Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Zależność pomiędzy wykształceniem litofacjalnym a ilością i składem molekularnym gazów pochodzących z degazacji rdzeni skalnych /
Relationship between lithofacial variation and the amount and molecular composition of the gases collected from the rock cores degassing

Autor: Małgorzata Kania

Recenzenci:

Prof. dr hab. inż. Małgorzata Labus, Politechnika Śląska
Dr hab. Sławomir Kędzior, prof. Uniwersytetu Śląskiego

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-54-6
DOI: 10.18668/PN2024.246

Objętość monografii: 172 strony

Streszczenie

Tematyka badawcza poruszona w niniejszej pracy miała na celu usystematyzowanie trwających od lat badań dla KGHM Polska Miedź SA oraz wzbogacenie ich o aspekty korelacyjne i interpretacyjne wyników badań chromatograficznych gazów na tle dodatkowych badań geochemicznych (w tym pirolitycznych i izotopowych) oraz petrofizycznych skał. Uzyskane wyniki stanowią podstawę do wskazania potencjalnych miejsc nagromadzeń gazowych i prognozowania zagrożeń gazowych oraz gazogeodynamicznych dla złóż rud miedzi – na przykładzie kopalni Sieroszowice.

Głównym celem monografii było określenie zależności pomiędzy wykształceniem litofacjalnym a ilością i składem molekularnym gazów pochodzących z degazacji rdzeni skalnych z rejonu „OG Sieroszowice”, eksploatowanego przez O/ZG Polkowice-Sieroszowice, wchodzący w skład KGHM Polska Miedź SA. Dodatkowo prowadzone w ramach niniejszej pracy badania dotyczyły następujących zagadnień:

• wyjaśnienia zjawiska obecności podwyższonych ilości m.in. azotu nadmiarowego, węglowodorów oraz związków siarki w wybranych próbkach gazu desorbowanego i resztkowego;
• oceny jakościowo-ilościowej gazów pochodzących z degazacji rdzeni skalnych w relacji do wybranych właściwości petrofizycznych;
• udzielenia odpowiedzi na pytanie, czy zamknięty w porach gaz (w próbkach rdzeni skalnych o różnym wykształceniu litologicznym) został wygenerowany i uwięziony w skale „in situ”, czy też jest efektem migracji (przewidywana geneza poszczególnych składników gazowych);
• określenia dojrzałości termicznej substancji macierzystej w aspekcie występowania procesu generacji węglowodorów, będących składową gazów desorbowanych;
• oceny gazonośności skał o różnym wykształceniu litofacjalnym w wydzielonych rejonach „OG Sieroszowice” dla wskazania preferencji nagromadzeń gazowych.

Przedmiotem badań były próbki skał pobrane z formacji miedzionośnej południowej części monokliny przedsudeckiej, które poddano ocenie gazonośności. Badane próbki były zróżnicowane pod względem charakteru litologicznego i właściwości petrofizycznych. Podczas badań laboratoryjnych został przeanalizowany skład molekularny gazów pod kątem obecności lekkich węglowodorów (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, neo-C5, i-C5, n-C5, ΣC6, ΣC7, ΣC8, ΣC9 i ΣC10), dwutlenku węgla, azotu nadmiarowego, helu, wodoru oraz związków siarki, jak również została określona dokładna ilość wydzielonego gazu. Badania były prowadzone zarówno na próbkach gazu desorbowanego (wolnego), reprezentującego tę część gazu, która znajduje się w otwartej przestrzeni porowej skały i która może swobodnie migrować, jak i na próbkach gazu resztkowego, uwolnionego ze skały po rozdrobnieniu próbki (zwanego również gazem zaokludowanym). Skład i ilość gazu zostały przeanalizowane dla dużej populacji (w sumie 803 próbki, w tym 59 próbek piaskowca, 28 próbek łupku miedzionośnego, 254 próbki dolomitu, 298 próbek anhydrytu i 164 próbki soli kamiennej) w nawiązaniu do różnic litologicznych i wybranych właściwości petrofizycznych skał.

Przedstawione wyniki analizy statystycznej, ilościowej i jakościowej gazów desorbowanych, jak i resztkowych rozpatrywano, biorąc pod uwagę różne układy współzależności. Uwzględniono przede wszystkim zależność w profilu litologicznym w ujęciu całościowym gazu, jak i poszczególnych jego składników w relacji do właściwości petrofizycznych i lokalizacji na terenie działalności „OG Sieroszowice” (z podziałem na pięć rejonów). Takie ujęcie dyskusyjne pozwoliło na określenie pewnych prawidłowości dystrybucji gazu i jego poszczególnych składników, co jest istotne w prognozowaniu stref o zwiększonym potencjale ekshalacji gazowych. Dodatkowo przeprowadzono ocenę możliwości generacyjnych poszczególnych wydzieleń litologicznych wchodzących w skład utworów miedzionośnych oraz korelację gazów pochodzących z degazacji rdzeni skalnych z gazami ziemnymi akumulowanymi w sąsiadujących złożach.

Analizując próbki pochodzące z poziomu miedzionośnego, w poszczególnych typach litologicznych obserwuje się zróżnicowane kumulacje gazów, które wykazują pewną zmienność składu chemicznego w profilu pionowym złoża, ze zdecydowaną dominacją azotu we wszystkich badanych wydzieleniach. Zmienność ta może być spowodowana mieszaniem się różnych typów gazów, tj. autochtonicznych i allogenicznych (migracyjnych), co udowodniły dodatkowo przeprowadzone badania izotopowe wybranych próbek gazu resztkowego.

Dystrybucja azotu na terenie „OG Sieroszowice” świadczy o dominującym czynniku migracji wertykalnej gazów z niższych warstw podłoża (prawdopodobnie z utworów karbońskich), natomiast jego kumulacja w północnych częściach może wskazywać na pewien udział migracji lateralnej z sąsiadujących złóż zaazotowanego gazu ziemnego czerwonego spągowca. Na podstawie badań izotopowych i pirolitycznych Rock-Eval udowodniono, że gaz ziemny na badanym obszarze może przynajmniej częściowo powstawać z materii organicznej zawartej w łupku miedzionośnym. Badane próbki łupku wykazały w składzie duże ilości materii organicznej typu II o stopniu przeobrażenia gwarantującym procesy generacyjne w zakresie głównej fazy okna ropnego. Dolomit i anhydryt mają również pewne możliwości generacyjne (jednak zdecydowanie niższe niż w przypadku łupku miedzionośnego).

Pokłady soli kamiennej zlokalizowane w północnej części badanego obszaru „OG Sieroszowice” stanowią dodatkowe uszczelnienie złoża rud miedzi, co stwarza niebezpieczeństwo akumulacji gazów. Dystrybucja gazonośności w górotworze złóż rud miedzi wykazuje wyraźną zależność od wykształcenia litologicznego, co udowodniły badania wykonane dla pięciu wydzieleń litologicznych. Ponadto wykazano zmienność gazonośności w zależności od lokalizacji (wertykalną i lateralną), co jest niewątpliwie implikowane warunkami geologicznymi (strukturą i tektoniką), w tym sąsiedztwem złóż gazu ziemnego.

Słowa kluczowe: degazacja rdzeni skalnych, gaz desorbowany, gaz resztkowy, skład molekularny, wykształcenie litofacjalne, potencjał węglowodorowy, złoża rud miedzi, monoklina przedsudecka.

Abstract

The research subject discussed in this work was chosen in order to systematize the years-long analyses being carried out for KGHM Polska Miedź S.A. and expand them to include correlation and interpretation aspects of gas chromatographic tests results, in reference to additional geochemical tests (including pyrolytic and isotope analyses) and petrophysical rock properties. The obtained results are the basis for identifying potential gas accumulation areas and forecasting gas and gas-geodynamic threats for copper ore deposits, based on the example of the Sieroszowice Copper Mine.

The main purpose of the monograph was to determine the relationship between the lithofacial variation and the amount and molecular composition of gases from the degassing of rock cores collected from the “OG Sieroszowice” region, exploited by “O/ZG Polkowice-Sieroszowice”, a part of KGHM Polska Miedź S.A. Additionally, the research conducted as part of this paper concerned the following issues:

• Explaining the presence of increased amounts of i.e. excess nitrogen, hydrocarbons and sulphur compounds in desorbed and residual gas.
• Qualitative and quantitative evaluation of gases originating from the degassing of rock cores against the selected petrophysical properties of the rocks.
• An attempt to answer the question whether gas closed inside the pores (in rock core samples of different lithological variation) was generated and trapped “in situ” in the rock or is the result of migration (predicted origin of individual gaseous components).
• Determining the thermal maturity of the organic matter in terms of the hydrocarbon generation process (with the hydrocarbons being a component of the desorbed gases).
• Assessment of gas-bearing properties of different lithofacial formation rocks in selected areas of “OG Sieroszowice” to indicate the preferences of gas accumulations.

The research is based on rock samples collected from a copper-bearing formation in the southern part of the Fore-Sudetic Monocline, which were subjected to gas capacity assessment. The tested samples differed in terms of their lithological character and petrophysical properties. During laboratory tests, the molecular composition of gases was analysed for light hydrocarbons (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, neo-C5, i-C5, n-C5, ΣC6, ΣC7, ΣC8, ΣC9 i ΣC10), carbon dioxide, excess nitrogen, helium, hydrogen as well as sulphur compounds, and the exact amount of the released gas was also determined. The tests were carried out both for samples of desorbed (free) gas, representing the part of the gas that is in the open space of the rock pore and which is free to migrate, and for samples of residual (also called occluded) gas released from the rock after the crumbling of the sample. The composition and quantity of the gas were analysed for a large population (803 samples in total, including 59 sandstone samples, 28 copper-bearing shale samples, 254 dolomite samples, 298 anhydrite samples and 164 rock salt samples) with reference to their lithological differences and selected petrophysical properties of the rocks.

The presented results of statistical, quantitative and qualitative analyses of both desorbed and residual gases were evaluated in terms of various interdependence aspects. First of all, the dependence of the total gas content and its individual components in the lithological profile was discussed in relation to its petrophysical properties and the location in the area of “OG Sieroszowice” operations (divided into five regions). Such an approach allowed to determine certain regularities of the distribution of gas and its individual components, which is important in forecasting zones with increased gas exhalation potential. Additionally, an assessment of the generation possibilities of individual lithofacies included in the copper-bearing formations was carried out and the correlation of gases from the rock cores degassing with natural gases accumulated in the adjacent deposits was demonstrated.

When analysing the samples from the cupriferous level in individual lithologies, different gas accumulations are observed to exhibit a certain variability in the chemical composition in the vertical profile of the deposit, with a definite dominance of nitrogen in all analysed lithological formations. This variability may be caused by the mixing of different types of gases, i.e. autochthonous and allogeneic (migratory) gases, which was also proved by isotope tests of selected residual gas samples.

The distribution of nitrogen in the “OG Sieroszowice” area proves the dominance of vertical migration factor of gases from the lower layers of the beds (probably from Carboniferous deposits), while its accumulation in northern parts may indicate a certain share of lateral migration from the neighbouring fields of the nitrogen-rich natural gas of the Rotliegend strata. Based on the isotope tests and Rock-Eval pyrolysis, it has been proved that natural gas in the study area can be at least partially generated from the organic matter contained in copper-bearing shales. The examined shale samples demonstrated large amounts of Type II organic matter at the level of thermal maturity that allows for the generation processes in the main phase of the oil window. Dolomite and anhydrite also have some generation possibilities (but much lower than in the case of copper-bearing shale).

Rock salt deposits, located in the northern part of the studied “OG Sieroszowice” area, constitute an additional sealing of the copper ore deposit, which poses a risk of gas accumulation. As proved by the conducted research, gas distribution in the rock formations of copper ore deposits shows a clear dependence on lithological variation, divided into five lithofacies. Moreover, gas-bearing variability depending on the location (vertical and lateral) was demonstrated, which is undoubtedly implied by geological conditions (structure and tectonics), including the vicinity of natural gas deposits.

Keywords: rock cores degassing, desorbed gas, residual gas, molecular composition, lithofacial variation, hydrocarbon potential, copper ore deposits, Fore-Sudetic Monocline.

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Rozproszona materia organiczna warstw menilitowych jednostek skolskiej, śląskiej i dukielskiej wschodniej części Karpat zewnętrznych / Dispersed organic matter of the Menilite Beds of Skole, Silesian and Dukla Units from the eastern part of the Outer Carpathian Mts.

Autor: Konrad Ziemianin, Grzegorz J. Nowak

Recenzenci:

Dr hab. inż. Rafał Morga, prof. Politechniki Śląskiej
Dr hab. Iwona Jelonek, prof. Uniwersytetu Śląskiego

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-51-5
DOI: 10.18668/PN2024.243

Objętość monografii: 192 strony

Streszczenie

Praca poświęcona jest charakterystyce petrograficznej rozproszonej materii organicznej w warstwach menilitowych jednostek skolskiej, śląskiej i dukielskiej. Jej cel stanowi uzupełnienie trwających od lat badań nad tą jedną z najciekawszych formacji łupkowych w obrębie Karpat o elementy petrografii materii organicznej, których tłem są wyniki badań geochemicznych.

Nacisk położono na obserwacje mikroskopowe – scharakteryzowano skład macerałowy skał wchodzących w obręb warstw menilitowych, określono stopień dojrzałości termicznej materii organicznej poprzez pomiary refleksyjności fragmentów witrynitu, a także opisano wykształcenie litologiczne. Wyniki uzupełniono o dane uzyskane z analizy pirolitycznej Rock-Eval, a w szczególności wykorzystano takie parametry jak T_max, TOC (udział węgla pochodzenia organicznego), HI (indeks wodorowy) oraz OI (indeks tlenowy). Zbadano relacje pomiędzy uzyskanymi wynikami, zwłaszcza pod kątem związków pomiędzy składem macerałowym a parametrami geochemicznymi i typem litologicznym. Wszystkie uzyskane wyniki starano się prześledzić zarówno w skali odsłonięcia, jak również w skali poszczególnych jednostek. Pomimo pewnych ograniczeń zastosowanych metod odniesiono się również do kwestii paleośrodowiskowych.

Przebadane skały wchodzące w skład warstw menilitowych charakteryzują się zróżnicowanym wykształceniem litologicznym. Są to w głównej mierze różnego rodzaju łupki – ilaste, margliste, wapniste oraz w mniejszym stopniu mułowce, piaskowce, pyłowce, rogowce i wapienie mikrytowe. Materia organiczna najliczniejsza jest w łupkach ilastych i mułowcach, natomiast w przypadku piaskowców, pyłowców i rogowców jej udział jest wyraźnie niższy. W składzie materii organicznej najczęściej obserwuje się następującą asocjację: alginit + bituminit + liptodetrynit + kolotelinit + witrodetrynit + fuzynit/semifuzynit/inertodetrynit. W części skał zdarzają się pewne odstępstwa, polegające na braku któregoś z wymienionych składników, niemniej jednak nie jest to częste. W ujęciu ilościowym skład macerałowy najczęściej zdominowany jest przez macerały grupy liptynitu – alginit, bituminit i liptodetrynit. Ich udział jest zwykle znacznie wyższy od macerałów z grupy witrynitu (reprezentowanych przez kolotelinit i witrodetrynit). Macerały grupy inertynitu (fuzynit, semifuzynit, inertodetrynit) są powszechne, ale jednocześnie ich udział jest bardzo niewielki. W skałach z niektórych odsłonięć w składzie materii organicznej obecne są także stałe bituminy. Dodatkowo często obserwuje się bioklasty w postaci fragmentów szkieletu ryb.

Ilościowy udział poszczególnych macerałów może się zmieniać w szerokim zakresie w obrębie tej samej litologii. Alginit najpowszechniejszy jest w mułowcach jednostki śląskiej i skolskiej, bituminit z kolei najliczniejszy jest w łupkach marglistych jednostki śląskiej oraz łupkach ilastych jednostki skolskiej. Liptodetrynit najczęstszy jest w mułowcach i łupkach ilastych jednostek śląskiej i dukielskiej. Najwięcej fragmentów witrynitu obserwuje się w łupkach ilastych i marglistych jednostki dukielskiej.

Materia organiczna łupków menilitowych deponowana była w środowisku głównie płytkowodnym, na co wskazuje powszechność alginitu. Środowisko to mogło być zróżnicowane pod kątem warunków natlenienia i tempa sedymentacji, co mogłyby sugerować obserwowane znaczne różnice w zawartości alginitu i bituminitu.

Materia organiczna warstw menilitowych reprezentuje w głównej mierze typy II oraz III kerogenu, jak również ich mieszaninę. Skały z typem I i IV kerogenu należą do rzadkości. W większości odsłonięć materia organiczna znajduje się w fazie niedojrzałej. W jednostce skolskiej w żadnej z przebadanych lokalizacji nie obserwuje się materii organicznej w stadium odpowiadającym tzw. oknu ropnemu. W jednostce śląskiej próbki o wyższym stopniu przeobrażenia termicznego spotyka się w tzw. strefie przeddukielskiej. Poza nią jedynie incydentalnie obserwuje się próbki będące na granicy fazy niedojrzałej i fazy generowania płynnych węglowodorów. W jednostce dukielskiej skały znajdujące się w fazie „okna ropnego” obserwuje się na obszarze okna tektonicznego Świątkowej Wielkiej. Podwyższoną dojrzałość (granica fazy niedojrzałej i „okna ropnego”) sugerują także wyniki pirolizy Rock-Eval dla próbek z najbardziej na południe wysuniętego odsłonięcia (Komańcza 2). Nie obserwuje się regionalnych trendów zmienności parametrów T_max i R_o.

Najlepszym potencjałem generacyjnym charakteryzuje się część łupków ilastych (zwłaszcza w jednostce skolskiej i śląskiej) oraz mułowce. Skałami o słabym potencjale generacyjnym są z kolei rogowce, piaskowce i pyłowce. Typ litologii nie decyduje jednak w sposób jednoznaczny o potencjale generacyjnym, gdyż niezależnie od wykształcenia litologicznego może on zmieniać się w stosunkowo szerokim zakresie.

Słowa kluczowe: materia organiczna, macerały, refleksyjność witrynitu, warstwy menilitowe, Karpaty

Abstract

This work is devoted to the petrographic characteristics of dispersed organic matter in  the Menilite Beds of Skole, Silesian and Dukla Units. Its purpose is to supplement the ongoing research on this one of the most interesting formations within the Carpathian Mts. with aspects of organic matter petrography, with the background of geochemical investigations.

The main emphasis was placed on microscopic observations – the maceral composition of the rocks was characterized, the maturity level of organic matter was determined by measuring the reflectance of vitrinite fragments and also lithological aspects were described. The results were supplemented with data obtained from the Rock-Eval pyrolytic analysis, in particular parameters such as T_max, TOC (content of organic carbon), HI (hydrogen index) and OI (oxygen index) were used. The relationship between the obtained results was examined, especially in terms of the relations between the maceral composition, geochemical parameters and lithology. All obtained results were traced both on outcrop and unit scale. Despite some limitations of the methods used, paleoenvironmental issues were also referred to.

The rocks collected within Menilite Beds are characterized by various lithology. These are mainly different types of shales (argillaceous, marly, carbonate). Mudstones, sandstones, siltstones, cherts and micritic limestones are also present, but their content is lower. The richest in organic matter are shales and mudstones, while in the case of sandstones, siltstones and cherts its content is significantly lower. In the qualitative composition of organic matter, the following association is most often observed: alginite + bituminite + liptodetrinite + collotelinite + vitrodetrinite + fusinite/semifusinite/inertodetrinite. In few rocks some of the components are missing, however it is not common. Maceral composition is most often dominated by macerals of the liptinite group - alginite, bituminite and liptodetrinite. Their content is usually much higher than macerals from the vitrinite group (represented by collotelinite and vitrodetrinite). Macerals of the inertinite group (fusinite, semifusinite, inertodetrinite) are common, but at the same time their content is very low. Solid bitumen is also present in few samples. In addition, bioclasts in the form of fish skeleton fragments are often observed.

The content of individual macerals can vary widely within the same lithology. Alginite is the most numerous in mudstones of the Silesian and Skole Units. The highest content of bituminite on the other hand is observed in the marly shales of the Silesian Unit and the argillaceous shales of the Skole Unit. Liptodetrinite is most common within mudstones and shales of the Silesian and Dukla Units. The highest content of vitrinite is observed in clay and marly shales of the Dukla Unit.

The organic matter of Menilite Beds was deposited mainly in shallow water marine environment, as indicated by the high content of alginite. This environment may have been varied in terms of oxygenation and sedimentation conditions, which may be suggested by the significant differences in the content ratio of alginite and bituminite.

The organic matter of the Menilite Beds mainly represents kerogen types II and III, as well as their mixture. Rocks with kerogen types I and IV are rather rare.

In the most of outcrops, the organic matter of the Menilite Beds is in the immature phase. In the Skole Unit, no organic matter being in “oil widow” phase is observed. In the Silesian Unit, samples with a higher degree of thermal transformation are found in so-called pre-Dukla zone. Apart from the mentioned zone, samples with the maturity level between immature stage and early oil generation phase are only incidentally observed. In the Dukla Unit, rocks with organic matter being in the oil window phase are observed in the Świątkowa tectonic window. Increased maturity is also suggested by Rock-Eval pyrolysis results for rocks collected from the southernmost outcrop (Komańcza 2). No regional trends in the variability of T_max and R_o parameters are observed.

The best generation potential is observed for mudstones and some of the argillaceous shales (especially in the Skole and Silesian Units). On the other hand, rocks with poor generation potential are cherts, sandstones and siltstones. However, lithology itself cannot directly indicate the generation potential, as this can change in a relatively wide range within the same type of rock.

Key words: organic matter, macerals, vitrinite reflectance, Menilite Beds, Carpathian Mts.

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Interpretacja współczynnika nasycenia wodą w skałach klastycznych typu non-Archie / Interpretation of the water saturation coefficient in non-Archie clastic rocks

Autor: Anita Lis-Śledziona

Recenzenci:

Prof. dr hab. inż. Jadwiga Jarzyna, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Dr hab. inż. Paulina Krakowska-Madejska, prof. Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-50-8
DOI: 10.18668/PN2024.242

Objętość monografii: 216 stron

Streszczenie

W monografii przedstawiono nowe metody interpretacji współczynnika nasycenia wodą w skałach klastycznych non-Archie. Zagadnienie zostało omówione dla trzech wybranych rejonów, w których analizowano możliwości zastosowania opracowanej metodyki. Zrobiono tak, ponieważ pojęcie skał non-Archie obejmuje swoim zakresem bardzo różnorodne formacje skalne, w których nie ma możliwości zastosowania jednego uniwersalnego podejścia interpretacyjnego.

Obszary wybrane do analizy obejmują udokumentowane rejony występowania akumulacji ropnych i gazowych, które w ostatnich latach były przedmiotem zainteresowania polskich firm naftowych. W związku z tym, że analizowany współczynnik nasycenia wodą Sw jest końcowym produktem interpretacji profilowań geofizyki wiertniczej w odwiertach, konieczne było także obliczenie zailenia, porowatości efektywnej i nasycenia wodą nieredukowalną.

Praca składa się z części teoretycznej oraz praktycznej. W pierwszej opisane zostały między innymi modele dotychczas wykorzystywane w interpretacji współczynnika Sw oraz parametry ściśle z nim związane: zwilżalność, ciśnienia kapilarne, zawartość wody nieredukowalnej. Natomiast część praktyczna składa się z trzech rozdziałów prezentujących modele i możliwości obliczania współczynnika nasycenia wodą w różnego rodzaju skałach klastycznych:

• heterogenicznych piaskowcach kambru środkowego o znacznie zredukowanych wartościach parametrów zbiornikowych: porowatości efektywnej i przepuszczalności;
• dolnopaleozoicznych formacjach łupkowych;
• mułowcach i zailonych piaskowcach tworzących wielohoryzontowe złoża gazu w osadach sarmatu i badenu górnego.

Każda z tych formacji wymaga odrębnego podejścia interpretacyjnego. Wszystkie prezentowane w części praktycznej modele zostały przetestowane na danych pochodzących z odwiertów zlokalizowanych w obrębie opisywanych złóż. Zaproponowane metody bazują głównie na dostępnych profilowaniach geofizyki wiertniczej wykonanych w odwiertach oraz na wynikach badań laboratoryjnych przeprowadzonych na rdzeniach.

W heterogenicznym złożu ropno-gazowym piaskowców kambru środkowego, o zredukowanych wartościach parametrów zbiornikowych, w obliczeniach Sw wykorzystano estymowaną w sposób ciągły krzywą zwilżalności. Zwilżalność została wyrażona poprzez wartości współczynnika ciągłości przepływu skorelowanego z wartościami zwilżalności pomierzonej laboratoryjnie na rdzeniach. Analizy wykazały, że w złożu obserwujemy różne systemy zwilżalności w zależności od wykształcenia litologicznego i wartości parametrów zbiornikowych: od systemu wodozwilżalnego w facji o podwyższonym zaileniu, poprzez system neutralny w piaskowcach o znacznie zredukowanych parametrach zbiornikowych (tight), aż po system neutralno-ropozwilżalny w interwałach o względnie wysokich porowatościach i przepuszczalnościach.

Formacje łupkowe stanowią skały, w których skała macierzysta jest jednocześnie skałą zbiornikową. Obecny w skale kerogen, podobnie jak gaz, wpływa na wzrost wartości rejestrowanych oporności. Ponadto w skale oprócz gazu wolnego występuje także gaz zaadsorbowany. Złoża gazu łupkowego wymagają nie tylko innej procedury interpretacyjnej, ale także kosztownych technik stymulacyjnych, takich jak szczelinowanie hydrauliczne oraz odwiercenia dużej liczby odwiertów kierunkowych.

W nasyconych gazem mioceńskich osadach, wykształconych w formie mułowców i zailonych piaskowców charakteryzujących się wyższą zawartością minerałów ilastych (40–45%), pomocne w detekcji stref nasyconych węglowodorami okazały się profilowania standardowo wykorzystywane w obliczeniach porowatości: NPHI, RHOB, DT. Obecność węglowodorów, zwłaszcza gazu, zapisuje się na tych krzywych, czyniąc je dodatkowym, cennym źródłem informacji, które wykorzystano jako dane wejściowe do obliczeń Sw w zmodyfikowanym równaniu Passeya. Niewątpliwą zaletą przedstawionego podejścia interpretacyjnego jest dostępność danych wejściowych, nawet w odwiertach archiwalnych z lat 80. i 90., co pozwala na zastosowanie przedstawionej metodyki niemalże w każdym odwiercie, bez konieczności wykonywania kosztownych badań laboratoryjnych czy dostępności zaawansowanych profilowań geofizyki wiertniczej. Fakt ten ma niebagatelne znaczenie w kontekście modelowania złoża oraz analiz zasobowych, gdzie istotne jest wykonanie interpretacji litologiczno-złożowej w jak największej liczbie odwiertów.

Słowa kluczowe: współczynnik nasycenia wodą, zwilżalność, skały non-Archie, model Montarona, miocen, piaskowce kambru środkowego, gaz w mułowcach

Abstract

The monograph presents new techniques of water saturation calculation in non-Archie clastic rocks. The issue was discussed in three different areas where new proposed methods of water saturation calculation were tested. This was done because the term non-Archie rocks encompasses a wide variety of rocks in which is not possible to use one interpretation approach.

Areas selected for the analysis cover documented oil and gas accumulations which have been the subject of interest of Polish oil and gas companies in the recent years. Due to the fact that water saturation coefficient is the final product of the borehole interpretation, it was also necessary to calculate other parameters that were used as inputs in Sw calculation. Those parameters include: clay volume, effective porosity and irreducible water saturation.

The work consists of a theoretical and practical part. The first one describes models used in the interpretation of the Sw coefficient and the parameters closely related to the values of the water saturation: wettability, capillary pressure, irreducible water content. While the practical part consists of four chapters presenting the models and the possibilities of calculating the water saturation coefficient in various types of clastic rocks:

• heterogeneous Middle Cambrian sandstones with significantly reduced values of the reservoir parameters: effective porosity and permeability
• Lower Paleozoic shale plays
• gas saturated multihorizons developed in a form of mudstones and shaly-sands in the Sarmatian and Upper Badenian sediments.

Different types of clastic rocks require a separate interpretation approach. All the models presented in the practical part were applied and tested on the well log data from the selected areas. The proposed methods used mostly the basic well log data and the results of laboratory measurements carried out on the core samples.

The analyses performed in oil and gas bearing heterogeneous Middle Cambrian sandstones with significantly reduced values of reservoir parameters (porosity and permeability) allowed to calculate the continuous curve of wettability through the reservoir interval. The wettability was expressed through the values of water connectivity index correlated with the values of the wettability measured on the core samples. The analyses showed that we can observe different wettability systems within the reservoir, depending on the lithology and the reservoir parameters - from the water-wet system in the claystones and mudstones, through the neutral-water wet system in tight sandstones, to the neutral to slightly oil wet system in intervals with relatively high porosity and permeability.

Shale formations are rocks in which the source rock is simultaneously the reservoir rock. Kerogen present in the rock, similar to gas, influences the increase in recorded resistivity values. Additionally, besides free gas, adsorbed gas also occurs in the rock. Shale gas reservoirs require not only a different interpretive procedure but also costly stimulation techniques such as hydraulic fracturing and drilling a large number of directional wells. In gas saturated Miocene deposits, developed as shaly-sands and mudstones with higher content of clay minerals (40-45%), porosity logs: NPHI, RHOB, DT were additionally used in the detection of gas saturated intervals. The presence of hydrocarbons, especially gas, has an impact on the recorded values on these well logs and cause that they were considered as an additional valuable source of information that was used as input data in the modified Passey equation. An obvious advantage of the presented approach is the availability of input data, even in archival boreholes drilled in the 1980s and 1990s, which allows use of the presented methodology in almost every well, without the need for expensive laboratory measurements or the availability of advanced new technique of well logging. This fact is of a great importance in the context of reservoir modeling and reserves analysis, where it is important to perform a well log interpretation in a large number of boreholes.

Keywords: water saturation coefficient, wettability, non-Archie rocks, Montaron’s model, Miocene, Middle Cambrian sandstones, gas-bearing mudstones

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.

TYTUŁ: Wybrane zagadnienia z nanotechnologii zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych / Selected issues in nanotechnology of cement slurries used to seal boreholes

Autor: Marcin Rzepka, Miłosz Kędzierski

Recenzenci:

dr inż. Albert Złotkowski, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
dr hab. inż. Jan Ziaja, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-52-2
DOI: 10.18668/PN2024.244

Objętość monografii: 136 strony

Streszczenie

Nanotechnologia stanowi nową metodę podejścia do projektowania i wytwarzania komponentów o bardzo niewielkich rozmiarach, co pozwala na uzyskanie produktów o wyjątkowych właściwościach i funkcjach użytkowych. Wśród szeregu materiałów poddanych modyfikacji za pomocą nanotechnologii możemy również wyróżnić powszechnie znany i używany budulec, jakim jest cement.

W niniejszej monografii omówiono szereg zagadnień związanych z wykorzystaniem nanotechnologii do sporządzania zaczynów cementowych stosowanych do uszczelniania otworów wiertniczych. Technologia sporządzania zaczynu cementowego w otworach wiertniczych przez ostatnie lata polegała często na wykorzystywaniu coraz to drobniejszych dodatków wypełniających pustki w matrycy cementowej. Do tego celu doskonale nadają się nanokomponenty, takie jak np. nano-SiO₂ oraz nano-Al₂O₃, które powodują wyraźną poprawę parametrów płynnego i stwardniałego zaczynu cementowego. Redukują one odstój wody, czyli tzw. wolną wodę z zaczynów, oraz filtrację, co ma szczególnie znaczenie w przypadku cementowania otworów kierunkowych. Użycie nanododatków powoduje ponadto m.in. podwyższenie lepkości
plastycznej oraz granicy płynięcia zaczynów cementowych, a także wyraźne skracanie czasu żelowania i wiązania receptur cementowych.

W przypadku zaczynów z nano-SiO₂ oraz nano-Al₂O₃ można zaobserwować wzrost (w porównaniu z zaczynami konwencjonalnymi) wartości wytrzymałości na ściskanie, wynikający ze szczelnego upakowania się w matrycy cementowej nanocząsteczek o bardzo małych ozmiarach. Mikrostruktura zaczynów z nanotlenkiem krzemu oraz glinu jest zwarta i cechuje się niewielką porowatością, o czym świadczą zamieszczone w monografii fotografie wykonane pod mikroskopem skaningowym oraz testy przeprowadzone na porozymetrze rtęciowym. Porowatości próbek zawierających nanododatki są znacznie niższe w porównaniu z porowatością zaczynów konwencjonalnych. Dzięki zastosowaniu zaczynów zawierających nanokomponenty zachodzi minimalne niebezpieczeństwo wytworzenia się kanalików dla przepływu mediów złożowych w płaszczu cementowym otworu wiertniczego. Wytrzymałości na ściskanie po 28 dniach hydratacji są wysokie (dla próbek z dodatkiem odpowiednio dobranych nanododatków dochodziły prawie do 40 MPa). Przyczepności do rur stalowych kamieni cementowych zawierających nanododatki również są wysokie (wynoszą często ok. 5–6 MPa).

Ponadto zastosowanie innowacyjnej technologii w postaci nanorurek węglowych w zaczynach również wpływa pozytywnie na wzrost wytrzymałości mechanicznej oraz mikrostrukturę kamieni cementowych. Zmodyfikowane dodatkiem nanorurek kamienie cementowe charakteryzują się bardzo wysokimi wartościami wytrzymałości na ściskanie oraz wysokimi przyczepnościami do rur stalowych. Posiadają one zwartą mikrostrukturą o niskiej zawartości makroporów. Nanorurki mogą być z powodzeniem stosowane w zaczynach cementowych w szerokim zakresie temperatur (od 20°C do nawet do 150°C).

Przedstawione w niniejszej monografii możliwości użycia zaczynów cementowych wzbogaconych nanokomponentami czy też nanorurkami węglowymi w istotny sposób poszerzają zakres dostępnych receptur, które można zastosować w celu optymalnego zacementowania otworów wiertniczych. Zaczyny z nanododatkami mogą w najbliższych latach znaleźć zastosowanie w przypadkach, w których konieczne będzie uzyskanie niezwykłej szczelności płaszcza cementowego w otworze wiertniczym.

Słowa kluczowe: zaczyn cementowy, kamień cementowy, nanokrzemionka, nanotlenek glinu, nanorurki węglowe, cementowanie otworów wiertniczych.

Abstract

Nanotechnology is a new method of approaching the design and production of components of very small sizes, which allows for obtaining products with unique properties and functional functions. Among a number of materials modified using nanotechnology, we can also distinguish a commonly known and used building material, cement. This monograph discusses a number of issues related to the eradication of nanotechnology for the preparation of cement slurries used to seal boreholes. In recent years, the technology of preparing cement slurry in boreholes has often involved the use of increasingly finer additives to fill free spaces in the cement matrix. Nanocomponents are perfect for this purpose, such as nano-SiO₂ and nano-Al₂O₃, which significantly improve the parameters of the liquid and hardened cement slurry. They reduce free fluid, i.e. the so-called free water from slurry and filtration, which is particularly important in the case of cementing directional boreholes. The use of nanoadditives also causes, among others, increasing the plastic viscosity and yield point of cement slurries as well as significantly shortening the gelling and setting time of cement slurries.

In the case of nano-SiO₂ and nano-Al₂O₃ slurries, an increase (compared to conventional slurries) in the value of compressive strength can be observed, resulting from the tight packing of very small nanoparticles in the cement matrix. The microstructure of slurries with nanosilicon and aluminum oxide is compact and characterized by low porosity, as evidenced by the photographs included in the monograph, taken under a scanning microscope and by tests performed on a mercury porosimeter. The porosities of samples containing nanoadditives are much lower compared to the porosities of conventional slurries. Thanks to the use of slurries containing nanocomponents, there is a minimal risk of creating channels for the flow of formation media in the cement sheath of the borehole. The compressive strengths after 28 days of hydration are high (for samples with the addition of appropriately selected nanoadditives, they reached almost 40 MPa). Adhesions to steel pipes of cement stones containing nanoadditives are also high (often approx. 5 – 6 MPa).

Moreover, the use of innovative technology in the form of carbon nanotubes in slurries also has a positive effect on the increase in mechanical strength and microstructure of cement stones. Cement stones modified with the addition of nanotubes are characterized by very high compressive strength values and high adhesion to steel pipes. They have a compact microstructure with a low content of macropores. Nanotubes can be successfully used in cement slurries in a wide temperature range (from 20°C to even up to 150°C).

The possibilities of using cement slurries enriched with nanocomponents or carbon nanotubes presented in this monograph significantly expand the range of available recipes that can be used for optimal cementing of boreholes. In the coming years, slurries with nano-additives may be used in cases where it is necessary to obtain extraordinary tightness of the cement sheath in a borehole.

Keywords: cement slurry, cement stone, nano-silica, nano-alumina, carbon nanotubes, borehole cementing.

Cena egzemplarza: 60 zł netto (plus 5% VAT)

Zamówienia prosimy składać e-mailowo: nafta-gaz@inig.pl lub telefonicznie 12 617 76 32.