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

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.