1  

WWA A

1.

Thfois TeweSintamho

ThofofatThlogcabesa

Cm

Thlogsyfu

2

A 

Th

Thfoabwith

WWIIRREEBIMONTHND MINER

A closer 

Boreholeless than

. Overvie

he  oilfield  lormation  porfilled  with

echniques  fere  establince  then, king  very  peasurementostile boreho

he mineral lof targets but f  coal  is  the   least, makehe quality asgger must ruapture of rele extended, ame density r

Can  themeasur

he answer  isgger’s  sondystem.  ‘Timendamental p

. Measu

review of o

he (gamm

he  density  srmation witbundance  ofith distance e source, the

EELLIINNHLY BULLETRAL EXPLO

look at the

e compensn perfect c

ew 

ogger  is  interosity  and wh  brine,  oifor  determished  decait’s  all  beeprecise  and s  from  eole environm

ogger has a westimating tbig  challenge  a  precise surance techun his carefuiable densityfor practicalreadings reg

e combement

s yes,  if boree  is  designe  to  take  a bprinciples of 

rement 

one wireline

ma‐gamma

sonde  emploh gamma raf  gamma  rayfrom the soe gamma co

NNEE WWTIN FOR WRATION 

e density l

sation in onditions 

erested  in whether  it l  or  gas. ning  this des  ago. en  about accurate 

extremely ments. 

wide range the density ge. He mustmeasuremehniques descully calibratey  logs. Irregul purposes, tardless of ho

bined ds of co

ehole condited  with  an break  in  thisdensity mea

Focus 

e log measu

a) formati

oys  a  radioaays. A scintillys  which  deource and wiunt will be p

WWOORRWIRELINE L

og ‐ what 

t, ent. cribed in preed sonde in aular boreholto mean “thow the boreh

drilling/al seam

tions are noteffective  b

s  thought prasurement.

urement 

ion densit

active  sourcation crystaecreases  (aftith density. Aproportional 

RRKKSSHHOGGERS A

is being m

evious bulleta borehole we wall condie ability of ahole was dril

/logginm dens

t  too adversborehole  corocess  and  c

ty log 

ce  which  bol detector mter  a  certainAt a fixed dito formation

HHOOPP AND GEOSC

measured ‐

tins are helpwhose envirotions  impacta density  loglled”.  

g procity? 

se and  if  theompensationconsider  the

ombards  themeasures then  threshold)istance fromn density.  

CIENTISTS 

what abou

ful but, like onment is not on precisiog of a partic

ess gen

e n e 

e e ) m 

Issue 3 – Ja

ENGAGED

ut chemist

the oil loggeot always coon. The termular coal sea

nerate 

anuary 2014

D IN MININ

try? 

er, the minenducive to t

m precision cam to give t

precis

NG 

ral he an he 

se 

2  

The  dominant  phenomenon  is  called  Compton scattering.  Gamma  rays  collide  with  electrons multiple  times,  gradually  losing  energy,  until eventually  they  are  absorbed.  In  denser  rocks, counts are  lower because most gamma rays are absorbed before they get to the detector.  

This process logs electron density and that is all. Whereas  the  geologist will measure density by establishing the weight and volume of a sample, the  logger  estimates  the  concentration  of nucleons  (protons  and  neutrons)  via  the electron count  (one electron per nucleon pair).  Denser rocks have more nucleons per volume. 

The  relationship  between  electron  density  and bulk  density  is  fairly  constant  for  the  major rock‐forming  elements  like  silicon,  aluminium and magnesium. The Z/A ratio, electrons (and so protons)/total  nucleons  is  about  0.5.  So  the conversion from electron density to bulk density is, theoretically, straightforward.  

There is one problem; hydrogen. Rock formations, particularly sediments, contain significant amounts of water and so hydrogen  (H has one proton and no neutron; Z/A=1). Water  (H2O) has a Z/A ratio of 0.555. There  is a requirement then to apply a sliding correction between 100% water (1gm/cc) and no water (tight sandstone at 2.65gm/cc).  A  competent  logging  contractor  will  perform  this  correction  as  standard  procedure  and  it  is automatically achieved if he employs water as his low‐end calibrator. 

There is another problem; this sliding correction does not work for coal. Coal is not a mineral,  it  is a vegetable (most  recently  described  as  a  mineral  of  organic  origin).  Its  molecular  structure  is  much  lighter  than  the crystalline structures of minerals. So, at a typical coal density, there will be an over‐estimation of water fraction and a corresponding over‐correction for H. Since the chemistry of coal is not fixed in nature, a perfect correction is impossible.  

The density log is never perfectly accurate in coal. 

A mineral  sonde  can, however, be made  to measure  coal density within an acceptable  tolerance. A practical solution was  introduced by BPB  Instruments  (later Reeves  then Weatherford)  in  the early 1980s. For electron densities lower than 1.752gm/cc, the straight line correction is replaced by a fixed value of +0.065gm/cc which is the  average  correction  required  by  coals  of  different ranks within that density range. 

 

Density correction (addition) versus electron density using water and limestone electron densities 

 

In a perfect borehole (tube‐like) of known diameter, the logger  should  be  able  to  capture  a  precise  log  of electron density. Accuracy will depend on the quality of his calibration system and equipment characterisation. 

In less than perfect borehole conditions, as in oilfield logging, the challenge is to compensate for variables such as fluid type, natural gamma effects, borehole diameter and borehole wall irregularities (skin damage). 

The variables of formation chemistry, described above, relate to accuracy and are compensated for at the end of the process. They rely on a precise and accurate log of electron density. 

3  

The density log– borehole compensation 

To achieve measurement precision in a range of borehole conditions, the logger must employ a logging system that provides reliable borehole compensation. That is the crux of the issue, the difference between an average density sonde and a good one. Compensation includes: 

Detector dead‐time  Mathematically correct for data loss at high count rates 

Natural gamma effects  Natural gamma added to induced gamma, noticeable at LSD, will lower density 

Fluid density  Heavy mud used instead of water will raise apparent  density 

Fluid level  Dry‐hole instead of water‐filled conditions will lower apparent density 

Borehole diameter  Larger volume of water or air around the sonde will lower apparent density 

Caving and mud cake  Water/air filled voids or mud‐cake standoff will lower apparent density 

Z/A effects (chemistry)  Correction for proportions of H or Fe in the formation 

 Most mineral  logging  is performed  in water‐filled boreholes of varying diameter. The natural gamma effect  is minimal  if a source of sufficient activity  is employed. All the corrections are valid but,  in most cases, borehole diameter, skin damage (minor caving) and Z/A correction are the main factors. 

Luckily, a very large proportion of mineral boreholes are cored using a diamond drill bit. These tend to be tube‐like  in nature but skin damage  is a factor  in coal measures  (very often resulting from collapse around drilling‐induced  fractures  or  cleats).  Rugosity  (corrugations  caused  by  the  drilling  process)  will  also  result  in  an understatement of density. 

 

Rugosity on a core sample 

 

The  dual  density  sonde  is  side‐walled  (by  the  caliper)  and collimated  (the  mandrel  is increased in diameter with lead or tungsten  shielding  behind  the detectors)  to ensure  that  just one side of  the borehole  is measured. 

The volume of investigation includes water within the corrugations. 

 

Effect of rugosity on measurement volume 

 

A  density  sonde  includes  two  or  three  detectors within  the  collimated mandrel. The long‐spaced density (LSD, +40cm spacing) has a large volume of measurement and so is insensitive to minor caving. However, it lacks resolution so usually one or two shorter spaced logs, short‐spaced density (SSD, +20cm) or bed resolution density (BRD, 15cm) are included.  

We should not overestimate the effect of rugosity. LSD measures a large volume at coal density. 

A  combination  of  the  logs  is  used  to mathematically  compensate  for  rugosity,  skin  damage  and mud  cake effects. If the SSD log is filtered sufficiently it will overlay the LSD log in undamaged borehole. The two logs will then have the same resolution but different depths of investigation. Rugosity or caving will have a proportional effect on  the  two  logs  that will separate  them. This proportionality must be known.  If,  for  instance, a  rugose 

4  

zone reduced LSD by 10% and SSD by 30%, the LSD could be increased by half of the difference between the two logs. This correction would be applied throughout and a new compensated LSD log generated. That log could be used to correct the SSD log and generate a second, higher resolution, compensated log. This is the basis of dual density compensation and it must be applied before the log is corrected for the Z/A variable. 

 Same resolution, different measurement volume 

 

3. Overview continued 

The key benefit of a wireline log is that it provides QA in terms of depth and thickness control and a check on the driller. It provides a good basis for the calculation of the core recovery percentage. 

Coal resources are quoted on an in‐situ density basis. That is what the logger measures. The geologist will only develop confidence in the wireline density log over time if inconsistencies are eliminated. 

The  logger should concentrate on calibration and  test‐well  log precision.  If his sonde performs well, LSD and a filtered version of SSD should overlay in good borehole.  If  they do not overlay  in coal,  the best advice  is  to believe LSD and shift SSD to best fit. Then remove the filter. 

Working against LSD‐SSD log overlay in good borehole cross‐section are tooling issues such as: 

Old/weak caesium source, causing low CPS and resulting natural gamma influence on LSD 

Weak caliper arm, causing inconsistent contact with the borehole wall 

LSD spacing too long, causing low CPS and resulting natural gamma effect 

Worn mandrel face (can be calibrated out, up to a point) 

A bent sonde (not as unusual as one might think) 

Uranium or its daughters in coal measures (in this case, adjust LSD at separation to fit SSD) 

Lack of adequate log response characterisation for borehole compensation 

The test‐well provides some measure of precision and precise  data  are  sufficient  for  the  coal  geologist  to satisfy most of his requirements. In that case, though, correction to true density has to be empirically based. However,  if  the  boreholes  are  caving  in  the  coal measures,  the  test  well  is  not  sufficient  alone.  It cannot  adequately  represent  hole  to  hole  variables, especially  in  non‐cored  boreholes.  Effective compensation (dual measurement) is required. 

Non‐cored (percussion/RC) boreholes will not yield precise density data without effective compensation for caving. 

It should, by now, be clear  to  the  reader  that density logging  is  (or  should  be)  a  complex  business.  The writer makes no  apology  for  spending  the  first  three issues of Wireline Workshop labouring the point. 

In  summary,  a  good  density  log  depends  on  careful calibration of well designed tooling and a test‐well bench mark for the first goal – precision. 

5  

Precision is compromised in less than perfect borehole conditions so mathematical compensation based on tool response characterisation is required. 

Accuracy depends on calibration, borehole compensation and the conversion of a precise log of electron density to true bulk density via a correction for an estimated Z/A ratio. 

Further empirical correction using site‐specific  laboratory‐based relationships  (for test well core) might still be required to satisfy the geologist. The logger guarantees the precision of his measurement. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Compensated density in a coal seam with LSD log showing corrections (shaded) 

 

4. The logger on site 

Radioactive source security is a big issue 

The  thorny  topic  of  radiation  and  its  use  in mineral  logging  will  be addressed  in  some  detail  in  following  instalments  of  the  Wireline Workshop  bulletin.  Fundamentally,  the  big  issue  is  risk...the  risk  of losing a source down a deep borehole. It’s worth considering a change of paradigm. 

Source shields on site with warning labels 

 

During a drilling campaign in the  DRC,  the  logger  wakes up one day to find that his truck has been broken  into and the tool box and a 200mCi radioactive source are stolen. The chief geologist is informed. He and his Company had never considered the scenario of a radioactive source being lost in the local community.  

 

This source is not really secure 

 

He now has to report the incident to his superiors (it’s a boardroom level headache) as well as the DRC government and the police. In bed that  night,  the  geologist  imagines what  the  unsophisticated  locals might be doing with the source (after selling the lead shield)...cutting 

it open, placing it on the cupboard as an ornament, throwing it down a well or just storing it under the kiddies’ bed. He can’t sleep. This can go on for decades. 

6  

Suddenly an angel appears and offers the geologist a choice. The source can remain  lost  in the community or, instead, the day’s events can be reconfigured so that the source, attached to a density sonde, is stuck in a 200 metre deep borehole, cable still attached and unbroken. 

It’s  an  easy  choice,  of  course.  Deep  down  in  the  ground,  the  source  is  not  harming  anyone.  There  is  a (statistically  proven)  95%  probability  that  the  sonde/source  will  be  fished  out  of  the  borehole.  Whatever happens, the geologist at least knows where the sonde is. The incident can be managed. 

While not diminishing  the  seriousness of a  stuck  sonde with  radioactive  source attached,  this  story provides some perspective. Burying a source is not the worst thing that can happen. 

Both  the  source holder and  shield must have a warning clearly marked on them. 

The source must be transported in a locked cage (or chained) within a locked vehicle. 

The vehicle must carry external warning signs on two sides and the rear door. 

There must be warning  signs within  the vehicle next to the source’s location. 

The  geologist  should  provide  an  alternative source storage bunker or pit in a fenced off area. 

The  source  bunker  should  have  no  other purpose, such as a store of paint or wheel barrows. 

Internal and external signage should be  in place as well as signs on the fence and the locked gate. 

Graphic  signage,  supplementing  the  radiation logo, which might be understood by local people, can be added as an extra deterrent. 

Carefully  designed  education,  on  the  risks associated with the radioactive source, should form part of the standard safety training for local recruits. 

It is important to recognise that the biggest risk associated with the use of radiation in mineral exploration is loss of a source on the surface, either through temporary misplacement in the logging truck, loss in transit or theft. We need to know where the source is. 

 

5. Wireline data processing and analysis 

How to get the best from the logs 

Geotechnical derivatives 

Having captured quality‐assured density and sonic logs, the log analyst can derive rock strength parameters such as the dynamic moduli of elasticity. 

Contraction  (stress)  of  a  volume  of  rock  in  one  direction,  results  in  expansion  (strain)  along  the  axis 

perpendicular to it. Similarly, if stretching (stress), is applied to a material it will contract (strain) along the axis 

perpendicular  to  the axis of pull. The  ratio of perpendicular  contraction  to expansion  is Poisson’s Ratio. This 

strain ratio has no units and, in rock mechanics, is valued between 0 and 0.5.  

Note: for practicality, mathematical syntax is replaced by straight line formulae which generate log curves with 

unique mnemonics. PVEL is P velocity and PWAV is P slowness etc. Mnemonics in the formulae are enclosed {}. 

7  

The important relationship is the ratio of compression wave to shear wave logs (PSR).  

For velocity logs: PSR = {PVEL}^2/{SVEL}^2 or ({PVEL}/{SVEL})^2  

For transit time (slowness) logs: PSR = {SWAV}^2/{PWAV}^2 or ({SWAV}/{PWAV})^2 

This is the basis of the calculation for Poisson’s ratio, which is independent of density. 

POIS = ((0.5*{PSR}) ‐ 1) / ({PSR} ‐ 1) 

The velocity of the shear wave depends on the shear modulus (µ or GMOD), which may be calculated from logs 

of shear wave velocity and density (RHOB). Units are MPa (megapascals). 

GMOD = ({RHOB}*({SVEL}^2))/10^3 

With GMOD and Poisson’s ratio, we can calculate Young’s modulus (YMOD) in MPa. 

YMOD = 2*{GMOD}*(1+{POIS}) 

The bulk modulus (BMOD) is calculated as follows. Units are MPa. 

BMOD = ({RHOB}*({PVEL}^2 ‐ (4/3)*{SVEL}^2))/10^3 

The  standard  logging  industry  units  for  density  and  velocity  are  grams/cubic  centimetre  and metres/second 

respectively. The standard SI units for density and velocity are Kg/cubic metre and metres/second with results 

(in  this  context)  in  Pascals.  Using,  instead,  standard  wireline  log  units  the  formulae  will  result  in  a  log  in 

megapascals if a division by 103 is applied (shown).  

If the logger prefers to use slowness rather than velocity, the following formulae apply. 

GMOD = ({RHOB}/{SWAV}^2)*10^9 

YMOD = 2*{GMOD}*(1+{POIS}) 

BMOD = ({RHOB}*(1/{PWAV}^2 ‐ 4/(3*{SWAV}^2)))*10^9 

Again, for practical purposes, standard log units are used and results are in MPa. 

The dynamic moduli, based on wireline loggers using sonic vibration, do not correspond perfectly with the static  moduli,  based  on  laboratory  tests  using applied mechanical pressure. They are not normally employed  directly  in  geotechnical  analyses. Dynamically  based  values  are  generally  higher  than those derived from static tests are.  

Nevertheless,  the  measurements  are  continuous, objective and  in‐situ. So,  if an empirical  relationship can be described between any of the dynamic moduli and the static moduli (there will normally be a strong relationship) the logs add value.  

The formulae above are listed for reference purposes and may be pasted directly into a parser.          

                                        

MMoorree  oonn  ggeeootteecchhnniiccaall  llooggss  iinn  tthhee  nneexxtt  iissssuuee. 

WWee  wwiillll  aallssoo  llooookk  aatt  tteelleevviieewweerr  llooggss..  

8  

Developing a theme 

A precise and accurate log of formation density is difficult to capture, especially in caved zones. 

Sometimes, for empirical analyses, a precise log of density is sufficient. 

The sonic log is normally accurate and describes intact rock velocity regardless of most borehole conditions. 

Quality assured density and sonic logs have many uses in mining and mineral exploration. They are the most popular of the various physical property logs.  

Both logs have an application in the important geotechnical field. 

Next  issue we discuss one  empirically derived parameter,  UCS  (uniaxial  or  unconfined compressive strength). It is a measure of intact rock strength.  

But what about  fractures  in  the  rock? We will look  at  geotechnical  logging  with  sonic  and density  tools  but  also  fractures  and  breakout orientation from the acoustic televiewer sonde. 

 

 

 

  

MMaarrccuuss  CChhaattffiieelldd  ––  JJaannuuaarryy  22001144  

CCooppyyrriigghhttss  aappppllyy  ((aass  lliisstteedd  iinn  

wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm))  

EEddiittoorr//ccoonnttaacctt::  EEuuggeenniiee  JJoouubbeerrtt  

((wwiirreelliinnee..wwoorrkksshhoopp@@tteellkkoommssaa..nneett))  

FFoorr  bbaacckk  ccooppiieess,,  ggoo  ttoo  wwwwww..wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm//bbuulllleettiinn  aanndd    cclliicckk  oonn  ""PPrreevviioouuss  IIssssuueess""..  

  

IIff  yyoouu  hhaavvee  nnoott  yyeett  ssuubbssccrriibbeedd,,  ggoo  ttoo  wwwwww..wwiirreelliinneewwoorrkksshhoopp..ccoomm//bbuulllleettiinn,,  cclliicckk  oonn  ""SSiiggnnuupp""  aanndd  

ccoommpplleettee  tthhee  ssiimmppllee  ffoorrmm..