DE2718396A1

DE2718396A1 - Verfahren zur in-situ-bestimmung des muttergestein-lagerstaettenpotentials von gesteinsschichten

Info

Publication number: DE2718396A1
Application number: DE19772718396
Authority: DE
Inventors: Dan Mccay Arnold; Arthur J Link; Irwin R Supernaw
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1976-07-01
Filing date: 1977-04-26
Publication date: 1978-01-12
Also published as: BR7703841A; MX4680E; FR2356960A1; US4071755A; CA1067211A

Description

DR. GERHARD SCHUPFNFP

PATENTASSESSOR IM HAUSE DEUTSCHE TEXACO »Θ

l/b«r«««rtno 4O 2OOO Hamburg βθ TaMfon <O«O) 63 75 27 P«rnscrir»lD«r C2 17OOS

Hamburg, den 21. 03. 1977 Fl

T 77 009 (D #74,632)

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 (V.St. v. A.)

VERFAHREN ZUR IN-SITU-BESTIMMUNG DES MUTTERGESTEIN-LAGERSTÄTTENPOTENTIALS VON GESTEINSSCHICHTEN

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Die Erfindung liege auf dem Gebiet radioaktiver Bohrlochuntersuchungen unter Ausnutzung der natürlichen Gammastrahlung zur Bestimmung der Eigenschaften von Gesteinsund insbesondere Schieferschichten und betrifft insbesondere ein Verfahren zur In-Situ-Bestimmung des Muttergestein-Lagerstättenpotentials von Gesteinsschichten, durch die ein Bohrloch niedergebracht ist, durch Vorbeiführen einer einen Gammastrahlungsdetektor enthaltenden Bohrlochsonde an den vom Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten, Auffangen der in diesen im Bohrlochbereich auftretenden natürlichen Gammastrahlung und Erzeugen von eine Funktion von Energie und Frequenz dieser Gammastrahlung bildenden Signalen.

Bei der Auswertung der durch moderne Bohrlochuntersuchungsverfahren gewonnenen Informationen hat es sich als äußerst wünschenswert gezeigt, die Lage sogenannter "Muttergesteine" für die ölproduktion im untersuchten Gebiet bestimmen zu können. Bis jetzt wurden zum Auffinden sedimentärer Becken, die mächtige Ablagerungen an geologisch alten Meeresbodensedimenten enthalten, magnetische und seismische Untersuchungsverfahren angewandt. Vermittels seismischer oder aeromagnetischer Untersuchungen läßt sich die ungefähre Lage und Ausdehnung von eingeschlossenem Erdöl oder undurchlässigem Gestein in derartigen sedimentären Becken vor dem Niederbringen von Versuchsbohrungen ermitteln. Weiterhin ist die Auswertung von Gesteinsproben aus Versuchsbohrungen üblich, welche zu vermuteten Erdöllagerstätten in sedimentären Becken niedergebracht worden sind, sowie die Ermittlung des ölgehalts aus Gesteinsschnitten.

Diese Verfahren führten natürlich in einigen Fällen zum Erfolg, in anderen jedoch nicht. Das Verfahren der Ent-

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nähme von Gesteinskernproben aus Versuchsbohrungen zum Zwecke einer Laboranalyse ist sehr zeitaufwendig und kostspielig, weil das Bohren bei einer derartigen Bohrung mit großer Behutsamkeit erfolgen muß, damit die Gesteinskerne unbeschädigt gewonnen werden können. Außerdem ist der Einsatz von speziellen Kernbohrern erforderlich, und die gewonnenen Gesteinskerne müssen sehr sorgfältig gehandhabt werden, damit die in diesen Proben enthaltene Information erhalten bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines einfach und schnell ausführbaren Verfahrens zur In-Situ-Bestimmung des Muttergestein-Lagerstättenpotentials von Gesteinsschichten.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Verfahren vom eingangs genannten Typ ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die aufgefangenen Signale in wenigstens drei, der von in den Gesteinsschichten vorhandenen radioaktiven Uran-, Kalium- und Thoriumisotopen erzeugten Gammastrahlung entsprechende Energiebereiche getrennt und die in diesen wenigstens drei Energiebereichen auftretende Gammastrahlung darstellende Zählsignale erzeugt werden, diese Zählsignale mit Standard-Gammastrahlungsspektren radioaktiver Uran-, Kalium- und Thoriumisotope verglichen und quantitative Werte für die relative Häufigkeit des Vorkommens dieser drei Elemente in den Gesteinsschichten hergeleitet werden, und durch Vergleichen der relativen Häufigkeit.entsprechend einer vorbestimmten Beziehung eine Angabe über den Gehalt dieser Gesteinsschichten an organischem Kohlenstoff und damit für das Lagerstättenpotential der Gesteinsschichten hergeleitet wird.

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Weitere Ausgestaltungen dieses Verfahrens bilden den Gegenstand der ünteransprüche 2-5.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren gestattet eine wesentlich schnellere Analyse der sedimentären Gesteinsschichten, durch welche eine Bohrung niedergebracht ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß eine Korrelation zwischen dem Urangehalt oder dem Uran-, Kalium- und Thoriumgehalt von Gesteinen wie z.B. Schiefer besteht, die als Anzeige für den Gehalt des Gesteins an organischen Stoffen verwendet werden kann. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer Versuchsbohrung die in den vom Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten vorhandene natürliche Gammastrahlung gemessen und entsprechend ihrer spektralen Energieverteilung analysiert. Diese Information wird auf den Uran-, Kalium- und Thoriumgehalt der vom Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten untersucht. Der Gehalt der Gesteinsschichten an diesen radioaktiven Elementen liefert einen Hinweis für deren Eigenschaften als Muttergestein für die Produktion von Erdöl. Somit ermöglicht das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren die Gewinnung wertvoller Informationen und gestattet die Bestimmung des Muttergestein-Lagerstättenpotentials der von einem Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten unter erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen.

Das Verfahren ist im nachfolgenden anhand der Zeichnungen näher veranschaulicht.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des

erfindungsgemäßen Bohrlochuntersuchungsverfahrens .

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung der Korrelation zwischen dem Urangehalt und dem Gehalt an organischem Kohlenstoff in ^einfΟ iSiiTii'fe jchief erschient.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Uran-Kalium-Verhältnisses als Funktion des organischen Kohlenstoffgehalts einer bestimmten Schieferschicht.

Figur 1 zeigt ein mit einer Flüssigkeit wie z.B. Bohrtrübe gefülltes Bohrloch 10, das durch mehrere Gesteinsschichten 11 (manchmal auch nicht ganz korrekt als "Erdformationen" bezeichnet) niedergebracht ist. Im Bohrloch 10 ist eine Bohrlochsonde 12 vermittels eines armierten Sondenkabels 13 aufgehängt, in welchem sich eine oder mehrere elektrische Leitungen zur Einspeisung von Spannung in die Sonde 12 und zum übertragen von Signalen von der Sonde zu den an der Erdoberfläche befindlichen Geräten befinden. Das Gehäuse der Bohrlochsonde 12 ist flüssigkeitsdicht abgeschlossen und enthält einen Detektor für natürliche Gammastrahlung, der einen Szintillationskristall 15 aufweist, welcher aus einem mit Natrium- oder Cäsiumjodid-Thalium aktivierten Kristall oder dgl. bestehen kann. Der Szintillationskristall 15 ist optisch mit einem Fotovervielfacher 16 gekoppelt, der elektrische Ausgangssignale erzeugt, welche die in den Gesteinsschichten 11 im Bereich des Bohrlochs 10 vorhandene natürliche Gammastrahlung darstellen.

Bekanntlich ruft aus einer Gesteinsschicht 11 auf den Szintillationskristall 15 auftreffende Gammastrahlung Lichtblitze in diesem hervor, deren Intensität proportional ist der diese Szintillation auslösenden Gammastrahlungsenergie. Der Fotovervielfacher 16 tastet die Szintillationen im Szintillationskristall 15 ab und erzeugt elektrische Impulse, deren Höhe oder Spannung proportional ist der Intensität der im Szintillationskristall 15 erzeugten Lichtblitze. Das Ausgangssignal des Fotovervielfachers 16 be-

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steht somit aus impulsartigen elektrischen Spannungssignalen. Diese Spannungssignale werden in einem Verstärker 17 verstärkt und über eine Leitung des Sondenkabels 13 zur Erdoberfläche übertragen.

Die Bohrlochsonde 12 ist innerhalb des Bohrlochs 10 über eine Laufrolle 14 aufgehängt, die (wie durch die gestrichelte Linie 23 in Fig. 1 angedeutet) elektrisch oder mechanisch mit einem Aufzeichnungsgerät 20 gekoppelt ist. Die Laufrolle 14 liefert somit eine Angabe über die Tiefe, in welcher sich die Bohrlochsonde 12 innerhalb des Bohrlochs

10 befindet, und führt diese Information dem Aufzeichnungsgerät 20 zu, so daß in diesem die von der Bohrlochsonde empfangenen Ausgangssignale als Funktion der Tiefe im Bohrloch aufgezeichnet werden können.

Die die Energie der natürlichen Gammastrahlung in den Gesteinsschichten 11 im Bereich des Bohrlochs 10 darstellenden Spannungsimpulse werden von dem entsprechenden Leiter des Sondenkabels 13 an der Erdoberfläche abgegriffen und einem Impulshöhenanaiysator 18 bekannter Ausführung zugeführt. Der Impulshöhenanalysator 18 sortiert und berechnet die natürliche Gammastrahlung der Gesteinsschichten

11 als Funktion der Energie. Für das erfindungsgemäße Verfahren weist der Impulshöhenanalysator 18 wenigstens drei Energiefenster oder Energieauswählbereiche auf, welche den vorgenannten Elementen entsprechen. Das Energiefenster für Kalium wird beim erfindungsgemäßen Verfahren in den Bereich von angenähert 1,36 MeV bis angenähert 1,60 MeV gelegt. Das Energiefenster für Uran wird in den Bereich von angenähert 1,60 MeV bis zu angenähert 1,95 MeV gelegt, und das Energiefenster für Thorium wird in den Bereich von angenähert 2,40 MeV bis zu angenähert 2,86 MeV des Gammaenergiespektrums gelegt.

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Dementsprechend liefert der Impulshöhenanalysator 18 die Anzahl von Zählimpulsen in den einzelnen Energiefenstern bei dem radioaktiven Zerfall der radioaktiven Kalium-, Uran- und Thoriumatome in den vom Bohrloch 10 durchsetzten Gesteinsschichten 11 darstellende Ausgangssignale. Diese AusgangssignaIe werden einem Rechner 19 zugeführt, der beispielsweise aus einem kleinen Mehrzweck-Digitalrechner wie z.B. dem Rechner Modell PDF-11 (der Firma Digital Equipment Corporation in Maynard, Mass., V.St.A.) entsprechen kann. Dieser kleine Digitalrechner 19 wird in bekannter Weise auf die Funktion von Spektrum-Stripping oder Kurvenan-passung der von der im Bohrloch befindlichen Bohrlochsonde 12 gelieferten spektralen Gammastrahlungsinformation programmiert.

Das Verfahren des Spektrum-Stripping oder der Kurvenanpassung braucht hier nicht im einzelnen erläutert zu werden, da dieses Verfahren bereits bekannt ist und beispielsweise aus der U.S. Patentschrift 3 739 171 der Anmelderin hervorgeht. An dieser Stelle sei lediglich ausgeführt, daß das von der im Bohrloch befindlichen Bohrlochsonde gelieferte Spektrum mit den von einer Standard-Gammastrahlungsspektrumsquelle 22 in Fig. 1 gelieferten Standard-Spektralwerten verglichen wird, wobei das Gammaspektrum bekannter Standardelemente quantitativ mit dem der vom Bohrloch 10 durchsetzten Gesteinsschichten 11 verglichen wird. Auf diese Weise lassen sich den Bruchteil des durch die in den Gesteinsschichten vorhandenen Standardelemente verursachten Gammastrahlungsspektrums darstellende Koeffizienten herleiten. Diese Information wird dem Aufzeichnungsgerät 20 zugeführt und in diesem wie oben angegeben als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet.

Die zum 3etrieb der in der Bohrlochsonde 12 enthaltenen

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Geräte benötigte Spannung wird durch in der Sonde befindliche (und hier nicht dargestellte) Spannungsspeisegeräte bereitgestellt und von einem an der Erdoberfläche befindlichen Spannungsspeisegerät 21 geliefert, das über Leitungen im Sondenkabel 13 mit den in der Sonde befindlichen Spannungsspeisegeräten verbunden ist. Die der Sonde zugeführte elektrische Spannung wird innerhalb der Sonde auf bekannte Weise in die zum Betrieb des Fotovervielfachers 16 und der anderen elektrischen Schaltungen benötigten Spannungen umgesetzt.

Figur 2 zeigt eine grafische Darstellung des Verhältnisses von Uran- zu Kaliumgehalt in einer unterirdischen Gesteinsschicht 11 als Funktion des prozentualen organischen Kohlenstoff gehalt s in einer New Albany - Schieferschient. Wie aus dieser Darstellung zu ersehen, ergibt sich für diese Schieferschicht aus dem Gebiet von New Albany eine enge Korrelation zwischen dem Uran-Kalium-Verhältnis und dem prozentualen organischen Kohlenstoffgehalt.

In Figur 3 ist der Urangehalt einer New Albany-Schieferschicht als Funktion des prozentualen organischen Kohlenstoff gehalts dieser Schicht aufgetragen. Auch hier wiederum besteht eine enge Korrelation zwischen dem organischen Kohlenstoffgehalt und dem Urangehalt des Schiefers. Für den Urangehalt ergibt sich ein Korrelationskoeffizient von angenähert 0,977 mit dem organischen Kohlenstoffgehalt des Schiefers. Das in Fig. 2 dargestellte Uran-Kalium-Verhältnis des New Albany-Schiefers ist eine Funktion des organischen Kohlenstoffgehalts desselben, mit einem Korrelationskoeffizienten von angenähert 0,975.

Bekanntlich sind in der ganzen Welt in Meerwasser Uransalze gelöst und bereits seit vielen geologischen Epochen in diesem enthalten. Weiterhin ist bekannt, daß diese

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Salze eine elektrische Affinität für organischen Kohlenstoff aufweisen, der in organische Substanzen enthaltenden Meeresbodensedimenten abgelagert ist. Da die Meere in geologischen Vorzeiten Uransalze in gelöster Form enthielten und Sedimente mit immer stärkerer Mächtigkeit gebildet wurden, führten die Einflüsse von Temperaturen und Drücken über geologische Zeitepochen hinweg zur Bildung von Erdöl aus den in diesen Sedimenten enthaltenen organischen Substanzen. Das Sediment wurde somit zum "Muttergestein" für Erdöllagerstätten. Bei seiner Entstehung neigte das Erdöl dazu, zu wandern, und wurde schließlich in undurchlässigen Gesteinsschichten eingeschlossen und durch diese an einem Aufsteigen zur Erdoberfläche gehindert. Selbstverständlich wurde nicht sämtlicher organischer Kohlenstoffgehalt der ursprünglichen Sedimente zu Erdöl umgewandelt. Bei diesen Vorgängen blieben die in den ursprünglichen Meeresbodensedimenten enthaltenen Uran-, Kalium- und Thoriumsalze im Muttergestein. Vermittels der durch das erfindungsgemäße Verfahren vorgeschlagenen quantitativen Bestimmung der in von einem Bohrloch durchsetzten Gesteins- und insbesondere Schieferschichten vorhandenen Mengen an radioaktivem Uran, Kalium und Thorium läßt sich eine Angabe über den ursprünglichen Gehalt dieser Gesteinsschichten an organischem Kohlenstoff herleiten.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem Prospektionsgebiet spektrale Messungen der in einem von einem Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten vorhandenen natürlichen Gammastrahlung ausgeführt. Die in den Gesteinsschichten vorhandene Gammastrahlung wird quantitativ auf ihren Uran-, Kalium- und Thoriumgehalt analysiert, und dann können ein oder mehrere dieser Signale in Verbindung mit Eichkurven der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführung dazu verwendet werden, aus diesem

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uran-, Kalium- oder Thoriumgehalt den prozentualen organischen Kohlenstoffgehalt dieser Gesteins- oder Schieferschichten zu ermitteln. Der organische Kohlenstoffgehalt von Gesteins- und insbesondere Schieferschichten ist ein Maß für die Muttergesteinsaktivität oder das Muttergestein-LagerStättenpotential der vom Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten.

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Claims

Patentansprüche :

}\ Verfahren zur In-Situ-Bestimmung des Muttergestein-Lagerstättenpotentials von Gesteinsschichten, durch die ein Bohrloch niedergebracht ist, durch Vorbeiführen einer einen Gammastrahlungsdetektor enthaltenden Bohrlochsonde an den vom Bohrloch durchsetzten Gesteinsschichten, Auffangen der in diesen im Bohrlochbereich auftretenden natürlichen Gammastrahlung und Erzeugen von eine Funktion von Energie und Frequenz dieser Gammastrahlung bildenden Signalen, dadurch gekennzeichnet , daß die aufgefangenen Signale in wenigstens drei, der von in den Gesteinsschichten vorhandenen radioaktiven Uran-, Kalium- und Thoriumisotopen erzeugten Gammastrahlung entsprechende Energiebereiche getrennt und die in diesen wenigstens drei Energiebereichen auftretende Gammastrahlung darstellende Zählsignale erzeugt werden, diese Zählsignale mit Standard-Gammastrahlungsspektren radioaktiver Uran-, Kalium- und Thoriumisotope verglichen und quantitative Werte für die relative Häufigkeit des Vorkommens dieser drei Elemente in den Gesteinsschichten hergeleitet werden und durch Vergleichen der relativen Häufigkeit entsprechend einer vorbestimmten Beziehung eine Angabe über den Gehalt dieser Gesteinsschichten an organischem Kohlenstoff und damit für das Lagerstättenpotential der Gesteinsschichten hergeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verfahrensschritte in mehreren Bohrlochtiefen wiederholt werden und die Angaben über den organischen Kohlenstoffgehalt der Schichten als Funktion der Bohrlochtiefe aufgezeichnet werden.

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herleitung der relativen Häufigkeit durch Vergleichen der relativen Häufigkeit von Uran mit einer vorbestimmten Beziehung zwischen dieser Häufigkeit und dem Gehalt an organischem Kohlenstoff durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herleitung der relativen Häufigkeit durch Vergleichen des Verhältnisses der relativen Häufigkeit von Uran zu der von Kalium mit einer vorbestimmten Beziehung zwischen diesem Häufigkeitsverhältnis und dem Gehalt an organischem Kohlenstoff durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der aufgefangenen Signale in drei Energiebereiche in die Bereiche von angenähert 1,36 bis 1,60 MeV für Kalium-Gammastrahlung, angenähert 1,60 bis 1,95 MeV für Uran-Gammastrahlung und angenähert 2,40 bis 2,86 MeV für Thorium-Gammastrahlung erfolgt.

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