Interpretacja wyników badań magnetycznego rezonansu jądrowego

Interpretacja wyników badań laboratoryjnych z wykorzystaniem zjawiska NMR dostarczyła informacji na temat wielkości porowatości całkowitej i efektywnej, a także rozkładu nasycenia wodą w przestrzeni porowej. W obrębie skał klastycznych i węglanowych widoczna była zmienność wyznaczonych parametrów petrofizycznych (tab. 3.3.2.1). Porowatość całkowita mieściła się w przedziale od 0,39-14,75% w grupie skał klastycznych i od 0,58-3,44% w grupie skał węglanowych, przyjmując średnie wartości odpowiednio równe: 4,19% i 1,23%. W przypadku porowatości efektywnej zakresy zmian zamykały się odpowiednio w przedziale od 0,08-11,6% i od 0,11-1,25%, przy średnich wartościach równych: 2,42 i 0,44%. Zawartość wody nieredukowalnej mieściła się w przedziale 9,23-88,44% w grupie skał klastycznych i 15,54-89,96% w grupie skał węglanowych.

Różnica pomiędzy analizowanymi parametrami w przypadku użycia do ich obliczenia standardowych i indywidualnych czasów granicznych była stosunkowo duża (fig. 3.3.2.1). Prezentowany na wykresie (fig. 3.3.2.1) błąd został obliczony jako iloraz różnicy wartości parametru uzyskanej z analizy na podstawie indywidualnych czasów odcięcia i na podstawie standardowych czasów odcięcia i parametru uzyskanego z analizy na podstawie indywidualnych czasów odcięcia. Błąd względny wyrażono w procentach. Analizowane skały są niskoporowate i interpretacja powinna być szczególnie nastawiona na poprawne wyznaczenie Kp1, Kp2 i Kp3. Niewielkie zmiany czasów odcięcia rzutują na zmiany zawartości wody wolnej i unieruchomionej oraz wpływają na wielkość potencjału zbiornikowego. Największe różnice zauważalno w przypadku skał węglanowych, mniejsze w przypadku skał klastycznych.

Skały osadowe wieku prekambryjskiego i paleozoicznego charakteryzowały się największym udziałem objętości wody związanej w przestrzeniach międzypakietowych iłów (Kp1). W grupie skał klastycznych średnio 43% objętości przestrzeni porowej stanowiła woda nieredukowalna (Kp1), natomiast w grupie skał węglanowych – średnio 63%. Skały klastyczne wieku kambryjskiego (średnio 2,28%) i skały węglanowe wieku permskiego (średnio 3,06%) odznaczały się najwyższą wartością Kp1, spośród wszystkich analizowanych próbek.

Fig. 3.3.2.1. Błąd względny dla parametrów uzyskanych w wyniku analizy rozkładu nasycenia przy zastosowaniu standardowych i indywidualnych czasów odcięcia

Tabela 3.3.2.1. Charakterystyka statystyczna wyników badań laboratoryjnych z wykorzystaniem zjawiska NMR. Oznaczenia jak w tab. 3.3.1.1

Parametr Litologia N Min Max Śr Odch. st. Me Kp1 [%] skały klastyczne 25 0,31 5,05 1,77 1,29 1,12 Kp2 [%] 25 0,05 3,98 1,29 1,32 0,52 Kp3 [%] 25 0,03 10,19 1,13 2,72 0,19 Kp nmr [%] 25 0,39 14,75 4,19 3,77 2,52 Kp nmr ef [%] 25 0,08 11,60 2,42 3,17 0,81 Sw nr [%] 25 9,23 88,44 55,24 23,29 61,85 Kp1* [%] 25 0,31 5,38 2,00 1,55 1,27 Kp2* [%] 25 0,03 3,40 1,12 1,07 0,64 Kp3* [%] 25 0,02 9,53 1,06 2,58 0,15 Kp3'* [%] 4 0,01 0,04 0,02 0,02 0,02 Kp nmr* [%] 25 0,39 14,75 4,19 3,77 2,52 Kp nmr ef* [%] 25 0,08 11,47 2,19 3,15 0,80 Sw nr* [%] 25 10,27 95,06 59,40 22,64 61,56 Kp1 [%] skały węglanowe 14 0,23 3,06 0,78 0,79 0,52 Kp2 [%] 14 0,08 1,10 0,38 0,25 0,31 Kp3 [%] 14 0,00 0,19 0,07 0,06 0,04 Kp nmr [%] 14 0,58 3,44 1,23 0,77 1,00 Kp nmr ef [%] 14 0,11 1,25 0,44 0,29 0,34 Sw nr [%] 14 15,54 89,96 59,44 21,61 61,59 Kp1* [%] 14 0,10 3,02 0,67 0,84 0,44 Kp2* [%] 14 0,04 0,63 0,34 0,17 0,39 Kp3* [%] 14 0,04 0,76 0,19 0,20 0,14 Kp3'* [%] 13 0,00 0,11 0,03 0,03 0,01 Kp nmr* [%] 14 0,58 3,44 1,23 0,77 1,00 Kp nmr ef* [%] 14 0,20 1,32 0,55 0,31 0,48 Sw nr* [%] 14 10,09 90,13 46,51 27,03 46,93

Współczynnik nasycenia wodą związaną, jako parametr informujący o udziale procentowym Kp1 w stosunku do porowatości całkowitej, był najwyższy w dewońskich skałach klastycznych (średnio 76%) i permskich skałach węglanowych (średnio 89%). Skały te charakteryzowały się najwyższym udziałem procentowym wody nieredukowalnej w całej przestrzeni porowej. Najwyższą zawartością wody wolnej Kp3 charakteryzowały się skały klastyczne wieku karbońskiego (średnio 2,41%) i węglanowe wieku ordowickiego (średnio 0,1%). Najlepsze własności zbiornikowe (wysoka Kp nmr ef i niskie Sw nr) zaobserwowano w ordowickich skałach klastycznych i dewońskich skałach węglanowych, natomiast najsłabsze w sylurskich skałach klastycznych i ordowickich skałach węglanowych.

Rozkłady skumulowanych i znormalizowanych do wartości maksymalnej amplitudy sygnałów NMR (fig. 3.3.2.2, 3.3.2.3), a także stałych czasowych T₂, (fig. 3.3.2.4, 3.3.2.5) odzwierciedlają zmienność wyników pomiarów NMR w skałach o zróżnicowanej litologii i wieku. Na podstawie przebiegu krzywej skumulowanej, znormalizowanej amplitudy sygnału NMR vs. czas T₂ możliwe było scharakteryzowanie skały pod względem wykształcenia przestrzeni porowej (fig. 3.3.2.2-3.3.2.5). Analiza podobieństwa skumulowanych sygnałów NMR (fig. 3.3.2.2, 3.3.2.3) stanowiła podstawę do wydzielenia trzech grup charakterystycznych pod względem typu wykształcenia przestrzeni porowej (Moss, 2007).

Grupa 1. obejmowała skały o przewadze małych porów i szczelin. Należą do niej wszystkie krzywe wklęsłe (wypukłe w górę) dla próbek skał klastycznych (fig. 3.3.2.2): 869, 873, 876, 872, 879, 881, 886, 130, 139, 889, 890, 894, 896, 137, 893, 871, 878, 892, 870, 129 i węglanowych: 884, 885, 895, 131, 132, 133, 134, 135, 140 (fig. 3.3.2.3). Grupa 1. charakteryzowała się największym nasyceniem wodą nieredukowalną, odzwierciedlającym się w względnie wysokich wartościach parametrów: Kp1 i Sw nr – największa część sygnału przypadała na niskie czasy relaksacji poprzecznej T2 (fig. 3.3.2.2-3.3.2.5).

W grupie 2. zaobserwowano w miarę równomierne rozłożenie sygnału (fig. 3.3.2.4, 3.3.2.5), a więc wielkość parametrów Kp1 i Kp2 i Kp3 była podobna. Grupa 3. charakteryzowała się przewagą porów i szczelin o dużych rozmiarach. Krzywe wypukłe (wypukłe w dół) dla próbek skał klastycznych 888, 877, 887, 874, oraz skał węglanowych: 136, 142 odnosiły się do skał o najlepszych własnościach filtracyjnych (fig. 3.3.2.2-3.3.2.5). Skały z grupy 3. odznaczały się największym udziałem sygnału z zakresu wysokich czasów T₂, odzwierciedlającym się we względnie wysokich wartościach parametrów Kp2, Kp3 i Kp nmr ef i niskich Kp1 i Sw nr.

Fig. 3.3.2.2. Skumulowane znormalizowane rozkłady sygnałów NMR dla skał klastycznych; krzywa czarna – Cm, pomarańczowa – O, fioletowa – S, zielona – D, niebieska – C, żółta – P

Fig. 3.3.2.3. Skumulowane znormalizowane rozkłady sygnałów NMR dla skał węglanowych.; kolory jak na fig. 3.3.2.2

Fig. 3.3.2.4. Rozkłady stałych czasowych T2 skał klastycznych; kolory jak na fig. 3.3.2.2

Wydzielone grupy korespondowały z wyznaczonymi przy użyciu indywidualnych czasów odcięcia parametrami (fig. 3.3.2.2-3.3.2.5, tab. 3.3.1.1). Grupa 1. skał klastycznych (20 próbek) przyjmowała średnie wartości porowatości efektywnej i całkowitej odpowiednio: równe 1 i 3,1%, przy przedziałach odpowiednio równych: 0,08-3,4% i 0,39-8,2% i odchyleniu standardowych równym odpowiednio 1 i 2,5%. W grupie 1. skał węglanowych (11 próbek)

średnie wartości porowatości efektywnej i całkowitej wynosiły odpowiednio: 0,4 i 1,3%, zawierając się w zakresach 0,2-0,58% i 0,8-3,4%, przy odchyleniu standardowym równym 0,19 i 0,86%. Udział Kp1 (średnia 2,1% dla skał klastycznych i 0,8% dla węglanowych) był największy w stosunku do Kp2 (średnia 0,8% w skałach klastycznych i 0,3% – węglanowych) i Kp3 (średnia 0,2% w skałach klastycznych i 0,1% – węglanowych). Średnie czasy graniczne T₂gr1, T₂gr2, T₂gr3 dla grupy 1. skał klastycznych wynosiły odpowiednio: 5,4 ms, 44 ms i 249 ms, natomiast skał węglanowych: 2,7 ms, 24 ms i 204 ms. W grupie 2. znajdowało się po jednej próbce skał klastycznych i węglanowych (tab. 3.3.1.2). Czasy odcięcia T₂gr1, T₂gr2, T₂gr3 dla skał klastycznych (próbka 141) wynosiły odpowiednio: 1,4 ms, 10 ms i 255 ms, natomiast węglanowych (próbka 138) – 1,9 ms, 33 ms i 148 ms. Grupa 3. skał klastycznych (4 próbki) charakteryzowała się najwyższymi wartościami porowatości efektywnej i ogólnej: 7,2 i 8,9%, przy zakresie: 2-11,5% i 3,2-14,7% i odchyleniu standardowym równym: 5 i 5,7%. Skały węglanowe grupy 3. (2 próbki) przyjmowały wartości porowatości efektywnej i ogólnej: 1,1 i 1,3%, z zakresu: 1-1,3% i 1,1-1,5% i odchyleniu standardowym równym odpowiednio 0,2 i 0,3%. W grupie 3. największy udział przypadł na przestrzeń porową wypełnioną wodą wolną Kp3 (średnia 5% skały klastyczne i 0,7% – węglanowe), przy niskich Kp1 (średnia 1,7% skały klastyczne i 0,1% – węglanowe) i wysokich Kp2 (średnia 2,1% skały klastyczne i 0,5% – węglanowe). Średnie czasy graniczne dla grupy 3. skał klastycznych wynosiły: 5,6 ms, 104 ms i 441 ms, natomiast dla węglanowych – 1,2 ms, 17 ms i 270 ms.

Wydzielenie grup reprezentujących zbliżone kształty rozkładów czasów T2 oraz zastosowanie indywidulanych czasów granicznych w interpretacji rozkładów nasyceń czasów T2 umożliwiło scharakteryzowanie analizowanych skał pod względem zbliżonych parametrów zbiornikowych i wykształcenia przestrzeni porowej. Warto zauważyć, że indywidualne czasy graniczne dla skał niskoporowatych i niskoprzepuszczalnych różniły się od przyjmowanych standardowo, przy czym skały klastyczne przyjmowały czasy graniczne zdecydowanie wyższe niż skały węglanowe. Obserwowane wartości związane były z największym udziałem Kp1 w sygnale NMR, w przeciwieństwie do klasycznych skał zbiornikowych. Można zauważyć, że w grupie 3., w której przeważał udział Kp3, wartości przepuszczalności są

największe. W większości próbek z grupy 1., w której dominował udział Kp1, nie udało się określić przepuszczalności. Największe różnice pomiędzy parametrami wyznaczonymi dla indywidualnych czasów odcięcia i wyznaczonymi dla standardowych czasów odcięcia zaobserwowano dla próbek o wysokiej zawartości kwarcu, a także wysokiej przepuszczalności.

Dla wszystkich próbek wyznaczono także średnie logarytmiczne rozkładu T2 (T2ML) oraz średnie znormalizowane do wartości maksymalnej sygnału amplitudy (Av AmplZ) dla sygnałów: sumarycznego i odpowiadających przedziałom Kp1, Kp2 i Kp3, Kp3’ (zawartość wody w szczelinach) dla standardowych i indywidualnie dobranych czasów granicznych (Straley et al., 1997; Jarzyna et al., 2014), z podziałem ze względu na litologię oraz litologię i grupy o podobnych cechach wykształcenia przestrzeni porowej. Wszystkie otrzymane parametry zostały wykorzystane do połączenia wyników badań laboratoryjnych (m.in. w korelacjach między parametrami petrofizycznymi), a także do utworzenia cyfrowych modeli skał niskoporowatych i niskoprzepuszczalnych.

W skład obliczonych średnich logarytmicznych rozkładu T₂ oraz średnich znormalizowanych amplitud wchodzą:

• T2ML [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T2 całego sygnału,

• T2ML Kp1 [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T2 sygnału odpowiadającego Kp1,

• T₂ML Kp2 [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T₂ sygnału odpowiadającego Kp2,

• T2ML Kp3 [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T2 sygnału odpowiadającego Kp3,

• T₂ML Kp2+Kp3 av [ms] – średnia z T₂ML Kp2 i T₂ML Kp3,

• T₂ML Kp2+Kp3 [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T₂ sygnału odpowiadającego Kp2 i Kp3,

• Av AmplZ [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału,

• Av AmplZ Kp1 [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca Kp1,

• Av AmpZ Kp2 [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca Kp2,

• Av AmplZ Kp3 [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca Kp3,

• Av AmplZ Kp2+Kp3 av [j.u.] – średnia z Av AmpZ Kp2 i Av AmplZ Kp3,

• Av AmplZ Kp2+Kp3 [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału

uzyskane z interpretacji z użyciem standardowych i indywidualnych czasów odcięcia. A także dodatkowe, uzyskane jedynie z interpretacji z użyciem indywidualnych czasów granicznych:

• T2ML Kp3' [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T2 sygnału odpowiadającego Kp3’,

• T₂ML Kp3+3' [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T₂ sygnału odpowiadającego Kp3 i Kp3’,

• T2ML Kp2+3+3' [ms] – średnia logarytmiczna rozkładu T2 sygnału odpowiadającego Kp2, Kp3 i Kp3’,

• Av AmpZ Kp3' [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca Kp3’,

• Av AmplZ Kp3+3' [j.u.] – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca Kp3 i Kp3’,

• Av AmplZ Kp2+3+3' – średnia znormalizowana amplituda sygnału odpowiadająca

Kp2, Kp3 i Kp3’.

W dalszym ciągu tego rozdziału omówiono najważniejsze parametry wyznaczone dla poszczególnych grup skał o podobnej charakterystyce wykształcenia przestrzeni porowej i litologii (tab. 3.3.2.2). W grupie 1. skał węglanowych występowały zdecydowanie niższe odpowiednie wartości średnie średnich logarytmicznych rozkładów T₂ dla całego sygnału i sygnałów odpowiadających Kp1, Kp2, Kp3 i Kp3’ niż w grupie skał klastycznych. Grupa 3. skał węglanowych osiągała także niższe odpowiednie średnie wartości parametrów niż grupa skał klastycznych.

W zależności od typu grupy otrzymano odmienne wartości analizowanych parametrów. Grupa 1. charakteryzowała się najniższymi średnimi logarytmicznymi rozkładu T2 spośród wszystkich grup. Natomiast grupa 3. zawierała najwyższe wartości analizowanych parametrów. Wynik uzależniony był od dominującego typu wykształcenia przestrzeni porowej. W grupie 1. przeważała woda związana w przestrzeniach międzypakietowych minerałów ilastych, odzwierciedlająca się w wysokim parametrze Kp1, dlatego też wartość

średniej logarytmicznej przypadała na niższe czasy relaksacji poprzecznej T2. Grupa 3. natomiast była związana z lepszymi własnościami zbiornikowymi i występowaniem dużej ilości wody wolnej w przestrzeni porowej, dlatego średnie logarytmiczne osiągały najwyższe wartości.

W przypadku średnich znormalizowanych amplitud sygnału NMR zaobserwowano wzrost wartości średnich ze wzrostem udziału sygnału z obszaru nasycenia wodą wolną.

Grupa 3. charakteryzowała się najmniejszą zmiennością parametrów w obrębie grupy (najniższe odchylenia standardowe parametrów).

Tabela 3.3.2.2. Charakterystyka statystyczna średnich logarytmicznych rozkładu T2 oraz

średnich znormalizowanych amplitud. Oznaczenia w tekście, statystyki jak w tab. 3.3.1.1 N Min Max Śr Odch. St. N Min Max Śr Odch. St.

Grupa 1 Skały klastyczne Skały węglanowe

T₂ML 20 1,1 9,2 3,1 2,2 11 1,2 5,7 2,6 1,4 T₂ML Kp1 20 0,5 2,2 1 0,5 11 0,3 1,1 0,7 0,2 T₂ML Kp2 20 1,7 41 13 10 11 0,8 19 7 6,3 T₂ML Kp3 20 11 491 102 116 11 18 171 62 47 T₂ML Kp3' 19 62 1588 591 419 10 68 941 446 297 Av AmplZ 20 0,0060 0,0077 0,0066 0,0005 11 0,0060 0,0073 0,0066 0,0004 Av AmplZ Kp1 20 0,0057 0,0197 0,0149 0,0033 11 0,0080 0,0202 0,0139 0,0042 Av AmpZ Kp2 20 0,0023 0,0330 0,0131 0,0069 11 0,0095 0,0227 0,0143 0,0045 Av AmplZ Kp3 20 0,0001 0,0142 0,0051 0,0038 11 0,0012 0,0091 0,0060 0,0027 Av AmpZ Kp3' 19 0,00002 00028 0,0007 0,0006 10 0,00003 0,0020 0,0004 0,0006

Grupa 2 Skały klastyczne Skały węglanowe

T₂ML 1 - - 5,5 - 1 - - 6,7 - T₂ML Kp1 1 - - 0,7 - 1 - - 0,8 - T₂ML Kp2 1 - - 4,4 - 1 - - 8,1 - T₂ML Kp3 1 - - 28 - 1 - - 63 - T₂ML Kp3' 1 - - 435 - 1 - - 249 - Av AmplZ 1 - - 0,0073 - 1 - - 0,0075 - Av AmplZ Kp1 1 - - 0,0069 - 1 - - 0,0083 - Av AmpZ Kp2 1 - - 0,0226 - 1 - - 0,0179 - Av AmplZ Kp3 1 - - 0,0115 - 1 - - 0,0134 - Av AmpZ Kp3' 1 - - 0,0001 - 1 - - 0,0011 -

Grupa 3 Skały klastyczne Skały węglanowe

T₂ML 4 9,6 127 50 54 2 9,4 17 13 5,6 T₂ML Kp1 4 0,8 2,3 1,4 0,6 2 0,3 0,7 0,5 0,2 T₂ML Kp2 4 19 30 27 8,7 2 3,3 7,7 5,5 3 T₂ML Kp3 4 151 331 238 100 2 47 59 54 7 T₂ML Kp3' 4 402 892 737 226 2 198 623 411 300 Av AmplZ 4 0,0078 0,0100 0,0088 0,001 2 0,0078 0,0083 0,0080 0,0004 Av AmplZ Kp1 4 0,0023 0,0098 0,0054 0,0031 2 0,0031 0,0038 0,0035 0,0005 Av AmpZ Kp2 4 0,0065 0,0248 0,0144 0,0085 2 0,0151 0,0151 0,0154 0,004 Av AmplZ Kp3 4 0,0031 0,0328 0,0171 0,0148 2 0,0139 0,0273 0,0206 0,0095 Av AmpZ Kp3' 4 0,0006 0,0065 0,0037 0,0032 2 0,0006 0,0009 0,0007 0,0002

Interpretacja wyników badań z wykorzystaniem metody NMR przyniosła odpowiedź na temat charakterystyki przestrzeni porowej analizowanych skał. Wydzielono trzy grupy skał charakteryzujących się podobnym typem wykształcenia przestrzeni porowej. Zdecydowana większość próbek mieści się w grupie o przewadze mikroporów i mikroszczelin.

3.3.3. Oszacowanie przepuszczalności na podstawie modeli związanych z parametrami