LOPES T. J., FURLONG E. T. & PRITT J. W. 1997 — Occurren-ce and Distribution of Semivolatile Organic Compounds in Stream Bed Sediments, United States, 1992–1995. [W:] E. E. Little, B. M. Greenberg & A. J. DeLonay (eds.) Environmental Toxicology and Risk Assessment: Seventh Volume. ASTM. U.S.A.: 105–119. MALISZEWSKA-KORDYBACH B. 1993 — Trwa³oœæ wielo-pierœcieniowych wêglowodorów aromatycznych w glebie. IUNG Pu³awy. Rozprawy habilitacyjne, 4.
MANAHAN S. E. 1994 — Environmental Chemistry. CRC Press, Inc. Mc ELROY A. E., FARRINGTON J. & TEAL J. 1989 — Bioavailability of Policyclic Aromatic Hydrocarbons in the Aquatic Environment. [W:] Varnasi U. (ed.). Metabolism of Policyclic Aromatic Hydrocarbons in the Aquatic Environment. CRC Press, Inc. Boca Raton, Florida: 2–39.
MIGASZEWSKI Z. M. 1998 — Geochemistry of soils and vegetation of the Holy Cross Mts. between 1994 and 1996. Geol. Quart., 42 : 99–110. MIGASZEWSKI Z. M. 1999 — Determining organic compo-und ratios in soils and vegetation of the Holy Cross Mts, Poland. Water, Air, and Soil Pollut., 111: 123–138.
MIGASZEWSKI Z. M., DOBIESZYÑSKA Z., GRABIEC-RA-CZAK E., JANASZ M., KAMIÑSKA B. & SZTUCZYÑSKA A. 1996 — Wstêpne wyniki oznaczeñ zwi¹zków organicznych w glebach, ig³ach sosny i porostach z obszaru Gór Œwiêtokrzy-skich (komunikat). Prz. Geol., 44: 933–935.
MIGASZEWSKI Z. M. & GA£USZKA A. 1998 — Toksykologia litosfery — nowa dziedzina nauk o Ziemi. Prz. Geol., 46: 1270–1275.
MIGASZEWSKI Z. M. & PAS£AWSKI P. 1996 — Trace ele-ment and sulfur stable isotope ratios in soils and vegetation of the Holy Cross Mountains. Kwart. Geol., 40: 575–594.
ROBERTS L. M. & WAGNER R. J. 1996 — Pesticides and Vola-tile Organic Compounds in Ground and Surface Water of the Palo-use Subunit, Washington and Idaho. USGS Fact Sheet 204–96.. ROSTAD C. E., BISHOP L. M., ELLIS G. S., LEIKER T. J., MONSTERLEET S. G. & PEREIRA W. E. 1995 — Polychlo-rinated biphenyls and other synthetic organic contaminants associated with sediments and fish in the Mississippi River. U.S. Geol. Surv. Circular, 1133: 103–115.
RADKE M. 1987 — Organic geochemistry of aromatic hydro-carbons. [W:] J. Brooks & D. Welte (eds.). Advances in Orga-nic Geochemistry, v. 2. Academic Press, New York: 141–207. ROSTAD C. E., PEREIRA W. E. & LEIKER T. J. 1994 — Distribution and transport of selected anthropogenic organic compounds on Mississippi River suspended sediment (U.S.A.), May/June 1988. J. Contaminant Hydrology, 16: 175–199. SEMPRINI L., HOPKINS G. D., McCARTY P. L. & ROBERTS P. V. 1992 — In situ Transformation of Carbon Tetrachloride with Other Halogenated Compounds Resulting from Biostimulation under Anoxic Conditions. Environ. Sci. Techn., 26: 2454–2461.
SKINDER N. W. 1991 — Chemia a ochrona œrodowiska. Wyd. Szkolne i Pedagog. Warszawa: 1–208.
SPENCER W. F. & CLIATH M. M. 1990 — Movement of Pesti-cides from Soil to the Atmosphere. [W:] D. A. Kurtz (ed.).Long Range Transport of Pesticides. Lewis Publishers, Inc.: 1–16. VILLENEUVE J. P. & HOLM E. 1984 — Atmospheric background of chlorinated hydrocarbons studied in Swedish lichens. Chemosphere, 13: 1133–1138.
ZAKRZEWSKI S. F. 1997 — Podstawy toksykologii œrodowi-ska. PWN. Warszawa.
Wykorzystanie zjawiska j¹drowego rezonansu magnetycznego w
laboratoryjnych badaniach próbek ska³
Jadwiga Jarzyna*
Sta³e relaksacji T1 i T2 charakteryzuj¹ce zjawisko j¹drowego rezonansu magnetycznego (JRM) s¹ œciœle zwi¹zane z parametrami zbiornikowymi ska³ — porowatoœci¹, przepuszczalnoœci¹ oraz nasyceniem przestrzeni porowej ruchomymi i nieruchomymi wêglowodorami. Pomiary sta³ych relaksacji wykonane na próbkach skalnych oraz wiarogodne zale¿noœci korelacyjne miêdzy nimi i parametrami zbiornikowymi s¹ Ÿród³em nowych informacji zwiêkszaj¹cych efektywnoœæ prac poszukiwawczych i eksploatacyjnych na z³o¿ach wêglowodorów.
S³owa kluczowe: j¹drowy rezonans magnetyczny, JRM, sta³e relaksacji, w³asnoœci zbiornikowe ska³
Jadwiga Jarzyna — NMR laboratory investigations on rock samples. Prz. Geol., 48: 719–721.
S u m m a r y. Longitudinal and transverse relaxation times, characterising nuclear magnetic resonance (NMR) are closely related to reservoir parameters of rocks — porosity, permeability and saturation of pore space with moveable and unmoveable hydrocarbons. Measurements of relaxation times on rock samples and accurate correlation equations relating them to reservoir parameters deliver the new information increasing effectiveness of prospecting and exploiting works on hydrocarbon deposits.
Key words: nuclear magnetic resonance, NMR, relaxation time, reservoir parameters of rocks
Wykorzystanie zjawiska j¹drowego rezonansu magne-tycznego (JRM) w badaniach geofizycznych pozwala na uzyskanie unikatowych informacji o oœrodku skalnym umo¿liwiaj¹c m.in.:
wyznaczenie porowatoœci ogólnej niezale¿nie od
litologii,
rozdzielenie porowatoœci dynamicznej, obejmuj¹cej
jedynie medium poruszaj¹ce siê w przestrzeni porowej, od porowatoœci ogólnej,
rozró¿nienie wody lub wêglowodorów
unierucho-mionych w porach kapilarnych od wody zwi¹zanej w minera³ach ilastych,
wyznaczenie wspó³czynnika przepuszczalnoœci na
podstawie okreœlenia stosunku powierzchni do objêtoœci porów.
Wymienione zagadnienia w pe³ni uzasadniaj¹ prowa-dzenie intensywnych badañ nad rozwojem sond do
pomia-719
Przegl¹d Geologiczny, vol. 48, nr 8, 2000
*Akademia Górniczo-Hutnicza, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
rów otworowych oraz doskonaleniem metod przetwarzania i obróbki sygna³u mierzonego podczas polo-wych i laboratoryjnych badañ z wykorzystaniem JRM.
Pomiary otworowe JRM nie s¹ w Polsce obecnie wyko-nywane, jednak zalety profilowañ otworowych wykorzy-stuj¹cych zjawisko JRM wskazuj¹ na koniecznoœæ bie¿¹cego zapoznawania siê z postêpem prac na œwiecie w zakresie rozwoju tej metody z nadziej¹ na zakup urz¹dze-nia w najbli¿szej przysz³oœci.
Równolegle z pracami nad otworowymi wariantami profilowañ JRM prowadzone s¹ badania laboratoryjne, w których wykorzystuje siê podobne techniki pomiarowe oraz podobne metody przetwarzania i interpretacji wyni-ków. Celem niniejszej pracy jest zapoznanie polskiego czy-telnika ze œwiatowymi osi¹gniêciami w zakresie zastosowania zjawiska JRM do badania oœrodka skalnego przede wszystkim w warunkach laboratoryjnych. Wczeœniejsza praca autorki mia³a na celu prezentacjê otworowych pomiarów JRM wykonywanych na œwiecie (Jarzyna, 1998).
Pomiar sta³ych relaksacji JRM
Wykorzystanie zjawiska JRM w geofizycznych pomia-rach otworowych i laboratoryjnych opiera siê na zastoso-waniu sta³ego pola magnetycznego, którego obecnoœæ powoduje polaryzacjê j¹der wodoru wystêpuj¹cych w medium wype³niaj¹cym przestrzeñ porow¹ oœrodka skal-nego oraz w nim samym. Nastêpnie stosowane jest pole magnetyczne, którego zadaniem jest wychylenie z po³o¿e-nia równowagi uporz¹dkowanych (spolaryzowanych) spi-nów j¹der wodoru w formacji skalnej. Powrót spispi-nów do stanu pocz¹tkowego uporz¹dkowania jest opisany przez dwie sta³e relaksacji — pod³u¿n¹ — spinowo-sieciow¹, T1 i poprzeczn¹ — spinowo-spinow¹, T2. Sta³a T1 charakte-ryzuje powrót do wartoœci pocz¹tkowej sk³adowej pod³u¿nej wektora magnetyzacji, natomiast sta³a T2 cha-rakteryzuje zanik do zera sk³adowej poprzecznej. Obie sta³e mog¹ byæ przedmiotem pomiaru podczas ekspery-mentów laboratoryjnych i otworowych, wykorzystuj¹cych zjawisko j¹drowego rezonansu magnetycznego (JRM).
Równoczesne uzyskanie informacji o T1 i T2 pozwala na rozró¿nienie rodzaju medium nasycaj¹cego przestrzeñ porow¹. Wielu autorów (Akkurt i in., 1995; Menger i in., 1999) podaje wartoœci T1 i T2 dla wody (solanki), ropy i gazu, na podstawie których mo¿na okreœliæ przedzia³y zmiennoœci powy¿szych parametrów (tab. 1). Sta³a relak-sacji T2 wyznaczona dla wody znajduj¹cej siê w du¿ym pojemniku (100% porowatoœci) wynosi 3–5 s. Gdy poro-wata ska³a jest nasycona t¹ sam¹ wod¹, sta³a T2 jest zredu-kowana do wartoœci 10–500 ms z powodu wzajemnego oddzia³ywania miêdzy cz¹steczkami ska³y i wod¹ nasy-caj¹c¹ pory (Crary i in., 1997).
Zwi¹zki miêdzy parametrami petrofizycznymi a sta³ymi relaksacji
Zawartoœæ wody zwi¹zanej. Zawartoœæ wody zwi¹zanej w
skale — Swirr — wyraŸnie koreluje z ró¿nic¹ miêdzy poro-watoœci¹ efektywn¹ (na podstawie JRM — Free Fluid Index) a porowatoœci¹ ogóln¹ i jest wyk³adnikiem mo¿liwoœci pro-dukcyjnych ska³y zbiornikowej (Coats i in., 1997). Wysoka wartoœæ Swirr mo¿e byæ przyczyn¹ stosunkowo niskiej opor-noœci ska³ produkuj¹cych wêglowodory. Baldwin (1994) przeprowadzi³ badania laboratoryjne JRM na próbkach pia-skowca i wykaza³ mo¿liwoœæ okreœlenia objêtoœci wody zwi¹zanej na podstawie pomiaru sta³ej relaksacji T1.
Wspó³czynnik przepuszczalnoœci
Zwi¹zki miêdzy wspó³czynnikiem przepuszczalnoœci a sta³ymi relaksacji, okreœlane przez wielu autorów zosta³y w³¹czone do metod empirycznych, pozwalaj¹cych oceniæ zdolnoœæ ska³ do gromadzenia i oddawania mediów porowych na skalê przemys³ow¹. Zale¿noœci te obejmuj¹ powi¹zanie prze-puszczalnoœci z porowatoœci¹ — M, krêtoœci¹ kana³ów poro-wych, której miar¹ mo¿e byæ wspó³czynnik m, z powierzchni¹ — S i objêtoœci¹ — V porów lub stosunkiem tych wielkoœci — S/V, wspó³czynnikiem wymiany jonowej — QV, a tak¿e ze
zdol-noœci¹ protonów w medium porowym do relaksacji, której miar¹ mo¿e byæ sta³a T1. Zale¿noœci przedstawione przez Sena i wspó³pracowników (Sen i in., 1990) pozwalaj¹ na okreœlenie przepuszczalnoœci ska³ dla wody, ropy i gazu na podstawie pomiaru innych parametrów petrofizycznych (ryc. 1).
Przepuszczalnoœæ mo¿na tak¿e okreœliæ na podstawie porowatoœci (ca³kowitej — MJRMoraz dynamicznej — FFI) i
wody zwi¹zanej — BVI, wyznaczonych na podstawie badañ z wykorzystaniem JRM: k = CMJRM4(FFI/BVI) lub k =
C’MJRM4T22, gdzie C i C’ s¹ to sta³e proporcjonalnoœci
wskazuj¹ce na empiryczn¹ drogê uzyskania wymienionych zwi¹zków (Chang i in., 1994; Akkurt i in., 1995).
PorowatoϾ intergranularna oraz jamistoϾ
Kszta³t rozk³adu T2 oraz wystêpowanie maksimów dla okreœlonych czasów wskazuj¹ na obecnoœæ porów o ró¿-nych œrednicach lub wrêcz na wystêpowanie porowatoœci jamistej obok intergranularnej. Wy¿sze wartoœci maksi-mów na rozk³adach wskazuj¹ na wiêksz¹ porowatoœæ; wystêpowanie maksimum dla czasów krótszych wskazuje na dominacjê porów o ma³ych œrednicach. Przedstawiona interpretacja rozk³adu T2 mo¿e byæ uznana za jednoznaczn¹, gdy medium wype³niaj¹ce przestrzeñ porow¹ jest jednorodne (np. tylko woda lub tylko ropa). W przypadku nasycenia rop¹, rozpoznawanego na podstawie du¿ej wartoœci T2, obec-noœæ dwóch maksimów na dystrybucji T2, w tym jednego dla krótkich czasów, mo¿e wskazywaæ na hydrofilnoœæ ska³y i wystêpowanie wody w postaci b³onki pokry-waj¹cej powierzchniê porów. Wystêpowanie maksimum na rozk³adzie T2 dla wartoœci czasu ok. 1000 ms sugeruje obecnoœæ jam i du¿ych wymyæ w skale. Na ryc. 2 wystê-puj¹ rozk³ady czasu relaksacji T2 dla trzech próbek wêglanowych o zró¿nicowanej porowatoœci i przepusz-czalnoœci (porowatoœci i przepuszprzepusz-czalnoœci dla kolejnych próbek s¹ odpowiednio równe: 5,9%, 0,2 mD; 7,1% 1,1 mD; i 12,2%, 7,5 mD). Dla ka¿dej próbki wykonano czte-ry pomiaczte-ry — przy pe³nym nasyceniu wod¹ oraz po odwi-rowaniu w ci¹gu 1,5 godz, 6 godz oraz po 3-ch dniach 720
Przegl¹d Geologiczny, vol. 48, nr 8, 2000
T1 [ms] T2 [ms] Utwory klastyczne Woda (solanka) 1 – 500 0,67 – 200 Ropa 5000 460 Gaz 4400 40 Utwory wêglanowe Woda (solanka) w jamach > 1000 >1000
odwirowania. Dla pierwszej próbki (#35) wystêpuje jed-no maksimum dystrybucji, które utrzymuje siê dla tej samej wartoœci T2. Taki obraz wskazuje, ¿e medium utrzymuje siê we wszystkich porach w czasie odwirowa-nia. Ró¿nica w wysokoœci maksimum miêdzy krzyw¹ narysowan¹ lini¹ ci¹g³¹ i pozosta³ymi wskazuje, ¿e w procesie odwirowania próbka utraci³a ruchom¹ czêœæ wody. Dwumodalny rozk³ad T2 dla próbki drugiej (#47) wskazuje, ¿e o porowatoœci tej próbki stanowi¹ pory oraz jamy (lub szczeliny), które opró¿niaj¹ siê w pierw-szej kolejnoœci. WyraŸne zró¿nicowanie wykresów dla próbki trzeciej (#50) wskazuje, ¿e do jej ca³kowitego drena¿u potrzebny by³ d³ugi okres odwirowania oraz, ¿e udzia³ porów zawieraj¹cych wodê przy czêœciowym nasyceniu te¿ ulega³ zmianie.
Podsumowanie
Wyniki uzyskane podczas badañ laboratoryjnych z wykorzystaniem zjawiska JRM dostarczaj¹ nowych, unika-towych informacji o ska³ach oraz mediach nasycaj¹cych ich przestrzeñ porow¹. Oznaczenia laboratoryjne w tym przy-padku, podobnie jak i w innych metodach geofizyki wiertni-czej s¹ uzupe³nieniem danych dostarczanych przez pomiar
otworowy. Omówione relacje miêdzy sta³ymi relaksacji T1 i T2 i parametrami zbiornikowymi — porowatoœci¹ i prze-puszczalnoœci¹ wskazuj¹ na nowe, niezale¿ne Ÿród³o infor-macji, pozwalaj¹cych zwiêkszyæ wiarogodnoœæ oceny produktywnoœci z³o¿a.
Praca powsta³a dziêki realizacji dzia³alnoœci statutowej w Zak³adzie Geofizyki WGGiOŒ AGH w 1999 r.
Literatura
AKKURT R., VINEGAR H.J., TUTUNJIAN P.N. & GUILLORY A.J. 1995 — NMR logging of natural gas reservoirs. Proc. 36thSPWLA
Symp., paper N.
BALDWIN B.A. 1994 — Immobile water determination in shaly sand-stone. The Log Analyst, May-June: 31–37.
CHANG D., VIENEGAR H.J., MORRIS CH. & STRALEY Ch. 1994 — Effective porosity, producible fluid and permeability in carbonates. Proceedings of 35thSPWLA Symp., paper A.
COATS G.R., MARSCHALL D., MARDON D. & GALFORD J. 1997 — A new characterization of bulk-volume irreducible using magnetic resonace. Proceedings of 37th
SPWLA Symp., paper QQ.
CRARY S., PELLEGRIN F. & SIMON B. 1997 — NMR applications in the Gulf Mexico. Proc. 37thSPWLA Symp., paper PP.
JARZYNA J. 1998 — Otworowe profilowanie j¹drowego rezonansu magnetycznego — nowa efektywna, metoda wyznaczania w³asnoœci zbiornikowych ska³. Nafta–Gaz, 5: 215–222.
MENGER S., PRAMMER M.G. & DRACK E.D. 1999 — Calculation of combined T1 and T2 spectra from NMR logging data. Proc. of 40th
SPWLA Symp., paper LLL.
SEN P.N., STRALEY C., KENYON W.E. & WITTINGHAM M.S. 1990 — Surface -to-volume ratio, charge density, nuclear magnetic relaxa-tion, and permeability in clay-bearing sandstones. Geophysics, 55: 61–69.
721
Przegl¹d Geologiczny, vol. 48, nr 8, 2000
1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0 #35 5,9% 0,2 mD #47 7,1% 1,1 mD #50 12,2% 7,5 mD T2 (ms)
Ryc. 2. Rozk³ad T2 dla próbek wêglanowych w pe³ni nasyconych wod¹ (linia ci¹g³a), po odwirowaniu w czasie 1,5 godz (linia kre-skowana krótsza), po 6 godz (linia krekre-skowana d³u¿sza), po 3 dniach (linia kreskowana na przemian — d³u¿sza, krótsza kreska) (Chang i in., 1994)
Fig. 2. T2 distributions for carbonate samples water saturated (line), after centrifugation for 1.5 hr (short dash), 6 hr (long dash) and 3 days (short-long dash) (Chang i in., 1994)
lo g k log( mV/S)Φ log( mV/S)Φ log( mT1)Φ log( mQv)Φ -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 -3 -2 -1 0 1 2 4 3
Ryc. 1. Okreœlenie wspó³czynnika przepuszczalnoœci k na pod-stawie porowatoœci M, stosunku objêtoœci do powierzchni porów V/S, czasu relaksacji T1 oraz wspó³czynnika wymiany jonowej Qv (Sen i in., 1990)
Fig. 1. Composite of log k versus four predictors porosity M: volume to surface ratio, V/S; relaxation time T1 and exchange-ca-tion normality, Qv (Sen i in., 1990)
