Bergdensitet och porositet

att förstå densiteten och porositeten hos reservoarstenar är en nyckelfaktor för att uppskatta deras kolvätepotential. Densitet och porositet är relaterade.

densitet

densitet definieras som massan per volym av ett ämne.

………………..(1)

typiskt med enheter av g/cm3 eller kg / m3. Andra enheter som kan uppstå är lbm/gallon eller lbm / ft3 (se Tabell 1).

• 

  tabell 1 – densitetsomvandlingar.

För enkelt, helt homogent (enfas) material är denna definition av densitet enkel. Jordmaterial som är involverade i petroleumsteknik är emellertid blandningar av flera faser, både fasta ämnen (mineraler) och vätskor. Stenar är i synnerhet porösa och porositet är intimt relaterad till densitet.

porositet

porositet (POV) definieras som nonsolid eller porvolymfraktion.

………………..(2)

porositet är ett volymförhållande och därmed dimensionslöst och rapporteras vanligtvis som en bråkdel eller procent. För att undvika förvirring, särskilt när variabla eller förändrade porositeter är inblandade, rapporteras det ofta i porositetsenheter (1 PU = 1%).

flera volymdefinitioner krävs för att beskriva porositet:

………………..(3)

från dessa kan vi definiera de olika typerna av porositet som uppstått:

………………..(4)

förhållandet mellan densitet och porositet

Fig. 1 visar utseendet på dessa typer av porositet i en sandsten.

• 

  Fig. 1-Beräknad densitet kontra porositet för sandsten, kalksten och dolomit.

på samma sätt följer definitionerna av standarddensiteterna associerade med stenar:

………………..(5)

där Ms, Md, Msat, Mb och Mfl är massan av det fasta, torra berget, mättade berget, flytande berget respektive vätskan.

densiteten hos en komposit som stenar (eller borrslam) kan beräknas utifrån densiteterna och volymfraktionen för varje komponent. För ett tvåkomponentsystem,

………………..(6)

där pmix är blandningens densitet; pA är densiteten hos komponent a; pB är densiteten hos B; A och B är volymfraktionerna av A respektive B (och så B = 1− a).

utvidga detta till ett allmänt system med n-komponenter,

………………..(7)

till exempel utnyttja miljökvalitetsnormer. 4, 5 och 6 för en sten som består av två mineraler, m1 och m2, och två vätskor, f 1 och f 2, hittar vi

………………..(8) och ………………..(9)

Eq. 8 är en grundläggande relation som används i hela jordvetenskapen för att beräkna bergtäthet. Med tanke på en porositet och specifik vätska kan densiteten lätt beräknas om mineral-eller korndensiteten är känd. Korndensiteter för vanliga bergbildande mineraler visas i Tabell 2. Resultatet av att tillämpa Eq. 9 visas i Fig. 1.

• 

  tabell 2 – korndensiteter för vanliga bergbildande mineraler

Observera i tabell 2 att det finns flera densiteter rapporterade för samma mineralgrupp, såsom fältspat eller lera. Tätheten kommer att förändras systematiskt eftersom kompositionen varierar. Till exempel ökar densiteten i plagioklasserien när natrium (albit, 2,61 g/cm3) ersätts med kalcium (anortit, 2,75 g/cm3). De mest problematiska mineralerna är leror, särskilt expanderande leror (montmorillonit eller smektit) som kan innehålla stora och varierande mängder vatten. I detta fall kan densiteterna variera 40% eller mer. Detta är ett särskilt problem, eftersom leror är bland de vanligaste mineralerna i sedimentära bergarter.

Reservoarstenar innehåller ofta betydande mängder halvfast organiskt material såsom bitumen. Dessa kommer vanligtvis att ha lätta densiteter som är lika stora som kolens.

Porvätsketätheter täcks i detalj i Porvätskeegenskaper.

in-situ densitet och porositet

i allmänhet ökar densiteten och porositeten minskar monotont med djupet. Detta förväntas, eftersom differenstrycket vanligtvis ökar med djupet. När trycket ökar kommer kornen att skiftas och rotera för att nå en mer tät packning. Mer kraft kommer att läggas på kornkontakterna. Krossning och sprickbildning är ett vanligt resultat. Dessutom arbetar diagenetiska processer som cementering för att fylla porutrymmet. Material kan lösas vid punktkontakter eller längs styoliter och transporteras sedan för att fylla porerna. Några av de texturer som härrör från dessa processer sågs i fotomikrograferna av bergarter. I Fig. 2, generaliserade densiteter som en funktion av djup för skiffer plottas. Formerna och övergripande beteenden för dessa kurvor är likartade, även om de kommer från en mängd olika platser med olika geologiska historier. Dessa typer av kurvor passar ofta med exponentiella funktioner på djupet för att definiera den lokala komprimeringstrenden.

• 

  Fig. 2 – Shale density as a function of depth from several sedimentary basins (after Castagna et al. and Rieke and Chillingarian). 1 = Gas saturated clastics: probable minimum density (McCulloh). 2 = Po river valley mudstone( Storer), 3 = Genomsnittlig kust Mexikanska golfen skiffer från geofysiska mätningar (Dickinson), 4 = Genomsnittlig kust Mexikanska golfen skiffer från täthets loggar (Eaton), 5 = Marcaibo basin well (Dallmus), 6 = Ungern beräknade våta tätheter (Skeels), 7 = Pennsylvanian och Perm torra skiffer (Dallmus), 8 = östra Venezuela (Dallmus).

differentiella eller effektiva tryck ökar inte alltid med ökande djup. Onormalt höga porvätsketryck (”övertryck”) kan uppstå på grund av:

• snabb komprimering
• låg permeabilitet
• mineralavvattning
• Migration av högtrycksvätskor

det höga portrycket resulterar i en onormalt låg differential för effektivt tryck. Detta kan fördröja eller till och med vända de normala komprimeringstrenderna. En sådan situation ses i Fig. 3. Porositeter för både skiffer och sand visar den förväntade porositetsförlusten med ökande djup i de grunda delarna. Men vid ca 3500 m stiger portrycket och porositeten ökar faktiskt med djupet. Detta visar varför lokal kalibrering behövs. Det indikerar också tryckberoendet av bergegenskaper.

• 

  fig. 3-skiffer och sandsten porositet med djup. Porositeten minskar tills höga portryck (=geopressure) minskar det effektiva trycket och orsakar en ökning av porositeten (Från Stuart).

mättekniker

laboratorium

många metoder kan användas i laboratoriet för att bestämma porositet och densitet. De vanligaste är mättnadsvikt och Boyles lag. För stenar utan känsliga mineraler som smektiter kan porositeten och torr -, korn-och mättade densiteter härledas från mättad massa, torr massa och volym (eller flytande vikt). Dessa mätningar möjliggör beräkning av mättad, torr och korndensitet samt porositet och mineral-och porvolym genom att använda miljökvalitetsnormer. 3 till 5.

Boyles lagteknik mäter de relativa förändringarna i gastrycket inuti en kammare med och utan ett bergprov. Den interna (anslutna) porvolymen beräknas utifrån dessa tryckvariationer, från vilka porositeter och densiteter extraheras.

loggning

flera loggningstekniker finns tillgängliga för att mäta densitet eller porositet. Dessa indirekta tekniker kan ha betydande fel beroende på borrhålsförhållanden, men de ger ett mått på in situ-egenskaperna. Gamma ray loggar bombarderar bildningen med strålning från en aktiv källa. Strålning sprids tillbaka till loggverktyget, beroende på materialets elektrontäthet. Formationstätheten extraheras från amplituden hos dessa bakspridda gammastrålar. Neutronloggen uppskattar porositet genom partikelinteraktion med väteatomer. Neutroner förlorar energi när de kolliderar med väteatomer, vilket ger ett mått på väteinnehållet. Eftersom det mesta av väte i stenar ligger i porutrymmet (vatten eller olja), är detta sedan relaterat till den vätskefyllda porositeten. Observera att neutronloggen kommer att innehålla bundet vatten i leror som porositet. Dessutom, när relativt vätefattig gas är porvätskan, kommer neutronloggen att underskatta porositeten. På liknande sätt kommer loggen för kärnmagnetisk resonans (NMR) att lösa väteinnehållet. Detta verktyg har emellertid förmågan att skilja mellan fritt bulkvatten och bundet vatten. Soniska loggar används också för porositetsmätningar, särskilt när anomala mineraler (såsom siderit) eller borrhålsförhållanden gör andra verktyg mindre exakta. Tekniken innebär att invertera hastighet till porositet med hjälp av ett av de förhållanden som tillhandahålls i elastiska våghastigheter. Gravimetri har också använts nedhål för att mäta variationer i densitet. Även om detta verktyg är okänsligt för finskaliga förändringar, tillåter det täthetsmätning långt ut i formationen.

seismisk

i grov skala kan densiteter ibland extraheras från seismiska data. Denna metod kräver separering av densitetskomponenten av impedans. Detta kräver normalt en analys av de seismiska data som en funktion av offset eller reflektionsvinkel. Denna teknik kommer förmodligen att se mer användning när seismiska data förbättras och införlivas ytterligare i reservoarbeskrivningen.

Nomenclature

anmärkningsvärda papper i OnePetro

Använd detta avsnitt för att lista papper i OnePetro att en läsare som vill lära sig mer definitivt bör läsa

Gardner, G., Gardner, L. och Gregory, A. 1974. Bildningshastighet och densitet—den diagnostiska grunden för stratigrafiska fällor. Geofysik 39 (6): 770-780. http://dx.doi.org/10.1190/1.1440465.

Han, D.-H, Nur, A. och Morgan, D. 1986. Effekter av porositet och lerinnehåll på våghastigheter i sandstenar. Geofysik 51 (11): 2093-2107. http://dx.doi.org/10.1190/1.1442062

Se även

Porvätskeeffekter på bergmekanik

bergfel relationer

tryckhållfasthet av stenar

bergakustiska hastigheter och porositet

porositetsbestämning

Porositetsbestämning med NMR-loggning

Porositetsbedömning med akustisk loggning

täthetsloggning

Peh:rock_properties