Acoustic and petrophysical relationships in low-shale sandstone reservoir rocks

This paper describes the measurements of the acoustic and petrophysical properties of two suites of low-shale sandstone samples from North Sea hydrocarbon reservoirs, under simulated reservoir conditions. The acoustic velocities and quality factors of the samples, saturated with different pore fluids (brine, dead oil and kerosene), were measured at a frequency of about 0.8 MHz and over a range of pressures from 5 MPa to 40 MPa. The compressional-wave velocity is strongly correlated with the shear-wave velocity in this suite of rocks. The ratio V-P/V-S varies significantly with change of both pore-fluid type and differential pressure, confirming the usefulness of this parameter for seismic monitoring of producing reservoirs. The results of quality factor measurements were compared with predictions from Biot-flow and squirt-flow loss mechanisms. The results suggested that the dominating loss in these samples is due to squirt-flow of fluid between the pores of various geometries. The contribution of the Biot-flow loss mechanism to the total loss is negligible. The compressional-wave quality factor was shown to be inversely correlated with rock permeability, suggesting the possibility of using attenuation as a permeability indicator tool in low-shale, high-porosity sandstone reservoirs.

Stochastic modelling of the reservoir lithological and petrophysical attributes. A case study of the Middle East carbonate reservoir

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Geológica (Georrecursos)

Velocities of compressional and shear waves in limestones

Carbonate rocks are important hydrocarbon reservoir rocks with complex textures and petrophysical properties (porosity and permeability) mainly resulting from various diagenetic processes (compaction, dissolution, precipitation, cementation, etc.). These complexities make prediction of reservoir characteristics (e.g. porosity and permeability) from their seismic properties very difficult. To explore the relationship between the seismic, petrophysical and geological properties, ultrasonic compressional- and shear-wave velocity measurements were made under a simulated in situ condition of pressure (50 MPa hydrostatic effective pressure) at frequencies of approximately 0.85 MHz and 0.7 MHz, respectively, using a pulse-echo method. The measurements were made both in vacuum-dry and fully saturated conditions in oolitic limestones of the Great Oolite Formation of southern England. Some of the rocks were fully saturated with oil. The acoustic measurements were supplemented by porosity and permeability measurements, petrological and pore geometry studies of resin-impregnated polished thin sections, X-ray diffraction analyses and scanning electron microscope studies to investigate submicroscopic textures and micropores. It is shown that the compressional- and shear-wave velocities (V-p and V-s, respectively) decrease with increasing porosity and that V-p decreases approximately twice as fast as V-s. The systematic differences in pore structures (e.g. the aspect ratio) of the limestones produce large residuals in the velocity versus porosity relationship. It is demonstrated that the velocity versus porosity relationship can be improved by removing the pore-structure-dependent variations from the residuals. The introduction of water into the pore space decreases the shear moduli of the rocks by about 2 GPa, suggesting that there exists a fluid/matrix interaction at grain contacts, which reduces the rigidity. The predicted Biot-Gassmann velocity values are greater than the measured velocity values due to the rock-fluid interaction. This is not accounted for in the Biot-Gassmann velocity models and velocity dispersion due to a local flow mechanism. The velocities predicted by the Raymer and time-average relationships overestimated the measured velocities even more than the Biot model.

The acoustic signature of fluid flow in complex porous media

Effective medium approximations for the frequency-dependent and complex-valued effective stiffness tensors of cracked/ porous rocks with multiple solid constituents are developed on the basis of the T-matrix approach (based on integral equation methods for quasi-static composites), the elastic - viscoelastic correspondence principle, and a unified treatment of the local and global flow mechanisms, which is consistent with the principle of fluid mass conservation. The main advantage of using the T-matrix approach, rather than the first-order approach of Eshelby or the second-order approach of Hudson, is that it produces physically plausible results even when the volume concentrations of inclusions or cavities are no longer small. The new formulae, which operates with an arbitrary homogeneous (anisotropic) reference medium and contains terms of all order in the volume concentrations of solid particles and communicating cavities, take explicitly account of inclusion shape and spatial distribution independently. We show analytically that an expansion of the T-matrix formulae to first order in the volume concentration of cavities (in agreement with the dilute estimate of Eshelby) has the correct dependence on the properties of the saturating fluid, in the sense that it is consistent with the Brown-Korringa relation, when the frequency is sufficiently low. We present numerical results for the (anisotropic) effective viscoelastic properties of a cracked permeable medium with finite storage porosity, indicating that the complete T-matrix formulae (including the higher-order terms) are generally consistent with the Brown-Korringa relation, at least if we assume the spatial distribution of cavities to be the same for all cavity pairs. We have found an efficient way to treat statistical correlations in the shapes and orientations of the communicating cavities, and also obtained a reasonable match between theoretical predictions (based on a dual porosity model for quartz-clay mixtures, involving relatively flat clay-related pores and more rounded quartz-related pores) and laboratory results for the ultrasonic velocity and attenuation spectra of a suite of typical reservoir rocks. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Análise gráfica de estruturas porosas sobre a ótica da estereologia

In this work we developed a computer simulation program for physics porous structures based on programming language C + + using a Geforce 9600 GT with the PhysX chip, originally developed for video games. With this tool, the ability of physical interaction between simulated objects is enlarged, allowing to simulate a porous structure, for example, reservoir rocks and structures with high density. The initial procedure for developing the simulation is the construction of porous cubic structure consisting of spheres with a single size and with varying sizes. In addition, structures can also be simulated with various volume fractions. The results presented are divided into two parts: first, the ball shall be deemed as solid grains, ie the matrix phase represents the porosity, the second, the spheres are considered as pores. In this case the matrix phase represents the solid phase. The simulations in both cases are the same, but the simulated structures are intrinsically different. To validate the results presented by the program, simulations were performed by varying the amount of grain, the grain size distribution and void fraction in the structure. All results showed statistically reliable and consistent with those presented in the literature. The mean values and distributions of stereological parameters measured, such as intercept linear section of perimeter area, sectional area and mean free path are in agreement with the results obtained in the literature for the structures simulated. The results may help the understanding of real structures.

Sistema inteligente para estimar a porosidade em sedimentos a partir da análise de sinais GPR

This Thesis presents the elaboration of a methodological propose for the development of an intelligent system, able to automatically achieve the effective porosity, in sedimentary layers, from a data bank built with information from the Ground Penetrating Radar GPR. The intelligent system was built to model the relation between the porosity (response variable) and the electromagnetic attribute from the GPR (explicative variables). Using it, the porosity was estimated using the artificial neural network (Multilayer Perceptron MLP) and the multiple linear regression. The data from the response variable and from the explicative variables were achieved in laboratory and in GPR surveys outlined in controlled sites, on site and in laboratory. The proposed intelligent system has the capacity of estimating the porosity from any available data bank, which has the same variables used in this Thesis. The architecture of the neural network used can be modified according to the existing necessity, adapting to the available data bank. The use of the multiple linear regression model allowed the identification and quantification of the influence (level of effect) from each explicative variable in the estimation of the porosity. The proposed methodology can revolutionize the use of the GPR, not only for the imaging of the sedimentary geometry and faces, but mainly for the automatically achievement of the porosity one of the most important parameters for the characterization of reservoir rocks (from petroleum or water)

Desenvolvimento de sistemas de pastas leves para aplicação em cimentação de poços petrolíferos com baixo gradiente de fratura

All around the world, naturally occurring hydrocarbon deposits, consisting of oil and gas contained within rocks called reservoir rocks , generally sandstone or carbonate exists. These deposits are in varying conditions of pressure and depth from a few hundred to several thousand meters. In general, shallow reservoirs have greater tendency to fracture, since they have low fracture gradient, ie fractures are formed even with relatively low hydrostatic columns of fluid. These low fracture gradient areas are particularly common in onshore areas, like the Rio Grande do Norte basin. During a well drilling, one of the most favorable phases for the occurrence of fractures is during cementing, since the cement slurry used can have greater densities than the maximum allowed by the rock structure. Furthermore, in areas which are already naturally fractured, the use of regular cement slurries causes fluid loss into the formation, which may give rise to failures cementations and formation damages. Commercially, there are alternatives to the development of lightweight cement slurries, but these fail either because of their enormous cost, or because the cement properties were not good enough for most general applications, being restricted to each transaction for which the cement paste was made, or both reasons. In this work a statistical design was made to determine the influence of three variables, defined as the calcium chloride concentration, vermiculite concentration and nanosilica concentration in the various properties of the cement. The use of vermiculite, a low density ore present in large amounts in northeastern Brazil, as extensor for cementing slurries, enabled the production of stable cements, with high water/cement ratio, excellent rheological properties and low densities, which were set at 12.5 lb / gal, despite the fact that lower densities could be achieved. It is also seen that the calcium chloride is very useful as gelling and thickening agent, and their use in combination with nanosilica has a great effect on gel strength of the cement. Hydrothermal Stability studies showed that the pastes were stable in these conditions, and mechanical resistance tests showed values of the order of up to 10 MPa

Caracterização multi-escalar de bandas de deformação nas tectonossequências paleozóica, pré- e sin-rifte da Bacia do Araripe, Nordeste do Brasil

Deformation bands are structures, developed in porous sandstones, that has small offsets and they are not shown on seismic section. The deformation bands of the pre and synrift sandstones of Araripe Basin were studied in outcrop, macroscopic and microscopic scales. The hierarchical, cinematic and spatial-geometric characteristics, and also the deformational mechanisms acting during its structural evolution were established too. In general, the mesoscopic scale observation allowed to discriminate deformation bands as singles or clusters in three main sets: NNE-SSW dextral; NE-SW normal (sometimes with strike-slip offset); and E-W sinistral; further a bed-parallel deformation bands as a local set. The microscopic characterization allowed to recognize the shearing and cataclastic character of such structures. Through the multi-scale study done in this work we verified that deformation bands analyzed were preferentially developed when sandstones under advanced stage of lithification. We also infer that the geometrical-spatial complexity of these bands, together with the presence of cataclastic matrix, can difficult the migration of fluids in reservoir rocks, resulting on their compartmentalization. Therefore, the study of deformation bands can aid researches about the structural evolution of sedimentary basin, as well as collaborate to understand the hydrodynamic behavior of reservoirs compartmented by these deformational structures

Aplicação de tratamento estatístico multivariante em dados de perfis de poços da Bacia de Sergipe-Alagoas

Utilizando-se dados do campo de Camorim (Bacia de Sergipe-Alagoas), foi testado e aplicado um conjunto de técnicas estatísticas multivariantes (análises de agrupamentos, de componentes principais e discriminante) no intuito de identificar as fácies, previamente definidas em poços testemunhados, por meio dos perfis, viabilizando o reconhecimento das mesmas nos demais poços não testemunhados da área. A segunda etapa do processo de determinação das fácies consistiu no emprego de métodos auxiliares (análises composicional e de seqüência de fácies), que, combinados com as técnicas multivariantes, propiciaram melhores resultados na calibração rocha-perfil. A determinação das fácies, uma vez estabelecida, possibilitou o refinamento do processo de avaliação de formações ao viabilizar o exame de cada fácies-reservatório, isoladamente. Assim, esse procedimento tornou possível a escolha, para cada litologia, dos parâmetros utilizados na interpretação dos perfis ao mesmo tempo em que permitiu a totalização em separado dos valores de espessura, porosidade e saturação dos fluidos, bem como a adoção de diferentes valores de corte (cut-offs) para cada grupo considerado. Outras aplicações incluíram a melhoria na estimativa da porosidade e da permeabilidade, a adaptação de algoritmos para o cálculo preliminar de porosidade, a confecção de mapas de fácies e a geração automática de seções estratigráficas. Finalmente, foram destacadas a perspectiva de integração desse estudo com sistemas estatísticos de descrição de reservatórios, outras técnicas de determinação de fácies em desenvolvimento e a retomada da utilização de métodos estatísticos multivariantes em dados de perfis, como ferramenta de exploração.

Avaliação dos reservatórios do Campo de Ubarana-RN, com baixas resistividades

Desenvolveu-se neste trabalho um novo modelo de avaliação quantitativa para arenitos argilosos, baseado na bibliografia e no estudo da disposição dos argilominerais dentro dos poros das rochas reservatório. Este novo modelo leva em consideração a contribuição de duas condutividades extras, além da condutividade eletrolítica das rochas: uma se deve à contribuição efetiva da condutância superficial dos argilominerais, aumentada ou diminuida em função da capacidade de troca catiônica dos mesmos, e outra independente e em paralelo, devido a condutância que se desenvolve em uma rede microporosa contínua formada por argilominerais sobre o arcabouço das rochas. Para o estudo da validade da equação proposta, foram feitos vários gráficos comparativos entre as equações e/ou modelos existentes n” bibliografia especializada, deles resultando ótimas correlações, principalmente com a tradicional equação de Waxman & Smits. Foi feita uma comparação do novo modelo em três seções distintas do Campo de Ubarana, Rio Grande do Norte, duas com baixas resistividades supostamente com hidrocarbonetos e uma outra efetivamente produtora. Verificou-se que as baixas resistividades resultam do fato das seções estudadas serem subsaturadas, com menos de 50% de óleo e aproximadamente igual ou maior proporção de água relativamente salgada (85.000 ppm de NaCl equivalente). Esta mesma água, sem dúvida, muito contribui para as baixas resistividades, por formar a fase eletricamente condutiva das referidas seções. Sendo a equação de Waxman & Smits mundialmente reconhecida, pode-se afirmar que a equação proposta neste trabalho tem consistência teórica e prática e para o caso particular do campo de Ubarana, mostrou-se mais coerente com o histórico de produção dos poços estudados, do que as demais equações existentes e testadas.

Determinação automática da porosidade e zoneamento de perfis através da rede neural artificial competitiva

Duas das mais importantes atividades da interpretação de perfis para avaliação de reservatórios de hidrocarbonetos são o zoneamento do perfil (log zonation) e o cálculo da porosidade efetiva das rochas atravessadas pelo poço. O zoneamento é a interpretação visual do perfil para identificação das camadas reservatório e, consequentemente, dos seus limites verticais, ou seja, é a separação formal do perfil em rochas reservatório e rochas selante. Todo procedimento de zoneamento é realizado de forma manual, valendo-se do conhecimento geológico-geofísico e da experiência do intérprete, na avaliação visual dos padrões (características da curva do perfil representativa de um evento geológico) correspondentes a cada tipo litológico específico. O cálculo da porosidade efetiva combina tanto uma atividade visual, na identificação dos pontos representativos de uma particular rocha reservatório no perfil, como a escolha adequada da equação petrofísica que relaciona as propriedades físicas mensuradas da rocha com sua porosidade. A partir do conhecimento da porosidade, será estabelecido o volume eventualmente ocupado por hidrocarboneto. Esta atividade, essencial para a qualificação de reservatórios, requer muito do conhecimento e da experiência do intérprete de perfil para a efetiva avaliação da porosidade efetiva, ou seja, a porosidade da rocha reservatório, isenta do efeito da argila sobre a medida das propriedades físicas da mesma. Uma forma eficiente de automatizar estes procedimentos e auxiliar o geofísico de poço nestas atividades, que particularmente demandam grande dispêndio de tempo, é apresentado nesta dissertação, na forma de um novo perfil, derivado dos perfis tradicionais de porosidade, que apresenta diretamente o zoneamento. Pode-se destacar neste novo perfil as profundidades do topo e da base das rochas reservatório e das rochas selante, escalonado na forma de porosidade efetiva, denominado perfil de porosidade efetiva zoneado. A obtenção do perfil de porosidade efetiva zoneado é baseado no projeto e execução de várias arquiteturas de rede neural artificial, do tipo direta, com treinamento não supervisionado e contendo uma camada de neurônios artificiais, do tipo competitivo. Estas arquiteturas são projetadas de modo a simular o comportamento do intérprete de perfil, quando da utilização do gráfico densidade-neutrônico, para as situações de aplicabilidade do modelo arenito-folhelho. A aplicabilidade e limitações desta metodologia são avaliadas diretamente sobre dados reais, oriundos da bacia do Lago Maracaibo (Venezuela).

Determinação estatística dos contatos fluidos em perfis de poço

No interior dos reservatórios petrolíferos, o efeito da gravidade produz naturalmente a segregação dos fluidos presentes. Em razão basicamente das forças capilares não existe uma superfície definida de separação entre cada dois fluidos. No entanto, é comum na engenharia de petróleo admitir-se uma superfície convencional de separação dos fluidos. À essa superfície dá-se o nome de interface fluida ou contato fluido. A obtenção da localização dos contatos fluidos no interior dos reservatórios, como os contatos óleo-água, contatos gás-água e os contatos gás-óleo, sem a interpretação completa dos perfis geofísicos ou a realização dos procedimentos diretos dos testes de formação é um problema de difícil solução para a indústria do petróleo. O posicionamento em profundidade dos contatos pode ser utilizado para a definição dos procedimentos de completação do poço e para o posicionamento do canhoneio nos horizontes produtores dos poços verticais. Temos também a aplicação do mapeamento deste parâmetro, para os projetos e controle da perfuração no caso dos poços direcionais e horizontais, que utilizam tal informação para o posicionamento do eixo do poço no interior da zona de hidrocarboneto no reservatório, a fim de se evitar, principalmente, a produção de água. Este trabalho apresenta uma metodologia para a identificação e posicionamento dos contatos fluidos, através da aplicação da técnica da estatística multivariada, chamada de análise discriminante. Nesta aplicação, faz-se uso direto dos perfis de resistividade (R_T), de raios gama natural (RG), de densidade (ρ_b), de porosidade neutrônica (Φ_N), de caliper (Cal) e do perfil de volume de argila (Vcla), como dados de entrada no programa de análise discriminante. Para o caso de depósitos clásticos, com seqüências arenito-folhelho, a análise discriminante fornece ainda a indicação da litologia e as espessuras aparentes dos reservatórios. As curvas de perfis geofísicos aplicadas para a avaliação desta metodologia são provenientes de poços perfurados na bacia do lago Maracaibo, na Venezuela, onde, segundo estudos geológicos, existe a ocorrência de seqüências estratigráficas, com camadas de folhelhos e arenitos, sendo também confirmada a presença de hidrocarbonetos nos poços utilizados neste trabalho.

Modelagem acústica por diferenças finitas e elementos finitos em 2-D e 2,5-D

A modelagem acústica fornece dados úteis para avaliação de metodologias de processamento e imageamento sísmico, em modelos com estrutura geológica complexa. Esquemas de diferenças finitas (DF) e elementos finitos (EF) foram implementados e avaliados em modelos homogêneos e heterogêneos. O algoritmo de diferenças finitas foi estendido para o caso 2,5-D em modelos com densidade variável. Foi apresentada a modelagem de alvos geológicos de interesse exploratório existentes na Bacia Paleozóica do Solimões na Amazônia. Reflexões múltiplas de longo período produzidas entre a superfície livre e a discordância Cretáceo-Paleozóica, a baixa resolução da onda sísmica nas proximidades do reservatório e as fracas reflexões na interface entre as rochas reservatório e as rochas selantes são as principais características dos dados sintéticos obtidos, os quais representam um grande desafio ao imageamento sísmico.

Modelamento da permissividade dielétrica de rochas saturadas de óleo e água e suas aplicações em perfilagem de poço

A ferramenta de propagação eletromagnética (EPT) fornece o tempo de propagação (T_pl) e a atenuação (A) de uma onda eletromagnética que se propaga num meio com perdas. Estas respostas da EPT são funções da permissividade dielétrica do meio. Existem vários modelos e fórmulas de misturas sobre a permissividade dielétrica de rochas reservatório que podem ser utilizados na interpretação da ferramenta de alta frequência. No entanto, as fórmulas de mistura não consideram a distribuição e a geometria do espaço poroso, e estes parâmetros são essenciais para que sejam obtidas respostas dielétricas mais próximas de uma rocha real. Foi selecionado um modelo baseado nos parâmetros descritos acima e este foi aplicado à dados dielétricos disponíveis na literatura. Foi obtida uma boa concordância entre as curvas teóricas e os dados experimentais, comprovando assim que a distribuição e a geometria dos poros têm que ser levadas em conta no desenvolvimento de um modelo realista. Foram conseguidas também funções de distribuição de razão de aspecto de poros, através das quais geramos várias curvas relacionando as respostas da EPT com diversas saturações de óleo/gás. Estas curvas foram aplicadas na análise de perfis. Como o modelo selecionado ajusta-se bem aos dados dielétricos disponíveis na literatura, torna-se atraente aplicá-lo à dados experimentais obtidos em rochas de campos brasileiros produtores de hidrocarbonetos para interpretação da EPT corrida em poços destes campos petrolíferos.