Gil, Roddys (2026) Multiscale and Multifrequency Investigation of Elastic Behavior in Bioturbated Strata: the Aruma Formation, Saudi Arabia, As an Analog. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Roddys Gil.pdf Restricted to Repository staff only until 4 August 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الدراسة تحقيقاً شاملاً متعدد المقاييس والترددات للسلوك المرن للطبقات الكربوناتية المحفورة بيولوجياً في عضو خنيصر من تكوين عرعر، وسط المملكة العربية السعودية، مستخدمةً أنظمة حفر Thalassinoides المتضخمة المفتوحة والمملوءة نموذجاً تناظرياً. يدمج التحقيق بين الملاحظات الميدانية، والتحليل البتروغرافي، والتوصيف المعدني بتقنيتي XRD/XRF، والتصوير المقطعي، وقياسات المسامية، وعمليات استحواذ سرعة الموجة الضغطية التي تمتد من الترددات فوق الصوتية في المختبر إلى الترددات الزلزالية على نطاق الحقل، مدعومةً بنموذج فيزياء الصخور للوسط الفعّال التفاضلي (DEM). تكشف النتائج أن تغيرات السرعة عبر جميع مقاييس القياس تتحكم فيها أساساً عاملان: خصائص المصفوفة المضيفة، بما تشمله من معدنية ونوع المسام والصلابة المرنة، ووجود الكسور، إذ تُعدّ طبقات الحفرة المفتوحة أقل تكسراً بشكل ملحوظ مقارنةً بطبقات الحفرة المملوءة. ويُظهر نظاما الحفر تبايناً معدنياً جوهرياً: تتكون المصفوفة المضيفة للحفرة المفتوحة بالكامل من الكالسيت ذي النسيج الدقيق المحكم (سرعة Vp عند مقياس العينة اللبية: 5081–6200 م/ث، المسامية: 2.1–14.7%، متوسط EPAR: 0.21)، في حين تتكون المصفوفة المضيفة للحفرة المملوءة أساساً من الدولوميت مع معادن طين البالیغورسكيت وشبكة مسام بين البلورات متطورة (سرعة Vp عند مقياس العينة اللبية: 2516–3925 م/ث، المسامية: 13.4–22.7%، متوسط EPAR: 0.063). على مقياس العينة المكعبة، تهيمن على فترة الحفرة المفتوحة ظاهرة المسار السريع، إذ تتجاوز عينتان من أصل ثلاث منحنى EPAR = 1 وتحافظان على متوسط سرعة Vp يبلغ 5660 م/ث مماثل لمقياس العينة اللبية، في حين تُظهر عينات الحفرة المملوءة متوسط سرعة Vp أقل بشكل ملحوظ يبلغ 2617 م/ث، يتراجع أكثر بسبب وجود الكسور. وعلى المقياس الزلزالي، تُسجل فترة الحفرة المفتوحة متوسط سرعة Vp يبلغ 4379 م/ث، في تباين حاد مع 1578 م/ث لفترة الحفرة المملوءة، مما يؤكد أن الكسور تصبح العامل المسيطر على السلوك المرن عند هذا المقياس. نجح نموذج DEM في إعادة إنتاج السلوك السرعي عبر جميع مقاييس القياس لكلا نظامي الحفر، حيث جاءت السرعات المصححة التي تأخذ بعين الاعتبار هندسة الحفرة وتأثيرات الكسور في تطابق وثيق مع القيم المقاسة. وتم تحديد قيمة EPAR = 0.1 بوصفها العتبة الفاصلة بين جودة المكمن الجيدة والرديئة. تُثبت الدراسة أن بيانات السونيك والزلزال يمكن أن تُميّز بفعالية بين نظامي الحفر استناداً إلى خصائصهما المتباينة من السرعة والمسامية والمعاوقة الصوتية، مما يوفر إطاراً متعدد المقاييس متيناً لتوصيف مكامن الكربونات المحفورة بيولوجياً.

English Abstract

This study presents a multiscale and multifrequency investigation of the elastic behavior of bioturbated carbonate strata in the Khanasir Member of the Aruma Formation, central Saudi Arabia, using enlarged open and filled Thalassinoides burrow systems as an analog. The investigation integrates field observations, petrographic analysis, XRD/XRF mineralogical characterization, CT-scan imaging, porosity measurements, and P-wave velocity acquisitions spanning ultrasonic laboratory to outcrop seismic frequencies, complemented by a Differential Effective Medium (DEM) rock physics model. Results reveal that velocity variations across all measurement scales are primarily controlled by two factors: host matrix properties, including mineralogy, pore type, and elastic stiffness, and the presence of fractures, with the open-burrow strata being significantly less fractured than the filled-burrow strata. The two burrow systems exhibit a fundamental mineralogical contrast: the open-burrow host matrix consists entirely of calcite with a tight microporous fabric (core plug Vp: 5081-6200 m/s, porosity: 2.1-14.7%, average EPAR: 0.21), while the filled-burrow host matrix is predominantly dolomite with associated palygorskite clay minerals and a well-developed intercrystalline pore network (core plug Vp: 2516-3925 m/s, porosity: 13.4-22.7%, average EPAR: 0.063). At the cubic sample scale, the open-burrow interval is dominated by the fast path effect, with two of three samples plotting above the EPAR = 1 curve and preserving an average Vp of 5660 m/s comparable to the core plug scale, while the filled-burrow samples exhibit a significantly lower average Vp of 2617 m/s, further reduced by the presence of fractures. At the seismic scale, the open-burrow interval yields an average Vp of 4379 m/s, contrasting sharply with 1578 m/s for the filled-burrow interval, confirming that fractures become the dominant control on elastic behavior at this scale. The DEM model successfully reproduced the velocity behavior across all measurement scales for both burrow systems, with corrected velocities accounting for burrow geometry and fracture effects in close agreement with measured values. An EPAR of 0.1 is identified as the threshold separating good from poor reservoir quality. The study demonstrates that sonic and seismic data can effectively differentiate between the two burrow systems based on their contrasting velocity, porosity, and acoustic impedance signatures, providing a robust multiscale framework for the characterization of bioturbated carbonate reservoirs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Thesis Advisor:	Ammar Elhusseiny,
Thesis Committee Members:	Sherif Mahmoud, Nabil Saraih,
Depositing User:	RODDYS GIL
Date Deposited:	05 Aug 2026 12:47
Last Modified:	05 Aug 2026 12:47
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144687