Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Oddziaływanie spienionych azotem płynów szczelinujących na skały zbiornikowe złóż węglowodorów / Impact assessment of foamed fracturing fluids on hydrocarbon reservoir rocks

Autor: Klaudia Wilk-Zajdel

Recenzenci:

prof. dr hab. inż. Małgorzata Labus, Politechnika Śląska
prof. dr hab. inż. Stanisław Dubiel

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-48-5
DOI: 10.18668/PN2023.240

Objętość monografii: 128 stron

Streszczenie

W niniejszej monografii przedstawiono wybrane informacje na temat oddziaływania płynów szczelinujących spienionych azotem na skały zbiornikowe złóż węglowodorów na podstawie badań eksperymentalnych.
W rozdziale pierwszym dokonano ogólnej charakterystyki zabiegów hydraulicznego szczelinowania. Podano podstawowe informacje na temat historii zabiegów w formacjach niekonwencjonalnych w Polsce i za granicą oraz technologiczne etapy ich udostępniania poprzez szczelinowanie. Omówiono dodatki chemiczne stanowiące część płynu szczelinującego oraz przedstawiono wpływ metod szczelinowania hydraulicznego na środowisko naturalne. Dokonano również charakterystyki oddziaływania płynu szczelinującego ze skałami złożowymi podczas zabiegów szczelinowania i alternatywnych bezwodnych lub ograniczających użycie wody szczelinowań.
W rozdziale drugim przedstawiono główny cel prowadzonych przez autorkę badań i sposób, w jaki go osiągnięto. Podano także uwarunkowania, w których zrealizowano cel pracy.
Rozdziały trzeci i czwarty stanowią zasadniczą część pracy. W rozdziale trzecim przedstawiono metodykę badań doboru płynów szczelinujących, w tym badania petrofizyczne i petrograficzne materiału skalnego, a także badania filtracji płynów szczelinujących. Przedstawiono również schemat cyklu badawczego, według którego postępowano w celu analizy uszkodzenia przepuszczalności próbek skały złożowej przez wybrane płyny szczelinujące.
W rozdziale czwartym za pomocą badań mineralogiczno-petrograficznych dokonano analizy oddziaływania wybranego płynu szczelinującego na określoną skałę złożową. Badania te polegały na ilościowym i jakościowym opisaniu składu mineralnego oraz struktury przestrzeni porowej badanych próbek za pomocą metod mikroskopowych (optycznej, skaningowej mikroskopii elektronowej – SEM oraz mikroskopii fluorescencyjnej), a także dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD) i stanowiły podstawę rozważań nad naturą procesów fizykochemicznych zachodzących podczas kontaktu badanych skał z płynem.
W rozdziale piątym dokonano podsumowania oraz zaprezentowano wnioski końcowe wynikające z wykonanych badań i analiz.

Słowa kluczowe: płyny spienione azotem, szczelinowanie hydrauliczne, uszkodzenie formacji

Abstract

This monograph presents selected information on the impact of nitrogen-foamed fracturing fluids on reservoir rocks of hydrocarbon reservoirs, based on experimental research.
The first chapter presents the general characteristics of hydraulic fracturing operations. Basic information on the history of treatments in unconventional formations in Poland and abroad, as well as technological stages of their access by fracturing, are given. The interaction of the fracturing fluid with reservoir rocks during fracturing treatments and alternative waterless or water-limiting fracturing treatments was also characterized.
The second chapter presents the main goal of the research carried out by the author and the way it was achieved.
The third and fourth chapters are the most extensive part of the work. The third chapter presents the research methodology for the selection of fracturing fluids, including petrophysical and petrographic tests of rock material, as well as testing of fracturing fluid filtration. A diagram of the research cycle was also presented, which was followed in order to analyze damage to the rock material by selected fracturing fluids.
In the fourth chapter, the impact of the selected fluid on the rock was analyzed using mineralogical and petrographic research. These studies consisted in the quantitative and qualitative description of the mineral composition and the structure of the pore space of the tested samples using microscopic methods (optical, scanning electron microscopy - SEM and fluorescence microscopy), as well as X-ray diffraction (XRD) and were the basis for considering the nature of physicochemical processes occurring during the contact of the tested rocks with the fluid.
The fifth chapter summarizes and presents the conclusions resulting from the conducted research and analyses.

Keywords: nitrogen-foamed fluids, hydraulic fracturing, formation damage

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: 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.