Borehole magnetic resonance method in hard rock environments : a case study from the Olkiluoto spent nuclear fuel repository site

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202101081111
Title: Borehole magnetic resonance method in hard rock environments : a case study from the Olkiluoto spent nuclear fuel repository site
Alternative title: Ydinmagneettinen resonanssi –menetelmä kiteisessä kallioperässä : tapaustutkimus Olkiluodon käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskohteesta
Author: Karjalainen, Aino
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Science
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2020
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202101081111
http://hdl.handle.net/10138/324291
Thesis level: master's thesis
Degree program: Geologian ja geofysiikan maisteriohjelma
Master's Programme in Geology and Geophysics
Magisterprogrammet i geologi och geofysik
Specialisation: Kiinteän maan geofysiikka
Solid Earth Geophysics
Den fasta jordens fysik
Discipline: none
Abstract: NMR Services Australia (NMRSA) Pty Ltd on kehittänyt BMR-kairareikälaitteen (englanniksi borehole magnetic resonance), joka perustuu ydinmagneettiseen resonanssiin (englanniksi nuclear magnetic resonance, NMR). NMR:ään perustuvia kairareikälaitteita on käytetty lähinnä sedimenttikiviympäristöissä öljyn- ja kaasunetsintään, mutta heterogeenisen, kiteisen kallioperän sovellukset ovat puuttuneet. Tämä tutkimus pyrkii testaamaan BMR-menetelmää kiteisessä kallioperässä ja määrittämään hydrogeologisia parametreja käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituskohteessa Olkiluodossa. Tarkoituksena on suunnitella optimaalinen BMR-aineiston prosessointisekvenssi ja saada BMR-mittausten pohjalta määritellyt hydrogeologiset parametrit kalibroitua kiteiseen kallioperään. Posiva Oy, asiantuntijaorganisaatio, joka on vastuussa käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksesta, suoritti BMR-testimittauksia loppusijoituspaikalla Olkiluodossa testatakseen BMR:n soveltuvuutta kiteiseen kallioperään. Testimittauksista saatu aineisto prosessoitiin WellCAD-ohjelmiston NMR-laajennuksella. BMR-aineiston pohjalta voidaan tuottaa T2-jakauma (edustaa huokoisuusjakaumaa), kokonaishuokoisuus, sitoutuneen ja liikkuvan veden tilavuudet ja permeabiliteetti laskettuna kahdella eri mallilla. Joitakin prosessointiparametreja (main/burst-sekvenssi, liukuva keskiarvo, lämpötilagradientti, cutoff-arvot) testattiin ajamalla testejä ja muokkaamalla parametrit sopivaksi kiteiseen kallioperään. Pintaympäristön magnetoituva materiaali häiritsi huomattavasti ylimpiä ~20.0 m osuuksia mittausaineistosta. Jonkin verran kohinaa, joka leikattiin pois varsinaisesta signaalista, havaittiin myös syvällä kairareiässä. Kohinan tunnistamiseksi laadittiin kriteeristö. BMR-aineistoa verrattiin muihin Posivan kairareikäaineistoihin, mm. rako- ja litologialogeihin, seismisiin nopeuksiin ja hydrogeologisiin mittauksiin. Havaittiin, että T2-jakauma ja kokonaishuokoisuus vertautuivat jokseenkin hyvin rakoihin ja seismisiin nopeuksiin. Litologian vaihtelu ei vertautunut BMR:ään järjestelmällisesti, johtuen erityisesti voimakkaasta korrelaatiosta rakoiluun. Permeabiliteetteja verrattiin muihin hydrogeologian mittaustuloksiin, tarkoituksena kalibroida permeabiliteettimallien laskukaavat kiteiseen kallioperään sopivaksi. Kalibrointi osoittautui kuitenkin haastavaksi, johtuen suurista eroista BMR:n ja perinteisten hydrogeologian kairareikämittausten välillä. Ideaalitilanteessa permeabiliteettimallit tulisi kalibroida laboratoriossa kairasydämeen. Mahdollisesti tulisi myös luoda uusi, kiteiseen kallioperään sopiva permeabiliteettimalli.NMR Services Australia (NMRSA) Pty Ltd has developed a Borehole Magnetic Resonance (BMR) tool which is based on the principles of nuclear magnetic resonance (NMR). Drillhole NMR tools have been used mostly in sedimentary environments for oil and gas exploration while applications in hard, heterogeneous, crystalline bedrock are still lacking. This study aims to test the BMR method in a hard rock environment, and for determining hydrogeological parameters in the spent nuclear fuel disposal site, the Olkiluoto island. Essentially, the objective is to design an optimal BMR data processing workflow and calibrate the estimated hydrogeological parameters, currently optimized for data from sedimentary environments, to suit the crystalline bedrock. For testing the BMR method in hard, crystalline bedrock, Posiva Oy, the Finnish expert organization responsible of spent nuclear fuel disposal, made test measurements in the drillholes of the spent nuclear fuel repository site, island of Olkiluoto. The collected data was processed with WellCAD software using additional NMR module. The BMR tool derives T2 distribution (representing pore size distribution), total porosity, bound water and moveable water volumes and permeability calculated with two different models. Some processing parameters (main/burst sequence, moving averages, temperature gradient, cutoff values) were tested and adjusted to fit into crystalline bedrock. Magnetizing material of the surface environment strongly disturbed the uppermost ~20.0 m portions of the measurement data. Some noise was encountered also deep in bedrock, which was cut away from the signal. A list of criteria was created for recognizing noise. The BMR data was compared with other drillhole data acquired by Posiva, i.e. fracture and lithology logs, seismic velocities and hydrogeological measurements. It was observed that the T2 distribution and total porosity correlate rather well to logged fractures and seismic velocities. Lithological variations did not correlate to BMR consistently, mostly because of the strong dependency on fracturing. Permeabilities were compared to earlier conducted hydrogeological measurements, with an intention to calibrate the permeability calculation models. However, this proved to be challenging due to the significant differences of the BMR method and conventional hydrogeological measurements. Preferably, the permeability models should be calibrated by laboratory calibration of the drillhole core, and possibly a new permeability model suitable for crystalline bedrock should be created.
Subject: Nuclear magnetic resonance
borehole magnetic resonance
spent nuclear fuel repository
Olkiluoto
borehole geophysics


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Karjalainen_Aino_pro_gradu_2020.pdf 10.30Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record