörung

* Vollbohrungen, Meißelbohrungen

* Kernbohrungen

3.5 Übersicht über Bohrverfahren

3.6 Spülbohrungen

beim Trockenbohren führt Austrag des Bohrklein

zu ständiger Unterbrechung des Bohrprozesses:

- Abteufzeit wird verlängert

- mit zunehmender Teufe uneffektiv

- ideal für das Bohren im Festgestein

Unterschied zu Trockenbohrung:

-> Flüssigkeitszirkulation im Bohrloch

2 Systeme: Linksspülung

Rechtsspülung

Linksspülverfahren Rechtsspülverfahren

Aufbau einer Rotary-Bohranlage1. Tank bzw. Teich für die Bohrspülung

2. Rüttelsieb

3. Saugrohr der Spülpumpen

4. Spülpumpe

5. Bohrturmantrieb (meist Dieselmotoren)

6. Hochdruckschlauchstück

7. Hebewerk als Hauptzug

8. Standrohr

9. Schlauch zum Spülkopf

10. Rohrkrümmer für den Spülschlauch

11. Kloben

12. Seil des Hebewerks

13. Turmrollenlager

14. Bohrturm

15. Affenbühne, Gestängebühne

16. Züge des Bohrgestänges

17. Boden des Lagers für die Züge

18. Spülkopf

19. Kelly, die Mitnehmerstange

20. Drehtisch

21. Arbeitsbühne oder Tisch

22. Spülungsauslauf Bell Nipple

23. und 24. Bohrlochkontrollvorrichtung

25. Bohrgestänge

26. Bohrmeißel

27. Kopf der Verrohrung

28. Bohrspülungsrückleitung

4. Geologische Informationen aus Bohrungen

• 4.1 direkte Informationen:* Bohrmehl* Bohrklein* Cuttings (Spülproben)* Bohrkern

• 4.2 indirekte Informationen:* Messverfahren Eigenschaften Bohrlochfluida* 4.2.1 Messverfahren geometrischer Größen* 4.2.2 Geophysikalische Bohrlochmessungen

4.2 Indirekte Informationen

Messkabel

Messverfahren geometrischer Größen sowie geophysikalische Bohrlochmessungen

Bestandteile einer Bohrlochmessausrüstung:

1. RegistriereinheitSteuerung des Messvorgange, Energieversorgung der Sonde über das Kabel, Aufnahme, Darstellung und Speicherung der Messwerte, Formationsparameter, Fahrge-schwindigkeit, Zugspannung desKabels.

2. BohrlochmesskabelMechanische Halterung der Sonde, Stromversorgung der Sonde,Messwertübertragung, Tiefenposition der Sonde.

Übersicht Messverfahren

1.

2.

4.2.1 Messverfahren von Eigenschaften und geometrischen Größen

• indirekte Informationen über Messverfahren:

geometrische Größen wie Bohrfortschritt (1), Kaliber (2), Spülungsverluste

• z.B. GW-Stand (Pegel): Brunnenpfeife

• Temperaturmessungen

• Salinitätsmessungen

• Spülungsmessungen

• Richtungsmessungen

2. Kalibermessung

4.2.2.1 Elektro- und Elektromagnetische Verfahren

• Geoelektrik (Widerstandsmessungen)

• Petrophysikalische Eigenschaft: spezif. elektr. Wider-stand rs[Ωm]

• Messgröße: scheinbarer elektr. Widerstand rs [Ωm]

• Gesteinsbenennung: hoch-/niedrigohmige Gesteine

• Beispiele: Ton/Sand, Tonstein/Sandstein, Erzgang/Silikatgestein….

Prinzip GeoelektrikOben: Messanordnung, aus der sich auch die Einheit Ohmmeter ableiten lässt.Die Tabelle gibt Widerstandswerte für einige Gesteine und Minerale wieder. Für die Bohrlochmessung wird beispielhaft die Messkurve einer Sand-Ton-Wechsellagerung dargestellt(aus: Sebastian 2014)

4.2.2.2 Kernphysikalische Verfahren

• Radiometrie (Gamma-log)

• Gamma-Gamma-log (Dichtemessung Braunkohle-Erkundung)

• Neutron-Neutron-log

• (Neutron-Gamma-log)

Radiometrie, Gamma-log

• Messung der natürlichen Gammatsrahlung, Gamma-Messung

• Petrophysikalische Eigenschaft: Gehalt an radiogenenIsotopen wie U, Th, K

• Messgröße: Zählungen [cps counts per second], Kalibrierung auf API

• Gesteinsbenennung: U/Th oder K-reiche/arme Gesteine

• Beispiele: Kalisalz/Steinsalz, Ton/Sand, Tonstein/Sandstein,

Prinzip Radiometrie Gammamessung

Radioaktiver Zerfall, Kalibrierung der Messsonde nach American Petroleum Institut API) und Messmethodik einer Bohrloch-Gamma-Messung mit K, Th und U-Gehalten und natürlichen Gamma-Aktivitäten von Mineralen und Gesteinen(aus: Sebastian 2014)

Gamma-Gamma-Messung

• Petrophysikalische Eigenschaft: Dichte r [gcm-3]

• Messgröße: Zählungen [cps counts per second]

• Gesteinsbenennung: Gesteine mit niedriger/hoher Dichte (klüftige/dichte Gesteine)

• Beispiele: Gabbro/Granit, Basalt/Steinsalz, Sandstein/Tonstein

Prinzip Gamma- Gammamessung

Bei der Bestrahlung des Gesteins mit Gammaquanten kommt es zur Wechselwirkung mit der Materie des Gesteins und zum Energieverlust.Je mehr Wechselwirkungen, desto weniger Gammaquanten erreichen den Empfänger. (aus: Sebastian 2014)

Meßgröße: primär die Anzahl der ankommenden Gammaquanten pro Sekunde (cps). Erst der Einsatz kalibrierter Sonden und entsprechender Korrekturfaktoren zur Bohrlochgeometrie, Fahrtgeschwindigkeit und Spülungsdichte ermöglicht die Umrechnung dieser relativen Größe in die SI-Einheit g/cm3.

Neutron-Neutron-Messung

• Petrophysikalische Eigenschaft: Poreninhalt, Wassergehalt [%], Porosität [/]

• Messgröße: Zählungen [cps counts per second]

• Gesteinsbenennung: wassergesättigte/wasserfreie Gesteine (dichte/poröse Gesteine)

• Beispiele: Sand/Ton, Sandstein/Tonstein, gas/wassergesättigter Sandstein

Prinzip Neutron – Neutronmessung

Bei der Bestrahlung des Gesteins mit Neutronen kommt es zur Wechselwirkung. Je mehr Wasser im Gestein, desto stärker werden die Neutronen abgebremst und desto geringer fällt das Signal am Empfänger aus. Für die Bestimmung der Porosität sind Angaben zum Tongehalt und zur Art des Fluids in den Poren wichtig, hier werden Korrekturfaktoren eingesetzt. (aus: Sebastian 2014)

Kombination verschiedener Messverfahren

Bandbreiten zu erwartender Werte von Bohrlochmessungen für einige Gesteine. Nach FRICKE und SCHÖN 1999 (aus: Sebastian 2014)

Kombination g-g-Dichte und NN-Log

Gestein 1

Gestein 2

+

Beispiel 1: Sandstein, gleiche Porosität, unterschiedliche Porenfüllungen

-

g-g-Dichteg/cm3

+ - + - -+

Beispiel 2: Sandstein, unterschiedliche Porosität, gleiche Porenfüllungen

Beispiel 2Beispiel 1

NN-Porositäts-einheiten FN

Öl

Gas Öl

Öl

NN-Porositäts-einheiten FN

g-g-Dichteg/cm3

Aufgabe:Interpretieren Sie für ein Profil im Lockergestein die nebenstehenden Bohrloch-Messkurven und ordnen Siedie drei Sedimente den Profilabschnitten zu.

Messkurven für die geophysikalischen Bohrlochverfahren Widerstandsmessung,Gamma, Gamma-Gamma sowie Neutron-Neutron-Messung in Sedimenten. (nach Militzer et al. 1986)

4.2.2.3 Sonic-log oder akustisches Messverfahren (Akustik log)

• Akustiklog-Messsonde sendet Ultraschall-impulse ins Gestein, empfängt sie nach Durchschallung des Gesteins in etwa 1m Entfernung wieder und misst Zeit dafür, Maßeinheit µs/m

• Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Schall-wellen hängt ab von Kompaktion

• Wegstrecke ist bekannt, aus Laufzeit kann gesteinstypische Geschwindigkeit berechnet werden

• wichtig für Porositätsbestimmungen

Kombination von Gamma- und Sonic-Log

Kombination verschiedener Daten

• Interpretation der Fazies, von Abfolgen (Sequenzen) und kompletter Ablagerungssysteme

• 4D-Rekonstruktion geologischer Systeme -> Rohstoff- und Lagerstättensuche – Beispiel Rötbohrung

• Grundlagenforschung, Sequenzstratigraphie:• Methodik der Stratigraphie, Korrelation von Sedimenten

und Sedimentgesteinen • Anders als Lithostratigraphie Korrelation zeitgleich

abgelagerter Sedimente mit unterschiedlicher Lithologie• Grundlagen: Walter`sche Faziesregel, Veränderungen im

Sedimentationsraum – sea level bzw. base level• Beispiel Perm Nordwestdeutschland

Bohrloch-“Fernseher“ II

Figure 9: An example of composite geophysical and lithological logs from Handcart

Gulch wells. URL: http://crustal.usgs.gov/projects/Handcart_Gulch/infrastructure.html

• Unterlagen (Downloads Paläontologie: Unterlagen zum GP Bohrkerndokumentation)

• Feldbuch (DIN A5, fester Einband, kariert - als Raster für maßstäbliche Zeichnungen), Freiberger Kartcard

• Hammer, Lupe, Salzsäure (10%, in beschrifteter Tropfflasche), Gliedermaßstab (2 m), Taschenmesser

• Winkelmesser, Zeichenpapier DIN A4, Millimeterpapier, Bleistift, Buntstifte, Markerstift, Farbvergleichskarte, Fotoapparat o.ä.

• Für die Kerndokumentation derbe Kleidung, feste Schuhe, Rucksack-Verpflegung selbstverständlich

• Für die Auswertung Tuschezeichner (Fineliner) und Farbstifte und pro Gruppe ein Speichermedium

• zentrales Login (sollten Sie bei der Immatrikulation erhalten haben)

• Gute Laune und Leistungswillen!

Ausrüstung BP 3: