Einfluss des hydrostatischen Druckes auf den frequenzabhängigen komplexen elektrischen Widerstand von sedimentären Festgesteinen und dessen Beziehung zur Permeabilität, bei besonderer Betrachtung der Anisotropie
Final Report Abstract
Sandsteinproben aus einem 'tight gas reservoir' wurden petrophysikalisch charakterisiert (Dichte, Porosität, qualitative und quantitative Phasenanalyse, Dünnschliffanalyse, Permeabilität, BET, NMR, Hg-Porosimetrie) und anschießend mittels Impedanzspektroskopie (SIP & IS) im Frequenzbereich mHz bis MHz untersucht. Ziel war es eine Korrelation zwischen der Permeabilität, ihrer Druck- und Temperaturabhängigkeit und elektrischen Parametern, unter Berücksichtigung der Gesteinstextur, zu etablieren. Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchungen ist, dass eine lithologiebezogene Korrelation von Permeabilität und SIP erkannt werden konnte: Bedingt durch die Gesteinstextur wurde eine ausgeprägte Richtungs- und Druckabhängigkeit von Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit gemessen. Eine Erhöhung des Umschließungsdrucks verändert nur die Geometrie des Porenraums (Vernetzungsgrad), die Lithologie bleibt unverändert. Permeabilität und Leitfähigkeit sind an den gleichen Porenraum gebunden und nehmen beide mit steigendem Druck ab. Elektrisch wird dies in der geänderten Verteilung der Relaxationszeiten sichtbar, die durch die geänderte Poren-Kluftgeometrie bewirken werden. Diese Änderung kann durch eine Maxwell-Wagner Polarisation beschrieben werden. Eine generelle Beziehung zwischen der spektralen elektrischen Probenantwort und der Permeabilität konnte nicht hergeleitet werden. Im niederfrequenten Bereich des Spektrums (mHz bis Hz) zeigten die elektrischen Messungen eine Korrelation zwischen SIP und Permeabilität. Die SIP-Spektren wurden an eine Cole-Cole- Responsefunktion angefittet und mit einer regularisierten Debye-Zerlegung in eine Verteilung von Relaxationszeiten transformiert. Eine positive Korrelation in Form einer Potenzfunktion zwischen der mittleren Relaxationszeit und der Permeabilität wurde gefunden. Die semi-empirische Beziehung zwischen diesen beiden Größen erlaubte es, die Relaxationszeit als eine indirekte Messgröße des effektiven hydraulischen Längenmaßes zu interpretieren. Ein Vergleich dieser Beziehung mit publizierten Daten zeigte, dass eine solche Beziehung formationsspezifisch ist und somit eine Kalibrierung für die jeweilige Formation erforderlich ist. Die Temperaturabhängigkeit der SIP-Spektren beruht auf elektrochemischen Polarisationsmechanismen, insbesondere der Änderung der Ionenmobilität, was wiederum eine Verteilung der Relaxationszeiten bedingt, dies wurde mit einer semi-empirischen Beziehung berücksichtigt.
Publications
- (2007). Relationship between electrical and hydraulic properties of sedimentary rocks. Z. dt. Ges. Geowiss., ZDGG, 158/4, 883-894
Zisser N., Nover G., Dürrast H., Siegesmund S.
- (2009). Anisotropy of permeability and complex resistivity of tight sandstones subjected to hydrostatic pressure. Journal of Applied Geophysics, 68 356-370
Zisser N., Nover G.
- (2009). Relationship between bw frequency electrical properties and hydraulic permeability of bw permeable sandstones. Geophysics, Vol. 75, No.3. E131-E141
Zisser N., Kemna A., Nover G.
- (2010). Dependence of Spectral Induced Polarization Response of Sandstone on Temperature and its Relevance to Permeability Estimation. Journal of Geophysical Research, Vol. 115, B09214,15PP., 2010
Zisser N., Kemna A., and Nover G.
(See online at https://doi.org/10.1029/2010JB007526) - (2010). Relationship between Hydraulic Permeability and Spectral Electrical Response. PhD-Thesis, Universität Bonn
Zisser N.
