DEVELOPMENT OF CHEMOSTRATIGRAPHY AND CHEMO-MECHANICAL FACIES FRAMEWORK IN KHUFF, UNAYZAH AND QUSAIBA FORMATIONS, KSA

DEVELOPMENT OF CHEMOSTRATIGRAPHY AND CHEMO-MECHANICAL FACIES FRAMEWORK IN KHUFF, UNAYZAH AND QUSAIBA FORMATIONS, KSA. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (PhD Dissertation)
G200802860-M-Hussain-PhD-Dissertation.pdf
Restricted to Repository staff only until 6 October 2021.

Download (3MB)

Arabic Abstract

تعتبر مكامن الرمل والسجيل الصخرية في المملكة العربية السعودية من المصادر المحتملة لإمدادات الغاز الطبيعي التي ستلبي الطلبات المحلية المتزايدة للمملكة وتدعم خططها الطموحة في أن تصبح من المصادر المحتمله للغاز الطبيعي والتي ستلبي الطلب المتزايد في المملكه وتجعلها مصدرا مهما للغاز. ولذلك فإن الطفرة في الدراسات البحثية والتمويل في المملكة العربية السعودية ركزت على تعزيز فهم وتوصيف جودة المكامن البتروليه لطبقات حقب الحياة القديمة لأنشطة الاستكشاف والاستغلال. هناك قصر في فهم المكامن الباليوزويه من ناحية الطباقية الاحيائية التي لها نفس نوعية الصخور وبالتالي تصبح المضاهاة الطباقية والحفر الموجه وتحليل السحنات امرا صعبا. بالإضافة إلى ذلك ، يتطلب النجاح في تطوير الخزانات غير التقليدية إجراءات متكاملة تهدف إلى حل التحديات الهندسية. التكامل في الدراسات الطباقيه مع الخصائص الجيوميكانيكية تساعد علي تحسين وفهم خصائص جودة المكامن البتروليه لدعم التطبيقات المختلفة خلال مراحل التنقيب عن البترول وانتاجه. في هذه الأطروحة المقسمة إلى ثلاثة أجزاء ؛ تم وصف العينات الصخريه التابعه لثلاثة متكونات تتبع حقب الحياة القديمة بشكل علمي منهجي باستخدام التحاليل الجيوكيميائية والجيوميكانيكية. البيانات الجيوكيميائية مثل تركيز العناصر وتركيزها وتوزيعها في السحنات الصخرية تم استخراجها باستخدام تحيليل تفلور الاشعه السينيه. تم توثيق اماكن التوصيف الجيوميكانيكي عن طريق قياس الصلابة المرنة باستخدام مسبار المطرقة النبضي المركب على منصة جهاز الاوتوسكان وتم قياسه من خلال الاختبار ثلاثي المحاور القياسي. الجزء الأول من هذا العمل البحثي هو معيار التحليل المعملي والغرض منه هو إنشاء البيانات بتقنيات قياسية معروفة حيث ان الوصف الجيوميكانيكي أمر بالغ الأهمية لتطوير المكامن غير التقليدية وطريقة المطرقة الدافعة المستخدمة في هذا البحث جديدة نسبيًا. وقد لوحظ ما يلي في النتائج:1) التركيب المعدني والكيميائي وحجم الحبيبه يؤثران بشكل كبير على المطرقة الدافعة بخفض معامل يونغ, 2) هناك ارتباط قوي بين معامل يونغ واختبارثلاثي المحاور القياسي التابع لمعامل يونغ, 3) معامل يونغ يكشف عن تغاير وتباين جيوميكانيكي. ركز الجزء الثاني من هذه الدراسة على خصائص الصخور الجيوميكانيكية للخزانات غير التقليدية باستخدام خاصية مطرقة الدفع الصخرية المرنة. أظهرت النتائج تباينًا ملحوظًا في السلاسة الميكانيكية الصخرية التابعه لحقب الحياة القديمة. هذه السحنات الميكانيكية مهمة عند تصميم طرق الحفر والتحفيز. الجزء الثالث من هذا العمل اثبت ان استخدام خوارزميات التعلم الآلي والخصائص الجيوكيميائية تساعد في التنبؤ بالخصائص الميكانيكية للصخور. تستخدم هذه التقنية مزيجًا من قياسات الأشعة السينية وقياسات مطرقة الدفع الارتدادي لإنشاء روابط بين الخصائص الجيوكيميائية والميكانيكية للصخور التي تم أخذ عينات منها. تم تحديد خمس سحنات كيميائية ميكانيكية (CMF) . علاوة على ذلك ، باستخدام نهج التحقق من الصحة المتقاطع ، أعطت النتائج التي تم الحصول عليها نتائج مشجعة للتحقق من الصحة والاختبار. تم اقتراح الطريقة للاستخدام في التقييم السريع لقطع الحفر لتحديد قوة الصخور خاصة عندما تكون البيانات الوحيدة المتاحة هي البيانات الجيوكيميائية الأولية. . إن الجمع بين الطرق الموضحة في هذه الدراسة ، أي التقنيات الجيوكيميائية والجيوميكانيكية ستكون بمثابة أدوات مفيدة في استكشاف واستغلال خزانات الرمال الضيقة. تقدم هذه الرسالة تطورات التخطيط الكيميائي وإطار السحنات الكيميائية الميكانيكية في متكونات الخف وعنيزة والقصيبة الرسوبيه في المملكة العربية السعودية ، باستخدام التكامل الإحصائي للتوصيفات الجيوكيميائية والجيوميكانيكية. الهدف هو دعم تعاقبات حقب الحياة القديمة اثناء انشطة الاستكشاف والاستغلال وغير ذلك في مجال البترول.

English Abstract

The Paleozoic tight sand and shale reservoirs in the Kingdom of Saudi Arabia -KSA- are considered as potential sources of natural gas supply that will meet the increasing domestic demands of the Kingdom and support its ambitious plans of becoming a net gas exporter. Hence, the surge in research studies and funding in KSA has been focusing on enhancing the reservoir quality characterization of these Paleozoic sequences for exploration and exploitation activities. Paleozoic reservoir are poorly constrained biostratigraphically and have similar lithologies, making stratigraphic correlation, geosteering and facies analysis problematic. In addition, success in unconventional reservoirs development requires integrated procedures that aim at resolving engineering challenges. An integrated stratigraphic framework with geomechanical characterization is required to improve understanding and enhance reservoir quality characterization to support various applications throughout the asset life cycle. In this thesis, divided into three parts; continuous core samples from three Paleozoic formations were systematically characterized using geochemical and geomechanical techniques. Geochemical signatures i.e., elemental concentration, profiles, intensities and zonation were extracted using a high-resolution tabletop microXRF. Geomechanical characterization profile was documented by measuring elastic stiffness using an Impulse Hammer probe mounted on an AutoScanTM platform and benchmarked with the standard triaxial test conducted on an AutoLabTM platform. The first part of this research work is laboratory analysis benchmark -LAB-. The purpose of LAB is to establish data output with known standard techniques. This is important because the geomechanical characterization profile is critical for unconventional reservoir development and the Impulse Hammer method employed in this research is relatively new. The following were observed in the results: 1) sample mineralogy and grain size variabilities considerably influence the impulse hammer reduced Young’s Modulus -Estar-; 2) strong correlations exist between Estar and standard triaxial test Young’s Modulus (Static and dynamic); and 3) Estar reveals detailed geomechanical heterogeneity and anisotropy than Es and Ed. The second part of this study focused on geomechanical rock profile characterization for unconventional reservoirs using the impulse hammer derived rock elastic property. The results showed marked contrasts in rock mechanical facies, consistent with mechanical/energy barrier mechanism. Toughness/modulus and interface barriers were documented within the studied Paleozoic unconventional reservoirs. These mechanical facies are important considerations for drilling and stimulation designs. They can cause wellbore instability and behave as barriers to hydraulic fracture height growth. In a vertically discontinuous reservoirs, the relative thickness of intercalated stiff and weak mechanical layers in conjunction with the stress barriers determine how far the hydraulic fracture propagation will grow in height. The third part is a proof of concept, involving the use machine learning algorithms and of geochemical signatures to predict rock mechanical properties. The technique uses a combination X-ray fluorescence and rebound impulse hammer measurements to establish links between geochemical and mechanical properties of the sampled rocks. Five chemo-mechanical facies were identified that were formation specific. Furthermore, using a cross validation approach, results obtained gave very encouraging R2 of 0.83, 0.87, and 0.89 for training, validation, and testing respectively. The method is proposed for use in rapid assessment of drill cuttings for the determination of rock strength especially where the only available data is elemental geochemical data. Geochemical signatures show variations in lithofacies and rock properties that can be used to establish stratigraphic correlation. Elemental composition analysis is an important tool for resolving stratigraphic uncertainties due to its ability to document subtle variation among samples that appear homogenous to other techniques. The combination of methods described in this study, i.e., geochemical and geomechanical techniques will serve as useful tools in the exploration and exploitation of tight sand reservoirs. This thesis presents the development of chemostratigraphy and a chemo-mechanical facies framework in the Khuff, Unayzah and Qusaiba formations in KSA, using statistical integration of geochemical and geomechanical characterizations. The goal is to support the Paleozoic succession in asset life cycle, from exploration, appraisal, development, harvest, rejuvenation, and abandonment.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Engineering
Earth Sciences
Petroleum
Department: College Of Sciences > Earth Sciences Dept
Committee Advisor: Al-Ramadan, Khalid Abdulsamad
Committee Members: Al-Shaibani, Abdulaziz A and Kaminski, Micheal A and Humphrey, John D and Amao, Abduljamiu O
Depositing User: (g200802860)
Date Deposited: 26 Nov 2020 11:32
Last Modified: 26 Nov 2020 11:32
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141723