Basic Log Interpretation
description
Transcript of Basic Log Interpretation
11
Introduction to Log Interpretation
Introduction to Log Interpretation
© Schlumberger 1999
22
Introduction to Log Interpretation
Log InterpretationInterpretation is defined as the action of explaining the meaning of something.
Log Interpretation is the explanation of logs ρρρρb, GR, Resistivity, etc. in terms of well and reservoir parameters, zones, porosity, oil saturation, etc.
Log interpretation can provide answers to questions on:
33
Introduction to Log Interpretation
Why Run Logs
44
Introduction to Log Interpretation
The Reservoir
55
Introduction to Log Interpretation
Requirements of a reservoir
To form a reservoir needs
- source of organic material (terrestrial or marine)
- a suitable combination of heat, pressure and time
- an oxygen free environment
- a suitable basin
66
Introduction to Log Interpretation
Reservoir Geometry
77
Introduction to Log Interpretation
Reservoir elements
The major elements of a reservoir are
• permeable rock stores the hydrocarbon• source rock produces hydrocarbon• impermeable rock traps hydrocarbon• trap captures fluids
A
11
Reservoir Rocks
Reservoir Rocks
© Schlumberger 1999
22
Reservoir Rocks
The Earth
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Crust
MantleCoreInner Core
solid
liquid
plastic
plastic
750 miles 1400 miles 1800 miles
10 miles
ρ = 10.7 g/cc ρ = 4.0 g/cc
33
Reservoir Rocks
The Earth 2
44
Reservoir Rocks
Plate Tectonics 1
55
Reservoir Rocks
Compressional Features
66
Reservoir Rocks
Tensional Features
77
Reservoir Rocks
Ocean plate - Ocean Plate
Trench
Mountains
88
Reservoir Rocks
Ocean plate - Continental plate
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Mid Ocean Ridge Trench
Continentalplate
Magma Magma
Mountains
Ocean plate
99
Reservoir Rocks
Continental - Continental
1010
Reservoir Rocks
Plates
1111
Reservoir Rocks
Rocks General
There are three major classes of rock:
Igneous:
(e.g. Granite).
Sedimentary:
(e.g. Sandstone).
Metamorphic:
(e.g. Marble).
1212
Reservoir Rocks
Igneous RocksComprise 95% of the Earth's crust.
Originated from the solidification of molten material from deep inside the Earth.
There are two types:
Volcanic - glassy in texture due to fast cooling.
Plutonic - slow-cooling, crystalline rocks.
1313
Reservoir Rocks
Igneous Rocks and Reservoirs
Igneous rocks can be part of reservoirs.Fractured granites form reservoirs in some parts of the world.
Volcanic tuffs are mixed with sand in some reservoirs.
1414
Reservoir Rocks
Metamorphic Rocks
2) Metamorphic rocksformed by the action of temperature and/or pressure on sedimentary or igneous rocks.
Examples are
Marble - formed from limestoneHornfels - from shale or tuffGneiss - similar to granite but
formed by metamorphosis
1515
Reservoir Rocks
Sedimentary Rocks
The third category is Sedimentary rocks. These are the most important for the oil industry as it contains most of the source rocks and cap rocks and virtually all reservoirs.
Sedimentary rocks come from the debris of older rocks and are split into two categories
Clastic and Non-clastic.
Clastic rocks - formed from the materials of older rocks by the actions of erosion, transportation and deposition.
Non-clastic rocks -from chemical or biological origin and then deposition.
1616
Reservoir Rocks
Depositional EnvironmentsThe depositional environment can be
Shallow or deep water.
Marine (sea) and lake or continental.
This environment determines many of the reservoir characteristics
1717
Reservoir Rocks
Depositional Environments 2Continental deposits are usually dunes.A shallow marines environment has a lot of turbulence hence varied grain sizes. It can also have carbonate and evaporite formation.A deep marine environment produces fine sediments.
1818
Reservoir Rocks
Depositional Environments 3
The depositional characteristics of the rocks lead to some of their properties and that of the reservoir itself.
The reservoir rock type clastic or non-clastic.The type of porosity (especially in carbonates) is determined by the environment plus subsequent events.
The structure of a reservoir can also be determined by deposition; a river, a delta, a reef and so on.
This can also lead to permeability and producibility. of these properties are often changed by further events.
1919
Reservoir Rocks
Depositional Environment 4
The environment is not static.Folding and faulting change the structure.Dissolution and fracturing can change the permeability.
2020
Reservoir Rocks
Sedimentation
Sediments settle to the bottom of the sedimentary basin.
As the sediments accumulate
the temperature and pressure increase
expelling water from the sediments.
2121
Reservoir Rocks
Sedimentation 2
Sedimentary muds become sedimentary rocks.
Calcareous muds become limestone.Sands become sandstone.
Another effect involves both the grains in the matrix and the fluids reacting to create new minerals changing the matrix and porosity. Fluids can also change creating a new set of minerals.
This whole process is called Diagenesis.
2222
Reservoir Rocks
Rock Cycle
2323
Reservoir Rocks
Clastic Rocks
Clastic rocks are sands, silts and shales. The difference is in the size of the grains.
2424
Reservoir Rocks
Depositional Environment - Delta
Sediments are transported to the basins by rivers.A common depositional environment is the delta where the river empties into the sea.A good example of this is the Mississippi.
2525
Reservoir Rocks
Rivers
Some types of deposition occur in rivers and sand bars.The river forms a channel where sands are deposited in layers. Rivers carry sediment down from the mountains which is then deposited in the river bed and on the flood plains at either side. Changes in the environment can cause these sands to be overlain with a shale, trapping the reservoir rock.
2626
Reservoir Rocks
Carbonates
Carbonates form a large proportion of all sedimentary rocks.
They consist of:Limestone.
Dolomite.
Carbonates usually have an irregular structure.
2727
Reservoir Rocks
Carbonate types
Chalk is a special form of limestone and is formed from the skeletons of small creatures (cocoliths).
Dolomite is formed by the replacement of some of thecalcium by a lesser volume of magnesium in limestone by magnesium. Magnesium is smaller than calcium, hence the matrix becomes smaller and more porosity is created.
Limestone CaCO3
Dolomite CaMg(CO3)2
Evaporites such as Salt (NaCl) and Anhydrite (CaSO4) can also form in these environments.
2828
Reservoir Rocks
Depositional Environment Carbonates
Carbonates are formed in shallow seas containing features such as:
Reefs.
Lagoons.
Shore-bars.
2929
Reservoir Rocks
Rock Properties
Rocks are described by three properties:
Porosity - quantity of pore space
Permeability - ability of a formation to flow
Matrix - major constituent of the rock
3030
Reservoir Rocks
Definition of Porosity
3131
Reservoir Rocks
Porosity Sandstones
The porosity of a sandstone depends on the packing arrangement of its grains.The system can be examined using spheres.
In a Rhombohedral packing, the pore space accounts for 26% of the total volume.
With a Cubic packing arrangement, the pore space fills 47% of the total volume.
In practice, the theoretical value is rarely reached because:
a) the grains are not perfectly round, and
b) the grains are not of uniform size.
3232
Reservoir Rocks
Porosity and Grain Size
A rock can be made up of small grains or large grains but have the same porosity.
Porosity depends on grain packing, not the grain size.
3333
Reservoir Rocks
Diagenesis
The environment can also involve subsequent alterations of the rock such as:Chemical changes.Diagenesis is the chemical alteration of a rock after burial. An example is the replacement of some of the calcium atoms in limestone by magnesium to form dolomite.
Mechanical changes - fracturing in a tectonically-active region.
3434
Reservoir Rocks
Carbonate Porosity Types 1
Interparticle porosity:
Each grain is separated, giving a similar pore space arrangement as sandstone.
Intergranular porosity:
Pore space is created inside the individual grains which are interconnected.
Intercrystalline porosity:
Produced by spaces between carbonate crystals.
Mouldic porosity:
Pores created by the dissolution of shells, etc.
Carbonate porosity is very heterogeneous. It is classified into a number of types:
3535
Reservoir Rocks
Carbonate Porosity Types 2
Fracture porosity:Pore spacing created by the cracking of the rock fabric.
Channel porosity:Similar to fracture porosity but larger.
Vuggy porosity:Created by the dissolution of fragments, but unconnected.
3636
Reservoir Rocks
Carbonate Porosity
Intergranular porosity is called "primary porosity".
Porosity created after deposition is called "secondary porosity".
The latter is in two forms:
Fractures
Vugs.
3737
Reservoir Rocks
Fractures
Fractures are caused when a rigid rock is strained beyond its elastic limit - it cracks.The forces causing it to break are in a constant direction, hence all the fractures are also aligned.
Fractures are an important source of permeability in low porosity carbonate reservoirs.
3838
Reservoir Rocks
Vugs
Vugs are defined as non-connected pore space.They do not contribute to the producible fluid total.Vugs are caused by the dissolution of soluble material such as shell fragments after the rock has been formed. They usually have irregular shapes.
3939
Reservoir Rocks
Permeability Definition The rate of flow of a liquid through a formation depends on:
The pressure drop.The viscosity of the fluid.The permeability.
The pressure drop is a reservoir property.The viscosity is a fluid property.The permeability is a measure of the ease at which a fluid can flow through a formation.
Relationships exist between permeability and porosity for given formations, although they are not universal.A rock must have porosity to have any permeability.The unit of measurement is the Darcy.Reservoir permeability is usually quoted in millidarcies, (md).
4040
Reservoir Rocks
Darcy Experiment
The flow of fluid of viscosity m through a porous medium was first investigated in 1856 by Henri Darcy.He related the flow of water through a unit volume of sand to the pressure gradient across it.In the experiment the flow rate can be changed by altering the parameters as follows:
4141
Reservoir Rocks
Darcy Law
K = permeability, in Darcies.L = length of the section of rock, in centimetres.Q = flow rate in centimetres / sec.P1, P2 = pressures in bars.A = surface area, in cm2.µ = viscocity in centipoise.
4242
Reservoir Rocks
Permeability and Rocks
In formations with large grains, the permeability is high and the flow rate larger.
4343
Reservoir Rocks
Permeability and Rocks 2
In a rock with small grains the permeability is less and the flow lower.
Grain size has no bearing on porosity, but has a large effect on permeability.
4444
Reservoir Rocks
Reservoir Rocks
Reservoir rocks need two properties to be successful:Pore spaces able to retain hydrocarbon.Permeability which allows the fluid to move.
4545
Reservoir Rocks
Clastic Reservoirs
Sandstone usually has regular grains; and is referred to as a grainstone.
PorosityDetermined mainly by the packing and mixing of grains.
PermeabilityDetermined mainly by grain size and packing, connectivity and shale content.
Fractures may be present.
4646
Reservoir Rocks
Carbonate Reservoirs
Carbonates normally have a very irregular structure.
Porosity:Determined by the type of shells, etc. and
by depositional and post-depositional events(fracturing, leaching, etc.).
Permeability:Determined by deposition and post-deposition events, fractures.
Fractures can be very important in carbonate reservoirs.
4747
Reservoir Rocks
Cap Rock
A reservoir needs a cap rock.
Impermeable cap rock keeps the fluids trapped in the reservoir.It must have zero permeability.Some examples are:
Shales.Evaporites such as salt or anhyhdrite.Zero-porosity carbonates.
4848
Reservoir Rocks
Source RocksHydrocarbon originates from minute organisms in seas and lakes. When they die, they sink to the bottom where they form organic-rich "muds" in fine sediments.These "muds" are in a reducing environment or "kitchen", which strips oxygen from the sediments leaving hydrogen and carbon.The sediments are compacted to form organic-rich rocks with very low permeability.The hydrocarbon can migrate very slowly to nearby porous rocks, displacing the original formation water.
4949
Reservoir Rocks
Temperature Window
If the temperature is too low, the organic material cannot transform into hydrocarbon.If the temperature is too high, the organic material and hydrocarbons are destroyed.
5050
Reservoir Rocks
Hydrocarbon Migration
Hydrocarbon migration takes place in two stages:Primary migration - from the source rock to a porous rock. This is a complex process and not fully understood.It is probably limited to a few hundred metres.
Secondary migration - along the porous rock to the trap.This occurs by buoyancy, capillary pressure and hydrodynamics through a continuous water-filled pore system.
It can take place over large distances.
5151
Reservoir Rocks
Rock Classification
ClasticsRock type Particle diameter
Conglomerate Pebbles 2 - 64mmSandstone Sand .06 - 2mmSiltstone Silt .003 - .06mmShale Clay <.003mm
Non-ClasticsRock type Composition
Limestone CaCO3Dolomite CaMg(CO3)2Salt NaClAnhydrite CaSO4Gypsum CaSO4.2H2OCoal Carbon
5252
Reservoir Rocks
Reservoir Structure
There are many other types of structure.The criteria for a structure is that it must have:
Closure, i.e. the fluids are unable to escape.Be large enough to be economical.
The exact form of the reservoir depends on the depositional environment and post depositional events such as foldings and faulting.
5353
Reservoir Rocks
Traps General
5454
Reservoir Rocks
Structural TrapsThe simplest form of trap is a dome.This is created by upward movement or folding of underlying sediments.
An anticline is another form of simple trap. This is formed by the folding of layers of sedimentary rock.
5555
Reservoir Rocks
Fault TrapsFaults occur when the rock shears due to stresses. Reservoirs often form in these fault zones.A porous and permeable layer may trap fluids due to its location alongside an impermeable fault or its juxtaposition alongside an impermeable bed.Faults are found in conjunction with other structures such as anticlines, domes and salt domes.
5656
Reservoir Rocks
Salt Dome TrapSalt Dome traps are caused when "plastic" salt is forced upwards.The salt dome pierces through layers and compresses rocks above. This results in the formation of various traps:In domes created by formations pushed up by the salt.Along the flanks and below the overhang in porous rock abutting on the impermeable salt itself.
5757
Reservoir Rocks
Stratigraphic Traps
5858
Reservoir Rocks
Reservoir Mapping
Reservoir contours are usually measured to be below Mean Sea Level (MSL).They can represent either the reservoir formation structure or fluid layers.
11
Reservoir Fluids
Reservoir Fluids
© Schlumberger 1999
22
Reservoir Fluids
Definitions
Oil in Place OIP The volume of oil in the
reservoir in barrels or cubic metres.
Gas/Oil Ratio GOR The gas content of the oil.
API Gravity API Oil gravity.
Fluid Contacts
33
Reservoir Fluids
Fluids in a Reservoir
A reservoir normally contains either water or hydrocarbon or a mixture.
The hydrocarbon may be in the form of oil or gas.
The specific hydrocarbon produced depends on the reservoir pressure and temperature.
The formation water may be fresh or salty.
The amount and type of fluid produced depends on the initial reservoir pressure, rock properties and the drive mechanism.
44
Reservoir Fluids
Hydrocarbon Composition
Typical hydrocarbons have the following composition in Mol Fraction
Hydrocarbon C1 C2 C3 C4 C5 C6+
Dry gas .88 .045 .045 .01 .01 .01
Condensate .72 .08 .04 .04 .04 .08
Volatile oil .6-.65 .08 .05 .04 .03 .15-.2
Black oil .41 .03 .05 .05 .04 .42
Heavy oil .11 .03 .01 .01 .04 .8
Tar/bitumen 1.0
The 'C' numbers indicated the number of carbon atoms in the molecular chain.
55
Reservoir Fluids
Hydrocarbon Structure
The major constituent of hydrocarbons is paraffin.
66
Reservoir Fluids
Hydrocarbon ClassificationHydrocarbons are also defined by their weight and the Gas/Oil ratio. The table gives some typical values:
GOR API Gravity
Wet gas 100mcf/b 50-70
Condensate 5-100mcf/b 50-70
Volatile oil 3000cf/b 40-50
Black oil 100-2500cf/b 30-40
Heavy oil 0 10-30
Tar/bitumen 0 <10
The specific gravity of an oil is defined as:
77
Reservoir Fluids
Hydrocarbon Gas
Natural gas is mostly (60-80%) methane, CH4. Some heavier gases make up the rest.
Gas can contain impurities such as Hydrogen Sulphide, H2S and Carbon Dioxide, CO2.
Gases are classified by their specific gravity which is defined as:
"The ratio of the density of the gas to that of air at the same temperature and pressure".
88
Reservoir Fluids
Reservoir Pressure
Reservoir Pressures are normally controlled by the gradient in the aquifer.High pressures exist in some reservoirs.
99
Reservoir Fluids
Reservoir Pressure Calculation
1010
Reservoir Fluids
Reservoir Pressure Example
1111
Reservoir Fluids
Reservoir Temperature Gradient
The chart shows three possible temperature gradients. The temperature can be determined if the depth is known.
High temperatures exist in some places. Local knowledge is important.
1212
Reservoir Fluids
Fluid Phases
A fluid phase is a physically distinct state, e.g.: gas or oil.
In a reservoir oil and gas exist together at equilibrium, depending on the pressure and temperature.
The behaviour of a reservoir fluid is analyzed using the properties; Pressure, Temperature and Volume (PVT).
There are two simple ways of showing this:Pressure against temperature keeping the volume constant.
Pressure against volume keeping the temperature constant.
1313
Reservoir Fluids
PVT Experiment
1414
Reservoir Fluids
Phase Diagram -single component
The experiment is conducted at different temperatures.The final plot of Pressure against Temperature is made.The Vapour Pressure Curve represents the Bubble Point and Dew Point. (For a single component they coincide.)
1515
Reservoir Fluids
Phase diagram OilThe Pressure/Temperature (PT) phase diagram for an oil reservoir:Point 'A' is the initial reservoir condition of pressure and
temperature.If the reservoir is produced at a constant temperature
until the fluid reaches the wellbore, the line to Point 'B' is drawn. This represents the flow of fluid from the reservoir to the borehole. The fluid travelling to surface now drops in both temperature and pressure arriving at he "separatorconditions" (s) with a final volume of oil and gas.
1616
Reservoir Fluids
Phase Diagram Condensate/Gas
Point 'C' is at the initial reservoir conditions. The reservoir is produced at a constant temperature from C to D. Fluids flowing up the well now drop in temperature and pressure, crossing the Dew point line and liquid condenses out.
At separator conditions (s) the result in both liquid and gas on the surface.
1717
Reservoir Fluids
Gas Reservoir
In a gas reservoir the initial point is A. Producing the well to separator conditions B does not change the fluid produced.
The point B is still in the "gas region" and hence dry gas is produced.
1818
Reservoir Fluids
Hydrocarbon Volumes
Fluids at bottom hole conditions produce different fluids at surface:Oil becomes oil plus gas.Gas usually stays as gas unless it is a Condensate.Water stays as water with occasionally some dissolved gas.
1919
Reservoir Fluids
FVF Oil and Gas
There is a change in volume between downhole conditions and the surface.
The volume of the fluid at reference conditions is described by the Formation Volume Factor:
FVF =
Bo = formation volume factor for oil.Bw = formation volume factor for water.Bg = formation volume factor for gas.
Volume at downhole Conditions
Volume at reference Conditions
2020
Reservoir Fluids
Saturation
Formation saturation is defined as the fraction of its pore volume (porosity) occupied by a given fluid.
Saturation =
DefinitionsSw = water saturation.So = oil saturation.Sg = gas saturation.Sh = hydrocarbon saturation = So + Sg
Saturations are expressed as percentages or fractions, e.g. Water saturation of 75% in a reservoir with porosity of 20% contains water equivalent to 15% of its volume.
Volume of a specific fluid pore volume
2121
Reservoir Fluids
Saturation Definition
2222
Reservoir Fluids
Wettability
The wettability defines how a fluid adheres to the surface (or rock in the reservoir) when there are two fluids present, e.g. water and air.
The angle measured through the water is the "contact angle".
If it is less than 90° the rock is water wet; greater than 90° the rock is oil wet.
Most reservoir rocks are water wet.
2323
Reservoir Fluids
Irreducible Water Saturation
In a formation the minimum saturation induced by displacement is where the wetting phase becomes discontinuous.In normal water-wet rocks, this is the irreducible water saturation, Swirr.Large grained rocks have a low irreducible water saturation compared to small-grained formations because the capillary pressure is smaller.
2424
Reservoir Fluids
Capillary Forces
In a simple water and air system the wettability gives rise to a curved interface between the two fluids.
This experiment has a glass tube attached to a reservoir of water. The water "wets" the
glass. This causes the pressure on the concave side (water) to exceed that on the convex side (air). This excess pressure is the capillary pressure.
Pc = capillary pressure.σσσσ = surface tension.q = contact angle. rcap = radius of capillary tube.
2525
Reservoir Fluids
Capillary Forces and Rocks
In a reservoir the two fluids are oil and water which are immiscible hence they exhibit capillary pressure phenomena.This is seen by the rise in the water above the point where the capillary pressure is zero.
The height depends on the density difference and the radius of the capillaries.
2626
Reservoir Fluids
Transition Zone
The phenomenon of capillary pressure gives rise to the transition zone in a reservoir between the water zone and the oil zone.The rock can be thought of as a bundle of capillary tubes.The length of the zone depends on the pore size and the density difference between the two fluids.
2727
Reservoir Fluids
Relative Permeability
Take a core 100% water-saturated. (A)Force oil into the core until irreducible water saturation is attained (Swirr). (A-> C -> D)Reverse the process: force water into the core until the residual saturation is attained. (B)During the process, measure the relative permeabilities to water and oil.
2828
Reservoir Fluids
Relative Permeability Experiment
2929
Reservoir Fluids
Drive Mechanisms
A virgin reservoir has a pressure controlled by the local gradient.Hydrocarbons will flow if the reservoir pressure is sufficient to drive the fluids to the surface (otherwise they have to be pumped).As the fluid is produced reservoir pressure drops.The rate of pressure drop is controlled by the Reservoir Drive Mechanism.Drive Mechanism depends on the rate at which fluid expands to fill the space vacated by the
produced fluid.Main Reservoir Drive Mechanism types are:
Water drive.
Gas cap drive.
Gas solution drive
3030
Reservoir Fluids
Water Invasion 1
Water invading an oil zone, moves close to the grain surface, pushing the oil out of its way in a piston-
like fashion.
The capillary pressure gradient forces water to move ahead faster in the smaller pore channels.
3131
Reservoir Fluids
Water Invasion 2
The remaining thread of oil becomes smaller.
It finally breaks into smaller pieces.
As a result, some drops of oil are left behind in the channel.
3232
Reservoir Fluids
Water Drive
Water moves up to fill the "space" vacated by the oil as it is produced.
3333
Reservoir Fluids
Water Drive 2
This type of drive usually keeps the reservoir pressure fairly constant.After the initial “dry” oil production, water may be produced. The amount of produced water increases as the volume of oil in the reservoir decreases. Dissolved gas in the oil is released to form produced gas.
3434
Reservoir Fluids
Gas Invasion
Gas is more mobile than oil and takes the path of least resistance along the centre of the larger channels.As a result, oil is left behind in the smaller, less
permeable, channels.
3535
Reservoir Fluids
Gas Cap Drive
Gas from the gas cap expands to fill the space vacated by the produced oil.
3636
Reservoir Fluids
Gas Cap Drive 2
As oil production declines, gas production increases.
Rapid pressure drop at the start of production.
3737
Reservoir Fluids
Solution Gas Drive
After some time the oil in the reservoir is below the bubble point.
3838
Reservoir Fluids
Solution Gas Drive 2
An initial high oil production is followed by a rapid decline.The Gas/Oil ratio has a peak corresponding to the higher permeability to gas. The reservoir pressure exhibits a fast decline.
3939
Reservoir Fluids
Drives General
A water drive can recover up to 60% of the oil in place.A gas cap drive can recover only 40% with a greater reduction in pressure.A solution gas drive has a low recovery.
4040
Reservoir Fluids
Drive Problems
Water Drive:Water can cone upwards and be produced through the lower perforations.
Gas Cap Drive:Gas can cone downwards and be produced through the upper perforations.Pressure is rapidly lost as the gas expands.
Gas Solution Drive:Gas production can occur in the reservoir, skin damage.Very short-lived.
4141
Reservoir Fluids
Secondary Recovery 1
Secondary recovery covers a range of techniques used to augment the natural drive of a reservoir or boost production at a later stage in the life of a reservoir.A field often needs enhanced oil recovery (EOR)
techniques to maximise its production.Common recovery methods are:
Water injection.Gas injection.
In difficult reservoirs, such as those containing heavy oil, more advanced recovery methods are used:
Steam flood.Polymer injection. .CO2 injection.In-situ combustion.
4242
Reservoir Fluids
Secondary Recovery 2 water injection
gas injection
11
Spontaneous Potential Measurement
Spontaneous Potential
© Schlumberger 1999
22
Spontaneous Potential Measurement
SP Theory 1
SP results from electric currents flowing in the drilling mud.
There are three sources of the currents, two electrochemical and one electrokinetic.
Membrane potential - largest.
Liquid - junction potential.
Streaming potential - smallest.
33
Spontaneous Potential Measurement
SP theory 2
Membrane and Liquid Potential
These two effects are the main components of the SP. They are caused because the mud flitrate and the formation waters containNaCl in different proportions. Firstly, shales are permeable to the Sodium ions but not
the Chlorine. Hence there is a movement of charged particles through the shale creating a current and thus a potential.The ions Na+ and Cl- have different mobilities at the junction of the invaded and virgin zones. The movement of the ions across this boundary creates another current and hence a potential.
Streaming Potential
This is generated by flow of the mud filtrate through the mud cake. As this does not normally occur this effect is small. It will only become important if there are high differential pressures across the formations.
44
Spontaneous Potential Measurement
SP theory 3
55
Spontaneous Potential Measurement
SP scales
The SP is measured in millivolts, mV.
The scale on the log shows a number of mV per division for example 20mV/division. This gives a total for the track of 200mV.
The scale across the track is variable and depends on the conditions in the well.
The scale is set during logging to have the SP curve in the track over the zone of interest and as much of the rest of the log as possible.
66
Spontaneous Potential Measurement
log-1
The SSP is the quantity to be determined.
It is the deflection seen on the SP from the Shale Base Line (zero point) to the Sand Line (max. deflection)
77
Spontaneous Potential Measurement
example log 2
The maximum SP deflection in this example occurs at the same depths as the resistivity curves show a separation.The minimum point on the SP corresponds to where all the resistivity curves overlay, no invasion, a shale.
88
Spontaneous Potential Measurement
SP uses
Differentiate potentially porous and permeable reservoir rocks from impermeable clays.
Define bed boundaries.
Give an indication of shaliness (maximum deflection is clean; minimum is shale).
Determine Rw in both salt and fresh muds.
99
Spontaneous Potential Measurement
Rw from the SP
Rw is often known from client information or local knowledge.
The SP can be used to check the value or compute it when it is unavailable.
It is especially useful when there are variations along the borehole.
K is a constant - depending on the temperature.
we
mfe
RR
kSSP log−=
1010
Spontaneous Potential Measurement
Rw from the SP
Knowing the SSP (the maximum deflection) from the log and the temperature, the ratio of resistivities is obtained from Log Interpretation Chart SP-1.output = Rmfe
Rwe
1111
Spontaneous Potential Measurement
Rw from SP 2
Rmf is measured, using the mud cell.Rmfe is computed from Log Interpretation Chart SP-2.Rwe is computed, from the ratio from SP1 and Rmfe.Chart SP-2 output is Rw.
1212
Spontaneous Potential Measurement
Salinities chart
This chart is used to compute salinities from resistivities of solution e.g. mud, and vice versa.It is also used to find the resistivities at a given temperature.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1
2
3
4
56
8
10
0.08
0.060.05
0.04
0.03
0.02
0.01
50 75 100 125 150 200 250 300 350 400
10
15
20
2530
40
50
100
150
200
250300
400
500
1000
1500
200025003000
40005000
10,000
15,00020,000
280,000
200
300
400
500
600
700
800
1000
1200
1400
1700
2000
3000
4000
5000
6000
70008000
10,000
12,000
14,000
17,000
20,000
250,000 200,000 170,000 140,000 120,000 100,00080,000 70,000 60,000 50,00040,00030,000
300,000
10 20 30 40 50 60 70 140 160 20080 90 100 120 180
ppm
Gra
ins/
gal
at 7
5ÞF
Res
istiv
ity o
f Sol
utio
n (ž
- m
)
Temperature (ÞF or ÞC)
NaC
l Con
cent
ratio
n (p
pm o
r gra
ins/
gal)
1313
Spontaneous Potential Measurement
SP borehole Effects - 1
Baseline shifts:
These can occur when there are beds of different salinities separated by a shale which does not act as a perfect membrane.
1414
Spontaneous Potential Measurement
SP Borehole Effects - 2
Resistive formation:The presence of a resistive bed in a permeable interval will disrupt the SP deflection. The current is contained and hence the potential drop changes with depth. The log takes a sloped appearance.
The log in this situation can no longer define the bed boundaries correctly.
1515
Spontaneous Potential Measurement
SP surface Effects
The SP can be affected by a number of surface effects as it relies on the fish as its reference electrode.Power lines, electric trains, electric welding, close radio transmitters:All these create ground currents which disrupt he "fish" reference causing a poor, sometimes useless, log.
11
Gamma Ray Measurement
Gamma Ray Measurement
© Schlumberger 1999
22
Gamma Ray Measurement
Gamma Ray Principles
The Gamma Ray log is a measurement of the formation's natural radioactivity.
Gamma ray emission is produced by three radioactive series found in the Earth's
crust.
Potassium (K40) series.
Uranium series.
Thorium series.
Gamma rays passing through rocks are slowed and absorbed at a rate which depends on the formation density.
Less dense formations exhibit more radioactivity than dense formations even though there may be the same quantities of radioactive material per unit volume.
33
Gamma Ray Measurement
Basic Gamma Ray Uses
Bed definition:The tool reacts if the shale is radioactive (usually the case), hence show the sands and shales, the permeable zones and the non-permeable zones.
Computation of the amount of shale:
The minimum value gives the clean (100%) shale free zone, the maximum 100% shale zone. All other points can then be calibrated in the amount of shale.
44
Gamma Ray Measurement
GR Uses
The gamma ray log is used for:
Lithology/mineralogy, e.g. shaliness.
Correlation:A major use of the tool is to identify marker beds and thus allow well-to-well correlation. Marker beds can be the top or bottom of the reservoir or a specific shale giving a high reading.
Subsidence logging:Radioactive bullets are placed accurately spaced in the
formation. A gamma ray tool with a number of precisely spaced detectors is logged and the peaks noted. Subsequent logs will show any movement.
Tracer logging:A radioactive fluid is ejected by a tool at a chosen level. The fluid movement is monitored by the gamma ray and will show thief zones and channels in the cement behind the casing.
55
Gamma Ray Measurement
NGT
The NGT tool measures a spectrum that is the result of the three naturally occurring radioactive series.
The Potassium has a sharper shape than the other two as it decays through a single reaction to a stable element. The other two decay through a number of daughter elements each with some contribution to the final picture.
66
Gamma Ray Measurement
NGT Principle
The measurement in the standard tool is made by a measurement in a number of fixed energy windows. Three of these at the highest levels are set over a characteristic peak of each of the elements.The statistical nature of the measurement is partly improved by using another two windows set at a lower energy which has a higher rate.
77
Gamma Ray Measurement
NGT Log
Outputs are the relative amounts of Thorium, Uranium and Potassium in the formation.With:
Thorium in ppm.Uranium in ppm.Potassium in %.
Additional curves are the total gamma ray (SGR) and a Uranium-corrected gamma ray (CGR).
88
Gamma Ray Measurement
NGT uses
This tool has many applications:
Lithology identification.Study of depositional environments.Investigation of shale types.Correction of the GR for clay content evaluation.Identification of organic material and source rocks.Fracture identification.Geochemical logging.Study of a rock's diagenetic history.
A major application was to solve North Sea log interpretation problems in micaceous sands.
99
Gamma Ray Measurement
NGT uses
The three radioactive elements measured by the NGT occur in different parts of the reservoir. If we know the lithology, we can obtain further information.
In Carbonates:
U - indicates phosphates, organic matter and stylolites.
Th - indicates clay content.
K - indicates clay content, radioactive evaporites.
1010
Gamma Ray Measurement
NGT in Clastics
In Sandstones:
Th - indicates clay content, heavy minerals.
K - indicates micas, micaceous clays and feldspars.
In Shales:
U - in shale, suggest a source rock.
Th - indicates the amount of detrital material or degree of shaliness.
K - indicates clay type and mica.
1111
Gamma Ray Measurement
NGT Crossplots - 1The NGT data is interpreted using three major crossplots. In order of complexity:
Thorium versus Potassium:
Gives clay type
Photoelectric factor, Pe, versus Potassium:
Gives clay type and micas.
Pe versus Thorium/Potassium ratio:
Gives clay type and micas.
1212
Gamma Ray Measurement
NGT Crossplots - 2
This plot can be used to determine the type of clay mineral or mica.
1313
Gamma Ray Measurement
NGT Crossplots - 3
This plot adds in the Thorium contribution making it more precise than the previous one.
1414
Gamma Ray Measurement
NGT/GR parametersVertical resolution 18"
Depth of investigation 6"-8"
Readings in: API units
Limestone <20Dolomite <30Sandstone <30Shale 80-300Salt <10Anhydrite <10
No formation is perfectly clean, hence the GR readings will vary. Limestone is usually cleaner than the other two
reservoir rocks and normally has a lower GR.
1515
Gamma Ray Measurement
GR/NGT Limits
GR
- Organic materials (see the uranium as "shale").- Micas (sees micaceous sands as shaly).
NGT
- Barite in the mud (reduces the count rate but can be partially corrected for).- KCI mud (Potassium in the mud masks the formation response but can be partially corrected for).- Large boreholes decrease the count rate hence increase the statistics.- Statistical errors.
1616
Gamma Ray Measurement
GR Correction 1
GR logs require correction for the effects of the mud.
1717
Gamma Ray Measurement
GR Correction 2
An additional correction is needed if there is mud in the borehole.
11
Neutron Porosity Measurement
Neutron Porosity
© Schlumberger 1999
22
Neutron Porosity Measurement
Lithology and Porosity
The next major step in the procedure is lithology identification. Lithology data gives information on porosity and other parameters.
Lithology of a formation can be:
Simple
Dirty
Complex
33
Neutron Porosity Measurement
Lithology and Porosity Tools
All tools react to lithology - usually in conjunction with the porosity.
Major lithology tools are:
Neutron - reacts to fluid and matrix.
Density - reacts to matrix and fluid.
Sonic - reacts to a mixture of matrix and fluid, complicated by seeing only primary
porosity.
NGT - identifies shale types and special minerals.
CMR - magnetic resonance reacts to the porosity with a small element if lithology.
44
Neutron Porosity Measurement
Neutrons
55
Neutron Porosity Measurement
Early Neutron Tools
The first neutron tools used a chemical neutron source and employed a single detector which measured the Gamma Rays of capture
They were non-directional.
The units of measurement were API units where 1000 API units were calibrated to read 19% in a water-filled limestone.
The tool was badly affected by the borehole environment.
66
Neutron Porosity Measurement
Neutron Tools
The second generation tool was the Sidewall Neutron Porosity (SNP).
This was an epithermal device mounted on a pad.
The current tool is the Compensated Neutron Tool (CNT).
The latest tool is the Accelerator Porosity Sonde (APS), using an electronic source for the neutrons and measuring in the epithermal region.
77
Neutron Porosity Measurement
Hydrogen Index
Hydrogen Index is the quantity of hydrogen per unit volume.
Fresh water is defined as having a Hydrogen Index of 1.Hence oil has a Hydrogen Index which is slightly less than that of water.
The Hydrogen Index of gas is a much smaller than that of water.
In a formation, it is generally the fluids that contain hydrogen.
88
Neutron Porosity Measurement
Thermal Neutron Theory
Neutrons are slowed down from their initial "fast" state by collisions with the formation nuclei. At each collision there is some energy lost by the neutron.
The principal element involved in the slowing down is Hydrogen, because it is close in size to the neutron which loses most energy in these collisions.The CNT measures the neutron population in the thermal region.This is why the tool measures the Hydrogen Index.
99
Neutron Porosity Measurement
DetectorsTwo neutron detectors are used to produce a ratio eliminating some of the borehole effects experienced by single detectors.The count rate for each detector is inversely proportional to porosity with high porosity giving low count rates.
1010
Neutron Porosity Measurement
Ratio to Porosity Transform
The count rates are first corrected for the dead time of the detectors (when the detector is not available to receive counts).
The count rates are calibrated with the master calibration.
A ratio of these is then taken.
The ratio is translated into porosity using a transform. (This is a combination of theoretical and experimental work).
The current field output for the thermal neutron porosity is called TNPH.
1111
Neutron Porosity Measurement
Borehole Effects
The logs have to be corrected for the borehole environment:
Borehole size.
Mud cake.
Borehole salinity.
Mud weight.
Temperature.
Pressure.
Formation salinity.
Stand-off.
1212
Neutron Porosity Measurement
Hole Size Correction
Necessary because the tools algorithm from ratio to porosity is built to "fit" a 77/8" hole.Larger holes cause the tool to see more mud (100% porosity) around the borehole, hence the tool reads too high in larger hole sizes.
The chart is entered with the porosity;
Go down to hole size.Follow trend lines to 7 7/8".Read of ∆φ∆φ∆φ∆φ.
A correction is made automatically in open hole using caliper measurements from the combined density tool.It can be made using the bit size if a caliper is not available.The correction can be large.
1313
Neutron Porosity Measurement
Mud Cake Correction
The mud cake absorbs neutrons before they can enter or leave the formation.mud cake = stand-off with porosity <100%.The larger the mud cake, the larger the correction.It is a small correction but one that is rarely ever applied because the mud cake cannot be easily measured.
1414
Neutron Porosity Measurement
Borehole Salinity Correction
This arises due to Chlorine.The more Chlorine present, the more neutrons
absorbed in the borehole. ==> decrease count rate.The largest effect is seen in salt-saturated muds.
Go down to the borehole salinity.Follow trend lines to zero.Read ∆φ∆φ∆φ∆φ.
1515
Neutron Porosity Measurement
Mud Weight Correction
The extra material in heavier muds means there is less hydrogen, hence more neutrons reach the formation.It also changes if the mud is full of barite.
In this case the amount of material needed to achieve the same mud weight is less, hence the correction is less.
Select normal or barite mud.Enter with porosity.Go down to mud weight.Follow lines to 8 lb/gal.Read ∆φ∆φ∆φ∆φ.
The correction is quite small.
1616
Neutron Porosity Measurement
Formation Temperature Correction
The correction is large and depends on the porosity.This is a dual effect:
The expansion of the water reduces the quantity of Hydrogen seen by the tool.Change in the borehole fluid capture cross-section.
Enter with porosity at the top.Go down to hole temperature.Follow trend lines to 75ÞF.Read ∆φ∆φ∆φ∆φ.
1717
Neutron Porosity Measurement
Pressure Correction
The effect is caused by the compression of the fluids downhole.In standard water-based muds the effect is small.
Select oil-based or water-based mud.Enter with porosity at the top.Go down to hole pressure.Follow trend lines to zero.Read ∆φ∆φ∆φ∆φ.
In oil-based muds the correction is large.
1818
Neutron Porosity Measurement
Formation/Salinity Correction
There are two factors affecting the neutron measurement in the formation:
The chlorine in the formation water.The rock matrix capture cross-section.
The simplest method is to assume that the matrix is clean and that the matrix 'ΣΣΣΣ' known.This leaves salinity (mud filtrate) as the only "variable".
The complete solution is to measure the total formation 'ΣΣΣΣ' and use this to compute the correction.The correction can be large but is not applied in the field because the lithology is unknown, hence the 'ΣΣΣΣ' unknown.It is taken into account in the interpretation phase.
1919
Neutron Porosity Measurement
Stand off Correction
Any space between the tool and the borehole wall is seen as 100% porosity.The value of the correction depends on the hole size:Larger holes = more correctionStand-off is rarely measured. One method is to use the SA curve recorded with a PCD.
The chart is entered with the porosity at the top;
Go to the nearest hole size.Go down to the stand-off value, e.g. 0.5".Follow the lines to zero.Read the ∆φ ∆φ ∆φ ∆φ (always negative).
2020
Neutron Porosity Measurement
Standoff Correction Chart
2121
Neutron Porosity Measurement
Alpha Processing
Alpha Processing is a method that enhances the resolution of the standard measurement.
It utilizes the higher resolution of the near detector to increase the resolution of the more accurate far detector.
2222
Neutron Porosity Measurement
Alpha Processing
The first step is to depth-match the two detectors' responses.
The next step is to match the resolution of both detectors.
2323
Neutron Porosity Measurement
Alpha Processing
The difference between the two readings now gives the "high frequency" information - which highlights thin beds missed by the far detector.
2424
Neutron Porosity Measurement
Alpha processing
The "high frequency" information is added to the far detector signal to give the final enhanced log.
2525
Neutron Porosity Measurement
Thermal Neutron Parameters
Vertical resolution:Standard (TNPH) 24"Enhanced 12"
Depth of investigation 9"-12"
Readings in zero porosity:
Limestone (0%) 0Sandstone (0%) -2.00Dolomite (0%) 1.00Anhydrite -2.00Salt -3.00
Typical Readings
Shale 30-45Coal 50+
2626
Neutron Porosity Measurement
Thermal Neutron Interpretation/Uses
The tool measures hydrogen index.
Its prime use is to measure porosity.
Combined with the bulk density, it gives the best possible answer for lithology and porosity
interpretation.
2727
Neutron Porosity Measurement
Thermal Neutron in Cased Hole
The CNT can be run in cased hole for the porosity.
In addition to the standard corrections some others are needed to take into account the extra elements of casing and cement.
The standard conditions are:
83/4" borehole diameter.Casing thickness 0.304".Cement thickness 1.62".Fresh water in the borehole / formation.No stand-off.75ÞF.Atmospheric pressure.Tool eccentred in the hole.
2828
Neutron Porosity Measurement
Corrections in Cased Hole
11
Bulk Density Measurement
Bulk Density Measurement
© Schlumberger 1999
22
Bulk Density Measurement
Gamma Ray Physics -density -1
The Density Tools use a chemical gamma ray source and two or three gamma ray detectors.
The number of gamma rays returning to the detector depends on the number of electrons present, the electron density, ρρρρe.The electron density can be related to the bulk density of the minerals by a simple equation.
ρρρρe = ρρρρ( 2Z/A )
Where Z is the number of electrons per atomand A is the atomic weight.
33
Bulk Density Measurement
Gamma Ray Physics -density 2
The assumption made in the interpretation is that:
Z/A = 0.5
This is very close for most elements commonly encountered, except hydrogen which has
little effect on the measurement. Therefore ρρρρe = ρρρρ
Element Z/AH 0.9921C 0.4996O 0.5Na 0.4785Mg 0.4934Al 0.4819Si 0.4984S 0.4989Cl 0.4794K 0.4860Ca 0.499
44
Bulk Density Measurement
Calibration
The tool measured density, ρρρρb, has been experimentally related to the electron density;
ρρρρb = 1.0704 ρρρρe - 0.1883
The tool needs to be calibrated in a known condition.This condition is fresh water and limestone, densities, 1.00 and 2.71 respectively.
The bulk density versus the electron density equation fits for all the common minerals with a few exceptions:Salt - true density 2.165
density tool value 2.03
Sylvite - true density 1.984density tool value 1.862
55
Bulk Density Measurement
Spine and Ribs
The spine represents the line of increasing formation density on the plot of the long spacing count rate versus short spacing count rate.
The presence of mud cake causes a deviation from the line in a predictable manner. Thus a correction can be made to obtain the true density.
.
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Mud cakewith barite
Mud cakewithoutbarite
IncreasingMud cakeThickness
IncreasingMud cakeThickness
A
B
C
Lon
g Sp
acin
g C
ount
Rat
e
Short spacing Count Rate
66
Bulk Density Measurement
Spine and Ribs
Example:The correct reading is at point A.An increasing mud cake thickness moves the point to B or C depending on whether there is heavy material (barite) in the mud or not.
.
1.9
2.0
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
Mud cakewith barite
Mud cakewithoutbarite
IncreasingMud cakeThickness
IncreasingMud cakeThickness
A
B
C
Lon
g Sp
acin
g C
ount
Rat
e
Short spacing Count Rate
77
Bulk Density Measurement
Density Outputs
The outputs are:RHOZ/RHOB (ρρρρb), the corrected bulk density.
DRHO (∆ρ∆ρ∆ρ∆ρ), the correction that has beenapplied to ρρρρb (LDT only).
RHOZ/RHOB is the main output;
DRHO is a quality control curve (LDT only).
88
Bulk Density Measurement
Borehole Effects
The LDT is a pad tool with collimated source and detectors. It experiences little or no environmental effect.
In large holes, the curvature of the pad versus that of the hole causes a minor error that needs to be corrected.
99
Bulk Density Measurement
Borehole Effects
Hole rugosity may affect the measurement.
The source and detectors "see" different formations/borehole.
The effect is an erratic and incorrect log.
1010
Bulk Density Measurement
Alpha Processing
As the density tool also uses two detectors it can be Alpha processed in exactly the same way as the CNT.
The resulting log shows a great improvement over the standard output.
1111
Bulk Density Measurement
Density Parameters
Vertical resolution:
Standard 18"Enhanced 6"
Depth of investigation 6"-9"
Readings in:
Limestone (0pu) 2.71Sandstone (0pu) 2.65Dolomite (0pu) 2.85Anhydrite 2.98Salt 2.03Shale 2.2-2.7Coal 1.5
1212
Bulk Density Measurement
Interpretation/Uses
The density tool is extremely useful as it has high accuracy and exhibits small borehole effects.
Major uses include:Porosity.
Lithology (in combination with the neutron tool).
Mechanical properties (in combination with the sonic tool).
Acoustic properties (in combination with the sonic tool).
Gas identification (in combination with the neutron tool).
1313
Bulk Density Measurement
Density Porosity
There are two inputs into the porosity equation: the matrix density and the fluid density.
The fluid density is that of the mud filtrate.
(((( ))))φφφφρρρρφφφφρρρρρρρρ −−−−++++==== 1mafb
fma
bma
ρρρρρρρρρρρρρρρρφφφφ
−−−−−−−−====
1414
Bulk Density Measurement
Scaling/PorosityThe density tool is usually run with the neutron.To aid quicklook interpretation they are run on
"compatible scales".This means that the scales are set such that for a given lithology the curves overlay.The standard scale is the "limestone compatible" where
the neutron porosity scale is:
To fit this the density log has to have its zero limestone point (2.7 g/cc) on the same position as the neutron porosity zero and the range of the scale has to fit the neutrons 60 porosity units hence the scale is:
Changing to a sandstone compatible scale would put the zero sandstone density, 2.65, over the neutron porosity zero to give:
1515
Bulk Density Measurement
Pef Physics
The Photoelectric effect occurs when the incident gamma ray is completely absorbed by the
electron.
It is a low energy effect hence the Photoelectric Absorption index, Pe, is measured using
the lowest energy window of the tool.
Pe is related directly to Z, the number of electrons per atom, hence fixed for each element.
Pe = ( Z/A )3.6
Its units are barns/electron.
1616
Bulk Density Measurement
Pef Theory
Pe can be easily computed for any lithology by summing the elemental contributions.
Measurement is virtually porosity and fluid independent.
Major use is Lithology identification.Another way of using it is express it in volumetric terms as:
U = Peρρρρe
This is called the Volumetric photoelectric absorption index.This parameter can then be used in a formula for computing the components of the reservoir.
U = φφφφUf + (1 - φφφφ) Uma
1717
Bulk Density Measurement
Pef Parameters
Vertical resolution:
Standard 4"
Readings in:
Limestone 5.08Sandstone 1.81Dolomite 3.14Shale 1.8-6Anhydrite 5.05Salt 4.65
11
Sonic Measurement
Sonic Measurement
© Schlumberger 1999
22
Sonic Measurement
Sonic ToolThe sonic tools create an acoustic signal and measure how long it takes to pass through a rock.
By simply measuring this time we get an indication of the formation properties.
The amplitude of the signal will also give information about the formation.
33
Sonic Measurement
sonic borehole waves
44
Sonic Measurement
waves 2
In a fast formation both compressional and shear waves are created.
The head waves in the borehole are the signals seen by the receivers.
The array of receivers see the signal at different times as they are at different distances from the transmitter.
55
Sonic Measurement
Sonic -BHC
A simple tool that uses a pair of transmitters and four receivers to compensate for caves and sonde tilt.
The normal spacing between the transmitters and receivers is 3' - 5'.
It produces a compressional slowness by measuring the first arrival transit times.
Used for:Correlation.Porosity.Lithology.Seismic tie in /time-to-depth conversion.
66
Sonic Measurement
Long Spacing Sonic
The BHC tool is affected by near borehole altered zones hence a longer spacing is needed with a larger depth of investigation.
The tool spacings are 8' - 10', 10' - 12'.
The tool cannot be built with transmitters at each end like a BHC sonde, hence there are two transmitters at the bottom.
A system called DDBHC - depth derived borehole compensation, is used to compute the transmit time.
The uses of this tool are the same as the BHC tool.
77
Sonic Measurement
Array SonicMulti-spacing digital tool.
First to use STC processing.
Able to measure shear waves and Stoneley waves in hard formations.
Used for:Porosity.Lithology.Seismic tie in / time-to-depth conversion.Mechanical properties (from shear and compressional).Fracture identification (from shear and Stoneley).Permeability (from Stoneley).
88
Sonic Measurement
DSI General
In a slow formation the shear wave from a monopole source never creates a head wave. The fluid wave is the first arrival after the compressional.
A dipole source is directional.
It creates a flexural wave on the borehole wall and shear and compressional in the formation.
The shear wave is recorded whether the formation is soft or hard.
99
Sonic Measurement
DSI tool
Generates both monopole and dipole signals.Generates different frequencies for measuring a range of waves.
Measures:Compressional and shear Two orthogonal shear - dipole signalsStoneley
Application:Seismic.Mechanical properties (from shear and
compressional).Fracture identification (shear and
Stoneley).Permeability computation (Stoneley).Porosity / Lithology.Gas shows.
1010
Sonic Measurement
STC Processing
This type of processing is necessary to extract the shear and Stoneley information from the waveform.The processing applies a "semblance algorithm" to the recorded set of traces.
This means looking for the same part of the wave (e.g. shear) on each wavetrain.
Once this has been done the transit time can be computed.
1111
Sonic Measurement
STC Map
At a given depth, the slowness can be plotted against time.Regions of large coherence appear as contours.
These correspond to the compressional (fastest), shear (close to the compressional) and Stoneley (furthest away).
1212
Sonic Measurement
STC Output
1313
Sonic Measurement
Tools SummaryMeasurements: BHC LSS Array Dipole
Sonic SonicCompressional x x x x
Shear/Stoneley:Hard rock - - x xSoft rock - - - x
Computations:Porosity x x x xLithology x x x xSeismic tie in x x x x
Mechanical properties:Hard rock - - x xSoft rock - - - x
Fracture detection- - x xPermeability - - - x
1414
Sonic Measurement
Borehole Effects
As the sonic tool is measuring the time for the signal to go from the transmitter to the receiver there are two types of erroneous responses.Cycle skipping
Road noise
This is noise at the receivers that is due to the borehole environment and has nothing to do with the signal being measured.
If the signal strength is too low the detection goes to the
next peak.This means that the final transmit time will be wrong.
1515
Sonic Measurement
Borehole Effects 2
There are a number of borehole phenomena which cause these effects:
Borehole rugosity - causes the tool motion to be erratic, the signal may be distorted and give road noise or cycle skipping.
Large holes - if the borehole diameter is very large the mud signal may arrive at a receiver before the formation signal. The proper tool set-up for each condition has to be picked before the job.
This means choosing whether to centralise or excentralise the tool and the equipment to
be used.
1616
Sonic Measurement
Borehole Effects 3
Gas in the wellThe acoustic impedance of gas is very low, hence the signal will be strongly attenuated. There may be skipping.
Altered zoneThis is largely overcome by using a long spacing tool to read deeper into the formation.
CavesCan create problems in spite of compensation as they will also reduce signal amplitude.
FracturesReduce the signal amplitude especially the shear and Stoneley waves.
1717
Sonic Measurement
Porosity - 1
The porosity from the sonic slowness is different than that from the density or neutron tools.
It reacts to primary porosity only, i.e. it does not "see" the fractures or vugs.
The basic equation for sonic porosity is the Wyllie Time Average:
(((( )))) maf ttt ∆∆∆∆−−−−++++∆∆∆∆====∆∆∆∆ φφφφφφφφ 1log
maf
ma
tttt
∆∆∆∆−−−−∆∆∆∆∆∆∆∆−−−−∆∆∆∆
==== logφφφφ
1818
Sonic Measurement
porosity 2
There is another possibility for transforming slowness to porosity, called Raymer Gardner Hunt.This formula tries to take into account some
irregularities seen in the field.
The basic equation is:
A simplified version used on the Maxis is:
C is a constant, usually taken as 0.67.
(((( ))))fmac ttt ∆∆∆∆
++++∆∆∆∆−−−−====
∆∆∆∆φφφφφφφφ211
log
log
ttt
C ma
∆∆∆∆∆∆∆∆−−−−∆∆∆∆
====φφφφ
1919
Sonic Measurement
Porosity 3
This chart shows the relationship between the sonic compressional slowness and the porosity. Both the lithology and the equation must be known prior to using this chart.
2020
Sonic Measurement
Crossplots
The sonic measurements can be cross-plotted with the density or the neutron readings to give porosity and lithology information as with the density-neutron crossplot, however:
The neutron - sonic (TNPH-Dt) Has problems because there are two possible equations.
The density - sonic (Dt-RHOB) Has problems with the transforms as there is no separation between the lithology lines.
2121
Sonic Measurement
mechanical properties
2222
Sonic Measurement
Mechanical Properties and Sonics
A combination of compressional, shear and density measurements gives the rocks' dynamic elastic moduli.
These are used to obtain the formation's mechanical properties.
2323
Sonic Measurement
Mechanical Properties uses 1
Main uses of mechanical properties in soft formations are:
Sand stability evaluation, i.e.The prediction of the formation collapse under
producing conditions.
Using theoretical failure criteria it is possible to predict if the perforation will produce sand.
Well bore stability, i.e.The prediction of formation failure / collapse while drilling.This is especially relevant in deviated wells when drilling at high angles through soft rock can be problematic.The physical mechanism is similar to that of sand stability evaluation.
2424
Sonic Measurement
Mechanical Properties uses 2
The major use of mechanical properties in hard rocks is to predict how they will behave under "excess" pressure:Drilling:Will the formation fracture and the drilling mud
disappear?
Hydraulic fracturing: How much pressure will fracture the formation and how far will the fracture extend?
Experimental models are used to compute parameters such as tensile strength.
Simulations are used to predict the pressures that will "crack" the rock and lengths of fractures.
2525
Sonic Measurement
Sonic ParametersVertical resolution:
Standard (BHC, LSS, MSTC) 24"STC 36"6"DT 6"
Depth of investigation:
BHC 5"LSS-SDT 12" (12 ft spacing)
Readings in(ms/ft)
Limestone (0pu) 47.5Sandstone (0pu) 51-55Dolomite (0pu) 43.5Anhydrite 50Salt 67Shale >90Coal >120Steel (casing) 57
11
Magnetic Resonance Measurement
Magnetic Resonance Measurement
© Schlumberger 1999
22
Magnetic Resonance Measurement
Magnetic Resonance
A typical sandstone formation consists of rock grains plus fluids.The fluids are distributed as free fluids and immobile fluidsThe grains can be large or small or mixed.There may or may not be clay minerals associated with the formationMagnetic resonance is used to analyse the porosity distribution and estimate permeability
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Sand grainsIrreducible water
Free Fluid
33
Magnetic Resonance Measurement
Dephasing and T2 Relaxation Time
Z
X
Y
Z
X
Y
Z
X
Y
Alignmentalong Bo
Tipping
Dephasing
The protons are aligned in a magnetic field
The protons are tipped out of the field by 90°
The protons precess back into line. during this time they ‘dephase’ with each other.
44
Magnetic Resonance Measurement
Precession
The spin of the proton in a magnetic is the same as a top in a gravity field.
They spin around their axes and also in a direction around the applied field.
55
Magnetic Resonance Measurement
Measurement
The protons act as minute bar magnets.
In a magnetic field the generate a signal at the Larmour Frequency.
This is picked up by the receivers.
The more protons the higher the amplitude.
Hence the tool measures the number of hydrogens or the porosity
66
Magnetic Resonance Measurement
Spin Echoes
The pulse sequence consists of firstly a pulse to push the protons at 90° of the permanent field.Then after a time another pulse to ‘flip’ them through 180°.This continues for a set number of echoes.
77
Magnetic Resonance Measurement
Spin Echoes 2
The race analogy shows the runners as protons dephasing.The echo pulse reverses the field allowing the slower ‘runners’ to be in front.When they all line up again (6) a signal is generated that is picked up by the antenna.
88
Magnetic Resonance Measurement
T2 Decay
The gradual decay of the peaks reflects the formation signal to be measured, T2. The transverse relaxation time.The CPMG sequence eliminates spurious effects.
99
Magnetic Resonance Measurement
Porosities
ProducibleFluids
CapillaryBoundFluids
ClayBoundFluids
There are three ‘porosities’ in the rock system
Producible or Free Fluids - fluids that can move
Capillary Bound Fluids - fluids (usually water) stuck to the rock surface by surface tension forces.
Clay Bound Fluids - the water associated with the clay minerals.
The relaxation time for capillary bound fluids and clay bound fluids are very short.
1010
Magnetic Resonance Measurement
Free Fluid vs Irreducible Fluid
The Magnetic Resonance shows a difference in the time distribution for each fluid.
An empirical cut-off (for sandstone) of 33msec is used to separate the Free Fluids from the others.
1111
Magnetic Resonance Measurement
Pore Size
In a large pore the proton collides with the grain surface less often than in a small poreThe relaxation time is reducedThe amplitude in both cases can be the same. The porosity is the same in the large and small pores.
1/T2 = ρρρρ(S/V)T2 = Transverse relaxation time (msec)S = Surface area of poreV = Volume of poreρρρρ = Surface relaxivity
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Am
plitu
de
Time msec
LargePore
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Am
plitu
de Smallpore
Time msec
1212
Magnetic Resonance Measurement
Permeability
Porosity = 20%Permeability = 7.5 md
Porosity = 19.5%Permeability = 279 md
1313
Magnetic Resonance Measurement
Permeability EquationsMethod 1:
k ~ φφφφb/(S/V)2
1/T2 = ρρρρ2(S/V)
k = a (φφφφCMR)4 (T2,log)2
a ~ 4 mD/(ms)2
Method 2: Timur/Coates Equation:
k = a’ 104 (φφφφCMR)4 (FFI/BVI )2
a' ~ 1 mD
1414
Magnetic Resonance Measurement
CMR Wellsite Presentation
The key outputs are in track 3, the CMR porosity and the CMR free fluid Index.
Track 4 show the T2 distribution
Track 2 shows T2 and the permeability
Track 1 shows the GR.
1515
Magnetic Resonance Measurement
CMR Sonde Cross Section
1616
Magnetic Resonance Measurement
CMR Tool
Applications• Continuous permeability• Determine Swirr• Measure free fluid volume• Identify thin pay zones (6 in.)• Lithology-independent porosity• Hydrocarbon identification• Low-resistivity pay
Tool specificationsLength 14 ftWeight 300 lb.Minimum hole 6.5 in.Logging speed (sandstone) 600 ft/hrMeasurement aperture 6.0 in.Combinable YesMud resistivity No limitsMax. temperature 350°F
[175°C]
1717
Magnetic Resonance Measurement
CMR Example log 1
1818
Magnetic Resonance Measurement
CMR Example Log-2
1919
Magnetic Resonance Measurement
CMR Example log -3
2020
Magnetic Resonance Measurement
Pore sizes
10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1
10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1
Popu
latio
n
T2 (s)950517-01
(V/S) pore (µm)
Berea 100 Sandstoneρ2 = 5 µm/s
(V/S)pore = ρ2 T2
Pore Shape V/S
Sphere diameter = dd/6
Tube diameter = d d/4
Sheet width = d d/2
Typical sandstone: ρ2 ~ 5 mm/s
Typical carbonate: ρ2 ~ 1.7 mm/s
11
Electrical Resistivity Logs
Electrical Resistivity Logs
© Schlumberger 1999
22
Electrical Resistivity Logs
Resistivity Theory
The resistivity of a substance is a measure of its ability to impede the flow of electrical current.
Resistivity is the key to hydrocarbon saturation determination.
Porosity gives the volume of fluids but does not indicate which fluid is occupying that pore space.
33
Electrical Resistivity Logs
Resistivity Theory 2
Current can only pass through the water in the formation, hence the resistivity depends
on:
Resistivity of the formation water.Amount of water present.Pore structure.
44
Electrical Resistivity Logs
Resistivity Model
55
Electrical Resistivity Logs
Mud Resistivities
The first resistivities encountered are those of the mud, mud filtrate and mud cake.
The surface measurements to obtain these values are often erroneous.
Key points:The samples must be identical to the mud used in the logging interval.Check answers using the Chart Book formulae.Rmf < Rm < RmcIdentify the sample source (measured or charts).
66
Electrical Resistivity Logs
Salinities chart
This chart is used to compute salinities from resistivities of solution e.g. mud, and vice versa.It is also used to find the resistivities at a given temperature.
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.8
1
2
3
4
56
8
10
0.08
0.060.05
0.04
0.03
0.02
0.01
50 75 100 125 150 200 250 300 350 400
10
15
20
2530
40
50
100
150
200
250300
400
500
1000
1500
200025003000
40005000
10,000
15,00020,000
280,000
200
300
400
500
600
700
800
1000
1200
1400
1700
2000
3000
4000
5000
6000
70008000
10,000
12,000
14,000
17,000
20,000
250,000 200,000 170,000 140,000 120,000 100,00080,000 70,000 60,000 50,00040,00030,000
300,000
10 20 30 40 50 60 70 140 160 20080 90 100 120 180
ppm
Gra
ins/
gal
at 7
5ÞF
Res
istiv
ity o
f Sol
utio
n (ž
- m
)
Temperature (ÞF or ÞC)
NaC
l Con
cent
ratio
n (p
pm o
r gra
ins/
gal)
77
Electrical Resistivity Logs
Old Tools
The voltage measured at M is proportional to the formation resistivity.
This electrode configuration is the Normal tool.
The distance between the A and M electrodes.The spacing determines the depth of investigation and hence the resistivity being read.
88
Electrical Resistivity Logs
Normal and Lateral Tools
The Lateral device used the same principle. The difference is in electrode configuration and spacing.
Problems came from "thin beds" when the signature of the curve was used to try and find the true resistivity.
99
Electrical Resistivity Logs
Old Tools 2
This figure shows some of the "signature curves" for the interpretation of lateral and normal devices in thin beds.A library exists plus the rules to extrapolate the
measured value to the true resistivity of the bed.
1010
Electrical Resistivity Logs
Laterolog Principle
A current-emitting electrode, Ao, has guard electrodes positioned symmetrically on either side.Guard electrodes emit current to keep the potential difference between them and the current electrode at zero.This forces the measuring current to flow into the formation of interest.
1111
Electrical Resistivity Logs
Tool Types
Various configurations have been used:
LL3The first tool of its type; single guard electrodes.
LL7Four extra electrodes added, including a feedback loop to keep the bucking current at an optimal value.
LL9Two more electrodes added, plus a Shallow Laterolog measurement. Deep and Shallow measurements were taken sequentially.
DLTSame as the LL9 but able to run deep and shallow simultaneously.
1212
Electrical Resistivity Logs
borehole effects
Laterologs see the borehole environment as:
RLL = Rm + Rmc + Rxo + Rt
Rm Best measurement is in salt-saturated, lowresistivity mud. Worst readings obtained
in fresh mud. Measurements cannot be taken in oil-based mud.
Rmc Usually neglected as very small.
Rxo Depends on Rmf, needs to be known.
Rt Parameter to be measured, the higher the better.
1313
Electrical Resistivity Logs
Laterolog Corrections
The log must be corrected for the effect of mud resistivity.
There are two possible conditions:Centred.Eccentred.
There is only a small difference between the two in most circumstances for the modern tool DLT-E.The old tool, DLT-B, could only be run centred.
The correction to the shallow is greater than the deep, especially in large hole sizes.
1414
Electrical Resistivity Logs
Laterolog Corrections
1515
Electrical Resistivity Logs
Correction Charts
1616
Electrical Resistivity Logs
Bed Correction
The next correction accounts for the effects of adjacent beds which still occur despite focusing.
If the shoulder bed is highly resistive, the log has to be reduced. (Squeeze.)
If the shoulder bed is of low resistivity, the log has to be increased. (Anti-squeeze.)
LLS has a better definition because it is a shallow device.
1717
Electrical Resistivity Logs
Squeeze/Anti-Squeeze
Rs is the resistivity of the bed above and below the formation of interest.
The chart is entered with the bed thickness, moving up the ratio RLLD/RS.
The correction factor is read on the y-axis.
1818
Electrical Resistivity Logs
Squeeze/Anti- Squeeze
The same method is used in this chart for the Shallow Laterolog
1919
Electrical Resistivity Logs
String Effect
Laterolog tools have another problem in conductive beds due to the frequency of the measurement.
In long combination tools, the LLD reads too high.
The effect has been commonly seen in low resistivity formations.
2020
Electrical Resistivity Logs
Correction Example
The correction depends on the hole size, Dh, and the mud resistivity, Rm.
This correction has to be applied before any other borehole corrections.
A new chart is needed for each tool combination.
2121
Electrical Resistivity Logs
TLC effectThere are two effects occurring when a Laterolog tool is run on drill pipe.
1)In TLC operations Laterologs need a special stiff bridle usually made of three sections of tool housing giving a length of 30 feet compared to the normal 80 foot bridle.
2)The total current returns to the pipe which acts as the return electrode.
The relative error is proportional to /Ra (the apparent resistivity).
This can be up to 200% at low Rt/Rm contrasts and low Rm.
2222
Electrical Resistivity Logs
Example Chart
The chart is used to transform the TLC reading into the reading theoretically obtained in a vertical well with a bridle.
2323
Electrical Resistivity Logs
Pseudo Geometrical Factor
Once corrected, the log can be evaluated to find Rt.
Neglecting the mud and mud cake resistivities (corrected log), the tool response equation is:
Ra = J(di)Rxo + (1-J(di))Rt
Where J(di) is the pseudo-geometrical factor which is a function of the invasion diameter, di. For large di, J(di) is large reflecting the important contribution of the invaded zone to the measurement.
2424
Electrical Resistivity Logs
Depth of Investigation
The plot shows the pseudo-geometrical factor versus di for various tools.The relative depth of investigation is defined as the invasion diameter for which the invaded zone contributes to 50% of the signal (J = 0.5).The relative depth of investigation is computed from the chart.
For example, it is 35" for the LLS.
2525
Electrical Resistivity Logs
Groningen Effect
The high and increasing LLD reading, associated with a flat LLS, can be caused by the presence of hydrocarbon in the formation, or by the infamous Groningen effect.
Torpedo
DLT measurepoint
LLSLLD /LLG
Induction
Resistive Bed
GroningenResponse
Laterolog
LLG
LLDincrease
Inductiondoes not react
distance totorpedo =distance
below highresistivity
Groningeneffect seen.
bridleelectrode
2626
Electrical Resistivity Logs
Groningen Effect Physics
This is caused by the voltage reference (cable-torpedo) becoming non-zero.
Caused by highly resistive beds overlying the formation that is being measured.
This forces the deep current into the mud column.
2727
Electrical Resistivity Logs
Solutions
The HALS/ARI tool can be corrected for Groningen effect.
There is a curve measurement by the DLT called LLG, which gives an indication of the Groningen effect.
LLG is:An LLD using a bridle electrode as return rather than the torpedo.An indicator of the presence of Groningen Effect because:
LLG equals LLD when there is no effect.LLG is affected at a different depth than LLD.
LLG is not an LLD corrected for Groningen.
2828
Electrical Resistivity Logs
Laterolog Applications
Measures Rt.
Standard resistivity in high resistivity environments.
Usable in medium-to-high salinity muds.
Good results in high contrast Rt/Rm.
Fair vertical resolution (same as porosity tools).
2929
Electrical Resistivity Logs
Laterolog Limits
Cannot be used in oil-based muds.
Cannot be used in air-filled holes.
Affected by the Groningen Effect in some environments.
Difficult to model.
Poor when Rxo > Rt.
3030
Electrical Resistivity Logs
Modelling
It is useful to model the tool response for different conditions.
The approach of bed boundaries can be seen in deviated wells.
Unusual log responses can be checked with different model formations.
A finite element method has to be used to model Laterologs, and all resistivity tools.
This type of program is heavy on computer time.
3131
Electrical Resistivity Logs
DLT Parameters
Vertical resolution: 24"
Maximum reading:LLD 40000ohm-mLLS 6000ohm-m
Minimum reading:LLD 0.2ohm-mLLS 0.2ohm-m
3232
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog principle
The current emitting electrode is split into twelve separate electrodes.
It has 12 electrodes set equally spaced around the tool giving 12 azimuthal Laterolog readings.
These are focused to give a deep reading and a very shallow reading of the tool stand-off.
3333
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog principle 2
There are two modes:Active mode: current is emitted from each of the electrodes.12 calibrated resistivities are output in real time.
Passive mode: no current is emitted. This is used if the resistivity is above 2 ohm-m The mud resistivity is needed to compute the resistivities.
3434
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog corrections
The borehole correction is similar to the other Laterolog measurements. It is a function of the borehole diameter and the ratio of formation to mud resistivity.
This chart is used to make the correction. It can be done by the surface acquisition system.
3535
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog outputs
The standard outputs of the Azimuthal Laterolog are:
Standard LLD and LLS curves.
LLhr - high resolution deep Laterolog.
12 azimuthal resistivity curves.
12 electrical stand-off measurements.
An electrical image of the borehole similar to FMS.
3636
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog usesThe simplest use of the ARI is for deep resistivity in laminated formations. Here the tools high vertical resolution reads the correct value when the LLD averages the beds.
3737
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog Uses 2
Another use of the ARI is fracture identification.As with any resistivity measurement it reacts to the presence of the conductive fluid (mud) in the fractures. They show up as low resistivity on each of the 12 resistivities at different depths depending on their geometry. The best indication is the image.
3838
Electrical Resistivity Logs
ARI Uses 3
There are a number of other uses for this azimuthal tool:Heterogeneous formation
One or more of the resistivities will react to a heterogeneity while the others read normally. An example could be a shale lens in an oil zone. Here the resistivity will be reduced by the low resistivity shale if a standard LLD is used, however the shale will be "seen" by some of the azimuthal resistivities and the true resistivity of the oil zone can then be understood.
Horizontal wellThe ultimate heterogeneous formation. The azimuthal resistivities will be able to see the overlying and underlying formations, thecap rocks and the water table for example. Knowing where these are will greatly assist in completing the well as well as computing saturations.
Dip computationThis is an extra due to having 12 azimuthal
resistivities and the possibility of adding directional information. The output dips are not as good as a standard Dipmeter as the resolution is not as fine, however, they are sufficient for moststructural interpretations.
3939
Electrical Resistivity Logs
Azimuthal Laterolog parameters
Depth of investigation LLhr close to LLD
Vertical resolution8" (in a 6" hole)
Azimuthal resolution60° for a 1" stand-off
Resistivity range0.2 - 100000 ohm-m
Mud resistivity< 2 ohm-m active mode< 5 ohm-m passive mode
4040
Electrical Resistivity Logs
Microresistivity Devices
Shallow reading versions of resistivity tools; always pad-mounted.
First was the Microlog which is still in use;Second was the Micro Laterolog (MLL), replaced byProximity (PL) tool, replaced byMicroSpherically Focused Log (MSFL), replaced byMicro Cylindrical Focused Log(MCFL)
Objective is to read Rxo (Invaded Zone Resistivity) only.
Tools are focused to pass through the mud cake.
4141
Electrical Resistivity Logs
Microlog Uses
Microlog is used to identify permeable zones.
If the zone of investigation is shale (no invasion), both curves read the same.If the zone is sand (with invasion), Microinverse reads mud cake plus some of the formation and Micronormal reads some mud cake plus the formation (slightly higher).We are only interested in the separation between these curves and so scales are chosen to show this and not the rest of the readings.
2" Micronormal. (A -> M2)1"x1" Microinverse. (A -> M1)(Slightly different depths of investigation).
4242
Electrical Resistivity Logs
MSFL Principle
This tool uses a set of 5 electrodes which focus the signal into the invaded zone just beyond the mud cake.
4343
Electrical Resistivity Logs
MSFL Borehole Corrections
In spite of its focusing, the tool still needs to be corrected for the mud cake thickness and
resistivity.The correction requires an input of mud cake thickness which is not measured directly.
It also needs the mud cake resistivity which is either measured or computed from charts.
The tool focusing has been set assuming there is always some mud cake, hence the tool
always needs some correction.
4444
Electrical Resistivity Logs
Uses and Limits
Uses:Rxo measurement in water- based muds.Correction for deep resistivity tools.Sxo determination.
Limits:Rugose hole.Oil-based mud.Heavy or thick mud cake.
11
Induction logs
Induction Logs
© Schlumberger 1999
22
Induction logs
Induction history
The idea for the tool developed out of mine detector work done by Henri Doll during the Second World War.
The objective was to measure resistivity in fresh or oil-based muds.
The first tools had 5 coils to focus the signal.
The next generation of tools employed 6 coils.
Two measurement curves were eventually developed, a medium and a deep paralleling the Laterolog's shallow and deep readings.
33
Induction logs
Induction Principle
An Induction tool uses a high frequency electromagnetic transmitter to induce a current in a ground loop of formation.
This, in turn, induces an electrical field whose magnitude is proportional to the
formation conductivity.
44
Induction logs
Geometrical Factor
In a simple model, (tool centred, homogeneous formation), the response of the tool can be
calculated as the sum of all the formation loops coaxial with the sonde.
Each signal is proportional to the conductivity and to a Geometrical Factor, Gi which depends only on the loop position with respect to the transmitter and receiver positions.
The sum of all the geometrical factors is equal to 1.
55
Induction logs
Depth of Investigation
This is equivalent to the plot seen for the laterolog.
Once again, the depth of investigation can be obtained from this plot using the same criteria.
Depth of investigation = zone contributing 50% of the signal.
66
Induction logs
Shoulder Bed Effect
To minimise the shoulder bed effect, the tool is focused using multiple coils.
In addition, the shoulder bed response is suppressed to improve the vertical resolution.
Deconvolution gives greater weight to the signal measured at the sonde centre and less
weight to the signals from either side.
The Phasor tool uses the X-signal to make a non-linear deconvolution correction.
77
Induction logs
Skin Effect
Caused by ground loops creating their own fields and interfering with the signal being measured.
The net result is a reduction in the measured conductivity.
The correction increases with increasing conductivity.
The traditional solution was to employ a booster algorithm.
The current tool uses the X-signal to make the correction.
88
Induction logs
Borehole Effects
Induction tools measure Conductivity.Induction tools measure resistivity in Parallel.Thus Induction tools see the borehole environment as:
Cm - Best readings occur in high resistivity mud, oil-based is better, fresh mud is good, salt-saturated mud is worst.
Cmc - Usually neglected as very small.
Cxo - Depends on Rmf - needs to be known.
Ct - Parameter to be measured, the higher the better.
99
Induction logs
Corrections
The tool has to be corrected for borehole effects.
Procedure
1) Compute borehole geometrical factor.2) Find additional signal due to the borehole.3) Convert log resistivity into conductivity.4) Remove borehole signal from total signal.5) Convert result back to resistivity.
This is best done in the field using either the Surface Acquisition units
It is also possible using Chart Books.
1010
Induction logs
Corrections
1111
Induction logs
Correction Charts
1212
Induction logs
Correction Charts
Procedure:Obtain the Borehole Geometrical factorEnter the value on the axis.Draw a line through the mud resistivity to obtain the hole signal..
Subtract the hole signal from the measured conductivity to obtain the corrected value
1313
Induction logs
Bed Thickness
The induction needs to be corrected for the effect of resistive or conductive shoulder beds.
After signal processing this effect is minor except in beds less than 6'.
1414
Induction logs
Enhancement
The standard Deep Induction tool has a vertical resolution of 6' to 8'.
It is impossible to improve the tool's hardware design as the measurement is "blind" at some thickness.The Medium Induction tool can "see" all thickness.
The Medium signal is used to enhance the more accurate Deep reading.
Enhanced resolution of 3'.
Very enhanced resolution of 1.5' to 2'.
A problem - the medium may be adversely affected by borehole conditions (rugosity, caving), resulting in a poor deep reading.
1515
Induction logs
LimitsCannot be used in salt-saturated muds unless in small hole sizes.
Cannot be used in high resistivity formations.
Poor in thin beds.
Poor when Rxo < Rt.
Dipping beds will affect the logs.
1616
Induction logs
Uses
Measures Rt.
Ideal in fresh or oil-based environments.
Ideal for low resistivity measurements and when Rxo > Rt.
1717
Induction logs
Modelling
As for the laterolog tool, it is useful to model the induction response to a given situation.
The Induction is simple to model in almost any case as it is based on electromagnetic theory.Programs exist for both vertical and deviated wells.
Effects such as the effect of dipping beds can be analyzed and the true resistivity of the
layer obtained.
Horizontal wells are also handled so that the response of an electromagnetic tool to a nearby cap rock or water table can be predicted.
This is important in horizontal wells where the technique called Geosteering is used to accurately position the well trajectory.
1818
Induction logs
Induction Parameters
Vertical resolution:
Standard 6' to 8'Enhanced 3'Very Enhanced 1.5' to 2'
Depth of investigation:
Deep 60"
Medium 30"
1919
Induction logs
AIT principle
The tool measures 28 independent signals from 8 arrays. There is one transmitter operating at three frequencies. The in-phase (R) and the quadrature (X) signals are both measured.
The conductivities are combined using radial and depth functions.
These are software focused to give:
5 depths of investigation:10", 20", 30", 60" 90".
3 vertical resolutions: 1', 2' and 4'.
2020
Induction logs
AIT depth of investigation
The AIT has set radial depths of investigation which are not affected by changes in conductivity.
The values are taken as the point where half the signal comes from shallower levels.
In comparison to the 10", 20", 30", 60" and 90" of this tool, the medium and deep of the old tool are around 30" and 60" respectively.
2121
Induction logs
AIT Corrections
There are well defined borehole corrections to be applied to the measurement. These are made in real time by the software. The inputs required are:
Borehole cross section.Mud resistivity.Stand-off.
The tool can compute any of these from its measured signal as well as the formation resistivity. However, normal practice is to input at least two of them.
A measurement of the mud can be made with an auxiliary sonde or surface measurement.
The former is best as logs made have shown considerable heterogeneities in the mud column with depth.
A caliper tool can give the hole dimensions.
2222
Induction logs
As the AIT produces five logs with differing depths of investigation, a more realistic description of the invasion can be made.The old model is:
New model:
This model has four unknowns with the addition of a ramp profiled for the invasion.
AIT Rt-Rxo-invasion
2323
Induction logs
AIT independent model
The AIT can be displayed as an image.
The simplest image is of resistivity radial profile starting at the borehole and going out into the formation.
This image simply extrapolates the readings of the tool assigning colour classes to the resistivity level.
It is called an "independent model" because it makes no assumptions about the resistivity distribution.
2424
Induction logs
AIT saturation
To obtain a saturation image, some assumptions have to be made about the resistivity profile.
The inversion model is used to produce the parameters needed for a saturation image, Rt, Rxo and an invasion distance.
The r2 radius is taken as the limit of invasion for this calculation.
The image will then show the saturation away from the borehole, a radial profile.
This image is a more accurate picture of the invasion as long as the saturation gradient is constant with depth. The porosity is also assumed to be constant.
2525
Induction logs
AIT volumes
Variations in formation water, drilling parameters and saturation gradient obscure comparisons along a well and between wells.
A filtrate invasion profile is constructed and converted to a fluid volume by multiplying it by porosity.
Hence the AIT outputs plus the Rmf are all that is needed to compute the volume of mud filtrate, Vmf.The result is integrated with depth to give the volume of filtrate per unit depth.
2626
Induction logs
examples 2
The invaded volumes computed here show an increase with depth. The results could be used to plan sampling points or a well test.
2727
Induction logs
examples 3
The AIT logs (2' vertical resolution) read correctly in this zone giving a hydrocarbon profile.
The DIL logs are ambiguous as the SFL (electrical log) longer reading shallow because Rxo is less than Rt
90 Inch investigation(ohmm) 2000.2
0.2
0.2
0.2 2000.0
2000.0
2000.0
0.010000.0
(ohmm)
Cable tension (TENS)(LBF)
(ohmm)
SFL unaveraged (SFLU)
Medium resistivity (ILM)
(ohmm)Deep resistivity (ILD)
10 Inch investigation(ohmm) 2000.2
20 Inch investigation(ohmm) 2000.2
30 Inch investigation(ohmm) 2000.2
60 Inch investigation(ohmm) 2000.2
2828
Induction logs
AIT parameters
Radius of investigation:10" (A x 10)20" (A x 20)30" (A x 30)60" (A x 60)90" (A x 90)
Vertical resolution (x):1'2'4'
Resistivity range:0.2 - 1000ohm-m