Deposit characterization based on pulsed neutron induced borehole n-/γ-spectroscopy

Zauner, Micha Janosch

Die gepulste Neutronenbohrlochmessung ist in der Kohlenwasserstoffindustrie eine etablierte Methode zur Reservoircharakterisierung. Die konservative Bergbauindustrie hat in der Vergangenheit gezögert, sie für die Lagerstättencharakterisierung einzusetzen, da es an schlanken Bohrlochsonden und verwertbaren Ergebnissen mangelte. Die petrophysikalische und geochemische Lagerstättencharakterisierung mittels der gepulsten neutroneninduzierten Bohrloch n-/-Spektroskopie mit einer neu entwickelten Bohrlochsonde (d = 76 mm; l = 3 m; m = 33 kg) namens OreLog zur Bestimmung der Elementzusammensetzung von Erzlagerstätten ist Ziel dieser Dissertation. Es wurden umfangreiche Labortests durchgeführt, um geeignete n- und -Detektoren, deren ideale Betriebsbedingungen und geometrische Anordnung innerhalb der Sonde zu bestimmen. Die Entwicklung wurde durch Monte-Carlo-Simulationen des N-Teilchen-Transportcodes (MCNP) unterstützt, um die Detektoreigenschaften zu bestimmen und Algorithmen für die Elementanalytik abzuleiten, indem die Sonde von verschiedenen Materialien umgeben wurde. Nachdem die grundlegenden Sondeneinstellungen definiert waren, wurden Feldtests in zwei gut erkundeten australischen Lagerstätten durchgeführt: Kanal- und Bändereisenerzlagerstätten im Pilbara, die hauptsächlich sedimentäre und metamorphe Lithologien vorweisen, und die aktive Beverley-Mine mit umgebenen Lagerstätten, die sedimentäre, metamorphe und magmatische Lithologien beinhalten. Es wurden sowohl geochemische als auch petrophysikalische Analysen an Bohrkernen und -klein zusammengestellt, sowie von Pumpversuchen abgeleitete hydrogeologische Daten der Beverley Lagerstätten. Detaillierte Bohrkerndokumentationen einschließlich dedizierter Laboruntersuchungen wurden durchgeführt. Die OreLog-Algorithmen wurden anhand von MCNP-Simulationen gängiger Lagerstättenzusammensetzungen und gut charakterisierter Bohrlöcher kalibriert. Dutzende von trockenen und wassergefüllten Bohrlöchern wurden geloggt und die Ergebnisse mit Laboranalysen verglichen. Die gewonnenen zeitaufgelösten Neutronenverteilungen und - Spektren wurden durch Template-Matching für die Elementzusammensetzung und die Ableitung petrophysikalischer Parameter entfaltet. Die Ergebnisse der untersuchten Lagerstätten zeigen eine Neutronenpenetrationstiefe von bis zu 1 m Durchmesser im Vergleich zu punktuellen Bohrkerndaten, eine starke Elementkorrelation von Fe, Si, Al, Ca, Cl, und niedrige Nachweisgrenzen. Ti, K, Mn, C, H, Mg sind (semi-)quantitativ nachweisbar. Petrophysikalische Größen wie Dichte und Porosität werden von der Bohrlochsonde adäquat geschätzt, wohingegen Permeabilitätsschätzungen weder auf Bohrkerngröße noch auf regionaler Skala korreliert sind. Die Echtzeit-Elementmessung in HQ-Bohrungen (≥ 96 mm) wurde validiert. Einschränkungen gelten für petrophysikalische Größen, die durch NMR Bohrlochsonden realistischer bestimmt werden. Der Einsatz der Sonde in wirtschaftlich relevanten Eisenerzlagerstätten zur Echtzeitbestimmung der Erzgehalte („Grade Control“) im Bohrloch wurde validiert. Geringfügige technische Verbesserungen und die Erweiterung der Kalibriergrößen zusammen mit einem variablen Neutronenpuls-Regime könnten die Genauigkeit und die Auswahl der messbaren Elemente weiter erhöhen.

Pulsed neutron borehole logging is an established method in the hydrocarbon industry for reservoir characterization. The conservative mining industry historically has been reluctant in implementing it for deposit characterization due to a lack of slim sized logging tools and appropriate results. The need for petrophysical and geochemical deposit characterization based on pulsed neutron induced borehole n-/-spectroscopy was addressed in this thesis with a newly developed logging tool (d = 76 mm; l = 3 m; m = 33 kg) called OreLog suitable for elemental logging of ore deposits. Extensive laboratory test work was realized to determine the appropriate n- and -detectors, their operational conditions and physical location within the tool to meet this goal. The development was supported by Monte Carlo N-Particle transport code (MCNP) simulations to determine the behavior of the detectors and deduce elemental logging algorithms by surrounding the tool with different materials. Once the basic tool settings have been determined, field tests in two well explored Australian deposits were carried out: Channel iron deposits in the Pilbara exposing mainly sedimentary and metamorphic rocks and the operating Beverley mine with nearby deposits exposing sedimentary, metamorphic, and igneous rocks. Both geochemical and petrophysical assays from drill core samples and cuttings were collected besides hydrogeological data derived from pump tests at the Beverley deposits. Detailed core logs were compiled including laboratory assays where available. OreLog algorithms were calibrated based on MCNP simulations of common deposit scenarios and well characterized boreholes. Dozens of dry and waterfilled boreholes were logged and the output data was compared to laboratory data. The acquired n-distributions and γ-spectra were processed by template matching for elemental logging and estimation of petrophysical parameters. The results of the investigated deposits show a neutron penetration diameter up to 1 m around the borehole compared to punctual core data, a strong correlation with Fe, Si, Al, Ca, Cl, and low detection limits. Ti, K, Mn, C, H, Mg are detectable (semi- )quantitatively. Petrophysical quantities like density and porosity are estimated adequately, whereas permeability estimations in variable lithologies are not correlated, neither on core nor regional scale. Real-time elemental logging in HQ (≥ 96 mm) boreholes has been validated, especially for economically relevant iron ore deposits. Limitations apply to petrophysical quantities which are more realistically determined by NMR borehole tools. Some further technical improvements and enhancement of calibration parameters alongside a variable neutron pulsing regime could further increase the accuracy and suite of detectable elements.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Zauner, Micha Janosch: Deposit characterization based on pulsed neutron induced borehole n-/γ-spectroscopy. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Grafik öffnen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:

Export