OCENA NASYCENIA PRZESTRZENI POROWEJ PIASKOWCÓW MIOCEÑSKICH METOD MAGNETYCZNEGO REZONANSU J DROWEGO

Transkrypt

1 GEOLOGIA 2009 Tom 35 Zeszyt 2/ OCENA NASYCENIA PRZESTRZENI POROWEJ PIASKOWCÓW MIOCEÑSKICH METOD MAGNETYCZNEGO REZONANSU J DROWEGO Assessment of the Miocene sandstones porous space saturation with Nuclear Magnetic Resonance Method Jadwiga ZALEWSKA, Jolanta KLAJA & Dariusz CEBULSKI Instytut Nafty i Gazu; ul. Lubicz 25a, Kraków; zalewska@inig.pl, klaja@inig.pl, cebulski@inig.pl Abstract: Nuclear Magnetic Resonance (NMR) data provide affluence of information about porous space saturation distribution, porosity itself and permeability, thanks to close relationship between pore sizes and transverse relaxations time distribution. Having known values of these parameters, and especially irreducible water saturation of rocks it is possible to determine reservoir properties of rocks much more precisely. The study presents results of laboratory tests carried out with use of NMR method on the Miocene sandstones representing Dzików gas field. The samples featured extensive variability of reservoir properties within profile of individual boreholes. The highest number of rocks having good reservoir and filtration properties, originated from Dzików-12 borehole, and they were characterised by low irreducible water saturation coefficient and high free water volume. Key words: Nuclear Magnetic Resonance, NMR, T 2 relaxation constant S³owa kluczowe: magnetyczny rezonans j¹drowy, MRJ, sta³a relaksacji poprzecznej T 2 WSTÊP Badania ska³ metod¹ MRJ bazuj¹ najczêœciej na pomiarze czasu relaksacji poprzecznej T 2 protonów zawartych w solance wype³niaj¹cej przestrzeñ porow¹ ska³y (Kenyon et al. 1995, Kenyon 1997). Zale noœæ miêdzy czasami relaksacji przedstawiono równaniem (1) 1 Si 1 1 T2 T2B T2D (1) Vi gdzie: poprzeczna relaksacyjnoœæ powierzchniowa, S i powierzchnia œcian poru, V i objêtoœæ poru, T 2B czas T 2 zwi¹zany z relaksacj¹ j¹der wodoru w objêtoœci medium z³o owego, T 2D czas T 2 zwi¹zany z dyfuzj¹ cz¹steczek na skutek ró nic podatnoœci magnetycznej pomiêdzy szkieletem ska³y i p³ynem wype³niaj¹cym pory.

2 608 J. Zalewska, J. Klaja & D. Cebulski Pomiary czasów relaksacji T 2 realizuje siê poprzez badanie zaniku poprzecznej sk³adowej wypadkowego momentu magnetycznego, zwanego magnetyzacja j¹drow¹. W metodzie MRJ mierzy siê magnetyzacjê i relaksacjê j¹der wodoru. Zak³ada siê, e relaksacja j¹der wodoru zachodzi niezale nie w ka dym elemencie przestrzeni porowej poru. Dla ska³y w pe³ni wype³nionej p³ynem jednorodnym relaksacja objêtoœciowa jest zaniedbywanie ma³a, a zatem T 2~ V/S, czyli T 2 jest proporcjonalny do wielkoœci porów (Kenyon 1997). Szybkie tempo zaniku sk³adowej poprzecznej magnetyzacji, a wiêc krótki czas T 2, zwi¹zane jest z ma³ymi porami, podczas gdy pory wiêksze charakteryzuje d³u szy czas relaksacji. (Ramakrishnan 1999). Szczegó³owe opisy teorii NMR oraz jej zastosowañ do porowatych systemów skalnych mo na znaleÿæ w szeregu publikacji (Chang et al.1997, Jarzyna 1998, Kenyon 1997, Kleinberg et al. 1996, Ostroff et al. 1999, Ciechanowska & Zalewska 2002, Klaja & G¹sior, 2008). WYNIKI BADAÑ W Instytucie Nafty i Gazu pomiary nasycenia wod¹ przestrzeni porowej ska³ metod¹ MRJ, realizowane s¹ zgodnie z metodyk¹ opisan¹ w pracy Ciechanowska et al. (2001), przy wykorzystaniu urz¹dzenia Maran-7 firmy Resonance Instruments, wyposa onego w magnes sta³y generuj¹cy pole o natê eniu T, co odpowiada czêstotliwoœci precesji j¹der wodoru 7.9 MHz. Na podstawie rozk³adu czasów relaksacji poprzecznej T 2 wykonano analizê nasycenia wod¹ przestrzeni porowej ska³, wyznaczaj¹c wielkoœæ przestrzeni porowej wype³nionej: wod¹ nieredukowaln¹ (Kp 1), kapilarn¹ (Kp 2) i woln¹ (Kp 3). Okreœlono równie wspó³czynniki: porowatoœci ca³kowitej (Kp NMR), poprzez porównanie amplitudy zmierzonego sygna³u pochodz¹cego od próbki z amplitud¹ wzorca oraz porowatoœci efektywnej Kp NMR_ef, jako sumê przestrzeni porowej wype³nionej wod¹ kapilarn¹ i wod¹ woln¹. Oceniono tak e wspó³czynnik nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ Sw nr (Sw nr =(Kp 1/ Kp NMR) 100%). Do badañ wytypowano 65 próbek piaskowców mioceñskich ze z³o a Dzików, pochodz¹cych z trzech otworów wiertniczych: Dzików-12, -13, -15. Pomiary metod¹ MRJ wykonywano na próbkach w kszta³cie walca o wysokoœci oko³o 3 cm i œrednicy oko³o 2.54 cm, nasyconych w 100% solank¹ o stê eniu 50 g/l. Badano czas relaksacji poprzecznej sk³adowej magnetyzacji T 2 wykorzystuj¹c w tym celu sekwencjê pomiarow¹ CPMG, przyjmuj¹c nastêpuj¹ce warunki pomiarowe: iloœæ analizowanych ech spinowych NECH od 4096 do 32768, iloœæ skanów NS 128, czas pomiêdzy kolejnymi skanami RD 5s, temperatura pomiaru 32 C, czas pomiêdzy kolejnymi echami spinowymi TE 200 µs (Ciechanowska et al. 2001). Zakresy zmian i œrednie wartoœci parametrów okreœlonych metod¹ MRJ dla utworów miocenu w poszczególnych otworach wiertniczych przedstawiono w tabeli 1. Generalnie stwierdzono, e w badanych utworach mioceñskich œrednie wielkoœci zawartoœci wody nieredukowalnej przyjmuj¹ wartoœci od Kp 1=11.32% w otworze Dzików-12, poprzez Kp 1=15.63% w otworze Dzików-13, do Kp 1=17.24% w otworze Dzików-15. Iloœæ wody kapilarnej we wszystkich badanych odwiertach jest do siebie zbli ona ( Kp %). Najwy sz¹ œredni¹ wartoœci¹ zawartoœci wody wolnej charakteryzuj¹ siê próbki z otworu Dzików-12 ( Kp 3 = 6.83%), w pozosta³ych otworach zawartoœæ tej wody jest do siebie zbli ona i ni sza ( Kp %).

3 Ocena nasycenia przestrzeni porowej piaskowców mioceñskich metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego 609 Tabela (Table) 1 Zestawienie zakresów zmian i œrednich wartoœci parametrów okreœlonych metod¹ MRJ dla poszczególnych otworów Range of variability and average value of parameters from NMR method for individual borehole Dzików-12 Dzików-13 Dzików-15 Utwory miocenu, Miocene rocks Iloœæ prób ¹ of sample Zakres zmian Range of change Œrednia Average Iloœæ prób ¹ of sample Zakres zmian Range of change Œrednia Average Iloœæ prób ¹ of sample Zakres zmian Range of change Œrednia Average Kp 1 [%] Kp 2 [%] Kp 3 [%] Kp NMR [%] Kp NMRef [%] Sw nr [%] Œrednie wartoœci porowatoœci ca³kowitej w poszczególnych otworach nie odbiegaj¹ znacznie od siebie i zmieniaj¹ siê w przedziale Kp NMR %. Wspó³czynnikiem porowatoœci powy ej 20% charakteryzowa³o siê 80% badanych próbek ska³. Porowatoœæ efektywna badanych próbek zmienia siê w zakresie Kp NMR _ ef %. Najni sz¹ wartoœci¹ wspó³czynnika nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ charakteryzuj¹ siê utwory miocenu w otworze Dzików-12 ( Sw nr =47.05%), w pozosta³ych otworach wartoœci tego wspó³czynnika s¹ wy sze i zmieniaj¹ siê w zakresie Swnr %. Spoœród trzech wy ej omawianych otworów najlepsze parametry zbiornikowe posiada- ³y rdzenie wiertnicze z otworu Dzików-12. Na szczególn¹ uwagê zas³uguj¹ piaskowce œrednioziarniste pochodz¹ce z interwalu m, reprezentuj¹ce dobre w³asnoœci zbiornikowe, charakteryzuj¹ce siê nisk¹ wartoœci¹ wspó³czynnika nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ ( Sw nr = 12.30%) oraz wysok¹ zawartoœci wody wolnej ( Kp 3 = 17.88%), (Fig. 1, Tab. 2). Œrednia wartoœæ wspó³czynnika przepuszczalnoœci piaskowców wystêpuj¹cych w tym zakresie g³êbokoœci wynosi md. Próbki reprezentuj¹ce strop miocenu ( m) maj¹ znacznie gorsze w³asnoœci zbiornikowe. Charakteryzuj¹ siê wysok¹ zawartoœci¹ wody nieredukowalnej ( Sw =83.93%) oraz niewielk¹ zawartoœci¹ wody wolnej ( Kp 3 =0.29%) (Fig. 1, Tab. 2). Na podstawie tych danych mo na stwierdziæ, e interwa³ ten na pewno nie powinien byæ opróbowywany. nr

4 610 J. Zalewska, J. Klaja & D. Cebulski

5 Ocena nasycenia przestrzeni porowej piaskowców mioceñskich metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego 611 Fig. 1. Zmiana poszczególnych parametrów okreœlonych metod¹ MRJ z g³êbokoœci¹ w otworze Dzików-12: Kp1 zawartoœæ wody nieredukowalnej [%], Kp2 zawartoœæ wody kapilarnej [%], Kp 3 zawartoœæ wody wolnej [%], Kp NMR wspó³czynnik porowatoœci ca³kowitej [%], Kp NMRef wspó³czynnik porowatoœci efektywnej [%], Sw nr wspó³czynnik nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ [%] Fig. 1. Variability of individual parameters from NMR method with depth in borehole Dzików-12: Kp 1 irreducible water [%], Kp 2 capillary water [%], Kp 3 free water [%], Kp NMR total porosity [%], Kp NMRef effective porosity [%], Sw nr irreducible water saturation [%] Tabela (Table) 2 Wyniki interpretacji pomiarów MRJ dla ska³ z otworu Dzików-12 (interwa³ g³êbokoœciowy m i m) Results of interpretation of NMR measurements for rocks from borehole Dzików-12 (depth interval: m and m) Próbka Sample G³êbokoœæ [m] Depth [m] niereduk. irreducible Zawartoœæ wody [%] Water content [%] kapilarnej capillary wolnej free Porowatoœæ [%] Porosity [%] ca³kowita total efektywna effective Nasycenie wod¹ niereduk. Irreducible water satur. Kp 1 Kp 2 Kp 3 Kp NMR Kp NMR,ef Sw nr [%] /A /B Jak ju wczeœniej wspomniano, badania ska³ metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego pozwalaj¹ wyznaczyæ jeden z najwa niejszych parametrów charakteryzuj¹cych przestrzeñ porow¹ ska³ nasycenie wod¹ nieredukowaln¹ (nieruchom¹) Sw nr. Okreœlenie iloœci wody nieruchomej w przestrzeni porowej jest niezbêdne do prawid³owej oceny w³asnoœci zbiornikowych i filtracyjnych ska³ (Klaja 2004, Klaja et al. 2006, Klaja & G¹sior 2008, Zalewska et al. 2007, 2008). Ska³y mioceñskie charakteryzuj¹ siê zwykle wysokim wspó³czynnikiem porowatoœci ca³kowitej, jednak du a porowatoœæ niejednokrotnie nie oznacza dobrej ska³y zbiornikowej i tak jest równie w przypadku ska³ pochodz¹cych z otworów Dzików-12, -13 i -15. Badania MRJ s¹ zatem dla ska³ mioceñskich szczególnie przydatne, poniewa pozwalaj¹ na okreœlenie nie tylko ca³kowitej porowatoœci, ale równie wyznaczenie rozk³adu nasycenia badanych próbek. Analizy rozk³adów czasu relaksacji poprzecznej T 2 uzyskanych

6 612 J. Zalewska, J. Klaja & D. Cebulski dla próbek ska³ pobranych z omawianych otworów wykaza³y du ¹ zmiennoœæ wspó³czynnika nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ (Sw nr). Woda nieruchoma w ska³ach mioceñskich zajmuje przede wszystkim przestrzenie miêdzypakietowe minera³ów ilastych oraz mikropory. Zatem zró nicowanie w³aœciwoœci zbiornikowych tych ska³ zwi¹zane jest w du ej mierze z ró nym stopniem zailenia. Wp³yw nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ na w³aœciwoœci zbiornikowe i filtracyjne badanych ska³ jest bardzo wyraÿny. We wszystkich otworach przewa aj¹ próbki charakteryzuj¹ce siê wysok¹ porowatoœci¹, natomiast wielkoœæ nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ waha siê od kilku/kilkunastu do stu procent. W rezultacie pomimo wysokiej porowatoœci, próbki o du ej zawartoœci wody nieredukowalnej maj¹ s³abe w³asnoœci filtracyjne (Fig. 2). Fig. 2. Wp³yw wielkoœci nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ na w³aœciwoœci zbiornikowe badanych ska³ w otworze Dzików-12 Fig. 2. Influence of irreducible water saturation on rocks reservoir properties in borehole Dzików-12 Podobna zmiennoœæ parametrów Sw nr i wielkoœci zailenia (suma minera³ów ilastych wyznaczona metod¹ iloœciowej analizy rentgenowskiej) potwierdza fakt, i nasycenie wod¹ nieredukowaln¹ zwi¹zane jest tutaj przede wszystkim z zaileniem (Fig. 2). Najwiêksz¹ zawartoœci¹ wody nieredukowalnej charakteryzuj¹ siê mu³owce i i³owce. S¹ to ska³y o najgorszych w³aœciwoœciach zbiornikowych i filtracyjnych.

7 Ocena nasycenia przestrzeni porowej piaskowców mioceñskich metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego 613 Bardzo czytelna jest równie informacja, jak¹ zawieraj¹ w sobie krzywe rozk³adu czasu relaksacji T 2 wyznaczone dla poszczególnych próbek. Poni ej przedstawiono przyk³ad rozk³adu czasów relaksacji dla trzech próbek pochodz¹cych z badanego rejonu (Fig. 3). Fig. 3. Analiza przestrzeni porowej pod k¹tem oceny rzeczywistych w³aœciwoœci zbiornikowych badanych ska³ na przyk³adzie próbek z otworu Dzików-13 Fig. 3. Pore space analysis to estimate real reservoir properties of rocks from borehole Dzików-13 Wszystkie próbki posiadaj¹ niemal identyczny, wysoki wspó³czynnik porowatoœci ogólnej (Kp NMR ok. 25%), ale kszta³t zarejestrowanych krzywych relaksacji poprzecznej T 2 wskazuje na odmienne w³aœciwoœci zbiornikowe i filtracyjne tych ska³. Ró ni¹ siê one bowiem zawartoœci¹ wody nieredukowalnej (Kp 1), wody kapilarnej (Kp 2) i wolnej (Kp 3) oraz bardzo istotnie ró ni¹ siê przepuszczalnoœci¹ (K pr zmienia siê od 0.9 md, poprzez 36.8 md, a do md). Wartoœæ wspó³czynnika przepuszczalnoœci wyraÿnie wzrasta wraz ze zmniejszeniem siê udzia³u w przestrzeni porowej wody zwi¹zanej z i³ami i mikroporami (Kp 1 = 24.4%, 8.5%, 3.7%) oraz zwiêkszeniem siê udzia³u wody wolnej (Kp 3 = 0.2%, 3.3%, 10.1%). Próbka o najs³abszych w³aœciwoœciach zbiornikowych i filtracyjnych to i³owiec charakteryzuj¹cy siê du ¹ zawartoœci¹ minera³ów ilastych (25%), pozosta³e dwie to piaskowce drobnoziarniste. Próbka nr 6738 (Fig. 4) nale y do ska³ o najs³abszych w³aœciwoœciach pomimo bardzo wysokiej wartoœci wspó³czynnika porowatoœci ogólnej (Kp NMR = 29.4%), wielkoœæ porowatoœci dynamicznej (Kp 3) wynosi 0.0% i jest to ska³a nieprzepuszczalna (Kprz = 0 md). S³abe w³aœciwoœci zbiornikowe i filtracyjne tej próbki spowodowane s¹ faktem, e ca³a przestrzeñ porowa jest wype³niona wod¹ nieredukowaln¹.

8 614 J. Zalewska, J. Klaja & D. Cebulski Fig. 4. Rozk³ad czasów relaksacji poprzecznej T 2 dla próbki o najs³abszych w³aœciwoœciach zbiornikowych (otwór Dzików-12) Fig. 4. Transverse relaxation time distribution T 2 for sample of poor reservoir properties (borehole Dzików-12) PODSUMOWANIE Wykonane analizy wskazuj¹, e wp³yw nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ na w³aœciwoœci zbiornikowe i filtracyjne ska³ mioceñskich jest bardzo wyraÿny. Zró nicowanie w³aœciwoœci zbiornikowych i filtracyjnych ska³ mioceñskich zwi¹zane jest w du ej mierze z ró nym stopniem zailenia, gdy woda nieruchoma w tych utworach zajmuje przede wszystkim przestrzenie miêdzypakietowe minera³ów ilastych oraz mikropory. Prawid³owa ocena rzeczywistych w³aœciwoœci zbiornikowych i filtracyjnych ska³ powinna uwzglêdniaæ wielkoœæ nasycenia wod¹ nieredukowaln¹, która pozwala jednoznacznie okreœliæ, czy badana ska³a jest dobr¹ ska³¹ zbiornikow¹. Wspó³czynnik nasycenia wod¹ nieredukowaln¹ jest szczególnie wa nym parametrem, wykorzystywanym m.in. w konstruowaniu modeli matematycznych umo liwiaj¹cych wyznaczanie wielkoœci przepuszczalnoœci absolutnej i przepuszczalnoœci fazowych ska³ w profilach otworów wiertniczych poszczególnych rejonów. Praca zosta³a zrealizowana w latach w ramach badañ wspólnych sieci naukowej: Metody j¹drowe dla geofizyki koordynowanych w IFJ PAN i finansowanych przez MNiSW na podstawie Decyzji 620/E-77/SN-007/2006 i 620/E-77/SN-0007/2007. Praca by³a prezentowana na VII Konferencji Naukowo-Technicznej pt. Geofizyka w geologii, górnictwie i ochronie œrodowiska organizowanej z okazji jubileuszu 90-lecia AGH na WGGiOŒ. LITERATURA Ciechanowska M., Zalewska J., Cebulski D. & Niedoba A., Zastosowanie pomiarów j¹drowego rezonansu magnetycznego do okreœlania geofizycznych parametrów ska³. Dokumentacja zlec. 266/SW, Archiwum INiG.

9 Ocena nasycenia przestrzeni porowej piaskowców mioceñskich metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego 615 Ciechanowska M. & Zalewska J., Analiza zbiornikowych w³asnoœci ska³ przy wykorzystaniu zjawiska j¹drowego rezonansu magnetycznego NMR. Nafta-Gaz, 1, Chang D., Vinegar H., Morris Ch. & Straley Ch., Effective Porosity, Producible Fluid and Permeability in Carbonates from NMR Logging. The Log Analyst, March-April, Jarzyna J., Otworowe profilowanie j¹drowego rezonansu magnetycznego nowa, efektywna metoda wyznaczania w³aœciwoœci zbiornikowych ska³. Nafta-Gaz, 5, Kenyon W.E., Petrophysical Principles of Applications of NMR Logging. The Log Analyst, March-April, Klaja J., Wykorzystanie gradientu pola magnetycznego w badaniach ska³ mioceñskich metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego. Nafta-Gaz, 9, Klaja J., Kowalska S. & Przelaskowska A., Badania zawartoœci wody nieruchomej metod¹ magnetycznego rezonansu j¹drowego (NMR) w piaskowcach o zró nicowanej litologii. Geologia (kwartalnik AGH), 32, 4, Klaja J. & G¹sior I., Zastosowanie metody magnetycznego rezonansu j¹drowego do oceny parametrów zbiornikowych ska³ na przyk³adzie z³o a gazu ziemnego Palikówka. Prace Instytutu Nafty i Gazu, 155, Kleinberg R.L. & Vinegar H.J., NMR Properties of Reservoir Fluids. The Log Analyst, November-December, Ostroff G.M., Shorey D.S. & Georgi D.T., Integration of NMR and conventional log data for improved petrophysical evaluation of shaly sands. SPWLA 40 th Annual Logging Symposium, Oslo, Ramakrishnan T.S, Schwartz L.M., Fordham E.J., Kenyon W.E. & Wilkinson D.J., Forward Models for Nuclear Magnetic Resonance in Carbonate Rocks. The Log Analyst, 40, 4, Zalewska J., G¹sior I., Cebulski D., Przelaskowska A., Kowalska S., Klaja J., Sikora G., Dohnalik M., Such P., Leœniak G., Dar³ak B. & Kowalska-W³odarczyk M., Wykonanie badañ w³aœciwoœci fizycznych i mineralogicznych rdzeni wiertniczych w aspekcie budowy modelu interpretacyjnego. Badania porównawcze dla pomiarów wykonanych technik¹ NMR. Naukowa sieæ tematyczna Metody J¹drowe dla Geofizyki, Dokumentacja zlec. 100/SW, Archiwum INiG. Zalewska J., G¹sior I., Cebulski D., Przelaskowska A., Kowalska S., Sikora G., Dohnalik M., Such P., Leœniak G., Dar³ak B. & Kowalska-W³odarczyk M., Wybór nowego profilu litostratygraficznego i wykonanie badañ w³aœciwoœci fizycznych i mineralnych rdzeni wiertniczych (uzyskanych z nowych odwiertów poszukiwawczych) w aspekcie rozbudowy modelu interpretacyjnego. Analiza próbek technik¹ NMR dla wybranych rdzeni wiertniczych. Naukowa sieæ tematyczna Metody J¹drowe dla Geofizyki, Dokumentacja zlec. 993/SW, Archiwum INiG.