Unraveling the Interplay Between Wettability, Clay Distribution, and Spectral Induced Polarization (SIP). PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Unraveling_the_interplay_between_Wettability_Clay_SIP.pdf Restricted to Repository staff only until 22 June 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة دراسة التفاعل بين قابلية البلل، ومعدنية الطين، وتوزيع الطين، والملوحة، والاستقطاب الحثي الطيفي (SIP)، بهدف تطوير طرق توصيف المكامن ومعالجة القيود المرتبطة بالتقنيات البتروفيزيائية التقليدية. وعلى الرغم من الاستخدام الواسع لتقنية SIP في الأوساط غير المتماسكة، إلا أن تطبيقها في الأنظمة الصخرية المعقدة لا يزال يواجه تحديات مرتبطة بعدم وضوح تأثير تفاعلات الصخر–المائع والتباين المعدني. تهدف هذه الدراسة إلى تقديم فهم تجريبي ومنهجي لهذه العوامل من خلال تجارب مخبرية مضبوطة. تم إجراء سلسلة من التجارب على أوساط مسامية صناعية وحبيبية لتقييم حساسية (SIP) لتغيرات قابلية البلل وتشبع الموائع. تم تحقيق تغيير قابلية البلل باستخدام المعالجة الكيميائية وحقن الموائع المباشر، وتم التحقق من ذلك باستخدام تقنيات مستقلة مثل الرنين المغناطيسي النووي (NMR) وقياسات زاوية التلامس. أظهرت النتائج أن قابلية البلل تؤثر بشكل كبير على الخصائص الكهربائية، حيث تتميز الأنظمة محبة الماء بموصلية حقيقية وتخيلية أعلى نتيجة لاستمرارية مسارات المحلول الملحي وتعزيز التفاعل بين السائل والصلب، في حين تُظهر الأنظمة محبة النفط انخفاضًا ملحوظًا في الموصلية مع زيادة تشبع النفط. كما يؤكد تغير أسّ التشبع التأثير القوي لقابلية البلل على آليات انتقال الشحنة. وبالإضافة إلى حالات البلل البسيطة، أثبت تحليل SIP متعدد الترددات قدرته على التمييز بين الأنظمة ذات البلل المختلط والبلل الجزئي من خلال رصد الاختلافات في سلوك الاستقطاب المعتمد على التردد والمرتبط بتوزيع الموائع على مستوى المسام، وهو ما يمثل تقدمًا مهمًا مقارنة بالطرق التقليدية التي تعجز غالبًا عن التمييز بين هذه الحالات. كما تم توسيع تطبيق SIP ليشمل حالات مكمنية معقدة، مثل تحديد مناطق الإنتاج ذات المقاومة المنخفضة (LRP). أظهرت النتائج التجريبية باستخدام أنظمة مسامية مزدوجة أن SIP قادر على الكشف عن وجود الهيدروكربونات من خلال أنماط تشتت واستقطاب مميزة، حتى في الحالات التي تكون فيها القياسات التقليدية غير حاسمة. وترتبط هذه الاستجابات بآليات استقطاب بينية مثل طبقة الشحنة المزدوجة وتأثير ماكسويل–واغنر، خاصة في وجود مكونات موصلة. بالإضافة إلى ذلك، تقيم الدراسة طرق تغيير قابلية البلل وتقنيات القياس المختلفة، حيث أظهرت النتائج أن تقنيتي SIP والعزل الكهربائي هما الأكثر حساسية لتغيرات قابلية البلل، في حين يوفر NMR دعمًا تكميليًا. كما تؤكد النتائج أهمية تصميم تجارب مخبرية دقيقة لضمان قابلية التكرار والموثوقية. كما تقدم الدراسة تحليلًا شاملًا لتأثيرات الطين، حيث تبين أن معدنية الطين وتوزيعه المكاني يؤثران بشكل كبير على السلوك الكهربائي. وأظهرت التجارب على خلطات الرمل–الطين بنسب مختلفة من الكاولينيت والإيلايت وتحت ظروف ملوحة مختلفة أن الملوحة العالية تؤدي إلى سيطرة التوصيل الإلكتروليتي، مما يحجب الفروق المعدنية، في حين تعزز الملوحة المنخفضة التوصيل السطحي والاستقطاب، مما يسمح بالتمييز بين المعادن. كما تبين أن توزيع الطين (مبعثر، هيكلي، أو طبقي) يلعب دورًا حاسمًا في التحكم بمسارات التوصيل والاستقطاب، حيث تُظهر الأنظمة الطبقية سلوكًا غير متجانس وأكثر تعقيدًا. وقد تم استخدام نماذج فيزيائية وتنبؤية بنجاح لمحاكاة السلوك الكهربائي المرصود، مما يؤكد إمكانية وصف استجابات SIP كميًا باستخدام الخصائص الأساسية للمواد. وبشكل عام، تبرز النتائج الدور الحاسم للتأثيرات المتداخلة بين قابلية البلل وخصائص الطين والملوحة وتوزيع الموائع في التحكم بإشارات SIP. تُظهر هذه الرسالة أن تقنية الاستقطاب الحثي الطيفي تعد أداة حساسة وفعالة لتوصيف الأنظمة المسامية المعقدة، وتوفر فهمًا أعمق لتفسير البيانات الجيوفيزيائية، مما يمهد الطريق لتطبيقها في تقييم المكامن، والكشف عن مناطق المقاومة المنخفضة، ودراسة الأنظمة الغنية بالطين، مع تطبيقات أوسع في استكشاف الهيدروكربونات والرصد البيئي والدراسات الجيوتقنية

English Abstract

This thesis investigates the interplay between wettability, clay mineralogy, clay distribution, salinity, and Spectral Induced Polarization (SIP) to advance reservoir characterization and address limitations in conventional petrophysical techniques. While SIP has been widely applied in unconsolidated media, its application to complex rock systems remains challenged by uncertainties related to fluid–rock interactions and mineralogical heterogeneity. This work aims to provide a systematic experimental and mechanistic understanding of these factors using controlled laboratory studies. A series of experiments were conducted on synthetic and granular porous media to evaluate the sensitivity of SIP to wettability variations and fluid saturation. Wettability alteration was achieved through both chemical treatment and direct fluid injection, and independently validated using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and contact angle measurements. The results demonstrate that wettability exerts a strong control on electrical properties, with water-wet systems exhibiting higher real and imaginary conductivity due to continuous brine pathways and enhanced fluid–solid interactions, while oil-wet systems show a significant reduction in conductivity as oil saturation increases. The corresponding variation in saturation exponent further confirms the impact of wettability on charge transport mechanisms. Beyond simple wetting states, multi-frequency SIP analysis proved capable of distinguishing between mixed-wet and fractional-wet systems by capturing differences in frequency-dependent polarization behavior linked to fluid distribution at the pore scale. This represents a significant advancement over traditional wettability characterization methods, which often fail to differentiate between such conditions. The applicability of SIP was further extended to challenging reservoir scenarios, including the detection of low resistivity pay (LRP) zones. Experimental results using dual-porosity silica gel systems demonstrate that SIP can identify hydrocarbon presence through characteristic dispersion patterns and polarization responses, even when conventional resistivity measurements are inconclusive. These responses are attributed to interfacial polarization mechanisms, including electrical double layer and Maxwell-Wagner effects, particularly in the presence of conductive components. In addition, the study evaluates different wettability alteration methodologies and measurement techniques, showing that SIP and dielectric methods provide the highest sensitivity to wettability changes, while NMR offers complementary validation. The results also highlight the importance of controlled experimental workflows to ensure reproducibility and consistency. A comprehensive investigation of clay effects reveals that both clay mineralogy and spatial distribution significantly influence electrical behavior. Experiments conducted on sand clay mixtures with varying fractions of kaolinite and illite under different salinity conditions show that high salinity environments are dominated by electrolytic conduction, masking mineralogical differences, whereas low salinity enhances surface conduction and polarization, enabling mineral discrimination. Furthermore, the analysis of dispersed, structural, and laminated clay distributions demonstrates that spatial arrangement strongly controls conductivity and polarization mechanisms, with laminated systems exhibiting anisotropic and less predictable responses. Mechanistic and predictive models were successfully applied to reproduce the observed electrical behavior, confirming that SIP responses can be quantitatively described using fundamental physical properties and end member characteristics. Overall, the results highlight the critical role of coupled effects between wettability, clay properties, salinity, and fluid distribution in controlling SIP signatures. This thesis demonstrates that Spectral Induced Polarization is a highly sensitive and versatile tool for characterizing complex porous media systems. The findings provide new insights into the interpretation of SIP data and establish a strong foundation for its application in reservoir evaluation, low resistivity pay detection, and clay-rich systems analysis, with broader implications for hydrocarbon exploration, environmental monitoring, and geotechnical studies.