Badania rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej

Skały węglanowe charakteryzują się dużym zróżnicowaniem strukturalnym, teksturalnym i petrograficznym, wynikającym ze środowiska depozycji oraz procesów diagenezy. Warunkuje to powstanie zróżnicowanej sieci porowej, charakterystycznej dla konkretnych warunków sedymentacji i diagenezy (Zalewska, 2010). Dla wizualizacji przestrzeni porowej analizowanych próbek oraz wyznaczenia parametrów petrofizycznych zastosowano metodę rentgenowskiej mikrotomografii komputerowej, która pozwoliła na dostarczenie szczegółowej informacji na temat ich potencjału zbiornikowego. Połączenie uzyskanych informacji z wynikami z porozymetrii rtęciowej umożliwiło dokładną charakterystykę przestrzeni porowej analizowanych skał.

Analizę parametrów petrofizycznych skał węglanowych dewonu basenu lubelskiego metodą mikrotomografii komputerowej wykonano w Instytucie Nafty i Gazu – Państwowym Instytucie Badawczym w Krakowie mikrotomografem rentgenowskim Benchtop 160 CT (Dohnalik, 2014; Łykowska, 2012; Zalewska i Dohnalik, 2009b). Badania wykonano na 5 próbkach skał węglanowych pochodzących z pięciu otworów poszukiwawczych z północno-zachodniego i południowo-wschodniego rejonu dewonu środkowego i górnego basenu lubelskiego, reprezentujących fran, famen oraz eifel. Analizie poddano próbki reprezentowane przez dolomity i wapienie o zróżnicowanych strukturach i teksturach oraz o różnym charakterze porowatości. W pracy zaprezentowano wyniki badań micro-CT 3 próbek, w dwóch próbkach 15337 i 15351 nie zaobserwowano żadnej porowatości. Uzyskana rozdzielczość przestrzenna obrazu wynosiła 24,3 μm³, co pozwoliło na odtworzenie wewnętrznej struktury przestrzeni porowej (rys. 4.33).

Rys. 4.33. Zdjęcia próbki nr 15342 makroskopowe oraz zrekonstruowany przekrój poprzeczny w obrazie mikrotomograficznym (obszary jasne - wysoka gęstość, obszary ciemne - niska gęstość)

121

Analiza porowatości całkowitej, na podstawie wyników badań mikrotomografii rentgenowskiej, opierała się na podziale sieci porowej na podgrupy. Każda z podgrup to zespół porów połączonych ze sobą, lecz nie skomunikowanych z innymi podgrupami. Podgrupy zostały podzielone na klasy ze względu na swoją objętość (tab. 4.7) (Dohnalik, 2014; Zalewska, 2010).

Tabela 4.7

Oznaczenia objętości klas porów

Klasa Objętość pora

[woksel] Objętość pora [μm3 ] Kolor I 1-9 2∙102 -2∙10³ żółty II 10-99 2∙103 -2∙10⁴ niebieski III 100-999 2∙104 -2∙10⁵ czerwony IV 1000-9999 2∙105 -2∙10⁶ zielony V 10000-99999 2∙106 -2∙10⁷ biały VI 100000- 999999 2∙107 - 2∙10⁸ fioletowy VII > 1000000 >2∙10⁸ koralowy róż

Podział porów na klasy pozwolił na wykonanie wykresów umożliwiających półilościową analizę uzyskanych wyników. Wykresy wykonano w dwóch wersjach: pierwszy to wykres liczebności podgrup w poszczególnych klasach objętości ilustrujący zróżnicowanie objętościowe poszczególnych klas. Drugi prezentuje procentowy udział poszczególnych klas objętości porowatości w danej próbce. Analiza wykresów pozwoliła na interpretację porowatości pod względem „spójności‖ sieci porowej, czyli stwierdzenia, czy sieć porowa jest zdominowana przez jeden zespół porów, czy też jest rozproszona i podzielona na wiele podgrup nieskomunikowanych ze sobą (Zalewska, 2010).

Analiza próbki nr 15342 metodą micro-CT wykazała, że jej porowatość całkowita wynosi 0,95%. Strukturę przestrzeni porowej skały przedstawiono na rysunku 4.34. W próbce jest widoczna szczelina przecinająca całą próbkę. Udział klas II-V porowatości jest niewielki. Procentowo udział objętości porów rozkłada się następująco: 21% - II klasa, 13% - III klasa, 4% - IV klasa oraz 2% - V klasa. Największy udział w objętości przestrzeni porowej (61%) mają pory należące do VII klasy objętościowej (rys. 4.35).

122

Rys. 4.34. Obraz mikrotomograficzny próbki nr 15342

Rys. 4.35. Klasyfikacja jakościowa oraz ilościowa objętości porów próbki nr 15342

Obrazy mikrotomograficzne przekroju przez szczelinę w analizowanej próbce przedstawiono na rysunku 4.36. Szczelina jest przedstawiona w układze trzech współrzędnych (X, Y, Z). Oś Z (oznaczona kolorem niebieskim) jest równoległa do osi próbki. Oś X oznaczona kolorem czerwonym natomiast oś Y kolorem zielonym. Rozwartość szczeliny w płaszczyźnie XY zmienia się od 82,0 μm do 119,0 μm, ze średnią wartością 93,7 µm (rys. 4.36b). Parametr ten oszacowano na podstawie 10 pomiarów rozwartości w różnych punktach. Długość analizowanej szczeliny w płaszczyźnie XZ wynosi 8,5 mm (rys. 4.36a). Dla obserwowanej próbki kąt nachylenia szczeliny do płaszczyzny XY wynosi 76,0° (rys. 4.36c). Na podstawie analizy przekrojów mikrotomograficznych stwierdzono, że szczelina jest rozgałęziona, kąt jaki tworzą jej odgałęzienia jest równy 28^○ (rys. 4.36d).

Porównując rozwartości szczeliny wyznaczone z badań przepuszczalności i analizy mikroszczelinowatości (4,12 μm) oraz mikrotomografii komputerowej (93,7 μm) można stwierdzić, że uzyskany wynik jest o rząd wielkości rozwartości szczeliny większsy niż

1 10 100 1000 10000 100000 I II III IV V VI VII il o ść p o d g ru p

klasy objętości [voxel]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I II III IV V VI VII U d zi ał k la s o b ję to śc i [% ]

123

uzyskany z badań przepuszczalności i analizy mikroszczelinowatości. Zawyżona wartość rozwartości szczeliny była spowodowana nie stosowaniem w mikrotomografii komputerowej tak wysokich ciśnień nadkładu jak w pierwszej metodyce.

124

Rys.4.36. Obrazy mikrotomograficzne próbki nr 15342

a) – długość szczeliny, [mm], b) – rozwartość szczeliny, [μm], c) – kąt nachylenia szczeliny do płaszczyzny,[º], d) – kąt pomiędzy rozgałęzioną szczeliną, [º]

a) ^b)

c) _d)

125 1 10 100 1000 10000 100000 I II III IV V VI VII il o ść p o d g ru p

klasy objętości [voxel]

Drugą analizowaną metodą micro-CT próbką była próbka nr 15343. Porowatość całkowita wyznaczona metodą mikrotomografii komputerowej dla tej próbki wynosi 1,9%. W analizowanej próbce dominowały niskie klasy objętości (II i III), wynoszące odpowiednio 49% i 15%. Zaobserwowano bardzo małe udziały procentowe IV klasy objętości porów (2,5%) i V klasy (0,5%). Klasa VII miała udział procentowy (33%) (rys. 4.37). Z analizy przekrojów mikrotomograficznych wynika, że w próbce praktycznie cała porowatość pochodzi od szczeliny, która w różnych punktach przekroju ma odmienne długości 6,8 mm, 3,2 mm oraz 2,4 mm (rys. 4.38b). Średnia rozwartość szczeliny wyznaczona w kilku punktach 15343 wynosi 86,4 µm (rys. 4.38c). W górnej części próbki można zauważyć rozgałęzienie szczeliny w formie litery V, kąt pomiędzy odgałęzieniami wynosi 35^○ (rys. 4.38d).

Rys. 4.37. Klasyfikacja jakościowa oraz ilościowa objętości porów próbki nr 15343 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I II III IV V VI VII U d zi ał k la s o b ję to śc i [% ]

126

Rys. 4.38. Obrazy mikrotomograficzne próbki nr 15343:

a) – przekrój szczeliny, b) – rozwartość szczeliny, [μm], c) – kąt nachylenia szczeliny do płaszczyzny, [º], d) – kąt pomiędzy rozgałęzioną szczeliną, [º]

a) _b)

127

Próbka 15347 pochodząca z otworu Tomaszów Lubelski IG-1 (SE dewonu basenu lubelskiego) charakteryzuje się porowatością 3,12%. Analizą stwierdzono występowanie tylko jednej klasy objętości porowatości (VII), która jest reprezentowana przez kawernę o wielkości koło 2 cm (rys. 4.39-4.40). Stwierdzono kawernę o długości w płaszczyźnie XY - 14,4 mm, w płaszczyźnie XZ - 10,3 mm (rys. 4.39). Dowodem na to jest fakt, że w południowo-zachodniej części basenu lubelskiego w węglanowych utworach dewonu procesom zastępowania, towarzyszyło rozpuszczanie prowadzące do powstawania kawern oraz systemu spękań (Narkiewicz i in., 2011, 2005). W wyniku głównej fazy dolomityzacji powstał drożny system połączonych kawern (do kilku cm) i bardzo małych porów, co można zaobserwować w próbce nr 15347 (rys.4.40).

Rys. 4.39. Klasyfikacja jakościowa oraz ilościowa objętości porów próbki nr 15347 1 10 100 1000 10000 100000 I II III IV V VI VII il o ść p o d g ru p

klasy objętości [voxel]

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 I II III IV V VI VII U d zi ał k la s o b ję to śc i [% ]

128

Rys. 4.40. Obraz mikrotomograficzny próbki nr 15347

b)

a)

c)

129

Podsumowanie

Na podstawie analizy współczynników porowatości i przepuszczalności absolutnej można stwierdzić, że analizowane skały węglanowe dewonu w wybranych regionach basenu lubelskiego należą do zbiorników typu „tight”. Przepuszczalności nie przekraczają 0,1 mD, natomiast porowatości całkowite do 3%, tylko w niektórych przypadkach dochodzą do 6,5% przy występowaniu kawern.

Analizując przepuszczalność skał węglanowych dewonu, można stwierdzić, że w północno-zachodnim rejonie basenu lubelskiego skały węglanowe dewonu charakteryzują się lepszymi właściwościami filtracyjnymi (śr. 8,38 µD), niż w południowo-wschodnim obszarze (śr. 0,24 µD). Na podstawie analizy porozymetrycznej skał węglanowych dewonu północno-zachodniej części basenu lubelskiego można stwierdzić, że utwory te charakteryzują się gorszymi właściwościami zbiornikowymi, ze względu na niższe wartości średniej średnicy porów (0,41 µm) i wyższe wartości powierzchni właściwej (0,32 m2

/g). Przebieg wykresów porozymetrii rtęciowej świadczy o skomplikowanym wykształceniu przestrzeni porowej analizowanych próbek, w których dominują pory o małych średnicach. Skały węglanowe dewonu z południowo-wschodniej części basenu lubelskiego charakteryzują się podwyższonymi wartościami średniej średnicy porów (6,12 µm) i obniżonymi wartościami powierzchni właściwej (0,29 m2

/g), które świadczą o lepszym potencjale zbiornikowym tego obszaru. Słabsze parametry filtracyjne osadów węglanowych dewonu w SE części basenu lubelskiego związane są z procesami diagenetycznymi (wytrąceniem cementów anhydrytowych oraz kompakcją).

Zróżnicowanie wartości współczynników porowatości i przepuszczalności wynika z odmiennego wykształcenia przestrzeni porowej analizowanych skał. Osady węglanowe dewonu w północno-zachodniej części charakteryzują się nanoporowym (średnia średnica kapilary 0,41µm) wykształceniem przestrzeni porowej, podczas gdy w południowo-wschodniej części mikroporowo-nanoporowym (średnia średnica kapilary 6,12 µm).

Podwyższone wartości porowatości oraz charakterystyczny przebieg krzywych kumulacyjnych utworów węglanowych dewonu NW regionu wynika z występowania w tych skałach szczelin i kawern np. w wapieniu z otworu Tomaszów Lubelski IG-1.

Przepuszczalność skał węglanowych dewonu wynika z występowania mikroszczelin w przestrzeni porowej, które umożliwiają transport płynów złożowych. Istnienie mikroszczelin stwierdzono badaniami porozymetrii rtęciowej oraz mikrotomografii komputerowej.

130

Spośród jednostek litostratygraficznych dewonu środkowego i górnego, w których występują utwory węglanowe najlepsze właściwości filtracyjne mają osady formacji bychawskiej (dewon górny). Wartości współczynnika przepuszczalności absolutnej wahają się w zakresie 0,26-62,7 µD, ze średnią wartością 21,2 µD i odchyleniem standardowym - 16,67 µD. Współczynnik porowatości skał formacji bychawskiej waha się w granicach 1,47-2,21%, ze średnią wartością 1,74% i odchyleniem standardowym 1,17%. Gorsze właściwości petrofizyczne mają skały formacji modryńskiej, średni współczynnik porowatości całkowitej 1,93% (zakres 0,51-4,78%) i średni współczynnik przepuszczalności absolutnej 0,19 µD (zakres 0,01-0,74 µD). Skały budujące formacje firlejską i hulczańską (dewon górny) charakteryzują się małymi wartościami współczynnika przepuszczalności, wynoszącymi odpowiednio 1,1 µD i 0,53 µD. Współczynniki porowatości tych formacji miały średnią wartość odpowiednio 1,93% i 2,45%. Próbki pobrane z formacji telatyńskiej mają średni współczynnik przepuszczalności - 0,42 µD, przy zakresie 0,01-1,06 µD i odchyleniu standardowym 19,7 µD. Średni współczynnik porowatości 1,45%, przy zakresie 0,86-2,58% i odchyleniu standardowym 1,17%.

Biorąc pod uwagę litologię utworów węglanowych dewonu lepszymi właściwościami filtracyjnymi charakteryzują się wapienie (średnia przepuszczalność - 5,6 µD; przy zakresie 0,01-62,7 µD i odchyleniu standardowym 13,93 µD). Średni współczynnik porowatości całkowitej dla tych skał wynosił 1,8%, przy zakresie 0,47-4,78% i odchyleniu standardowym 1,45%. Dolomity natomiast charakteryzują się niższą wartością średniego współczynnika przepuszczalności 0,37 µD, przy zakresie 0,03– 1,06 µD i odchyleniu standardowym 0,39 µD.

Na podstawie analizy wyników badań porozymetrii rtęciowej zaproponowano wydzielenie w skałach węglanowych dewonu basenu lubelskiego dwóch typów:

 typ 1 - skały o małej porowatości i o bardzo niskiej przepuszczalności. Są to skały o współczynnikach porowatości całkowitej do 6,5%, przepuszczalności poniżej 1 μD. Wartości średnic progowych nie przekraczają 2 μm.

 typ 2 – skały niskoporowate o nanoporowej strukturze przestrzeni porowej. Przepuszczalność (>1 μD) tej grupy skał jest wynikiem obecności szczelin. Porowatośći całkowite nie przekraczają wartości 3%. Średnice progowe od 0,18 do 0,45 μm. Skały tego typu występują np. w profilu dewonu w otworach Stężyca 2 i 4 oraz Baranów 1.

131

Wykonane badania kąta kontaktu (zwilżania) skał węglanowych dewonu potwierdziły, że wraz ze wzrostem temperatury i ciśnienia kąt zwilżania maleje powodując zmianę typu zwilżalności ośrodka skalnego z mieszanego na wodozwilżalny. Rezultaty przeprowadzonych badań potwierdzają mieszany charakter zwilżalności skał węglanowych (dolomitów i wapieni) i są zbieżne z wynikami uzyskanymi przez licznych badaczy zajmujących się tą tematyką (Alotaibi i in., 2010; Hamouda i Gomari, 2006; Yang i in., 2008).

Badania mikrotomograficzne utworów dewonu umożliwiły wizualizacje sieci porowej oraz zidentyfikowanie i scharakteryzowanie występujących szczelin i kawern w analizowanych próbkach. Interpretacja przekroi mikrotomograficznych pozwoliła na określenie procentowego udziału porów o określonych średnicach. W dwóch analizowanych próbkach (15342 i 15347) sieć porowa jest zdominowana przez zespół porów klasy VII o objętości porów rzędu >2∙108 m³. W trzeciej próbce (15343) dominowała klasa objętości II (49%) o objętości porów rzędu 2∙103

-2∙10⁴m³. Dominacja jednej klasy porów powoduje, że komunikacja między zespołami porów jest utrudniona i przekłada się na niskie wartości przepuszczalności skał. W próbkach 15342 i 15343 stwierdzono występowanie rozgałęzionych szczelin, w trzeciej próbce (15437) kawerny o wielkości koło 2 cm (o długości w płaszczyźnie XY 14,4 mm, w płaszczyźnie XZ -10,3 mm).

132

5. Analiza statystyczna parametrów petrofizycznych