Mobile NMR for rock porosity and permeability

Arnold, Juliane; Clauser, Christoph

doi:28151

Mobile NMR for rock porosity and permeability = Mobile NMR für die Bestimmung von Porosität und Permeabilität an Gesteinen

Arnold, Juliane

2007 & 2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juliane Arnold

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangII, 82 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Prüfungsjahr: 2007. - Publikationsjahr: 2008

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Clauser, Christoph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-08-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21151
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49898/files/Arnold_Juliane.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kernspinrelaxation (Genormte SW) ; Magnetische Kernresonanz (Genormte SW) ; Petrophysik (Genormte SW) ; Permeabilität (Genormte SW) ; Porosität (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Ocean Drilling Program (frei) ; Mobile NMR (frei) ; rock permeability (frei) ; rock porosity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Als nicht-invasives Verfahren bietet die kernmagnetische Resonanz (engl. Nuclear magnetic resonance, NMR) unter anderem die Möglichkeit Gesteinsformationen hinsichtlich ihrer hydraulischen Fließeigenschaften zu charakterisieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei verschiedene mobile NMR-Geräte angewendet, um die Porosität und Permeabilität an ausgewählten Bohrkernen mit Durchmessern bis zu 60 mm zu bestimmen. Neben der Anwendung im Labor, eignen sich die handlichen Sensoren auch für den Einsatz an Bohrplattformen und auf Forschungsschiffen. Dies hat zum Vorteil, dass das frisch gewonnene Kernmaterial im noch bergfeuchten Zustand untersucht werden kann. Bei den mobilen NMR Geräten handelt es sich um experimentelle Prototypen, die sich in der Stärke und Homogenität ihres jeweiligen statischen Magnetfeldes unterscheiden. Während die unilaterale NMR-MOUSE® ein inhomogenes Magnetfeld in der Probe erzeugt, umschließen die beiden Halbach Kern-Scanner die Bohrkerne in einem zylindrischen Volumen, woraus ein annähernd homogenes Magnetfeld in der Probe resultiert. Während mit allen drei Sensoren eindimensionale (1D) Messungen der Relaxationszeit durchgeführt werden können, eignet sich der modifizierte Halbach Kern-Scanner auch für die simultane zweidimensionale (2D) Messung von Relaxationszeiten an Kernstücken mit Durchmessen bis zu 20 mm. 1D transversale Relaxationszeiten wurden an ganzen und halbierten zylindrischen Kernen verschiedener Gesteintypen, wie Kalkstein, Sandstein, Basalt, Peridotit, Tonschiefer und an unverfestigten tonreichen Sedimenten gemessen. Das Probenmaterial unterschied sich in Porosität, Porenradienverteilung und magnetischer Suszeptibilität. Porositäten, welche anhand der NMR Signalamplitude bestimmt wurden, stimmen gut mit unabhängig gemessenen Porositätswerten überein. Weiterhin können die Messungen der transversalen Relaxationszeiten im homogenen Magnetfeld der beiden Halbach Kern-Scanner zur Vorhersage der Permeabilität genutzt werden. Bei hochporösen Sandstein- und Kalkstein-Proben eignet sich zur Berechnung der Permeabilität ein Standardverfahren für Bohrlochdaten, welches in der Ölindustrie gebräuchlich ist. Für Proben mit geringer Porosität und kleinen Porenradien, die interne Magnetfeldgradienten verursachen, ergeben sich jedoch große Abweichungen zu unabhängig bestimmten Permeabilitäten. Mittels einer neuen Modelltheorie wurde die Abhängigkeit der Oberflächenrelaxivität vom Porenradius beschrieben und sowohl eine analytische als auch eine empirische Formel entwickelt, die auf niedrigporöse Gesteine der Bohrung Allermöhe angewendet wurden. Verknüpft mit der Kozeny-Carman Gleichung ließen sich unter Berücksichtigung korrigierter Werte der Oberflächenrelaxivität und mit dem logarithmischen Mittel aus den T2 Verteilungskurven genaue Permeabilitäten bestimmen.

Three different mobile Nuclear Magnetic Resonance (NMR) core-scanners were used to measure porosity and permeability of water-saturated drill cores and core plugs in a non-destructive way. In addition to their use in the laboratory, the small and light-weight devices are conveniently shipped, e.g. to drilling platforms. They allow rapid wellsite analysis of large-size cores in a fresh state without prior preparation. The sensors are experimental prototypes and differ in their magnetic field strength and homogeneity. The magnetic field of the NMR-MOUSE® is applied to the sample from one side and is inhomogeneous within the object. The two Halbach core-scanners enclose the samples in a large cylindrical volume with a nearly homogeneous magnetic field. Besides one-dimensional (1D) relaxation measurements which can be performed with all sensors, the second version of the Halbach core-scanner is also suitable for two-dimensional (2D) relaxation measurements on core plugs. 1D transverse relaxation measurements were made on fully cylindrical and split, semi-cylindrical cores of limestone, sandstone, basalt, peridotite, shale and unconsolidated clay-rich sediments with varying values of porosity, pore size and magnetic susceptibility. Porosity calculated from amplitudes of transverse relaxation measurements with all instruments agrees well with porosity determined by independent methods. Transverse relaxation measurements within the homogeneous magnetic field of the Halbach core-scanners can be used for permeability prediction. In the case of sandstone and limestone samples with high porosity, a standard calculation scheme from NMR logging in the oil industry yields good results. However, standard methods cannot be applied for an accurate permeability prediction for samples with low porosity and small pore sizes associated with high internal magnetic field gradients. Therefore, a new model theory was developed, which describes the pore radius dependence of the surface relaxivity as both an analytical and a more practicable empirical equation. Regarding corrected surface relaxivity values, permeability can be predicted accurately from the logarithmic mean of the T2 distribution from the physically based Kozeny-Carman equation.

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