Analiza wpływu zwilżalności ośrodka skalnego na parametry termiczne na podstawie profilowań geofizycznych i danych laboratoryjnych

• Autorzy: Lis-Śledziona Anita , Słota-Valim Małgorzata , Stadtmüller Marek

Identyfikatory

DOI

10.18668/NG.2023.04.01

Warianty tytułu

EN

Analysis of effect of rock wettability on the thermal parameters based on well log data and laboratory measurements

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem prowadzonych badań była analiza i oszacowanie wpływu systemu zwilżalności ośrodka skalnego na jego parametry termiczne. W zależności od temperatury, składu mineralnego, porowatości i nasycenia wodą skałę charakteryzuje określona przewodność cieplna. Jednak nie tylko ilość wody w formacji wpływa na przewodność cieplną. Ważne jest także rozmieszczenie wody w skale, które w znacznym stopniu determinowane jest przez zwilżalność. Woda w skałach wodozwilżalnych pokrywa ziarna i tworzy tzw. film wodny na powierzchni minerałów, wypełnia także małe pory skały, tworząc strugi, ścieżki perkolacji dla migracji fazy przewodzącej ciepło (wody), ale też przewodzącej prąd elektryczny. W skałach hydrofobowych film wodny na powierzchni ziaren mineralnych jest nieciągły lub w ogóle go brak, gdyż większa część powierzchni skały pokryta jest ropą, natomiast woda w większości wypełnia centralną część porów o dużych średnicach. W pracy wykazano, że istnieje zależność pomiędzy systemem zwilżalności skały a przewodnością termiczną oraz przeprowadzono modelowanie ilościowe. Analizowano dane literaturowe z badań na hydrofilowych i hydrofobowych próbkach piasku przy różnym stopniu nasycenia wodą. Obserwacja eksperymentu prowadzącego do zmiany charakteru zwilżalności skały z hydrofilowej na hydrofobową na drodze powleczenia ziaren piasku polimerem zainspirowała autorów niniejszej pracy do zaproponowania dwóch równań przedstawiających zależność przewodności termicznej (λ) od współczynnika nasycenia wodą (Sw) dla skał wodozwilżalnych i skał ropozwilżalnych. W skałach wodozwilżalnych zaobserwowano wykładniczy wzrost przewodności cieplnej wraz ze wzrostem współczynnika nasycenia wodą, natomiast w skałach ropozwilżalnych zależność λ od Sw przedstawiono przy wykorzystaniu funkcji logistycznej. W ramach testowania modeli wykonano serię obliczeń dla czterech hipotetycznych skał klastycznych i czterech skał węglanowych. Przeprowadzono analizę wyników i obliczono przewodność termiczną w rzeczywistym ośrodku skalnym, wykształconym w postaci piaszczysto-ilastych utworów paleozoicznych, dla którego istniały opracowane wcześniej przez autorów wyniki interpretacji parametrów litologiczno-złożowych. Jednym z takich parametrów była obliczona i skalibrowana z wynikami badań laboratoryjnych krzywa zwilżalności. Stanowiła ona podstawę do podziału interpretowanego interwału na strefy wodozwilżane i ropozwilżalne. Ostatecznym wynikiem pracy jest estymacja zakresów zmienności przewodności cieplnej analizowanych skał w funkcji zwilżalności oraz parametrów petrofizycznych (zailenie Vcl, porowatość efektywna PHI, współczynnik nasycenia wodą Sw).

EN

The study aimed to evaluate the impact of the rock medium's wettability system on the thermal properties of the rock. The rock exhibits a specific thermal conductivity depending on the temperature conditions, mineral composition, porosity, and water saturation. However, it is not only the amount of water in the rock that affects its thermal conductivity. The water distribution in the rock, which is mostly determined by its wettability, is also essential. Water in the water-wet rocks covers the grains and creates a so-called water film on the minerals' surfaces. It also fills the tiny pores of the rock, creating streams and percolation paths for the migration of the heat-conducting and electrically conductive phases. In hydrophobic rocks, the water film on the surfaces of the minerals grains is discontinuous or non-existent as most of the rock surface is covered with oil, while water fills the central part of the pores of larger diameters. The results of the study confirmed the existence of a relationship between the rock wettability system and thermal conductivity based on the quantitative modeling that was carried out. The data from the literature were analyzed and tested by taking the hydrophilic and hydrophobic sand samples at various degrees of water saturation. The results of the experiment found in the literature leading to a change in the characteristics of the sand samples from initially hydrophilic into hydrophobic by coating sand grains with thermosensitive polymer led to an idea of proposing two equations presenting the dependence of thermal conductivity on the water saturation coefficient for water-wet and oil-wet rocks. In water-wet rocks, an exponential increase in thermal conductivity was observed with an increase in the water saturation coefficient. In contrast, in oil-wet rocks, the dependence of thermal conductivity λ on Sw was expressed using a logistic function. As part of model testing, a series of calculations were carried out for four hypothetical clastic rocks and four carbonate rocks. The analysis of the obtained results allowed to calculate thermal conductivity for real clastic rock medium represented by Paleozoic sandy claystone formation, with previously developed by the authors lithological interpretation and 1D models of reservoir properties. Among these parameters, a wettability curve was calculated and calibrated with the laboratory data. The wettability was used to distinguish interpreted intervals into the water- and oil-wet zones. Finally, as a result, the variability ranges of thermal conductivity of analyzed rocks were estimated as a function of wettability and petrophysical parameters (Vcl clay volume, PHI effective porosity, Sw water saturation).

Słowa kluczowe

PL

parametry termiczne; zwilżalność; system zwilżalności; profilowania geofizyki wiertniczej; parametry petrofizyczne; współczynnik Amotta; modelowanie; funkcja logistyczna

EN

thermal parameter; wettability; wettability system; well logs; petrophysical parameters; Amott coefficient; modelling; logistic; function

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Nafta-Gaz
• Rocznik: 2023
• Tom: R. 79, nr 4
• Strony: 227--243
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz.

Twórcy

autor

Lis-Śledziona Anita

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Słota-Valim Małgorzata

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

autor

Stadtmüller Marek

• Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy

Bibliografia

• Abdulagatov I.M., Abdulagatov A.I., Kamalov A.N., 2005. Thermophysical properties of pure fluids and aqueous systems at high temperatures and high pressures. Begell House, New York.
• Alishaev M.G., Abdulagatov I.M., Abdulagatova Z.Z., 2012. Effective thermal conductivity of fluid-saturated rocks Experiment and modeling. Engineering Geology, 135–136: 24–39. DOI: 10.1016/j.enggeo.2012.03.001.
• Bała M., Waliczek M., 2012. Obliczanie ciepła radiogenicznego osadów cechsztynu i karbonu na podstawie danych geofizyki otworowej w rejonie rafy Brońsko. Przegląd Geologiczny, 60(3): 155–163.
• Berryman J., 1995. Mixture Theories for Rock Properties. [W:] Arens T.J. (ed.). Rock Physics and Phase Relations: A Handbook of Physical Constants, Washington, DC: AGU, 3: 205–228. DOI: 10.1029/RF003p0205.
• Bode K.H., 1985. Thermal conductivity measurements with plate apparatus: influence of the guard ring width on the accuracy of measurements. [W:] Shirtliffe C.J., Tyre R.P. (eds.). Guarded Hot Plate and Heat Flow Meter Methodology. ASTM Special Publication, 879. DOI: 10.1520/STP879-EB.
• Brigaud F., Chapman D.S., Le Douaran S., 1990. Estimating thermal conductivity in sedimentary basins using lithologic data and geophysical well logs. The American Association of Petroleum Geologists, 74(9): 1459–1477.
• Bücker C., Rybach L., 1996. A simple method to determine heat production from gamma-ray logs. Marine and Petroleum Geology, 13(4): 373–375. DOI: 10.1016/0264-8172(95)00089-5.
• Ciechanowska M., Gąsior I., 2000. Ciepło radiogeniczne emitowane przez utwory mioceńskie przedgórza Karpat. Nafta-Gaz, 56(4): 197–208.
• Dong Y., Pamukcu S., 2014. Thermal and electrical conduction in unsaturated sand controlled by surface wettability. Acta Geotechnica, 10:821–829. DOI: 10.1007/s11440-014-0317-0.
• Evans T.R., 1977. Thermal properties of North Sea rocks. Log Analyst, 18(2): 3–12.
• Fuchs S., Balling N., Förster A., 2015. Calculation of Thermal Conductivity, Thermal Diffusivity and Specific Heat Capacity of Sedimentary Rocks Using Petrophysical Well Logs. Geophysical Journal International, 203(3): 1977–2000. DOI: 10.1093/gji/ggv403.
• Fuchs S., Schütz F., Förster H.-J., Förster A., 2013. Evaluation of common mixing models for calculating bulk thermal conductivity of sedimentary rocks: Correction charts and new conversion equations. Geothermics, 47: 40–52. DOI: 10.1016/j.geothermics.2013.02.002.
• Gąsior I., Przelaskowska A., 2006. Ocena współczynnika przewodności cieplnej na podstawie danych geofizyki wiertniczej. Nafta-Gaz,62(8): 217–221.
• Gąsior I., Przelaskowska A., 2010. Charakterystyka parametrów termicznych skał mezopaleozoicznych z rejonu Kraków–Dębica. Nafta-Gaz,66(8): 663–667.
• Gąsior I., Przelaskowska A., 2014. Estimating Thermal Conductivity from Core and Well Log Data. Acta Geophysica, 62(4): 785–801. DOI: 10.2478/s11600-014-0204-y.
• Gegenhuber N., Schoen J., 2012. New approaches for the relationship between compressional wave velocity and thermal conductivity. Journal of Applied Geophysics, 76: 50–55. DOI: 10.1016/j.jappgeo.2011.10.005. Goss R., Combs J., Timur A., 1975. Prediction of thermal conductivity in rocks from other physical parameters and from standard geophysical well logs. SPWLA 16th Annual Logging Symposium, New Orleans, Louisiana. SPWLA-1975-MM.
• Goutorbe B., Lucazeau F., Bonneville A., 2006. Using neural networks to predict thermal conductivity from geophysical well logs.
• Geophysical Journal International, 166(1): 115–125. DOI: 10.1111/j.1365-246X.2006.02924.x.
• Hartmann A., Rath V., Clauser C., 2005. Thermal conductivity from core and well log data. International Journal Rock Mechanics and Mining Sciences, 42(7–8): 1042–1055. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2005.05.015.
• Hashin, Z., Shtrikman, S., 1962. A variational approach to the theory of the effective magnetic permeability of multiphase materials. Journal of Applied Physics, 33(10): 3125–3131. DOI: 10.1063/1.1728579.
• Horai K., 1971. Thermal conductivity of rock-forming minerals. Journal of Geophysical Research, 76(5): 1278–1308. DOI: 10.1029/JB076i005p01278.
• Hutt J.R., Berg J.W., 1968. Thermal and electrical conductivities of sandstone rocks and ocean sediments. Geophysics, 33: 489–500.DOI: 10.1190/1.1439946.
• Jarzyna J.A., Baudzis S., Janowski M., Puskarczyk E., 2021. Geothermal Resources Recognition and Characterization on the Basis of Well Logging and Petrophysical Laboratory Data, Polish Case Studies. Energies, 14(4), 850. DOI: 10.3390/en14040850.
• Jeschke P., 1978. Thermal conductivity of refractories: working with the hot-wire method. [W:] Tyre R.P. (ed.). Thermal Transmission Measurements of Insulation. ASTM Special Publication 660.
• Kestin J., Sengers J.V., Kamgar-Parsi B., Levelt Sengers J.M.H., 1984. Thermophysical properties of fluid H2O. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 13(1): 175–83. DOI: 10.1063/1.555707.
• Krawiec J., 2007. Ciepło radiogeniczne generowane przez mioceńskie utwory piaskowcowo-ilaste w rejonie złoża Husów. Nafta-Gaz, 63(3): 175–178.
• Lemmon E.W., Jacobsen R.T., Penonchello S.G., Friend D.G., 2000. Thermodynamic properties of air and mixtures of nitrogen, argon, and oxygen from 60 to 2000 K at pressures to 2000 MPa. Journal of Physical and Chemical Reference Data, 29(3): 331–85. DOI: 10.1063/1.1285884.
• Lis-Śledziona A., 2020. Estimation of wettability from well log and laboratory measurements for clastic rocks. Nafta-Gaz, 76(7): 431–440. DOI: 10.18668/NG.2020.07.01.
• Middleton M., 1994. Determination of Matrix Thermal Conductivity from Dry Drill Cuttings. AAPG Bulletin, 78(11): 1790–1799.
• Plewa M., 1988. Wyniki badań ciepła radiogenicznego skał obszaru Polski. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka Stosowana, 1.
• Plewa S., 1972. Geofizyka wiertnicza. Wydawnictwo Śląsk, Katowice.
• Plewa S., 1976. Correlation between thermal conductivity and Rother physical parameters of rocks. [W:] Adam A. (ed.). Geoelectric and geothermal studies. KAPG Geophysical monograph. Akadémiai Kiadó, Budapest.
• Plewa S., 1994. Rozkład parametrów geotermicznych na obszarze Polski. Wydawnictwo CPPGSM i PAN, Kraków.
• Przelaskowska A., 2018. Szacowanie wartości współczynnika przewodności cieplnej piaskowców fliszowych na podstawie składu mineralnego. Nafta-Gaz, 74(6): 337–372.
• Punase A., Zou A., Elputranto R., 2014. How Do Thermal Recovery Methods Affect Wettability Alteration? Journal of Petroleum Engineering,538021. DOI: 10.1155/2014/538021.
• Resnick R., Halliday D., 1990. Fizyka. Tom 1. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Rybach L., 1976. Radioactive heat production in rocks and its relation to other petrophysical parameters. Pure and Applied Geophysics, 114:309–317.
• Schön J.H., 2011. Physical Properties of Rocks. Handbook of Petroleum Exploration and Production. <https://www.academia.edu/9805929/ Physical_Properties_of_Rocks_HANDBOOK_OF_PETROLEUM_EXPLORATION_AND_PRODUCTION> (dostęp: 5.09.2022).
• Smits K.M., Sakaki T., Limsuwat A., Illangasekare T.H., 2010. Thermal Conductivity of Sands under Varying Moisture and Porosity in Drainage–Wetting Cycles. Vadose Zone Journal, 9(1): 172–180. DOI: 10.2136/vzj2009.0095.
• Speight J.G., 2017. Handbook of Petroleum Refining. Chromatographia, 80: 831. DOI 10.1007/s10337-017-3268-4.
• Szewczyk, J., 2001. Estymacja gęstości strumienia cieplnego metodą modelowań właściwości termicznych ośrodka. Przegląd Geologiczny,49(11): 1083–1088.
• Tong F., Jing L., Zimmerman R.W., 2009. An effective thermal conductivity model of geological porous media for coupled thermo-hydromechanical systems with multiphase flow. International Journal Rock Mechanics and Mining Sciences, 46(8): 1358–1369. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2009.04.010.
• Vasseur G., Brigaud F., Demongodin L., 1995. Thermal conductivity estimation in sedimentary basins. Tectonophysics, 244(1–3): 167–174.DOI: 10.1016/0040-1951(94)00225-X.
• Vosteen H.-D., Schellschmidt R., 2003. Influence of temperature on thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity for mdifferent types of rock. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 28(9–11): 499–509. DOI: 10.1016/S1474-7065(03)00069-X.
• Walsh J.B., Decker E.R., 1966. Effect of pressure and saturating fluid on the thermal conductivity of compact rock. Journal of Geophysical Research, 71(12): 3053−3061. DOI: 10.1029/JZ071i012p03053.
• Watanabe H., 2003. Thermal conductivity and thermal diffusivity of sixteen isomers of alkanes: CnH2n+2 (n = 6 to 8). Journal of Chemical and Engineering Data, 48(1): 124–136. DOI: 10.1021/je020125e.
• Woodside W., Messmer J., 1961a. Thermal conductivity of porous media. I. Unconsolidated Sands. Journal of Applied Physics, 32(9):1688–1699. DOI: 10.1063/1.1728419.
• Woodside W., Messmer J., 1961b. Thermal conductivity of porous media. II. Consolidated Rocks. Journal of Applied Physics, 32(9):1699–1706. DOI: 10.1063/1.1728420.
• Zimmerman R.W., 1989. Thermal conductivity of fluid-saturated rocks. Journal of Petroleum Science and Engineering, 3(3): 219–227. DOI: 10.1016/0920-4105(89)90019-3.
• Akty prawne i dokumenty normatywne
• Norma ASTM E1225, 1987. Standard test method for thermal conductivity of solids by means of the guarded comparative longitudinal heat flow technique. American Society for Testing and Materials.
• Norma BS 874, 1973. Methods for determining thermal insulating properties with definitions of thermal insulating terms. British Standards Institute.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).