Hassan, Ahmed (2026) Evaluation of Formation Porosity From Drilling Cuttings Using Multifrequency Dielectric Technique. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Evaluation of Formation Porosity from Drilling Cuttings Using Multifrequency Dielectric Technique.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 June 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

يُعد التقدير الدقيق للمسامية في صناعة النفط والغاز أمراً أساسياً، نظراً لتأثيره المباشر على توصيف المكامن، وتقدير الاحتياطيات الهيدروكربونية، وتخطيط الإنتاج. وعلى الرغم من أنّ الطرق التقليدية لتقييم المسامية ، مثل تحليل اللباب (Core analysis) وتسجيلات الآبار السلكية (Wireline logging)، توفر غالباً نتائج موثوقة، إلا أنها عادةً ما تكون باهظة التكلفة، وتستغرق وقتاً طويلاً، وقد لا تكون متاحة بسهولة أثناء عمليات الحفر. لذا، تطرح هذه الدراسة منهجية عمل جديدة تُوظّف فتات الحفر (Drilling cuttings) —بوصفه ناتجاً ثانوياً طبيعياً لعمليات الحفر— لتقدير مسامية التكوينات الصخرية بالاعتماد على قياسات العزل الكهربائي متعددة الترددات. يتمثل التحدي الأبرز في تطبيق تقنيات العزل الكهربائي على فتات الحفر في كونه، وخلافاً لعينات اللباب السليمة (Intact core plugs)، يُمثل وسطاً حبيبياً يتألف من جزيئات غير منتظمة الشكل، وفراغات بينية، وسوائل محيطة، وهو ما يؤثر بصورة كبيرة على استجابة العزل الكهربائي المقاسة. ولمعالجة هذه القيود، تم تطوير وتقييم منهجية عمل قائمة على العزل الكهربائي تحت ظروف معملية مضبوطة. وقد أُسست هذه المنهجية بشكل تدريجي باستخدام عينات لباب مرجعية من الحجر الرملي "فونتينبلو" (Fontainebleau) والحجر الجيري "إنديانا" (Indiana)، ثم جرى توسيع النطاق ليشمل عينات محاكاة لفتات الحفر عبر تطوير نموذج معدّل لمعامل الانكسار المعقد (Modified CRIM)، ليتم في النهاية التحقق من دقتها باستخدام فتات حفر حقيقي جُمع من مكامن "خُفّ" "Khuff" و"عرب-دي" "Arab-D" الكربونية في المملكة العربية السعودية. أظهرت النتائج التجريبية أن الزيت المعدني الثقيل (Heavy mineral oil) يمثل السائل المحيط الأمثل من بين السوائل التي تم اختبارها؛ نظراً لأنه وفر تبايناً قوياً في خصائص العزل الكهربائي مع المحلول الملحي المالئ للمسام، وساعد في الحفاظ على تشبع فتات الحفر، وحسّن من استقرار القياسات، وسهّل التعامل مع العينات أثناء إزالة المياه السطحية الزائدة. وقد أخذ نموذج (CRIM) المعدّل في الحسبان مساهمة العزل الكهربائي للسائل المحيط، وأنتج تقديرات للمسامية مشتقة من العزل الكهربائي في حدود وحدة مسامية واحدة تقريباً (±1) من القيم المرجعية المتاحة للعينات المدروسة. كما أسفرت منهجية العمل المقترحة عن انحرافات أقل مقارنة بالطريقة الحجمية التقليدية لكل من فتات الحفر المحاكي والحقيقي. وأظهر التقييم باستخدام العينات الحقلية توافقاً واعداً بين المسامية المشتقة من العزل الكهربائي، والمسامية الحجمية المعملية، والمسامية المشتقة من تسجيلات الآبار (logging-derived porosity)، وذلك على الرغم من التباينات في التركيب المعدني، وأنظمة سوائل الحفر، والهندسة غير المنتظمة للجسيمات، ونطاقات أحجام فتات الحفر قيد الدراسة. وأشارت النتائج أيضاً إلى أن التعقيد في التركيب المعدني يمكن أن يؤثر على التردد الأمثل لتفسير بيانات العزل، حيث وفر النطاق الترددي (1 إلى 2 جيجاهرتز) توافقاً أفضل لعينات كربونات مكمن "عرب-دي" (Arab-D) غير المتجانسة التي شملتها الدراسة. تقدم المنهجية المقترحة نهجاً عملياً، ومحمولاً، وسريعاً، وفعالاً من حيث التكلفة لتقدير المسامية من فتات الحفر، لا سيما في الحالات التي يكون فيها تحليل اللباب (Core analysis) محدوداً أو غير متاح. إن التقييم الناجح لمنهجية العمل باستخدام نواتج حفر محاكاة وحقيقية يبرهن على جدواها الفنية، ويؤسس قاعدة متينة لمزيد من التحقق المعملي والتقييم المستقبلي في مواقع الآبار كأداة لتقييم التكوينات في الوقت شبه الفعلي (Near-real-time)، بما في ذلك العمليات التي تكون فيها طرق تقييم التكوينات التقليدية محدودة، مثل الحفر بالأنابيب الملتفة في ظروف الضغط غير المتوازن (UBCTD).

English Abstract

In the oil and gas industry, accurate porosity estimation is essential because it directly influences reservoir characterization, hydrocarbon reserve estimation, and production planning. Conventional porosity evaluation methods, such as core analysis and wireline logging, generally provide reliable results but are often expensive, time-consuming, and may not be readily available during drilling operations. This study proposes a novel workflow that utilizes drilling cuttings, a natural by-product of the drilling process, to estimate formation porosity using multifrequency dielectric measurements. The principal challenge in applying dielectric techniques to drilling cuttings is that, unlike intact core plugs, cuttings constitute a particulate medium containing irregular particle geometry, interparticle voids, and surrounding fluids that significantly influence the measured dielectric response. To address these limitations, a dielectric-based workflow was developed and evaluated under controlled laboratory conditions. The workflow was established progressively using Fontainebleau sandstone and Indiana limestone reference core plugs, extended to simulated drilling cuttings through the development of a modified Complex Refractive Index Model (CRIM), and finally evaluated using real drilling cuttings collected from the Khuff and Arab-D carbonate reservoirs in Saudi Arabia. The experimental results identified heavy mineral oil as the most suitable surrounding bulk fluid within the tested fluids because it provided strong dielectric contrast with the pore-filling brine, helped preserve cuttings saturation, improved measurement stability, and facilitated sample handling during excess surface-water removal. The modified CRIM model accounted for the dielectric contribution of the surrounding bulk fluid and produced dielectric-derived porosity estimates within approximately ±1 porosity unit of the available reference values for the investigated samples. The proposed workflow also produced smaller deviations than the conventional volumetric method for both simulated and real drilling cuttings. Evaluation using field samples showed promising consistency among dielectric-derived porosity, laboratory volumetric porosity, and logging-derived porosity despite variations in mineralogical composition, drilling-fluid systems, irregular particle geometry, and the investigated drilling-cutting size ranges. The results further indicated that mineralogical complexity could influence the most suitable dielectric interpretation frequency, with the 1–2 GHz interval providing improved agreement for the investigated heterogeneous Arab-D carbonate samples. The proposed methodology provides a practical, portable, rapid, and cost-effective approach for estimating porosity from drilling cuttings, particularly where conventional core analysis is limited or unavailable. The successful evaluation of the workflow using simulated and real drilling cuttings demonstrates its technical feasibility and establishes a basis for further laboratory validation and future wellsite assessment as a near-real-time formation evaluation tool, including in operations where conventional formation-evaluation methods are limited, such as Underbalanced Coiled Tubing Drilling (UBCTD).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Petroleum Petroleum > Reservoir Characterization Petroleum > Well Logging Petroleum > Rock and Fluid Properties
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering
Thesis Advisor:	Mohamed Mahmoud,
Thesis Committee Members:	Sulaiman Al-arifi, Amjed Mohamed,
Depositing User:	AHMED HASSAN
Date Deposited:	01 Jul 2026 07:34
Last Modified:	01 Jul 2026 07:34
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144627