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The Influence of Porosity, Saturation Degree, Clay Content and Pore Water Conductivity on NMR and SIP Parameters
The Influence of Porosity, Saturation Degree, Clay Content and Pore Water Conductivity on NMR and SIP Parameters
Alali, Firas
Inst. Angewandte Geowissenschaften
Das allgemeine Ziel dieser Arbeit ist es, die petrophysikalischen Parameter, wie Tongehalt (CC), Porosität (\phi), Sättigungsgrad (S), Permeabilität (k) und Porenwasserleitfähigkeit (\sigma_{w}), von künstlichen Sand- und Tonproben durch Verwendung von nuklearmagnetischer Resonanz (NMR) und spektralen induzierten Polarisation (SIP) zu bestimmen. NMR und SIP Ergebnisse werden integriert ausgewertet und miteinander in Beziehung gesetzt, um die Qualität der Ergebnisse zu verbessern. Bei geophysikalischen Messungen werden die physikalischen Parameter (wie Realteil (\sigma') und Imaginärteil (\sigma'') der elektrischen Leitfähigkeit von SIP und Relaxationzeiten (T_{1,2}) von NMR) direkt gemessen. Die petrophysikalischen Parameter zur hydrologischen Bewertung sind nicht direkt verfügbar. Deshalb sollten in dieser Arbeit empirische Beziehungen zwischen den gesuchten petrophysikalischen Parametern und den gemessenen geophysikalischen Parametern bestimmt werden. NMR ist in der Geophysik vor allem durch Anwendungen in der Bohrlochmessung und im Labor bekannt. Der Vorteil von NMR ist die direkte Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffatomen \left(^{1}H\right). Die SIP Technik wird häufig im Labor verwendet, um den komplexen Widerstand über einen weiten Frequenzbereich von mHz bis MHz zu berechnen. Mehrere NMR und SIP Experimente mit künstlichen tonigen Sand Proben (0% bis zu 100% Massenanteil Ton, ca. 400 Proben) mit unterschiedlichen Graden von \sigma_{w} und S wurden durchgeführt, um die empirischen Beziehungen zur Abschätzung petrophysikalischer Parameter zu finden. Der Einsatz von NMR und SIP Messungen gibt eine gute und eindeutige Möglichkeit, die voll- oder teilweise mit frischem oder salzhaltigem Wasser gesättigten sandigen und tonigen Proben voneinander zu unterscheiden, das heißt, es ist möglich, die sandigen und tonigen Schichten mit diesen Methoden zu unterscheiden, unabhängig davon, ob sie Salzwasser enthalten oder ob sie teilweise mit Wasser gesättigt sind. Durch die Verwendung der SIP Methode allein ist diese Unterscheidung jedoch nicht möglich, da die Ursache für die elektrische Leitfähigkeit nicht eindeutig auf die Existenz von Ton oder auf die Anwesenheit von Salzlösung innerhalb der Formation zurückzuführen ist. Diese Unterscheidung hängt von T_{1,2}- Relaxationszeiten ab, wobei die gemessenen T_{1,2}- Relaxationszeiten für tonige Proben kleiner sind als die für sandige Proben. Der Effekt der Porenwasserleitfähigkeit auf die gemessenen Relaxationszeiten ist sehr klein im Vergleich zu dem Effekt des Tongehaltes. Die Beziehungen zwischen petrophysikalischen Parametern und gemessenen NMR- und SIP- Parametern konnten auch empirisch gehalten werden. Die Genauigkeit dieser Gleichungen ist akzeptabel, aber es wird empfohlen, die erhaltenen Beziehungen mit natürlichen Proben zu bestätigen, um die Qualität dieser Gleichungen bei der Anwendung auf Feldmessungen in zukünftigen Studien zu testen.
The general objective of this thesis is to estimate the petrophysical properties of sand and clay artificial samples such as clay content (CC), porosity (\phi), saturation degree (S), permeability (k) and pore water conductivity (\sigma_{w}) by use of nuclear magnetic resonance (NMR) and spectral induced polarization (SIP) methods. NMR and SIP results are also interpreted and correlated together to improve the quality of the result. From the measurements the physical parameters (like real part (\sigma') and imaginary part (\sigma'') of the electrical conductivity determined by SIP and relaxation times (T_{1,2}) determined by NMR) are measured. The petrophysical parameters of interest for hydrological evaluation are not directly available. So relations between required petrophysical parameters and measured geophysical parameters are needed. NMR is mainly known in geophysics from well logging applications and laboratory measurements of cores. The advantage of NMR is based on its direct sensitivity to hydrogen atoms \left(^{1}H\right). SIP technique is commonly used in the laboratory to assess complex resistivity over a wide frequency band from mHz to MHz. Several NMR and SIP experiments on artificial clayey sand samples (0% by weight clay up to 100% by weight clay, about 400 samples) with different degrees of \sigma_{w} and S were conducted to establish empirical relationships to estimate the petrophysical parameters. The use of NMR and SIP measurements gives a good and clear possibility to distinguish the sandy and clayey formations which are fully or partially saturated with fresh or saline water, i.e. it is possible to distinguish the sandy and clayey layers using these methods, regardless of whether they contain salt water, or they are partially saturated with water. This distinction is not possible by the use of SIP method alone, where it is not possible to know if the electrical conductivity of the strata is a result of the existence of clay or a result of the presence of saline pore water within the formation. This distinction depends on T_{1,2} relaxation times, where T_{1,2} relaxation times measured for clayey samples are smaller than those measured for sandy samples. The effect of pore water conductivity on the measured relaxation times is very small compared to the effect of clay content. The relationships between petrophysical parameters and measured NMR and SIP parameters could be empirically obtained. The accuracy of these equations is acceptable but it is recommended to validate the obtained relationships with natural samples to test the quality of them, when applying to field measurements in further studies.
