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Technical Report NTB 90-42
The application of moment methods to the analysis of fluid electrical conductivity logs in boretoles
Der vorliegende Bericht beschreibt drei neue Methoden für die quantitative Analyse von dynamischen (unter Absenkungsbedingungen durchgeführten) Fluid-Leitfähigkeitsmessungen in Bohrungen. Die neuen Analysenmethoden stellen wirkungsvolle Ergänzungen und Weiterentwicklungen einer in Tsang et al. (1990) präsentierten Feld- und Auswertungsmethodik dar, welche auf einem «best-fit» Simulationsverfahren der gemessenen Leitfähigkeitslogs beruht. Beide Verfahren ermöglichen eine exakte Lokalisierung von wasserleitenden Klüften oder diskreten, wasserführenden Zonen (± 1 m in 1000 m tiefen Bohrlöchern) und die Bestimmung der Transmissivität (und der Ruhewasser-Potentiale) der einzelnen Klüfte.
Die drei neuen Analysenverfahren, welche in vorliegendem Bericht entwickelt und dargestellt werden, basierten auf der «klassischen» Momentenmethode, welche zur Charakterisierung von Transportparametern eines Tracerpulses eingesetzt werden (z. B. Fischer et al. 1979). In vorliegendem Bericht werden analoge Beziehungen für die spezifischen Randbedingungen der Fluid-Logging-Methode hergeleitet und an synthetischen und natürlichen Datensätzen ausgetestet.
Nach einer allgemeinen Diskussion des Testverfahrens und der AnalysenGrundgleichung (Kapitel 1) werden die Beziehungen des nullten und ersten Momentes eines Einzelkluftzuflusses zum Bohrloch zu den Kluftparametern «Fliessrate» und «Elektrolyt-Konzentration» hergeleitet (Kapitel 2). Einzelkluftzuflüsse werden dadurch charakterisiert, dass ihre Peaks auf Leitfähigkeitslogs nicht miteinander interferieren und darum relativ einfach individuell analysiert werden können.
Kapitel 3 und 4 präsentieren neue Analysenverfahren für den allgemeinen Fall von interferierenden Zuflusspeaks, welche mit «klassischen» Momentenansätzen nicht ausgewertet werden können. Die Methode der Partiellen Momente (Kapitel 3) basiert auf Zeitableitungen von Integralwerten mit ähnlicher Struktur wie jene der klassischen Momente, definiert jedoch für Log-Abschnitte zwischen aufeinanderfolgenden Zuflussstellen. Die Annahmen dieser Methode liegen einzig darin, dass innerhalb solcher Integrationsgrenzen sowohl die lineare Bohrloch-geschwindigkeit wie der Dispersionskoeffizient konstant sind. Aus diesem Grund erlaubt die Methode theoretisch für jeden Bohrlochabschnitt und jedes Zeitintervall unabhängig (d. h. transient) den volumetrischen Fluss (und daher auch aus den entsprechenden Flussdifferenzen die Kluftzuflüsse) zu bestimmen. Die Nachteile und Einschränkungen der Methode liegen in ihrer potentiellen numerischen Instabilität zu späten Zeiten.
Die Direkte Integral-Methode (Kapitel 4) basiert auf MassenbilanzApproximationen und klassischen nullten Momenten zu frühen LoggingZeiten. Der Elektrolyttransport wird gegenüber der weiter oben verwendeten 1D-advektiven-diffusiven Transportgleichung in dem Sinne vereinfacht, dass an denjenigen Stellen im Bohrloch, wo die lineare Bohrlochgeschwindigkeit abgeschätzt werden soll, nur advektiver Transport berücksichtigt wird. Da keine Momente höherer Ordnung und entsprechende Zeitdifferentiale eingesetzt werden, ist die Methode der Direkten Integrale numerisch stabiler als die Methode der Partiellen Momente.
In Kapitel 5 werden die oben beschriebenen drei Methoden auf synthetische Daten, welche mit einem numerischen 1D-advektiven-diffusiven Transportsimulator (BORE) generiert wurden, angewendet. Basierend auf den Feldmessungen von Leuggern werden zwei synthetische Datensätzen erstellt: Testfall I besteht aus voneinander weit entfernten Zuflussstellen (hunderte von Metern) und nur geringfügig interferierenden Peaks, Testfall II aus sehr nahe gelegenen Zuflüssen (Dekameter), die schon zu sehr frühen Logging-Zeiten miteinander interferieren. Die verschiedenen Sensitivitäten und Einsatzbereiche der drei Methoden werden diskutiert und es kann gezeigt werden, dass der Simulationsinput im Allgemeinen gut reproduziert werden kann. Insbesondere ergibt sich auch aus diesen Analysen, dass relativ früh gemessene Logging-Daten viel kritischere Informationen liefern als Logs welche zu späten Zeiten gemessen werden und dass die gesamte Testdauer ohne wesentliche Informationsverluste auf 50 – 100 Stunden reduziert werden kann.
In Kapitel 6 werden die neu entwickelten Analysenmethoden auf Felddaten, welche 1987 in der Tiefbohrung Leuggern gemessen wurden, angewendet. Es kann gezeigt werden, dass die klassische Momentenmethode und die Direkte Integral-Methode gute Inputparameter liefern für eine iterative «best-fit» Analyse mit einem Testsimulator wie BORE. Der Vergleich von unabhängig aus Packerversuchen bestimmten Transmissivitäten der Bohrung Leuggern mit den Resultaten der Methode der Partiellen Momente zeigt, dass die Unterschiede in den Resultaten beider Methoden im Allgemeinen innerhalb eines Faktors 2 bis 3 (maximal Faktor 5) liegt. Diese Bereiche sind kleiner als die Fehlerbereiche von Packerversuchen allein; die Methode der Partiellen Momente ist aus diesem Grunde sehr erfolgsversprechend.
Im letzten Kapitel (Kapitel 7) werden die Implikationen der diskutierten Methoden für die Planung und Auswertung von Fluid-Logging-Experimenten diskutiert. Es wird zudem ein umfassendes Analysenverfahren entwickelt, welches konzeptionelle Unsicherheiten, Datenqualität und Art der Loggingdaten (frühe oder späte Logging-Zeiten) explizit berücksichtigt.