Relations between seismic signals and reservoir properties of deep gas reservoirs in Northwest-Germany [Elektronische Ressource] : Wustrow member, Rotliegend / von Peter Abram
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Relations between seismic signals and reservoir properties of deep gas reservoirs in Northwest-Germany [Elektronische Ressource] : Wustrow member, Rotliegend / von Peter Abram

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Description

Relations between seismic signals and reservoir properties of deep gas reservoirs in Northwest-Germany - Wustrow member, Rotliegend Dissertation Zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) Vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena Von Dipl.-Ing. Peter Abram Geboren am 28. Dezember 1974 in Bozen (Südtirol, Italien) Gutachter: 1. Prof. Dr. Reinhard Gaupp 2. Prof. Dr. Michael Weber Tag der öffentlichen Verteidigung: 18. April 2007 Abstract This study tries to find the petrophysical basis for correlations between reservoir properties and seismic signals calibrated with geological information for Wustrow-sediments of the Rotliegend in NW-Germany. A secondary objective consists in explaining the large scatter of permeability for Wustrow reservoir rocks of comparable properties. The correlations were ascertained in the DGMK-project 593-8, for instance to authigenic clay mineral types and permeability. The investigations demonstrate that the differences in seismic signals (amplitude, shape and lateral coherency of seismic traces) are a product of distinct compressional field velocities (from wireline logs) and attenuation processes as in-situ bulk densities are barely varying within the investigated horizon.

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Published 01 January 2008
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Language English
Document size 4 MB









Relations between seismic signals and reservoir properties
of deep gas reservoirs in Northwest-Germany
- Wustrow member, Rotliegend







Dissertation
Zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)















Vorgelegt dem Rat der Chemisch-Geowissenschaftlichen Fakultät der
Friedrich-Schiller-Universität Jena

Von Dipl.-Ing. Peter Abram
Geboren am 28. Dezember 1974 in Bozen (Südtirol, Italien)




































Gutachter:

1. Prof. Dr. Reinhard Gaupp

2. Prof. Dr. Michael Weber

Tag der öffentlichen Verteidigung: 18. April 2007 Abstract

This study tries to find the petrophysical basis for correlations between reservoir properties
and seismic signals calibrated with geological information for Wustrow-sediments of the
Rotliegend in NW-Germany. A secondary objective consists in explaining the large scatter of
permeability for Wustrow reservoir rocks of comparable properties.
The correlations were ascertained in the DGMK-project 593-8, for instance to authigenic clay
mineral types and permeability.

The investigations demonstrate that the differences in seismic signals (amplitude, shape and
lateral coherency of seismic traces) are a product of distinct compressional field velocities
(from wireline logs) and attenuation processes as in-situ bulk densities are barely varying
within the investigated horizon.
The regions of different clay mineral authigenesis (illite and chlorite) diverge by their average
compressional in-situ speeds. The differences suffice to provoke relevant variations in
seismic signals. Total porosity appears not to affect the field wave characteristics distinctly as
high void volumes are encountered in the province of high compressional speed. The distinct
velocities for rocks of different authigenesis and the subsidiary effect of void volume are
ascertained also at plug dimensions. Other rock properties affecting wave characteristics
than porosity become thus relevant.
Plugs of comparable properties but largely varying compressional ultrasonic velocity are
analyzed for textural features which certainly or potentially influence wave characteristics.
These features represent, affect or indicate also reservoir quality. Consequently, the potential
is tested to extend the relevant influence of the identified properties from the plug to the field
scale.
clay minerals in positions important to the rigidity of the rock framework strongly reduce the
stiffness and hence the compressional velocity. The investigations show that sand/siltstones
of illite authigenesis demonstrate by far larger amounts of clay minerals between particle
contacts than reservoir rocks of chlorite authigenesis. Further, rocks with different amounts of
non-load bearing minerals but comparable porosity should differ by compressional velocity.
The illitized plugs feature larger amounts of solid components, particularly illite fibres (IM),
which do not contribute to rigidity. These textural properties appear to be laterally and
vertically consistent throughout the reservoir due to the distinct evolutionary conditions of
load bearing illite and chlorite minerals, their distinct relative proportions, the limited
occurrence of IM-fibres to illitized regions and the continuous core documentation of
corresponding clay mineral types. Hence, the characteristic textural distinctions could be co-
responsible for the dissimilar field velocities of the regions of illite and chlorite authigenesis.
The average transmissivity is severely reduced by the presence of illite fibres (IM). The
correlation to major permeability trends could thus be a product of the characteristic textural
properties in the illitized sandstones affecting velocity and the limited occurrence of the IM-
morphotype to illitized regions. Likewise, the predictability of seismic facies classes for
intense bituminisation could be based on the elastic features of illitized reservoir rocks as the
organic matter impregnation is widely restricted to the provinces of illite alteration.
The ascertained effects of particle contact conditions and pore geometrical attributes at the
plug scale could co-determine both velocities and transmissivities of the Wustrow rocks too.
Although in contrast for the other textural properties, evidences for such characteristic
distinctions at the field scale could not be identified, their influence, also if possibly not
prevailing, remains still plausible.
The reservoir rocks of the Wustrow horizon, whose cores were investigated for the concerning
textural features, affect volumetrically the seismic signals to the largest extent. Furthermore,
seismic signal modifications by other lithological units, internal reverberations, reflections on thin shaly or saline strata intercalating the reservoir and shale layers not resolved by GR-logs
are demonstrably not relevant.
Several features regarding geologic structure, gas contents in pores, seismic and logging
acquisition, etc. are discussed which could hamper the extension of petrophysical features
co-regulating wave characteristics at the plug scale to the field scale. Seismic energy loss
could be caused by eventual characteristic variations in reservoir temperature, particle
contact conditions and the relative motion of pore fluids and illite fibres (IM). The calculated
maximal modification of the seismic amplitude by potential distinct gas saturations appears to
be negligible. However, eventual characteristic fluid saturations could affect field velocities
significantly.
The pore geometrical studies and the modelling of permeability evidence that the strongly
diverging permeability for Wustrow-plugs of similar porosity and equal clay mineral type is
attributable to characteristic variations in pore throat size and distribution, degree of
interconnectivity, fractions of intragranular porosity and pore wall roughness. The void
geometrical differences are a result of dissimilar secondary dissolution and mechanical and
chemical consolidation, apparent at the micro scale.


Kurzfassung

Die vorliegende Studie versucht die petrophysikalische Basis für Beziehungen zwischen
geologisch-kalibrierten seismischen Signalen und Reservoireigenschaften zu finden für
Wustrow-Sedimente des Rotliegenden in NW-Deutschland. Ein Ziel sekundärer Bedeutung
besteht darin, die starke Schwankung von Permeabilitäten bei den Wustrow-
Lagerstättengesteinen mit vergleichbaren lithologischen Eigenschaften zu erklären.
Die Korrelationen wurden festgestellt im DGMK-Forschungsprojekt (593-8) und zwar zu
wichtigen Charakteristika wie u.a. durchschnittliche Permeabilität und Vorkommen von
authigenen Tonmineraltypen.

Die Unterschiede in den analysierten seismischen Signalen (Amplitude, Form und laterale
Verfolgbarkeit von seismischen Spuren) des Wustrow-Horizontes sind ein Produkt von
bedeutenden Divergenzen in der longitudinalen in-situ Geschwindigkeit (aus Bohrlochlogs)
und in Dämpfungsprozessen, da die in-situ Rohdichte im untersuchten Horizont kaum
schwankt.
Die Provinzen der Illit- und Chlorit-Authigenesen divergieren in deren durchschnittlichen
longitudinalen in-situ Geschwindigkeiten. Die Unterschiede reichen aus um die seismischen
Signale signifikant zu verändern.
Die durchschnittliche Gesamtporosität kann die Kontraste in den Laufzeiten nicht bedingen,
da die höheren Geschwindigkeiten in den Provinzen höherer Porosität gemessen wurden.
Die klaren Unterschiede in der Geschwindigkeit und die fehlende Dominanz der Porosität
sind auch im Proben-Maßstab offensichtlich. Diese Tatsachen heben die Relevanz anderer
textureller Gesteinseigenschaften für die Ursache der Korrelationen hervor.
Ausgewählte Kernproben vergleichbarer Eigenschaften aber von stark abweichender
Kompressionsgeschwindigkeit und Permeabilität werden eingehendst analysiert in Bezug auf
Gefügemerkmale, welche die Wellencharakteristika sicher oder potentiell mitbestimmen. Diese
Gesteinsmerkmale sind, beeinflussen oder indizieren auch Lagerstätteneigenschaften.
Anschließend wird untersucht, ob ein maßgeblicher Einfluß der identifizierten Eigenschaften
auch im Feld-Maßstab besteht.
Tonminerale welche sich in einer texturellen Position befinden, in denen sie die Festigkeit
des Gefüges beeinflussen, verringern die Kompressionsgeschwindigkeiten drastisch. Die
Untersuchungen zeigen, dass Sand- und Siltsteine von Illit-Authigenese bedeutend mehr solcher kornstützenden Tonminerale aufweisen als chloritisierte Gesteine. Weiters
unterscheiden sich Gesteine mit unterschiedlicher Menge an nicht kornstützenden Mineralen
aber gleicher Porosität in den Geschwindigkeiten. Die illitisierten Proben besitzen größere
Mengen dieser Komponenten, wozu vor allem die Illit-Fasern des IM-Typs gehören. Diese
beiden texturellen Unterschiede scheinen lateral und vertikal konsistent im untersuchten
Lagerstättenbereich gegeben zu sein aufgrund der deutlichen Unterschiede in der
Entstehung der authigenen Illit- und Chloritminerale, deren klar voneinander abgegrenzten
Vorkommen im Untersuchungsbereich, deren stark divergierenden Mengenverhältnissen, die
Beschränkung des Auftretens der IM-Fasern auf illitisierte Bereiche und der steten Präsenz
von entsprechenden Tonmineraltypen in allen Kernabschnitten des Wustrow-
Reservoirintervalles. Infolgedessen könnten diese texturellen Eigenschaften die
unterschiedlichen in-situ Geschwindigkeiten der illitisierten und chloritisierten Bereiche
zumindest mitbestimmt haben.
Die Permeabilität wird stark reduziert bei Anwesenheit von IM-Fasern. Die Korrelation zur
Permeabilität könnte auf den charakteristischen texturellen Eigenschaften der illitisierten
Sand- und Siltsteine und der Einschränkung der IM- Vorkommen auf illitisierte Provinzen im
untersuchten Bereich basieren. Genauso könnte die Vorhersagbarkeit einer
Bitumenimprägnierung auf die elastischen Besonderheiten der illitisierten Reservoirgesteinen
zurückzuführen sein, da das Bitumen fast ausschließlich auf illitisierte Regionen im
Untersuchungsgebiet beschränkt ist.
Die festgestellten Effekte aus den Unterschieden der Kornkontaktbedingungen und der
Porengeometrie welche im Probenmaßstab bestehen, könnten die
Kompressionsgeschwindigkeiten und Permeabilitäten im Feldes-Maßstab beeinflussen.
Auch wenn im Gegensatz zu den anderen texturellen Eigenschaften keine direkten Beweise
für charakteristische Unterschiede nachgewiesen werden konnten, bleibt deren Einfluss,
auch wenn vielleicht nicht bestimmend, dennoch bestehen.
Der Wustrow Reservoirabschnitt, in dessen Kernen die betreffenden texturellen
Eigenschaften untersucht wurden, beeinflusst die seismischen Signale volumetrisch am
stärksten. Weiters sind andere lithologische Abschnitte, interne Reflexionen, Reflektionen an
geringmächtigen tonigen oder salinen Einschaltungen und Tonlagen, welche nicht vom GR-
Log aufgelöst wurden, für Modifikationen der seismischen Signale nachweislich nicht
relevant.
Eigenschaften, welche die Bedeutung der texturellen Eigenschaften für das elastische und
anelastische Verhalten im Feld-Maßstab reduzieren oder gar maskieren, werden diskutiert.
Seismische Dämpfung könnte hervorgerufen werden durch eventuelle charakteristische
Variationen in der Lagerstättentemperatur, den Kornkontakt-Bedingungen und der relativen
Bewegung von Porenfluiden und IM-Fasern. Die berechnete maximale Modifikation der
seismischen Amplitude durch die möglichen charakteristischen Gas-Saturationsunterschiede
ist vernachlässigbar. Allerdings könnten diese Unterschiede relevante
Geschwindigkeitskontraste verursachen.
Die porengeometrischen Studien und die Modellierung der Permeabilität beweisen, dass die
weit gestreute Permeabilität von Wustrow-Reservoirgesteinen ähnlicher Porosität und
identischer Tonmineral-Authigenese zurückgeführt werden kann auf charakteristische
Unterschiede in Bezug auf Porenhalsweite, -verteilung, Porenverbindungsgrad,
intragranularer Porosität und Porenoberflächenrauhigkeit. Diese porengeometrischen
Differenzen resultieren aus unterschiedlichen Intensitäten von sekundärer Lösung und
mechanischer und chemischer Kompaktion.


Acknowledgements

First of all, my cordial thanks go to Prof. Dr. R. Gaupp. He sparked my interest with the idea
to this study. During the working progress he was steadily curiously committed to the
development of the theories and supported me with valuable discussions and some
important encouraging. This study was facilitated by his decisive aid to gain for me a
financially secure coverage.

I am appreciative to Dr. R. Möller (Labor Wietze, RWE-Dea) who provided the necessary
plug set and crucial petrophysical information. The Society for Petroleum and Coal Science
and Technology (DGMK) and RWE-Dea is recognised for supplying the data of the DGMK-
project 593-8, digital log files and the possibility to release all the results of the present study
to publication.

Several working groups conducted measurements and permitted to utilize their tools:
Prof. Dr. P. G. Malischewsky and A. Ziegert are gratefully acknowledged for allowing me to
determine the compressional speeds on their equipment and for valuable arguments on the
results.
Dr. T. Wonik at the Institute GGA in Hannover enabled charge free NMR-measurements. R.
Haifa and R. Kappes conducted the expensive analyses and discussed with me the
outcome. Additionally the opportunity was given to present my investigations in their
research establishment to a broad audience. I am grateful for their work and their friendly
support.
A. Caron at the IzFP in Saarbrücken carried out the SAM-measurements on a sometimes
fractious apparatus. I am thankful for his long-term and gratuitous engagement.

My work benefited from many consultations with experienced workers of petroleum
exploration industry on scientific conferences and presentations in their research
departments. My special thanks in this regard go to the research staff of EXXONMobil, who
furnished some relevant details which are not retrievable from literature.
Dr. R. Samiee (TEEC, at that time) is sincerely thanked for aiding me in evaluating the
applications and limitations of neural network techniques.
I am very grateful to Prof. Dr. J. Kley who read my preliminary script and discussed with me
valuable modifications.

The study profited from a pleasant and calm atmosphere in the institute. My colleagues are
thanked for their unhurried and very friendly mentality.

The Friedrich-Schiller-University of Jena is kindly acknowledged for providing a position as
scientific associate in the public service.

My deep thanks go also to my fiancé Elena who backed me all the time.








Contents
Abstract
Kurzfassung
Acknowledgements
Contents
1 Introduction 1
1.1 Objective 1
1.2 Geological information on the investigated Wustrow member 2
1.2.1 Location and stratigraphy 2
1.2.2 Lithology, depth and tectonics 3
1.2.3 Porosities and permeabilties 5
1.2.4 Clay mineral morphotypes and diagenesis model 7
1.2.4.1 Clay mineral morphotypes 7
1.2.4.2 Diagenesis model 11
1.2.5 Gas accumulations within the investigated volumes 11
1.3 Seismic signal interpretation for the Wustrow member 13
1.3.1 Introduction 13
1.3.2 Generation of seismic signals 13
1.3.3 Neural network technique 15
1.3.3.1 Type of neural network 15
1.3.3.2 Results of the classification 16
1.3.3.3 Explanation of the parameters compared to neural network
output and comments 18
1.3.4 Further techniques of seismic signal interpretation 19
1.3.5 Weak points of the techniques 19
2 Approach and Methodology 21
2.1 Introduction 21
2.2 Approach 24
2.3 Methodology 25
25
26
26
27
27
27
27
3 Parameters affecting compressional velocity and attenuation at the plug scale 31
3.1 Effects of clay minerals between particle contacts on compressional
velocity 31
31
33
34
35
39 39
41
3.2 Effects of particle contacts on compressional velocity and permeability 43
43
44
45
46
46
46
47
47
47
49
50
50
50
52
52
53
53
55
59
60
61
62
63
63
69
69
73
73
74
77
77
78
78
81
81
81
81
82
82
85
86
86
87
87
89

90
90
91
92
95
95
95
97
99
101
103
103
103
106
107
109
110
110
110
111
4 Extension to seismic dimensions 112
112
113
113
114
115
116
117
118
119
119
122
122
122
123
123