Assessing sandstone reservoir quality: identifying the reality

Abstract

Quartz cementation is one of the most important cements governing reservoir quality in sandstones. The presence of clay coats plays a crucial role in preserving anomalous high porosity in deeply buried sandstones by inhibiting porosity-occluding macroquartz cementation. More robust and greater grain coat coverage is required for higher temperature reservoirs to preserve significant amounts of porosity. The first and main component of this research entails a series of hydrothermal experiments simulating quartz cementation and grain coat development, particularly authigenic chlorite, at specific temperature steps to mimic the conditions of deeply buried reservoirs and develop predictive models for clay-coat-controlled reservoir quality in such settings. Naturally-occurring sandstone samples from the Lower Jurassic Cook Formation of the Oseberg Field (Norway) were exposed to a silica supersaturated solution for up to 360 hours at temperatures of 0–250 °C. An array of microscopic, analytical and modelling techniques was employed to track the mineralogical alterations, quantify the temperature-dependent volumetric changes of authigenic chlorite, the thickness and coverage of the clay coats, and capture the evolving reservoir quality attributes in the 2D and 3D domain. Results show that grain coating chlorite is formed through a mixture of the solid-state transformation and dissolution-precipitation mechanisms from berthierine transformation, replacement of siderite and neoformation on precursor-free substrate surfaces. Ceasing of porosity loss and permeability maintenance correlate directly to grain coat volume increase at temperatures higher than 175 °C. The second component presents a series of hydrothermal experiments performed on laboratory synthesised biofilm-rich, pure sand samples to test the influence of microbial extracellular polymeric substances (EPS) on early mineral precipitation at temperatures up to 120 °C. An artificial solution was used to synthesise and preserve the microbial communities and promote mineral genesis during each experimental run. Textural evaluation of the samples shows that EPS-coated surfaces serve as templates for the nucleation of early mineral precipitates. Poorly-ordered, morphologically clay-like material developed at points of contact between quartz grains and where EPS structures pre-existed. Future energy and climate change mitigation developments require better characterisation of subsurface reservoirs that can act as energy sources or storage media. This research has important implications for diagenesis studies, providing key insights that can be used to improve predictability of reservoir quality modelling applied in a wide range of geoscience applications.

Το χαλαζιακής σύστασης συγκολλητικό υλικό τροποποιεί σημαντικά την ποιότητα των ψαμμιτικών ταμιευτήρων μειώνοντας το πορώδες και την διαπερατότητα τους. Ωστόσο η εκτεταμένη παρουσία αργιλικών ορυκτών με τη μορφή επιφλοιώσεων γύρω από τους κλαστικούς κόκκους των ψαμμιτών περιορίζει τη διαδικασία συγκόλλησης διατηρώντας την ποιότητα των ταμιευτήρων. Το πρώτο και κύριο σκέλος της παρούσας διατριβής εμπεριέχει μια σειρά από υδροθερμικά πειράματα εκτελεσμένα υπο θερμοκρασιακές συνθήκες ανάλογες των συνθηκών που επικρατούν σε μεγάλου βάθους ταμιευτήρες. Δείγματα ψαμμιτικού πετρώματος από τον Κάτω Ιουρασικό ''Cook'' ταμιευτήρα του πεδίου Oseberg (Νορβηγία) εκτέθηκαν σε διάλυμα υπερκορεσμένο σε πυρίτιο για χρονικά διαστήματα έως 360 ώρών σε θερμοκρασίες έως 250 °C. Σκοπός των πειραμάτων ήταν: i) ο προσδιορισμός των ορυκτολογικών μεταβολών που υπέστη το πέτρωμα, ii) η ποσοτικοποίηση της ανάπτυξης αυθιγενούς χλωρίτη γύρω από τους κλαστικούς κόκκους του πετρώματος, και iii) η δισδιάστατη και τρισδιάστατη αποτύπωση της εξέλιξης των ποιοτικών χαρακτηριστικών του ταμιευτήρα.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι χλωριτική επιφλοίωση δημιουργείται μέσω: i) ενός συνδυασμού των μηχανισμών του μετασχηματισμού σε στερεά κατάσταση (solid-state transformation) και της διάλυσης-καθίζησης από ανακρυστάλλωση του ορυκτού βερθιερίνη (berthierine), ii) της αντικατάστασης του ορυκτού σιδερίτη, και iii) του νεοσχηματισμού από το διάλυμα πάνω σε ελεύθερες επιφάνειες κόκκων. Σε πειραματικές θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 175 °C, η παύση της μείωσης του πορώδους και η διατήρηση της διαπερατότητας του σχηματισμού σχετίζονται με την αύξηση κατ’ όγκο των χλωριτικών επιφλοιώσεων. Το δεύτερο σκέλος της παρούσας διατριβής παρουσιάζει μια σειρά από υδροθερμικά πειράματα σε κόκκους χαλαζία επικαλυμμένους από κολλώδεις βακτηριακές βιομεμβράνες (biofilms). Σκοπός των πειραμάτων ήταν η εξέταση της επίδρασης της εξωκυττάριας πολυμερούς ουσίας (Extracellular Polymeric Substance, EPS), η οποία περιβάλλει τις βακτηριακές βιομεμβράνες, στην δημιουργία ορυκτών σε θερμοκρασίες έως 120 °C. Μετά την αξιολόγηση της υφής των δειγμάτων παρατηρήθηκε ότι η εξωκυττάρια πολυμερής ουσία έδρασε ως επιφανειακό υπόστρωμα για τον σχηματισμό ορυκτών, πανομοιότυπα μορφολογικά με αργιλικά ορυκτά. Μελλοντικές εξελίξεις στο χώρο της ενέργειας και των δράσεων μετριασμού της κλιματικής αλλαγής απαιτούν καλύτερό χαρακτηρισμό των υπόγειων ταμιευτήρων που μπορούν να λειτουργήσουν ως πηγές ενέργειας ή μέσα γεωλογικής αποθήκευσης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στις διεργασίες διαγένεσης που επηρεάζουν ψαμμιτικούς ταμιευτήρες αποσκοπώντας στην βελτίωση της προβλεψιμότητας των μοντέλων ποιότητας τους.