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Evaluation of slim-hole NMR logging for hydrogeologic insights into dolostone and sandstone aquifers

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Over the past ten years, a new geophysical logging tool has reached the market. It uses the same principles as magnetic resonance imaging (MRI) technology to scan human tissues, but the logging tool estimates the quantity and mobility of groundwater in rock and sediment inboreholes. This logging technology, called borehole nuclear magnetic resonance (bNMR) is mature in the oil and gas industry, but has only recently been scaled down to fit inside the narrow diameter boreholes drilled for environmental studies. This makes the new technology particularly powerful forgroundwater investigations, as no other borehole tools can assess the range of parameters (water content, pore size distribution, and permeability) reported by the manufacturers. This study assesses the performance and limitations of slim-hole (bNMR) technology from a hydrogeologic perspective inthe fractured, porous rock of southern Ontario. NMR logging was carried out in sedimentary bedrock boreholes at two research test sites operated by the Geological Survey of Canada (Ottawa) and the University of Guelph (Guelph). Results were compared to an extensive dataset of core measurements,geophysical logs, and hydro-geophysical testing. The tool was found to provide a robust measurement of rock porosity and pore size distribution throughout the six boreholes tested, parameters that are critically important in understanding hydrogeologic conditions and contaminant distributions inlayered sedimentary rock systems.

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Au cours des dix dernières années, un nouvel outil de diagraphie géophysique est arrivé sur le marché. Il utilise les mêmes principes que la technologie d'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour scanner les tissus humains, mais l'outil de diagraphie estime la quantité etla mobilité des eaux souterraines dans la roche et les sédiments dans les trous de forage. Cette technologie, appelée résonance magnétique nucléaire de forage (RMN), est mature dans l'industrie pétrolière et gazière, mais n'a été réduite que récemment pour s'adapter aux trous de forage de petitdiamètre forés pour les études environnementales. Cela rend la nouvelle technologie particulièrement puissante pour les enquêtes sur les eaux souterraines, car aucun autre outil de forage ne peut évaluer la gamme de paramètres (teneur en eau, distribution de la taille des pores et perméabilité)rapportés par les fabricants. Cette étude évalue les performances et les limites de la technologie des trous étroits (bNMR) d'un point de vue hydrogéologique dans la roche fracturée et poreuse du sud de l'Ontario. La diagraphie par RMN a été effectuée dans des forages sédimentaires dans lesubstratum rocheux de deux sites d'essai de recherche opérés par la Commission géologique du Canada (Ottawa) et l'Université de Guelph (Guelph). Les résultats ont été comparés aux mesures de carottes, aux diagraphies géophysiques et aux tests hydrogéophysiques, et ont révélé qu'ils fournissaient unemesure robuste de la porosité de la roche et de la distribution de la taille des pores dans les six forages testés. Ces résultats sont des paramètres extrêmement importants pour comprendre les conditions hydrogéologiques et la distribution des contaminants dans les systèmes de roches sédimentairesstratifiées.

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This study assesses the performance and limitations of slim-hole borehole nuclear magnetic resonance (NMR) technology from a hydrogeologic perspective in fractured, porous rock. NMR logging was carried out in dolomitic and sandstone bedrock boreholes at two research testsites in Ontario, Canada, where aquifer and aquitard units provide a range of clay contents as well as a variety of primary and secondary porosity types (e.g. discrete fractures, reefal structures, vugs and karstic conduits). Results were compared to core measurements, geophysical logs, andhydrogeophysical testing. The vertical response curve of the instrument tested was found to produce 60% of the signal from within a 0.2m span surrounding the measuring point. The repeatability of the total porosity measurements in stationary mode is excellent where the porosity is greater than 0.15.Below that threshold, repeatability is scattered at ±0.05 porosity about the mean, with the variability primarily within the clay- and capillary-bound fractions. The NMR porosity estimates agreed with core measurements to within ±0.04 porosity in both the dolostone and sandstone, but the correlationdeteriorates in finely bedded lithologies, and where fracturing is present. Much of the discrepancy is attributed to scaling in a finely layered geologic sequence, as the core samples are much smaller than the entire volume measured with NMR probes. Data collection with the probe in motion(continuous logging) added variability to the response when compared to stationary recordings. Although broadscale trends were comparable, the details and depth-specific insights of the bound fluid fractions varied with logging rates. Overall, NMR provides a robust measurement of the bulk matrixporosity and pore size distribution of lithologies intersected, both of which are critically important parameters in understanding hydrogeologic conditions and contaminant distributions in layered sedimentary rock systems.

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Cette étude évalue les performances et les limites de la technologie de résonance magnétique nucléaire (RMN) d'un point de vue hydrogéologique dans des roches fracturées et poreuses. La diagraphie par RMN a été effectuée dans des forages de substratum dolomitique et degrès sur deux sites de recherche en Ontario, au Canada, où les unités d'aquifère et d'aquitard fournissent une gamme de teneurs en argile ainsi qu'une variété de types de porosité primaire et secondaire (p. ex. fractures discrètes, structures récifales, vugs et conduits karstiques). Les résultatsont été comparés aux mesures de carottes, aux diagraphies géophysiques et aux tests hydrogéophysiques. On a constaté que la courbe de réponse verticale de l'instrument testé produisait 60% du signal à l'intérieur d'une portée de 0,2 m entourant le point de mesure. La répétabilité des mesures deporosité totale en mode stationnaire est excellente lorsque la porosité est supérieure à 0,15. En dessous de ce seuil, la répétabilité est dispersée à une porosité de ± 0,05 par rapport à la moyenne, la variabilité se situant principalement dans les fractions de fluide liées à l'argile etcapillaire. La collecte de données avec la sonde en mouvement (enregistrement continu) a ajouté de la variabilité à la réponse par rapport aux enregistrements stationnaires. Bien que les tendances à grande échelle soient comparables, les détails des fractions de fluide liées variaient selon les tauxd'exploitation. Les estimations de porosité RMN concordaient avec les mesures de carottes à ± 0,04 porosité à la fois dans la dolomie et le grès, mais la corrélation se détériore dans les lithologies finement stratifiées, et là où une fracturation est présente. Une grande partie de l'écart estattribuée à la mise à l'échelle, car les échantillons de carottes sont beaucoup plus petits que le volume total mesuré avec des sondes RMN. Dans l'ensemble, la RMN fournit une mesure robuste de la porosité de la matrice et de la distribution de la taille des pores dans tout le forage, paramètresd'une importance cruciale pour comprendre les conditions hydrogéologiques et la distribution des contaminants dans les systèmes de roches sédimentaires stratifiées.

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Evaluation of slim-hole NMR logging for hydrogeologic insights into dolostone and sandstone aquifers