Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy

TYTUŁ: Polish shale formation evaluation based on chemical and isotope composition of natural gas / Ocena polskich formacji łupkowych na podstawie składu chemicznego i izotopowego gazu ziemnego

 

Autor: Marek Janiga

 

 

Recenzenci:

Prof. dr hab. Zdzisław Migaszewski, Uniwersytet Jana Kochanowskiego
Dr hab. Sławomir Kędzior, Uniwersytet Śląski

 

 

 

PN-241 400

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-49-2
DOI: 10.18668/PN2024.241

Objętość monografii: 116 stron

Streszczenie

Skład chemiczny i izotopowy gazu zmienia się wraz termiczną dojrzałością źródłowej substancji organicznej. Suchy gaz biogeniczny o bardziej ujemnych wartościach δ¹³C przechodzi w gaz mokry okna ropnego, a następnie w suchy gaz okna gazowego o wartościach δ¹³C zbliżających się do zera. Dla gazów z formacji łupkowych zależności te są identyczne, a analizy składu chemicznego i izotopowego gazu z formacji łupkowych są wykorzystywane do typowania obszarów perspektywicznych tzw.: „sweet spots”.
Celem pracy było znalezienie parametrów i ich wartości, na podstawie składu chemicznego i izotopowego, oznaczających prawdopodobne wystąpienie „sweet spot”. W tym celu wykorzystano wyniki analiz gazu z pięciu odwiertów poszukiwawczych z północy Polski. W pracy przedstawiono wyniki analiz składu chemicznego i izotopowego gazów ziemnych oraz wyniki analiz geochemicznych Rock-Eval z pięciu odwiertów eksplorujących formacje łupkowe syluru i ordowiku. Analizy statystyczne przeprowadzono z wykorzystaniem statystyki opisowej, korelacji i regresji liniowej. Wykorzystując wszystkie wyniki jako jedną populację statystyczną, obliczono współczynniki korelacji liniowej Pearsona dla składu izotopowego poszczególnych węglowodorów gazu ziemnego z parametrami pirolitycznymi i wskaźnikami wyliczonymi na podstawie składu chemicznego. Korelacje pomiędzy parametrami pirolitycznymi a składem izotopowym lub wskaźnikami chemicznymi nie są wysokie. Przykładowo umiarkowane korelacje występują pomiędzy dojrzałością termiczną źródłowej materii organicznej (Tmax) a składem izotopowym węgla w metanie (r = 0,63).
Wyniki analiz składu izotopowego węgla wyraźnie różnicują próbki z każdego odwiertu (poza gazami z odwiertów L-1 i O-2). Wartości δ¹³C metanu, etanu i propanu są progresywnie wyższe w sekwencji L-1, O-2, K-1, B-1 i W-1. Dojrzałość termiczną źródłowej materii organicznej oceniono wykorzystując model matematyczny Tanga uwzględniający również udziału metanu biogenicznego. Dojrzałość termiczna odpowiada głównie zakresowi od 0,9% (L-1 i O-2) do 1,5% (B-1 i W-1) w skali refleksyjności witrynitu. Skład wszystkich gazów ziemnych wskazuje na mieszanie z gazem biogenicznym (udział biometanu w gazie poniżej około 25%).

Odchylenie wartości δ¹³C metanu w kierunku bardziej ujemnych we wszystkich próbkach również potwierdziło mieszanie z gazem biogenicznym (graficzny model Chunga tzw.: „natural gas plot”). Także wartości składu izotopowego węgla etanu i propanu odbiegały od teoretycznych (zwłaszcza w odwiertach W-1 i B-1; nieco mniej w odwiertach O-2 i K-1). Potwierdza to występowanie wtórnego krakingu.
W najbardziej produktywnych złożach gazu łupkowego występuje zwykle inwersja składu izotopowego węgla metanu, etanu i propanu (tzw.: „roll-over effect”). W analizowanych gazach zjawisko to nie wystąpiło, ale dostrzegalne są zmiany w różnicach (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) i (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁). Wykorzystanie wykresu zestawiającego obydwie te różnice uznano za najlepszy sposób przedstawienia wyników przy omawianiu zjawiska wtórnego krakingu, który może prowadzić do inwersji składu izotopowego. Dla wszystkich próbek różnica między etanem i metanem (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) stale maleje wraz ze wzrostem dojrzałości termicznej. Różnica propanu i etanu (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) wzrasta przy niższych dojrzałościach termicznych (do około 1,5% VRo) i maleje przy wyższych wartościach termicznej dojrzałości. Wykorzystując wyniki analiz składu chemicznego gazów obliczono wskaźniki C₁/C₂+₃, C₂/C₃, i-C₄/n-C₄ oraz i-C₅/n-C). Wskaźniki te są cennym źródłem informacji o gazie ziemnym,
pozwalając uniknąć wpływu sposobu poboru i rodzaj odwiertu na skład chemiczny gazu. Podobnie jak przy wynikach analiz składu izotopowego, próbki różnicują się i tworzą sekwencję L-1 i O-2, K-1, B-1 i W-1.
Głównym celem pracy było wybranie parametrów/wskaźników i ich wartości determinujących strefy perspektywiczne w formacjach łupkowych. Wykorzystując skład gazów z odwiertu W-1 (najwyższa dojrzałość termiczna źródłowej materii organicznej) oraz dane referencyjne z formacji Barnett określono przybliżone wartości składu izotopowego metanu, etanu i propanu oraz wskaźników C₁/C₂+₃, i-C₄/n-C₄ i i-C₅/n-C₅ przy których można spodziewać się wystąpienia „sweet spots”.


Słowa kluczowe: formacje łupkowe, gaz ziemny, gaz z łupków, skład izotopowy węgla, skład chemiczny

Abstract

The relationship between the change of carbon isotope composition of gaseous hydrocarbons in natural gas and the increase of source rock organic matter thermal maturity are especially important in the petroleum geochemistry. The thermal maturity evaluation and interpretation based on the chemical and isotope compositions is commonly performed for natural gases conventional reservoirs, shales, coals, seeps and other geological habitats. The carbon isotope composition of individual hydrocarbons in gas samples provided by the compound specific isotope analysis (CSIA) can be used for interpretation and correlation purposes. On the basis of the δ¹³C value of methane, ethane and propane, the estimation of thermal transformation degree of the source rock (from which the gas was generated) can be made.
In this work, organic geochemistry methods (chemical and isotope composition of gas and pyrolysis indices) are used for the shale petroleum system evaluation and to find the values of parameters determining the sweet spot. The case study of five exploration wells located in the north of Poland is presented and discussed.

The work presents results of chemical/isotope composition analyses of natural gases and geochemical Rock-Eval analyses from five wells exploring the Silurian and the Ordovician shale formations. The statistical analyses were conducted with the use of the following: descriptive, correlation and liner regression. Using all the results as one statistical population, Pearson’s linear correlation coefficients of the gas isotope composition with the pyrolytic and molecular indices were calculated. Surprisingly, there are no high correlations between the pyrolytic indices and the isotope composition or the chemical indices. Moderate correlations are between maturity of the source organic matter (Tmax) and the isotope composition of carbon in methane (r = 0.63). The results of carbon isotope analyses clearly differentiate samples from each well, only L-1 and O-2 wells natural gases are quite similar. Methane, ethane and propane δ¹³C values are progressively higher in sequence L-1, O-2, K-1, B-1 and W-1. The thermal maturity of the source organic matter was assessed using Tang’s mathematical model including the share of biogenic methane. The thermal maturity corresponds mainly to the range from 0.9% (L-1 and O-2) to 1.5% (B-1 and W-1) vitrinite reflectance. Natural gas compositions shows mixing with the biogenic gas (below approximately 25%).
A noticeable drift of methane towards negative values in all wells samples confirmed mixing with biogenic gas (with the use of the natural gas plot - Chung plot). Values of the isotope composition of ethane and propane were also skewed (especially in W-1 and B-1; a little less in O-2 and K-1 wells). This confirmed the occurrence of secondary cracking. The inversion of the isotope composition of carbon in methane, ethane and propane (the roll-over effect) does not occur in analysed gases. Usage of the diagram (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) vs (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) is considered to be the best way of presenting of the isotope data. For all samples, the difference between ethane and methane (δ¹³C-C₂ - δ¹³C-C₁) is constantly decreasing with an increase of thermal maturity. The propane and ethane difference (δ¹³C-C₃ - δ¹³C-C₂) is increasing at lower thermal maturities (to approximately 1,5% VRo), and decreasing with higher values of maturity. This suggests presence of the secondary cracking, resulting in the sweet spot occurrence.
Using the hydrocarbon composition, molecular indices were calculated (C₁/C₂+₃, C₂/C₃, i-C₄/n-C₄ and i-C₅/n-C₅). These indices are a valuable source of information about natural gas, whose complete composition analyses can be affected by the manner of taking a sample and the type of well. Similarly to the isotope composition the samples plot progressively in sequence L-1 and O-2, K-1, B-1 and W-1.
The main aim of this work was to establish the values of chemical and isotope composition parameters determining sweet spots. Using the composition of gases from W-1 well (the highest thermal maturity of the source organic matter) and the Barnett reference data, approximate values at which prospective levels can be expected were defined.


Keywords: Shale formations, natural gas, shale gas, carbon isotope composition, chemical composition

  

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

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

 

 

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

 

 

 

PN 240-500

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: Wyznaczenie liczby Damköhlera i jej znaczenie w projektowaniu zabiegów matrycowego kwasowania / Determination of the Damköhler number and its importance in the design of matrix acidizing treatments

 

Autor: Marek Czupski

 

 

Recenzenci:
prof. dr hab. Krzysztof Labus, Politechnika Śląska
dr inż. Anna Kwietniak, Akademia Górnicza-Hutnicza

 

 

 

PN 233 duza

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-41-6
DOI: 10.18668/PN2021.233

Objętość monografii: 152 stron

Streszczenie

Podczas matrycowego kwasowania formacji węglanowych tworzone są kanały o dużej przepuszczalności zwane otworami robaczkowymi. Efektywność tego typu zabiegów zależy przede wszystkim od: struktury, geometrii i głębokości penetracji otworów robaczkowych  poza strefę o uszkodzonej przepuszczalności. Powinien to zapewniać odpowiednio opracowany płyn kwasujący, którym w przypadku formacji węglanowych są najczęściej roztwory kwasu solnego oraz/lub kwasów organicznych, takich jak kwas octowy czy mrówkowy. Dodatkowo w przypadku formacji o wysokich temperaturach stosowane są dodatki zmniejszające szybkość reakcji pomiędzy kwasem a skałą złożową. Ważną wielkością wpływającą na model tworzonych otworów robaczkowych jest liczba Damköhlera (Da). Jest to stosunek szybkości reakcji pomiędzy kwasem a skałą do szybkości jego konwekcji wzdłuż otworu robaczkowego.
Celem niniejszej pracy było wyznaczenie liczby Damköhlera dla czterech wybranych systemów ciecz kwasująca–skała i potwierdzenie, że struktura utworzonych otworów robaczkowych zależy od jej wartości. W ramach realizacji pracy wykonano testy reologiczne cieczy kwasujących żelowanych przy użyciu wiskoelastycznego surfaktantu. Badania szybkości reakcji przeprowadzono na rdzeniach cylindrycznych wyciętych z wapienia pińczowskiego oraz skały dolomitowej Guelph dolomite, charakteryzujących się względnie niskimi wartościami współczynników przepuszczalności i porowatości. W przypadku wapienia pińczowskiego współczynnik przepuszczalności wynosił od 9,11·10−15·m2 do 14,23·10−15·m2, a porowatość od 28,51% do 29,10%, natomiast dla dolomitu Guelph odpowiednio 3,69·10−15–7,48·10−15·m2 i 7,67–9,38%. Do wyznaczenia kinetyki reakcji tych skał z dwoma rodzajami cieczy kwasujących użyto metody wirującego dysku. Następnie wykonano badania przepływowe na rdzeniach cylindrycznych przy użyciu stanowiska AFS-300 dla tych samych typów skał i cieczy. się współczynnikiem przepuszczalności w zakresie od 9,65·10−15·m2 do 26,27·10−15·m2 oraz porowatości od 28,78% do 31,29%. Z kolei próbki skały dolomitowej Guelph dolomite miały współczynniki przepuszczalności od 7,48·10−15·m2 do 61,52·10−15·m2, natomiast porowatości były dużo mniejsze i wynosiły od 7,63% do 10,60%. Po testach przepływowych, na podstawie rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej rdzeni cylindrycznych połączonej z analizą parametrów geometrycznych, obliczono liczbę Damköhlera dla każdego ze zidentyfikowanych otworów robaczkowych.
W części teoretycznej niniejszej publikacji opisano rodzaje struktur, które tworzone są w skałach węglanowych w wyniku matrycowego kwasowania, i ich wpływ na efektywność zabiegów. Opisano również siedem modeli kwasowania formacji węglanowych używanych do określania wpływu parametrów zabiegowych, takich jak właściwości cieczy, na efektywność procesu kwasowania danej formacji złożowej. Szczególną uwagę poświęcono teorii liczby Damköhlera, od wartości której zależy zjawisko tworzenia się otworów robaczkowych.
Badania wykazały, że w temperaturze 80°C całkowita szybkość reakcji dla każdego z czterech układów ciecz kwasująca–skała była kontrolowana przez szybkość transportu masy. Stwierdzono, że żelowanie 15-proc. roztworu HCl przy użyciu wiskoelastycznego surfaktantu TN-16235 powoduje obniżenie całkowitej szybkości reakcji poprzez zmniejszenie szybkości transportu masy. W przypadku wapienia pińczowskiego 7,5-proc. dodatek surfaktantu TN-16235 spowodował zmniejszenie wartości De z 4,45·10−6 cm2/s do 3,53·10−6 cm2/s, a dla skały dolomitowej Guelph dolomite z 2,25·10−6 cm2/s do 1,97·10−6 cm2/s. Na podstawie badań przepływowych wyznaczono wartości objętości porowych niezbędnych do przebicia cieczy kwasującej przez rdzeń cylindryczny (PVbt). Najmniejsze wartości tego parametru dla wapienia pińczowskiego wynosiły: 0,26 dla 15-proc. roztworu HCl i prędkości przepływu równej 2,93 cm/min oraz 0,28 dla żelowanego 15-proc. roztworu HCl i prędkości przepływu równej 0,30 cm/min. Dla skały dolomitowej Guelph dolomite wynosiły one: 0,88 dla 15-proc. roztworu HCl i prędkości przepływu równej 3,68 cm/min oraz 0,25 dla żelowanego 15-proc. roztworu HCl i prędkości przepływu równej 1,00 cm/min. Żelowanie cieczy przy użyciu wiskoelastycznego surfaktantu TN-16235 umożliwia zatem efektywne matrycowe kwasowanie formacji węglanowych przy mniejszych wydajnościach tłoczenia. Stwierdzono również, że od wartości liczby Damköhlera zależy model rozpuszczania ośrodka porowatego przez daną ciecz kwasującą. Dla otworów robaczkowych utworzonych w rdzeniach wapienia pińczowskiego przy użyciu 15-proc. roztworu HCl wyliczone wartości liczby Da lokowały się w przedziale od 0,244 do 0,026 (optymalna wartość wyniosła 0,031), a dla żelowanego 15-proc. roztworu HCl w zakresie od 0,145 do 0,008 (optymalna wartość wyniosła 0,097). Za optymalną liczbę Da uznano jej wartość, dla której otwory robaczkowe penetrują całą długość rdzenia przy minimalnym wyczerpaniu cieczy kwasującej opisywaną przez PVbt. Natomiast dla otworów robaczkowych wytrawionych w skale Guelph dolomite przez 15-proc. Roztwór HCl obliczone wartości liczby Da były w przedziale od 0,104 do 0,030 (optymalna była równa 0,066), a przez żelowany 15-proc. roztwór HCl w zakresie od 0,188 do 0,030 (optymalna wartość wyniosła 0,069).
Zaprezentowana w niniejszej pracy metodyka badań umożliwia wyznaczenie liczby Damköhlera dla systemów ciecz kwasująca–skała, a dzięki temu ułatwia przygotowanie technologii zabiegów matrycowego kwasowania formacji węglanowych w taki sposób, aby zabiegi te były jak najbardziej efektywne.

 

Słowa kluczowe: matrycowe kwasowanie, liczba Damköhlera, wiskoelastyczny surfaktant

 

Abstract

During the matrix acidizing of carbonate formations, channels with high permeability are created, known as wormholes. The effectiveness of this type of treatment depends primarily on the structure, geometry, and the depth of penetration of the wormholes beyond the damaged zone. This should be ensured by a properly developed acidizing fluid, which in the case of carbonate formations most often consists of solutions of hydrochloric acid and/or organic acids such as acetic or formic acid. Additionally, in the case of high-temperature formations, additives are used to reduce the reaction rate of acid with the reservoir rock. The Damköhler number (Da) is an important factor that influences the model of the wormholes created. It represents the ratio of the rate of the reaction between the acid and the rock to the rate of its convection along the wormhole.
The aim of the study was to determine the Damköhler number for four selected acidizing liquid–rock systems and to confirm that the structure of the wormholes depends on this variable. As part of the work, rheological tests of gelled acidizing liquids using a viscoelastic surfactant were conducted. The reaction rate tests were carried out on core plugs cut from Pińczów limestone and Guelph dolomite, which are characterized by relatively low permeability and porosity coefficients: 9.11–14.23 × 10−15m2 and 28.51%–29.10%, respectively, in the case of Pińczów limestone and 3.69–7.48 × 10−15m2 and 7.67%–9.38%, respectively, for Guelph dolomite. A rotating disk apparatus was used to determine the kinetics of the reaction of these rocks with two types of acidizing liquids. Then, core flow tests were performed on the core plugs using the AFS-300 system for the same types of rocks and liquids. The core plugs of Pińczów limestone used in these tests had a permeability coefficient ranging from 9.65 to 26.27 × 10−15m2 and a porosity coefficient ranging from 28.78% to 31.29%. On the other hand, samples of the Guelph dolomite had permeability coefficients of 7.48 to 61.52 × 10−15m2, while the porosity was much lower, ranging from 7.63% to 10.60%. After the core flow tests, the Damköhler number was calculated for each identified wormhole, using X-ray computed microtomography combined with an analysis of the geometric parameters.
The types of structures that are formed in carbonate rocks as a result of matrix acidizing and their impact on the effectiveness of treatment are described in the theoretical part of this publication. Seven models of carbonate acidizing, which are used to estimate the influence of the parameters of the treatment and the properties of the liquid and rock on the efficiency of the acidizing process, are also discussed. Particular attention was paid to the theory of the Damköhler number, the value of which determines the formation of wormholes.
The tests showed that at 80°C the overall reaction rate for each of the four acidizing liquid–rock systems was controlled by the mass transport rate. It was found that a gelled 15% HCl solution using TN-16235 viscoelastic surfactant reduced the overall reaction rate by reducing the mass transport rate. In the case of Pińczów limestone, the addition of 7.5% TN‑16235 surfactant reduced the De value from 4.45 × 10−6cm2/s to 3.53 × 10−6cm2/s; for Guelph dolomite De decreased from 2.25 × 10−6cm2/s to 1.97 × 10−6cm2/s. The values of the acidizing liquid pore volumes required to break through the core plug (PVbt) were determined based on the core flow tests. The lowest values of this parameter for Pińczów limestone were 0.26 for a 15% HCl solution and a velocity of 2.93 cm/min and 0.28 for a gelled 15% HCl solution and a velocity of 0.30 cm/min. For the Guelph dolomite rock, they were 0.88 for a 15% HCl solution and a velocity of 3.68 cm/min and 0.25 for a gelled 15% HCl solution and a velocity of 1.00 cm/min. Gelling a liquid with TN-16235 viscoelastic surfactant thus enables efficient matrix acidizing of carbonate formations with lower pumping rates. It was also found that the model of dissolution of the porous medium by a given acidizing liquid depended on the value of the Damköhler number. For wormholes created in the plugs of Pińczów limestone using the 15% HCl solution, the calculated values of Da were in the range of 0.244 to 0.026 (optimal value: 0.031); for the gelled 15% HCl solution it ranged from 0.145 to 0.008 (optimal value: 0.097). The optimal value for Da was considered to be the value for which wormholes were able to penetrate the entire length of the core with minimal acid spending described by PVbt. For wormholes etched in the Guelph dolomite rock by the 15% HCl solution, the calculated values of Da ranged from 0.104 to 0.030 (optimal value: 0.066), and for the gelled 15% HCl solution they ranged from 0.188 to 0.030 (optimal value: 0.069).
The research methodology presented in this paper allows the Damköhler number to be determined for acidizing liquid–rock systems, and thus facilitates the preparation of  technology for matrix acidizing of carbonate formations in such a way as to make these treatments as effective as possible.

Keywords: matrix acidizing, Damköhler number, viscoelastic surfactant

  

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

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

 

 

 

 

 

 
 

TYTUŁ: Charakterystyka litofacjalna utworów jury górnej i kredy dolnej w rejonie Dąbrowa Tarnowska – Dębica w oparciu o interpretację danych sejsmicznych i otworowych / Lithofacial characteristics of Upper Jurassic and Lower Cretaceous deposits in the Dąbrowa Tarnowska – Dębica area based on an interpretation of seismic and well data

 

Autor: Andrzej Urbaniec

 

 

Recenzenci:
dr hab. Michał Zatoń
dr Anna Feldman-Olszewska

 

 

 

pn-232

ISSN 2353-2718
ISBN 978-83-65649-40-9
DOI: 10.18668/PN2021.232

Streszczenie

Głównym celem monografii jest odtworzenie historii depozycji i rozwoju facjalnego utworów górnej jury i dolnej kredy, występujących w podłożu zapadliska przedkarpackiego, w oparciu o dostępne dane z otworów wiertniczych oraz sejsmikę 3D. Rejon badań usytuowany jest w środkowej części przedgórza Karpat, pomiędzy miastami Dąbrowa Tarnowska na północnym zachodzie i Dębica na południowym wschodzie. Nowe dane, uzyskane w roku 2015, w postaci zdjęcia sejsmicznego 3D, jak również informacji z głębokiego otworu O-1  przewiercającego pełen profil utworów mezozoiku, pozwoliły na znacznie lepsze rozpoznanie i udokumentowanie wielu szczegółów budowy geologicznej tego, dotąd słabo rozpoznanego, rejonu.
Sedymentacja badanych utworów węglanowych przedgórza Karpat w epokach późnojurajskiej i wczesnokredowej odbywała się w strefie szelfowej północnego, pasywnego brzegu oceanu Tetydy. Cechą charakterystyczną utworów górnej jury jest ich duże  zróżnicowanie facjalne, wynikające głównie z obecności rozbudowanych kompleksów biohermowych oraz pakietów warstwowanych osadów marglisto-wapiennych.
W rozdziale 2 przedstawiono budowę geologiczną rejonu badań, uwzględniając wszystkie piętra strukturalne, rozwój litologiczny utworów poszczególnych jednostek, stosowane podziały litostratygraficzne i regionalne ramy paleogeograficzne.
W rozdziale 3 szczegółowo omówiona została historia badań oraz aktualny stan rozpoznania kompleksu węglanowego górnej jury i dolnej kredy przedgórza Karpat.
Rozdział 4 zawiera charakterystykę litologiczną badanych utworów węglanowych z podziałem na jednostki litostratygraficzne. Charakterystyka ta opracowana została na podstawie analizy cech makroskopowych dostępnego materiału rdzeniowego oraz profilowań geofizyki otworowej. Zamieszczone profile litostratygraficzne wybranych głębokich otworów wiertniczych z obszaru badań lub jego bliskiego sąsiedztwa dokumentują obecny stan wiedzy na temat litostratygrafii i rozwoju facjalnego utworów górnej jury i dolnej kredy.
W rozdziale 5 przedstawiono charakterystykę mikrofacjalną i mikropaleontologiczną badanych utworów węglanowych, jak również przeprowadzono dyskusję dotyczącą możliwości określenia zasięgu wiekowego poszczególnych wydzieleń litostratygraficznych w oparciu o wyniki wieloletnich badań oraz dane literaturowe.
W rozdziale 6 zaprezentowano wyniki analizy obrazu sejsmicznego, wykonanej w oparciu o wybrane atrybuty sejsmiczne. W ramach pracy omówiono następujące atrybuty: RMS Amplitude, Envelope, Instantaneous phase, Dominant frequency, Instantaneous bandwidth, Apparent polarity, Relative acoustic impedance, First derivative, Iso-frequency component, Time gain, Chaos, Variance (Edge method), Local flatness. Przeprowadzona analiza pozwoliła na uzyskanie dodatkowych istotnych informacji odnośnie wykształcenia litologicznego i rozprzestrzenienia utworów poszczególnych ogniw litostratygraficznych, jak również dała możliwość uszczegółowienia lokalizacji dyslokacji. Na podstawie interpretacji zapisu sejsmicznego w obrębie badanego kompleksu skalnego udokumentowano również występowanie niezgodności kątowych, stref zaburzeń i deformacji związanych z tektoniką synsedymentacyjną oraz przypuszczalnych osadów spływów grawitacyjnych.
W rozdziale 7 zamieszczono przekroje litofacjalne, skonstruowane wzdłuż wybranych przekrojów sejsmicznych, prezentujące przestrzenny rozkład i wzajemne relacje pomiędzy utworami poszczególnych ogniw litostratygaficzych.
W rozdziale 8 przeanalizowano rozmieszczenie kompleksów biohermowych górnej jury względem morfologii podłoża jury. Analiza rozmieszczenia wykartowanych na podstawie zapisu sejsmicznego budowli organicznych, należących do serii wielkich bioherm gąbkowo-mikrobialnych, wskazuje na dwa główne obszary ich występowania, tj. rejon NW (kompleks biohermowy „N”), w którym występuje dosyć rozległy kompleks biohermowy, a jego dokładny zasięg jest trudny do ustalenia ze względu na późniejsze procesy regionalnej dolomityzacji oraz rejon centralny (kompleks biohermowy „S” w okolicach otworu O-1), w którym stwierdzono kompleks kilku wysokich budowli o dosyć stromych krawędziach.
Rozdział 9 poświęcony jest zagadnieniu historii depozycyjnej późnojurajsko-wczesnokredowego basenu sedymentacyjnego przedgórza Karpat oraz omówieniu roli najważniejszych czynników wpływających na rozkład facji w obszarze badań. Wykazano, że cechą charakterystyczną znacznej części osadów jurajskich jest silnie diachroniczny charakter rozprzestrzenienia poszczególnych facji, uwarunkowany głównie paleogeomorfologią dna zbiornika sedymentacyjnego, jak również czynnikami lokalnymi, związanymi z tektoniką synsedymentacyjną.
Seria gąbkowo-globuligerinowa, rozpoczynająca profil utworów górnej jury i reprezentująca najgłębszy etap sedymentacji w warunkach otwartego szelfu, cechuje się stosunkowo dużą jednorodnością wykształcenia na całym obszarze przedgórza. Kompleks biohermowy „S” rozwinął się w nadkładzie elewowanej strefy, złożonej z kilku mniejszych elementów tektonicznych, natomiast kompleks biohermowy „N” wykształcił się na rozległej, wyniesionej części strefy zrębowej, gdzie w podłożu występuje jeden główny blok tektoniczny.  Intensywnie rozwijające się kompleksy biohermowe „N” i „S” wywierały coraz większy wpływ na dalszy rozwój sedymentacji osadów górnej jury w badanym rejonie, dostarczając jednocześnie materiału dla osadów redeponowanych w głębsze partie zbiornika w wyniku podmorskich spływów grawitacyjnych. W strefie przylegającej od SE do kompleksu biohermowego „S”, na profilach sejsmicznych dostrzegalny jest charakterystyczny, wysokoamplitudowy zapis obejmujący cały pakiet refleksów sejsmicznych o zmiennych kątach upadów. Częste zmiany polarności, dostrzegalne w obrębie tej strefy w odtworzeniu atrybutu Apparent polarity, podobnie jak i skrajnie zmienny zakres wartości atrybutu Relative acoustic impedance, świadczą o silnym zróżnicowaniu litologicznym tego kompleksu skalnego. W tytonie, w trakcie sedymentacji utworów serii koralowcowo-onkolitowej, nastąpiło wyraźne ujednolicenie warunków sedymentacji na całym obszarze przedgórza Karpat, związane głównie z zanikiem paleomorfologicznego zróżnicowania powierzchni dna morza. Przypuszczalnie w tym samym czasie miał miejsce kolejny etap reaktywacji dyslokacji, o czym świadczy powierzchnia niezgodności kątowej, i związane z nią efekty erozji osadów starszych.
Rozprzestrzenione na całym obszarze badań utwory serii muszlowcowo-oolitowej dolnej reprezentują różnego typu płytkowodne środowiska sedymentacji (w tym środowisko równi pływowej, lagunowe i stref barierowych), jakie wykształciły się na obszarze przedgórza Karpat, na pograniczu późnej jury i wczesnej kredy. Środowisko sedymentacji utworów serii marglisto-muszlowcowej, datowanej na berias, określić można jako skrajnie płytkowodne, z facjami lagunowymi i wpływem środowisk brakicznych. Utwory najwyższych serii dolnej kredy (tj. mułowcowo-wapiennej i muszlowcowo-oolitowej górnej) reprezentują facje  płytkomorskie związane z transgresją morską, która miała miejsce w walanżynie.
Przedstawiona historia depozycyjna późnojurajsko-wczesnokredowego basenu sedymentacyjnego przedgórza Karpat, w połączeniu z opisem cech makroskopowych rdzeni wiertniczych, analizą mikrofacjalną i mikropaleontologiczną poszczególnych jednostek litostratygraficznych oraz interpretacją obrazu sejsmicznego, pozwala na kompleksową charakterystykę analizowanych utworów oraz wskazanie procesów mających największy wpływ na obecny charakter i stan zachowania badanych serii skalnych.

 

Słowa kluczowe: jura, kreda, litofacje, litostratygrafia, biostratygrafia, interpretacja sejsmiczna, atrybuty sejsmiczne

 

Abstract

The main subject of this monograph is a reconstruction of the history of deposition and facial development of Upper Jurassic and Lower Cretaceous deposits in the basement of the Carpathian Foredeep, based on data available from boreholes and a 3D seismic survey. The research area is located in the central part of the Carpathian Foreland, between two cities: Dąbrowa Tarnowska in the north-west and Dębica in the south-east.
The new 3D seismic survey made in 2015 and the O-1 deep borehole – drilled in the same year and portraying a full profile of the Mesozoic sediments – allowed for much better recognition and documentation of many details of the geological structure of this previously poorly mapped area.
The sedimentation of the carbonate formations of the Carpathian Foreland during the Late Jurassic and the Early Cretaceous took place in the shelf zone of the northern, passive margin of the Tethys Ocean. A characteristic feature of the Upper Jurassic sediments is their high facies diversity, due mainly to the presence of biohermal complexes and sets of layered marly-limestone sediments.
Chapter 2 presents the geological structure of all structural stages in the area under study, including the lithological development, the lithostratigraphic divisions applied, and the regional palaeogeographic frameworks.
Chapter 3 discusses both the history of research and the current state of knowledge regarding the Upper Jurassic and Lower Cretaceous carbonate sediments of the Carpathian Foreland.
Chapter 4 describes the lithological characteristics of the carbonate sediments, considering lithostratigraphic units. This characterisation is based on a macroscopic examination of the available core material and analysis of the well logs. The lithostratigraphic profiles of selected deeper boreholes from the research area and its close vicinity document the current state of knowledge on lithostratigraphy and the facies development of the Upper Jurassic and Lower Cretaceous deposits.
Chapter 5 features the microfacies and micropalaeontological characteristics of the carbonate sediments under study. Based on the results of many years of research and literature data, the possibilities of determining the age of every lithostratigraphic unit are discussed.
Chapter 6 presents the analysis of the seismic 3D image based on selected seismic attributes. As part of the work, the following attributes are discussed: RMS Amplitude, Envelope, Instantaneous phase, Dominant frequency, Instantaneous bandwidth, Apparent polarity, Relative acoustic impedance, First derivative, Iso-frequency component, Time gain, Chaos, Variance (Edge method), and Local flatness. The analysis revealed additional important information regarding both the lithological development and the spatial range of sediments of individual lithostratigraphic units, at the same time facilitating the detailed location of fault zones. Based on the interpretation of the seismic image within the studied rock complex, the
occurrence of angular unconformity, disturbance, and deformation zones related to synsedimentary tectonic as well as probable gravity-flow deposits are also documented.
Chapter 7 presents lithofacial cross-sections constructed along selected seismic sections reflecting the spatial distribution and relationships between the sediments of individual lithostratigraphic units.
Chapter 8 analyses the distribution of Upper Jurassic biohermal complexes in relation to the morphology of the Jurassic base surface. An analysis of the distribution of organic buildups belonging to the Huge Sponge-Microbial Bioherms Series, interpreted indirectly from seismic image, indicates two main areas where they can be found. These are the north-west part of the study area – where a quite extensive biohermal complex occurs (‘Complex N’), the exact range of which is difficult to determine due to later regional dolomitisation processes – and the area located in the central part of the seismic survey, where a complex of several very tall buildups with steep edges was found (‘Complex S’).
Chapter 9 is devoted to the issue of the depositional history of the Late Jurassic–Early Cretaceous sedimentary basin of the Carpathian Foreland and to a discussion of the role of the most important factors influencing facies distribution in the research area. It has been shown that a characteristic feature of a large part of the Jurassic sediments is the strongly diachronic nature of the distribution of facies controlled by the varying bottom relief of the sedimentation basin and by some local factors related to synsedimentary tectonic episodes.
The Sponge-Globuligerinid Series, beginning the profile of the Upper Jurassic sediments and representing the deepest sedimentation stage in the open shelf conditions, is characterised by a relatively high homogeneity of lithology in the whole Carpathian Foreland area. The ‘S’ biohermal complex developed over the elevated zone composed of several smaller tectonic elements, whilst the ‘N’ biohermal complex developed on a large, elevated part of the horst zone. The intensively developing ‘N’ and ‘S’ biohermal complexes affected successive deposition of the Late Jurassic sedimentary basin in the study area more and more. Those biohermal complexes were the source of the material redeposited into deeper parts of the sedimentary basin. On seismic profiles in the south-east neighbourhood of the ‘S’ biohermal complex, there is a characteristic high-amplitude record including the entire reflection set of variable dip angles. The frequent polarity changes which are visible within this zone in the Apparent polarity attribute, as well as the extremely variable range of values the Relative acoustic impedance attribute, prove the strong lithological differentiation of this rock complex. During the Tithonian time (sedimentation of the Coral-Oncolite Series), there was clear unification of the sedimentation conditions in the entire Carpathian Foreland area, mainly due to disappearance of the bottom relief diversity. At the same time another stage of dislocation reactivation occurred, as evidenced by the angular unconformity and the erosion traces of older sediments associated with this unconformity.
The deposits of the Lower Shellbed-Oolite Series scattered throughout the research area represent various types of shallow-water sedimentation environments (including tidal, lagoon, and barrier zones) that developed in the Carpathian Foreland area on the borderline between the Late Jurassic and the Early Cretaceous. The sedimentation environment of the Marly-Shellbed Series dated to the Berriasian can be described as extremely shallow-water, with lagoon facies and under the influence of brackish environments. The sediments of the last two series of the Lower Cretaceous (i.e. the Mudstone-Limestone and Upper Shellbed-Oolite Series) represent the shallow-marine facies associated with marine transgression that took place during the Valanginian.
The processes that have had the greatest impact on the current character and preservation of the rock series under study can be pinpointed and a comprehensive characterisation of these formations can be undertaken thanks to the depositional history of the Late Jurassic – Early Cretaceous sedimentary basin of the Carpathian Foreland presented herein, the macroscopic examination of the available core material, the microfacial and micropalaeontological analysis of individual lithostratigraphic units, and the interpretation of the seismic image.

 

Keywords: Jurassic, Cretaceous, lithofacies, lithostratigraphy, biostratigraphy, seismic interpretation, seismic attributes

  

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

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

 

 

 

 

 

 
 

TYTUŁ: Poprawa oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego przed zabiegiem cementowania/Improvement of the cleaning of the annular space of the borehole before the cementing operations

 

 

Autorzy: Marcin Kremieniewski, Miłosz Kędzierski, Marcin Rzepka
pod redakcją Marcina Kremieniewskiego

 

 

Recenzenci:
Dr inż. Alfons Dudek
Prof. dr hab. inż. Stanisław Stryczek

 

 

 

Praca Naukowa INiG - PIB Nr 220

ISBN: 978-83-65649-26-3
ISSN: 2353-2718
DOI: 10.18668/PN2018.220

Streszczenie


Podczas realizacji prac związanych z uszczelnieniem kolumny rur okładzinowych jednym z najistotniejszych aspektów jest zapewnienie szczelności w przestrzeni pierścieniowej pomiędzy kolumnami rur oraz poza nimi. Niezachowanie tego warunku może skutkować poważnymi konsekwencjami począwszy od wzrostu ciśnienia w górnej części otworu, a skończywszy na migracji bądź ekshalacji gazu. W celu wyeliminowania takich niepożądanych zjawisk należy uszczelnić kolumnę rur okładzinowych tłocząc zaczyn cementowy. Jednak na odpowiednie uszczelnienie przestrzeni pierścieniowej składa się również przygotowanie otworu do cementowania poprzez dokładnie jego oczyszczenie. W tym celu następuje przetłoczenie cieczy przemywającej, a następnie płuczka wypierana jest przez ciecz buforową i zaczyn cementowy. Odpowiednie przygotowanie przestrzeni pierścieniowej przyczynia się do znacznej poprawy uszczelnienia i umożliwia wyeliminować powstawanie mikroprzepływów gazu na kontakcie płaszcza cementowego z powierzchnią przewiercanej wcześniej formacji skalnej oraz powierzchnią zapuszczanej rury okładzinowej.


W książce przedstawione zostały mechanizmy przepływu cieczy w przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego oraz omówiono zagadnienia dotyczące działania środków przemywających na poprawę efektywności oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej przed zabiegiem cementowania. Opisana została innowacyjna metodyka badań efektywności usuwania osadu płuczkowego. Zaprezentowano również nowe, skonstruowane w INiG – PIB urządzenie (symulator przepływu cieczy wiertniczych), które pozwalało na realizację prac badawczych w zakresie skuteczności działania cieczy przemywających. Omówiono wyniki badań wpływu czasu kontaktu oraz prędkości przepływu cieczy przemywającej na skuteczność usuwania osadu płuczkowego z formacji skalnej oraz z powierzchni rur okładzinowych. Przedstawiono również badania nad opracowaniem nowych cieczy przemywających oraz hybrydowej cieczy przemywającej, która wykazywała dwufunkcyjny charakter usuwania osadu (chemiczny oraz mechaniczny).


Omawiana problematyka realizowanych prac badawczych w znacznym stopniu przyczynia się do poprawy oczyszczenia przestrzeni pierścieniowej otworu wiertniczego przed zabiegiem cementowania, a tym samym do ograniczenia migracji i ekshalacji gazu w otworach wiertniczych.


Słowa kluczowe
Ciecz przemywająca, ciecz buforowa, oczyszczenie przestrzeni pierścieniowej, ciecz hybrydowa, przestrzeń pierścieniowa, otwór wiertniczy, zabieg cementowania otworu wiertniczego, szczelność otworu, migracja gazu, środki powierzchniowo czynne, surfaktanty, środki ścierne, dodatki drobnoziarniste


Abstract


During the implementation of works related to the sealing of the casing string, one of the most important aspects is to ensure tightness in the annular space between the casing and beyond. Failure to comply with this condition may result in serious consequences, ranging from pressure increase in the upper part of the hole, to migration or gas exhalation. In order to eliminate such undesirable phenomena, the casing column should be sealed by pumping the cement slurry. However, the proper sealing of the annular space also consists in preparing the borehole for the cementing operations by thoroughly cleaning it. For this purpose, a preflush fluid is pumped into the hole, and the drilling mud is displaced by a spacer fluid and cement slurry. Appropriate preparation of the annular space contributes to a significant improvement of the sealing and allows to eliminate the formation of gas microflows on the contact of the cement sheath with the surface of the previously drilled rock formation and the surface of the casing string.


This book presents the mechanisms forming the liquid flow in the annular space of the borehole and discusses the issues concerning the action of washing agents to improve the efficiency of cleaning the annular space before the cementing operations. It presents an innovative methodology for the effectiveness of removal of mud cake. It also presents, a new device (a simulator of the flow of drilling fluids), constructed in The Oil and Gas Institute – National Research Institute, which allowed to carry out research work in the field of the effectiveness of washing fluids. The results of the influence of contact time and flow rate of the preflush fluid on the efficiency of removing the mud cake from the rock formation and the surface of the casings were discussed. Also presented are Laboratory tests on the development of a new types of washing fluids and a hybrid preflush fluid, which showed a dual-purpose character of filter cake removal (chemical and mechanical).

The discussed issues of conducted research work significantly contribute to the improvement of the purification of the annular space of the borehole before cementing operations, and thus to the reduction of gas migration and exhalation in wellbores.

Key words
Preflush fluid, spacer fluid, cleaning of the annular space, hybrid preflush fluid, annular space, borehole, wellbore cementing operations, borehole tightness, gas migration, surfactants, abrasives, fine-grain additives

 

  

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

Koszt przesyłki: 5 zł brutto za sztukę – list polecony

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