Entwicklung einer 1H-NMR Bohrlochsonde

Forschungs- und Entwicklungsprojekt: „Entwicklung, Bau und Erprobung einer 1H-NMR-Bohrlochsonde zur Grundwassererkundung, -erschließung und -gewinnung“

Förderprogramm: KMU-Innovationsoffensive Ressourcen- und Energieeffizienz, Nachhaltiges Wassermanagement gefördert durch dass Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Dauer: 2,5 Jahre

Projektkoordination: Blm-Storkow GmbH

Partner im Forschungsverbund: Das Leibniz Institut für Angewandte Geophysik (LIAG), die Fraunhofer Institute für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) und Biomedizinische Technik (IBMT), sowie der Antares Datensysteme GmbH

Ziel des Forschungsvorhabens: Der geophysikalische Einsatz der NMR-Technologie (Nuclear-Magnetic-Resonance) im Flachbohrbereich (bis 1000 m) zur optimierten Analyse der speicherrelevanten Parameter Porosität und Permeabilität. Neben dem Einsatz im Grundwasserbereich kann die 1H-NMR-Bohrlochsonde auch für die Erkundung von Deponien, Halden und Endlagern, sowie Projekte der oberflächennahen Geothermie und untertägigen Wärme- und Kältespeicherung genutzt werden.

Messprinzip: Aufgrund ihrer atomaren Struktur reagieren Wasserstoffatome wie kleine Stabmagneten auf äußere Magnetfelder und richten sich an diesen aus. Dieses Verhalten wird durch die 1H-NMR-Bohrlochsonde ausgenutzt, um den freien förderbaren Wasseranteil im Porenraum des Gebirges zu bestimmen.
Neben einem statischen Magnetfeld, welches durch einen Permanentmagneten erzeugt wird, findet über ein Spulensystem der Aufbau eines zweiten, zeitlich begrenzten Magnetfeldes (Pulse) in der Bohrlochsonde statt. Solange das zweite Magnetfeld aktiv ist, sind die Wasserstoffatome in Richtung dieses Magnetfeldes ausgerichtet. Wird das zweite Magnetfeld abgeschaltet, richten sich die Wasserstoffatome wieder an dem statischen Permanentmagnetfeld aus. Dabei wird an der Spule ein abklingendes Messsignal aufgezeichnet (Abb. 1, rechte Spalte). Die hierbei gemessene Maximalamplitude entspricht der Porosität im Gestein. Der zeitliche Verlauf der abnehmenden Amplitude gibt Aufschluss über die Porenraumstruktur. Ein schnell abklingendes Signal entspricht hierbei einem feinporigen Untergrund, wohingegen bei einen langsamen Abklingen ein vorwiegend grobporiger Aufbau des Gesteins vorliegt (Abb. 1). Aus der Porenraumverteilung kann anschließend die Permeabilität des Gebirges abgeleitet werden (Abb. 2).

Abb.1: Darstellung verschiedener T2-Ablingzeiten und -Abklingkurven für unterschiedliche Porendurchmesser (geändert nach: NMR Logging Principles and Applications, Coates et. al, Halliburton, 1999)
Abb.2: Darstellung eines spektralen T2-Abklingzeitverlaufes über die Teufe. Die weißen Punkte mit der gestrichelten Linie repräsentieren die jeweils logarithmisch gemittelte T2-Abklingzeit