4.2 Formation parameters

1. 4.2 Formation parameters ในการแปลความหมายข้อมูลที่ได้จากการหยั่งธรณีในหลุมเจาะ สิ่งสำคัญที่ต้องเกี่ยวข้องมีอยู่ 2 ส่วนคือ ส่วนประกอบของหิน (constitutes of rock) ซึ่งได้แก่ เนื้อหิน (matrix) หินดินดาน (shale) ของไหล (fluids) และ ธรรมชาติของชั้นหิน (nature of formation) ซึ่งได้แก่ ความพรุน (porosity) สัมประสิทธิ์ความซึมได้ (permeabilty) ความต้านทานไฟฟ้า (resistivity)

2. 4.2.1 Matrix matrix หรือ เนื้อหิน ในที่นี้หมายถึงส่วนประกอบของหินที่เป็นของแข็ง ยกเว้นส่วนที่เป็นหินดินดานหรือชั้นดินเหนียว เนื้อหินจะประกอบไปด้วยแร่หลักชนิดต่างๆ (grains) และตัวเชื่อมประสาน (cements)

3. ชั้นหินที่เรียกว่า clean formation หมายถึงชั้นหินที่ไม่มีดินเหนียวหรือหินดินดานปะปนหรือแทรกสลับอยู่ ส่วนชั้นหินที่มีดินเหนียวหรือหินดินดานปะปนหรือแทรกสลับอยู่จะเรียกว่า shaly formation หรือ dirty formation

4. 4.2.2 Shale shale หรือ หินดินดาน เป็นหินตะกอนเนื้อละเอียดที่ประกอบด้วยตะกอนขนาดดินเหนียว (clay) และ ขนาดทรายแป้ง (silt) เกิดการสะสมตัวเมื่อกระแสน้ำที่พัดพาเอาตะกอนเหล่านี้มา มีความเร็วลดลง ชั้นหินดินดานเป็นชั้นหินที่มีค่าความพรุนสูงแต่ให้ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ต่ำ

5. ตะกอนขนาดดินเหนียว ซึ่งมักประกอบด้วยแร่ดิน (clay minerals) เป็นส่วนประกอบสำคัญในหินตะกอน แร่ดินมีหลายชนิด ตัวอย่างที่สำคัญของแร่ดิน ได้แก่ montmorillonite, illite, chlorite, kaolinite แร่ดินมีขนาดเล็กมาก อัตราส่วนของพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงมาก จึงมีความสามารถในการดึงน้ำให้เข้ามาอยู่ในโครงสร้างของแร่ได้มาก น้ำส่วนนี้ไม่สามารถไหลออกมาได้ แต่จะมีผลอย่างมากกับการหยั่งธรณีในหลุมเจาะ

7. 4.2.3 Fluid ช่องว่างที่เกิดขึ้นระหว่างเม็ดตะกอนในชั้นหินจะถูกบรรจุด้วยของไหล ซึ่งอาจเป็น น้ำ อากาศ ก๊าซ น้ำมัน ปริมาณของของไหลเหล่านี้จะขึ้นกับปริมาณช่องว่างที่เกิดขึ้นในหินที่เรียกว่าความพรุน ของไหลที่อยู่ในช่องว่างเหล่านี้ ยกเว้นน้ำแล้ว มีสมบัติที่เหมือนกันอย่างหนึ่งคือ เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี ในขณะที่น้ำซึ่งมักละลายเอาแร่ธาตุต่างๆไว้ จะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี

8. ดังนั้นความสามารถในการนำไฟฟ้าของชั้นหินใดๆ จึงขึ้นอยู่กับปริมาณน้ำที่อยู่ในช่องว่างของชั้นหิน ปริมาณของน้ำเป็นสัดส่วนกับความพรุนของชั้นหิน ดังนั้นจึงอาจอธิบายได้ถึงความสำคัญในการศึกษาค่าความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินว่า สามารถใช้ในการบอกถึงปริมาณของน้ำที่อยู่ในชั้นหินได้

9. สัดส่วนของปริมาณน้ำที่อยู่ในช่องว่างเปรียบเทียบกับช่องว่างทั้งหมดในชั้นหิน เรียกค่านี้ว่า ค่าการอิ่มตัวของน้ำ (water saturation, Sw)ในทำนองเดียวกัน ถ้าพิจารณาปริมาณก๊าซหรือน้ำมันที่อยู่ในช่องว่างเปรียบเทียบกับช่องว่างทั้งหมดในชั้นหินเรียกค่านี้ว่า ค่าการอิ่มตัวของไฮโดรคาร์บอน (hydrocarbon saturation, Sh)

10. ถ้ากำหนดว่า ในขณะเริ่มแรกช่องว่างทั้งหมดในชั้นหินมีน้ำบรรจุอยู่ ต่อมาสารไฮโดรคาร์บอนเข้ามาแทนที่น้ำ พบว่าสารไฮโดรคาร์บอนไม่สามารถแทนที่น้ำทั้งหมดได้ ซึ่งเนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างเม็ดตะกอนกับโมเลกุลของน้ำที่อยู่รอบเม็ดตะกอนซึ่งมีค่าสูง ส่วนของน้ำที่คงค้างอยู่ในช่องว่างที่สารไฮโดรคาร์บอนไม่สามารถแทนที่ได้นั้น เรียกสัดส่วนของน้ำในส่วนนี้เปรียบเทียบกับช่องว่างทั้งหมดในชั้นหินว่า ค่าการอิ่มตัวของน้ำคงค้าง (irreducible water saturation, Swi) ซึ่งอาจมีค่าประมาณ 0.05

11. ในชั้นหินที่ประกอบด้วยเม็ดตะกอนขนาดใหญ่ซึ่งมีพื้นที่ผิวน้อย หรืออาจสูงถึง 0.4 ในชั้นหินที่ประกอบด้วยเม็ดตะกอนขนาดเล็กซึ่งมีพื้นที่ผิวมาก น้ำคงค้างนี้จะไม่สามารถไหลออกจากชั้นหินได้ ปริมาณทั้งหมดของสารไฮโดรคาร์บอนในชั้นหินมีค่าเท่ากับ Shหรือ (1-Sw) ซึ่งเป็นค่าที่สำคัญที่ต้องการหา ซึ่งเป็นวัตถุประสงค์ส่วนหนึ่งของการหยั่งธรณีในหลุมเจาะ ค่านี้อาจมีค่าตั้งแต่ 0 จนกระทั่งถึง (1-Swi)้

12. 4.2.4 Porosity and permeabilty ความพรุน (porosity) เป็นส่วนของช่องว่างทั้งหมดในชั้นหินที่ไม่ถูกแทนที่ด้วยของแข็งและอาจมีของเหลวบรรจุอยู่ ความพรุนในชั้นหินตะกอนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น รูปร่าง ขนาด การเรียงตัว การคัดขนาด ของเม็ดตะกอน

13. ในกรณีของชั้นหินที่ยังไม่แข็งตัว ความพรุนขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของขนาดของเม็ดตะกอน ซึ่งอยู่ในช่วงระหว่าง 0.35 ถึง 0.4 เมื่อเม็ดตะกอนมีขนาดใกล้เคียงกัน หรือประมาณ 0.25 เมื่อมีเม็ดตะกอนขนาดเล็กอยู่ในช่องว่างระหว่างเม็ดตะกอนขนาดใหญ่ ค่าความพรุนอาจลดต่ำลงได้อีกถ้าเม็ดตะกอนเหล่านี้ถูกเชื่อมประสานด้วยสารเชื่อมประสาน ซึ่งอาจได้แก่ สารซิลิกาหรือคาร์บอเนต ทำให้ตะกอนเหล่านี้แข็งตัวกลายเป็นหิน โดยที่ค่าความพรุนอาจใกล้เคียงศูนย์

14. หากกำหนดให้เม็ดตะกอนเป็นทรงกลม มีเส้นผ่าศูนย์กลางเท่ากับ d มีการเรียงตัวเป็นทรงสี่เหลี่ยมลูกบาศก์ ความพรุนสามารถคำนวณได้ดังนี้ กำหนดให้ ลูกบาศก์หนึ่งมีปริมาตรเท่ากับ (nd)3 หน่วย แต่ละด้านมีทรงกลมที่มีปริมาตรเท่ากับ n3 หน่วย บรรจุอยู่ ปริมาตรของทรงกลมเท่ากับ (4/3)(d/2)3 ดังนั้นปริมาตรที่ถูกแทนที่ด้วย n3 เท่ากับ (4/3)(nd/2)3 ดังนั้น ความพรุน () มีค่าเท่ากับ

15. จากสมการแสดงให้เห็นว่า ความพรุนที่มากที่สุดที่จะเป็นไปได้ เมื่อทรงกลมที่มีขนาดเท่ากับมาเรียงตัวกันเป็นทรงลูกบาศก์ มีค่าเท่ากับ 47.64% แต่เนื่องจากการเรียงตัวของเม็ดตะกอนเป็นรูปทรงลูกบาศก์ในธรรมชาตินั้นเป็นวิธีการที่ไม่มีความเสถียรภาพเมื่อเปรียบเทียบกับการเรียงตัวแบบรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน แต่เมื่อเม็ดตะกอนเรียงตัวแบบรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ความพรุนจะมีค่าลดลงเหลือประมาณ 25.95%

19. นอกจากกลไกการเรียงตัวของเม็ดตะกอนซึ่งมีผลต่อค่าความพรุนแล้ว การอัดตัวของเม็ดตะกอนอันเนื่องจากความกดดันในที่ลึกเป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่จะไปลดค่าความพรุน ซึ่งเป็นไปตามสมการ เมื่อ  = ค่าคงที่การอัดตัว 0 = ค่าความพรุนที่ผิวดิน

20. ความพรุนแบ่งออกได้เป็นหลายชนิด ได้แก่ 1.Total porosity, t, เป็นช่องว่างทั้งหมดที่เกิดขึ้นระหว่างของแข็ง สามารถคำนวณจาก เมื่อ Vp = ปริมาตรของช่องว่างทั้งหมด Vs = ปริมาตรของของแข็ง Vt = ปริมาตรของหินทั้งหมด

21. 2.Interconnected porosity, connect, เป็นความพรุนที่นับเฉพาะช่องว่างที่เชื่อมต่อกัน ซึ่งมักมีค่าน้อยกว่าความพรุนรวม 3.Potential porosity, pot, เป็นส่วนของ interconnected porosity ซึ่งจะต้องมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของช่องต่อเชื่อมกว้างพอที่จะให้ของไหลสามารถไหลได้ (มากกว่า 50 m สำหรับน้ำมันและ 5 m สำหรับก๊าซ)

22. 4.Effective porosity, eff, เป็นส่วนของช่องว่างที่เกี่ยวข้องกับของไหลที่ไหลได้อย่างอิสระ (free fluids) ไม่นับช่องว่างส่วนที่เป็น non-connected porosity และช่องว่างที่ถูกแทนที่ด้วยน้ำในช่องว่างหรือรอบๆ ของแร่ดิน

23. สัมประสิทธิ์ความซึมได้ (permeability, k) เป็นการวัดความสามารถของชั้นหินที่ยอมให้ของเหลวสามารถไหลผ่านได้ภายใต้ความแตกต่างของความดัน มีหน่วยเป็น millidarcies (md) ซึ่งอาจมีค่าสูงถึง 1000 md หรืออาจมีค่าเพียง 1.0 md สำหรับชั้นหินที่ให้ผลผลิตต่ำมาก

24. สัมประสิทธิ์ความซึมได้จะมีค่าขึ้นอยู่กับขนาดของเม็ดตะกอน ถ้าเม็ดตะกอนมีขนาดใหญ่ช่องว่างระหว่างเม็ดตะกอนก็จะมีขนาดใหญ่ด้วย ทำให้ของเหลวสามารถไหลผ่านได้สะดวก ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ก็จะมีค่าสูง ในทางตรงข้าม ถ้าเม็ดตะกอนมีขนาดเล็กก็จะมีช่องว่างระหว่างเม็ดตะกอนเล็กด้วย ทำให้ของเหลวไหลผ่านได้ยาก ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ก็จะมีค่าต่ำด้วย

25. กำหนดให้การไหลของของเหลวผ่านช่องว่างในชั้นหินเป็นแบบ laminar อาศัยกฏของ Darcy สามารถนำมาใช้ในการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้จากสมการ เมื่อ q = อัตราการไหล, cm3/s  = ความหนืด, centipoise L = ระยะทางที่ของเหลวไหลผ่าน, cm P = ความแตกต่างของความดัน, atm A = พื้นที่หน้าตัดที่ของเหลวไหลผ่าน, cm2.

26. ความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้และความพรุนขึ้นอยู่กับชนิดของหิน โดยทั่วไป log ของค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้มีความสัมพันธ์เชิงเส้นกับค่าความพรุนสำหรับหินแต่ละชนิด อย่างไรก็ดีความสัมพันธ์ที่แท้จริงจะหาได้จากการวัดค่าโดยตรงจากตัวอย่าง จากการทดลองได้มีความพยายามที่จะหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้และความพรุน

27. สมการของ Kozeny เป็นสมการหนึ่งที่แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ ระหว่างค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้กับค่าความพรุนดังนี้

28. ในบางกรณี สัมประสิทธิ์ความซึมได้ในชั้นหินในแต่ละทิศทางมีค่าไม่เท่ากัน เนื่องจากการสะสมตัวของตะกอนที่มีการเรียงตัวของเม็ดตะกอนให้แกนยาวของเม็ดตะกอนวางตัวขนานกัน ทำให้ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ในทิศทางนี้มีค่าสูงกว่าในทิศทางอื่น หรือในกรณีที่ชั้นหินมีรอยแตก ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้จะมีค่าสูงในทิศทางการวางตัวของรอยแตก

29. ในชั้นหินซึ่งช่องว่างทั้งหมดบรรจุของเหลวเพียงชนิดเดียว ของเหลวซึ่งไหลอยู่ในชั้นหินเป็นไปตามกฎของ Darcy แต่เมื่อมีของเหลวตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปอยู่ในช่องว่างของชั้นหิน ความสามารถในการเคลื่อนที่ของของเหลวทั้ง 2 ชนิดแตกต่างกัน สัมประสิทธิ์ความซึมได้ที่แท้จริง(effective permeability) เป็นค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ของชั้นหินสำหรับของเหลวแต่ละชนิดในสภาพค่าความอิ่มตัวของของเหลวนั้น

30. ถ้ากำหนดให้ชั้นหินอยู่ภายใต้ความกดดัน มีน้ำและน้ำมันอยู่ในช่องว่างของชั้นหิน ค่าสัมประสิทธิ์ความซึมได้ที่แท้จริงของน้ำมัน (ko) และน้ำ (kw) คำนวณได้จากสมการ และ

31. อัตราการไหลรวม, qt (= qo + qw), มักพบว่ามีค่าน้อยกว่าอัตราการไหลของน้ำหรืออัตราการไหลของน้ำมัน เมื่อน้ำหรือน้ำมันมีค่าความอิ่มตัวเป็น 100% จึงเห็นได้ว่าเมื่อมีของเหลวตั้งแต่ 2 ชนิดอยู่ในชั้นหิน จะเกิดการรบกวนความสามารถในการไหลของของเหลวซึ่งกันและกัน

32. สัมประสิทธิ์ความซึมได้สัมพัทธ์ (relative permeability, kr) เป็นอัตราส่วนระหว่างสัมประสิทธิ์ความซึมได้ที่แท้จริงของของเหลวแต่ละชนิดกับสัมประสิทธิ์ความซึมได้สัมบูรณ์ สัมประสิทธิ์ความซึมได้สัมพัทธ์ของน้ำมัน (kro) และน้ำ (krw) คำนวณได้จากสมการ และ

33. 4.2.5 Resisitivity and conductivity ความต้านทานไฟฟ้า (resistivity) ของวัตถุใดๆ เป็นการวัดค่าการต่อต้านการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านวัตถุนั้นๆ มีหน่วยเป็น ohm.m ความนำไฟฟ้า (conductivity) ของวัตถุใดๆ เป็นการวัดความสามารถในการยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านวัตถุนั้นๆ หรือความสามารถในการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นส่วนกลับกับความต้านทานไฟฟ้า มีหน่วยเป็น mho/m

34. ความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินนั้น เกิดขึ้นเนื่องจากแร่ส่วนใหญ่ที่ประกอบขึ้นเป็นชั้นหินเป็นพวกที่ไม่นำไฟฟ้าหรือเป็นฉนวนทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านไปได้ยาก แต่อย่างไรก็ดี ในชั้นหินนอกจากจะประกอบด้วยแร่แล้ว ยังมีช่องว่างระหว่างเม็ดแร่หรือเม็ดตะกอน ซึ่งช่องว่างเหล่านี้อาจมีน้ำ (formation water) น้ำมัน หรือ ก๊าซ บรรจุอยู่

35. ในส่วนที่มีน้ำมันหรือก๊าซบรรจุอยู่นั้น เนื่องจากทั้งน้ำมันและก๊าซไม่นำไฟฟ้าด้วยเช่นกัน ทำให้ชั้นหินที่กักเก็บน้ำมันและก๊าซมีค่าความต้านทานไฟฟ้าสูงด้วย ส่วนในกรณีที่มีน้ำบรรจุอยู่ เนื่องจากน้ำมักจะละลายเอาสารละลายต่างๆไว้ ทำให้ชั้นหินที่อิ่มตัวด้วยน้ำมีค่าความต้านทานไฟฟ้าลดลงได้

36. ความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินขึ้นอยู่กับความต้านทานไฟฟ้าของชั้นหินขึ้นอยู่กับ 1. ความต้านทานไฟฟ้าของน้ำในช่องว่าง จะขึ้นอยู่กับธรรมชาติและปริมาณของสารที่ละลายอยู่ในน้ำ 2. ปริมาณของน้ำที่มีอยู่ 3. ชนิดของหิน ธรรมชาติและปริมาณของแร่ดินและแร่ที่นำไฟฟ้า 4. เนื้อหิน การกระจายตัวของช่องว่าง การกระจายตัวของแร่ดินและแร่ที่นำไฟฟ้า 5. อุณหภูมิ

37. 4.2.6 Relationship between resistivity and salinity เนื่องจากความต้านทานไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นและชนิดของสารละลายในน้ำ ความต้านทานไฟฟ้าจะมีค่าลดลงเมื่อความเข้มข้นของสารมีค่าเพิ่มขึ้น ความเค็ม (salinity) เป็นการวัดค่าความเข้มข้นของสารละลาย มีหน่วยเป็น ppm หรือ g/l

38. 4.2.7 Relationship between resistivity and temperature ความต้านทานไฟฟ้าของสารละลายลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น สมการที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างใช้ค่าความต้านทานไฟฟ้าและอุณหภูมิ in OF in OC

39. เมื่อ RwT1= ค่าความต้านทานไฟฟ้าของสารละลายในชั้นหินที่อุณหภูมิ T1 RwT2= ค่าความต้านทานไฟฟ้าของสารละลายในชั้นหินที่อุณหภูมิ T2

40. 4.2.8 Logging techniques การหยั่งธรณีหลุมเจาะ เพื่อวัดค่าสมบัติต่างๆของชั้นหินในหลุมเจาะนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะคือ การวัดค่าที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ (natural phenomena) และ การวัดค่าที่ได้จากการเหนี่ยวนำ (induced phenomena)

41. การวัดค่าที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ทำได้โดยการหย่อนเครื่องมือที่เหมาะสมลงไปในหลุมเจาะเพื่อวัดค่าเหล่านั้น ค่าที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติได้แก่ 1. Natural gamma radioactivity 2. Spontaneous potential 3. Formation temperature 4. Borehole diameter 5. Inclination of borehole

42. การวัดค่าที่ได้จากการเหนี่ยวนำ ต้องอาศัยเครื่องมือที่จะสร้างพลังงานขึ้นมาเหนี่ยวนำหรือกระตุ้นให้ชั้นหินเกิดการตอบสนองและทำการวัดค่าตอบสนองที่จากชั้นหิน ค่าที่ได้จากการเหนี่ยวนำ ได้แก่ 1. Electrical measurement : - Resistivity or conductivity - Dielectric constant

43. 2. Nuclear measurement : - Density - Photo-electric absorption coefficient - Hydrogen index - Macroscopic thermal neutron capture cross-section - Elemental composition - Proton spin relaxation time

44. 3. Acoustic measurement : - Velocity of compressional wave - Transit time from surface to downhole - Amplitude of wave-train

45. ความเร็วในการหยั่งธรณีหลุมเจาะของเครื่องมือแต่ละชนิดไม่เท่ากันขึ้น แต่โดยทั่วไปหากพิจารณาว่า ทั้งค่าที่วัดได้จากธรรมชาติหรือค่าที่วัดได้จากการเหนี่ยวนำ จำเป็นต้องอาศัยช่วงเวลาระยะหนึ่งในการเก็บสะสมข้อมูลและคำนวณค่าเรียกช่วงเวลานี้ว่า ‘time constant’ ค่า time constant นี้ พิจารณาจาก ความสามารถในการเก็บข้อมูลของเครื่องมือ และความละเอียดที่ต้องการวัด โดยที่ความเร็วในการหยั่งธรณีหลุมเจาะประมาณ 1 ฟุต ต่อ 1 interval time constant