Badania petrofizyczne dla złóż niekonwencjonalnych

Badania petrofizyczne dla złóż niekonwencjonalnych
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Klasyczne złoża gazu ziemnego to pułapki wypełnione gazem zlokalizowane w skałach zbiornikowych (piaskowce, zlepieńce, skały węglanowe) o dobrych parametrach porowatości i przepuszczalności. Ich poszukiwanie jest stosunkowo kosztowne, ale eksploatacja raczej prosta. Nie wymaga zbyt dużych nakładów finansowych. W eksploatacji wykorzystuje się otwory pionowe jak i poziome. Konwencjonalne złoża gazu z reguły mają charakter wodno - naporowy, tzn. woda złożowa wywierając nacisk na gaz powoduje jego wypychanie ze złoża.

Wstęp

Niekonwencjonalne złoża gazu to akumulacje gazu ziemnego, które z ekonomicznego punktu widzenia są trudniejsze i mniej opłacalne w eksploatacji niż tradycyjne (konwencjonalne) złoża gazu. Charakteryzują się one ekstremalnie niskimi parametrami petrofizycznymi (porowatość, przepuszczalność, lub tylko jednym z nich - np. złoża "tight gas") oraz stosunkowo niskimi kosztami poszukiwań w porównaniu do kosztów zagospodarowania (duże powierzchnie obiektów złożowych, niewymagające stosowania wyrafinowanych metod geofizycznych w trakcie poszukiwań). Zagospodarowanie (przygotowanie do eksploatacji) jest dużo droższe w porównaniu do złóż klasycznych, ponieważ przebiega z reguły w oparciu o otwory poziome (od kilkunastu do kilkudziesięciu) i wielokrotne szczelinowanie hydrauliczne, bez których nie byłoby opłacalnego ekonomicznie przypływu gazu.

Pozycja niekonwencjonalnych złóż gazu

Z punktu widzenia budowy geologicznej wyróżnia się następujące rodzaje złóż gazu niekonwencjonalnego:
  • gaz z dużych głębokości (deep gas), którego złoża, występują na głębokościach powyżej 4500 m pod powierzchnią terenu i głębiej. Określenie to nabiera obecnie wydźwięku historycznego, ze względu na znaczny postęp w technologiach wiertniczych i wydobywczych, mimo, iż jego produkcja jest mniej opłacalna niż gazu ze złóż konwencjonalnych.

  • gaz zamknięty (tight gas) - złoża charakteryzujące się bardzo niską przepuszczalnością 0.1 - 0.001 mD (głównie piaskowce, rzadziej w skałach węglanowych). Eksploatacja wymaga kosztownego udostępnienia otworami poziomymi i szczelinowania a często także kwasowania. W warunkach USA zasoby gazu zamkniętego stanowią ponad 20% krajowych rezerw gazu ziemnego (EIA)

  • gaz z łupków (shale gas) - gaz akumulowany w skałach ilasto - łupkowych. Mamy tutaj do czynienia z przypadkiem, gdy skała macierzysta jest równocześnie skałą zbiornikową. Akumulacje gazu związane są z mikroporami występującymi w substancji organicznej, powstałymi na drodze przemian termicznych (generacja gazu), mikroporami w sfosylizowanych szczątkach organicznych, składnikach mineralnych (ziarna kwarcu, skaleni, okruchy węglanów) mikroporami związanymi z strefami nieciągłości w łupkach oraz nanoporami związanymi z pakietami minerałów ilastych. Otwory produkcyjne wiercone są horyzontalnie w gęstej siatce, udostępnienie wymaga szczelinowania hydraulicznego. W warunkach USA zasoby gazu z łupków stanowią ponad 33% krajowych rezerw gazu ziemnego (EIA)

  • metan z pokładów węgla (coal bed methane) jest zaabsorbowany w materii węglowej, może występować także w skałach otaczających pokłady. Udostępnianie stosunkowo płytkimi otworami poziomymi, przy zastosowaniu szczelinowania hydraulicznego. W warunkach USA zasoby gazu z pokładów węgla stanowią około 8,5% krajowych rezerw gazu ziemnego (EIA)

  • hydraty gazowe. Struktura sieci krystalicznej klatratów metanu składa się ze szkieletu krystalicznego tworzonego przez cząsteczki wody, formującego klatki wokół molekuł metanu. Klatrat metanu to biała, bezwonna substancja, wizualnie podobna do lodu, naturalnie występująca m.in. na szelfach kontynentalnych i w wiecznej zmarzlinie. Źródłem metanu jest zwykle fermentacja anaerobowa lub znacznie rzadziej ekshalacje termogeniczne. Szacuje się, że ilość węgla zawartego w hydratach może dwukrotnie przekraczać zasoby zgromadzone w złożach pozostałych kopalin. Choć podjęto już pierwsze próby, hydratów nie eksploatuje się na masową skalę, gdyż nie jest znany wpływ jakie mogłoby to mieć na globalny cykl obiegu węgla.

  • gaz stref wysokich ciśnień. Strefy te charakteryzuje wartość ciśnień wyższych niż typowe dla danych głębokości (3500 - 7500m). Formowały się one w obecności skał ilastych, których szybka kompakcja przebiegała w stropie utworów o relatywnie wyższej przepuszczalności. Wyciśnięty w ten sposób gaz i woda znalazły się pod znacznym ciśnieniem. Eksploatacja gazu stwarza problemy techniczne związane z: dużą głębokością, erupcjami, przechwytywaniem przewodu, jakością cementowania etc. Jego ilość prawdopodobnie kilkakrotnie przewyższa zasoby gazu ziemnego z pozostałych źródeł. Eksploatacja nie jest dotąd prowadzona.
Analizy laboratoryjne

Złoża niekonwencjonalne wymagają od osób projektujących i interpretujących wyniki otworów poszukiwawczych odmiennego podejścia niż do złóż konwencjonalnych. Również odmiennego podejścia wymagają badania laboratoryjne. Dla złóż niekonwencjonalnych bardzo istotne jest zaprojektowanie odpowiedniego zestawu analiz laboratoryjnych. W dotychczasowej analityce związanej ze złożami konwencjonalnymi zaprojektowanie odpowiedniego zestawy analiz było już praktycznie sprawą rutynową. Przez kilkadziesiąt lat poszukiwań firmy naftowe wypracowały kanon niezbędnych analiz do oceny parametrów petrofizycznych skał zbiornikowych, modyfikowanych jedynie w zależności od typu skał zbiornikowych (piaskowce, węglany). Badania petrofizyczne dla złóż typu "thight gas" opierają się o klasyczne analizy petrofizyczne, jedynym wyjątkiem jest pomiar współczynnika przepuszczalności ze względu na zakres pomiarowy (do 0.1 mD).

Natomiast w badaniach petrofizycznych wykonywanych dla złóż "shale gazu" w odróżnieniu od badań geochemicznych nie można "wprost" przenieść metodyki stosowanej dla rozpoznania i opisania klasycznych złóż gazu.

Jednym z powodów jest to że łupki są:
  • skałą macierzystą

  • skałą uszczelniającą

  • skałą zbiornikową
W polskim "slangu" geologicznym mówiąc o gazie łupkowym myślimy głównie o gazie zawartym w łupkach ilastych. Większość złóż "shale gazu" w USA jest natomiast związana z utworami frakcji pylastej lub mułowcowej. Poniżej zaprezentowano obowiązujący podział skał drobnoziarnistych

Również w naszych realiach należy się spodziewać, że złoża "shale gazu" będą powiązane ze wszystkimi typami skał drobnoziarnistych.

Analizując parametry petrofizyczne należy wziąć pod uwagę:
  • znaczną zawartość minerałów ilastych

  • zawartość kerogenu

  • nasycenie wodą mogące sięgać wartości 80%, przy braku konturu woda - gaz

  • praktycznie zerową przepuszczalność matrycy skalnej, charakterystyczna dla skał uszczelniajacych

  • brak wyraźnej struktury

  • specyficzne wykształcenie parametrów przestrzeni porowej

  • akumulacja gazu wolnego i zaadsorbowanego

  • przepływy głównie dyfuzyjne

  • przepływy również w nanoporach

  • nasycenie wodą oraz zawartość substancji organicznej będą miały istotny wpływ na bilans zasobów
Porowatość w skałach "łupkowych" związana jest z:
  • porami w substancji organicznej (macierzystej)

  • porami wewnątrzziarnowymi

  • porami miedzyziarnowymi
Analizując własności petrofizyczne skał drobnoziarnistych należy zwrócić uwagę na:

1. Analiza przepuszczalności sprowadza się do stwierdzenia, czy w danej skale nie występują naturalne systemy szczelin. Jeśli tak to trzeba określić ich parametry filtracyjne (analiza karotaży, zgłady, płytki cienkie). Przepuszczalności intergranularne są zbyt niskie by mieć jakiekolwiek znaczenie.

2. Pomiar porowatości w odróżnieniu od złóż konwencjonalnych jest trudny zarówno do pomiaru, jaki i interpretacji. W przestrzeni porowej obok klasycznych porów międzyziarnowych występują również pory wewnątrzziarnowe. W przestrzeni porowej występuje również rezydualna substancja organiczna, która zajmuje część przestrzeni międzyziarnowej, ale ma równocześnie własną porowatość. Mamy więc bilans objętości porów międzyziarnowych, wewnątrzziarnowych oraz porów zawartych w substancji organicznej. Dodatkowo, jeśli chodzi o wymiary poszczególnych porów dominują nanopory - oznacza to znaczne wartości powierzchni właściwych oraz związaną z tym parametrem ilośc gazu zaabsorbowanego na powierzchni porów.

3 Jak stwierdzono w punkcie 1 przepuszczalności w klasycznym tego słowa znaczeniu nie ma, natomiast badania mikroskopowe i porozymetryczne powinny dać odpowiedź na możliwości istnienia przepływów dyfuzyjnych.

Badania petrofizyczne utworów drobnoziarnistych powinny skupić się na:
  • Ocenie pojemności użytecznej skały

  • Ocenie możliwości transportu płynów złożowych
Do oceny pojemności użytecznej skały należy określić:
  • porowatość całkowitą

  • porowatość efektywną

  • % porowatości zajętej przez wodę

  • % porowatości zajętej przez węglowodory ciekłe

  • % porowatości zajętej przez RSO
Biorąc pod uwagę powyższe zestawienie oraz wcześniejsze definicje porowatości występującej w skałach typu shale gas do wykonania mamy cały kompleks badawczy, którego schemat zamieszczono na rys 2.

W pomiarach gęstości powinny zostać wykonane
  • pomiar gęstości objętościowej ( np. w porozymetrze rtęciowym)

  • pomiar gęstości szkieletowej (porometria helowa)

  • pomiar gęstości szkieletu mineralnego
Pomiar gęstości szkieletowej obejmuje również objętość RSO. Aby uwzględnić ją w bilansie objętości należy:
  • albo usunąć ja ze szkieletu mineralnego w całości i powtorzyć pomiar porometrii helowej,

  • albo ocenić jej ilość analizą Rock Eval i wyliczyć jej objętość z gęstości RSO
Mając masę suchej próbki oraz te trzy gęstości możemy wyliczyć porowatość całkowitą oraz objętość zajmowaną przez RSO

W badaniach porowatości powinny zostać wykonane:

- badania porozymetryczne (do 60000 psi, wielkość porów od 0.001 mm)

Jako wynik otrzymujemy: porowatość efektywną, rozkład średnic porów, informację o jakości połączeń pomiędzy porami oraz wartość powierzchni właściwej.

Objętości wody i ropy zawartej w próbce wyliczamy z ekstrakcji aparacie Deana - Starcka.

W ten sposób otrzymano wszystkie wielkości potrzebne w bilansie pojemności użytecznej.

Sprawa kluczową dla otrzymania rzetelnych i powtarzalnych pomiarów jest odpowiednie przygotowanie prób do badań. Właściwie tylko pomiar gęstości objętościowej można wykonać na próbce nierozdrobnionej. Nanopory oraz praktyczny brak przepływów niedyfuzyjnych powoduje, że zarówno ekstrakcja Deana Starcka jest niepełna, jak również nie otrzymuje się rzetelnych danych przy innych pomiarach. Wszystkie pozostałe analizy wykonujemy na materiale odpowiednio rozdrobnionym (nawet oznaczenia porozymetryczne).

Ostatnim elementem, który jest konieczny do ustalenia bilansu objętościowego jest pomiar ilości gazu zaadsorbowanego. Wykonuje się go na samym początku cyklu pomiarowego. Umożliwia on obok bilansu pojemności oszacowanie stosunku gazu wolnego i zaabsorbowanego na ściankach porów.

Pomiary porozymetryczne, konieczne w bilansie pojemności pozwalają określić możliwości transportu dyfuzyjnego przez skałę, istniejące połączenia między poszczególnymi porami oraz rozkład wielkości nich średnic. W ten sposób przechodzi sie do oszacowania możliwości transportu płynów złożowych przez skały. Istniejący system połączeń mikroporów pozwala na odbieranie gazu do systemu wygenerowanych w skale szczelin. Jednak optymalna sytuacja to taka w której w złożu typu shale gaz istnieje naturalnie istniejący system szczelin, dający niezerowe przepływy niedyfuzyjne.

Badania mikroszczelinowatości (możliwe jest wykonanie takich badań na dwojaki sposób):
  • badania przepuszczalności na pełnym rdzeniu - wymaga pewności, co do niezmienności materiału skalnego w trakcie rdzeniowania, transportu na powierzchnię oraz w czasie przygotowania do analizy

  • badania laboratoryjne na płytkach cienkich i zgładach - pozwalają na określenie rozwartości mikroszczelin, ich generacji, oszacowania ich przepuszczalności (jeśli sa otwarte)
w powiązaniu z metodami geofizyki wiertniczej (sondy pozwalające zobrazować powierzchnię otworu wiertniczego np. CAST, FMI) umożliwiają określenie systemu spękań oraz wyliczenie przepuszczalności szczelinowej dla serii skalnej.

Badaniami uzupełniającymi dla analiz petrofizycznych, ale również je wspomagającymi są badania mineralogiczne. W poszukiwaniach i ocenie złóż gazu łupkowego powinny one przebiegać dwukierunkowo:

- Analizy XRD obejmujące:
  • badania matrycy skalnej - analiza ilościowo - jakościowa

  • analiza ilościowo - jakościowa wydzielonych minerałów ilastych
- Analizy mikroskopowe:
  • analiza petrograficzna (planimetr okruchów skał, kwarcu, skaleni, minerałów ilastych, cementów)

  • analiza cementów (typ, rodzaj, ilość, rozmieszczenie)

  • analiza mineralizacji (wypełnienia) mikroszczelin

  • procesy diagenetyczne (katodoluminescencja)

  • analizy w SEM
Analizy mineralogiczne wykonywane dla potencjalnych złóż "shale gas" mają na celu określenie składu mineralnego oraz kruchości/łamliwości łupków. Są to parametry niezbędne do zaprojektowania zabiegów szczelinowania. Wykonanie analiz jakościowo - ilościowych XRD pozwala nam na określenie tych wartości. Otrzymujemy również skład minerałów ilastych występujących w analizowanych skałach, co pozwala nam określić potencjalny wpływ cieczy szczelinujących na zachowanie się skały (ewentualne pęcznienie).

Z analiz ilościowo - jakościowych XRD otrzymujemy sumaryczne zawartości wszystkich minerałów występujących w analizowanej próbce. Nie znamy jednak ich rozmieszczenia w strukturze analizowanej skały. Zawartość np. kalcytu z XRD mówi nam o ogólnej zawartości kalcytu w próbce, nie mówi nam natomiast o jego rozłożeniu, czyli czy mamy do czynienia z okruchami węglanów, czy też z cementem. Podobnie jest w przypadku kwarcu, skaleni czy też pirytu. Rozkład poszczególnych faz mineralnych (ziarna detrytyczne czy cement) pozwalają na bardzo dobre scharakteryzowanie występujących porów i powiązanie ich z teksturą i strukturą analizowanej skały, co pomaga nam lepiej zaprojektować zabiegi szczelinowania.

Zaprezentowany powyżej schemat badan petrofizycznych i mineralogicznych dla złóż typu "shale gas" powinien być w rozsądny sposób modyfikowany w zależności od typu analizowanych skał oraz parametrów przestrzeni porowej. Niezwykle istotna sprawą jest odpowiednie przygotowanie prób do badań, począwszy od skutecznej ekstrakcji.

Szczegółowa analiza skał pod względem ich parametrów petrofizycznych, strukturalnych w skali mikro i makro, w kontekście budowy geologicznej (rodzaj górotworu kierunków występujących w nim spękań i naprężeń) wraz z badaniami geochemicznymi dają podstawę do projektowania zarówno prac wiertniczych, jak też udostępniających złóż gazu łupkowego, czy gazu związanego.


×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Badania petrofizyczne dla złóż niekonwencjonalnych

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!