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CSPG Bulletin

Abstract


Bulletin of Canadian Petroleum Geology
Vol. 36 (1988), No. 4. (December), Pages 362-378

Exploration for Reservoir Quality Rock Bodies by Mapping and Simulation of Potentiometric Surface Anomalies

J. Toth, K. Rakhit

ABSTRACT

The purpose of the present study was to test the proposition that perturbations in field-mapped potentiometric surfaces can be useful in exploration for reservoir-quality subsurface rock-bodies. If the proposition were supported, an exploration procedure that could be standardized was to be formulated.

Numerical modelling has confirmed that, placed in a uniform field of fluid flow and a poorly permeable homogeneous matrix, an elliptical rock body of high permeability gives rise to a pair of co-ordered negative and positive potentiometric anomalies centred on its upstream and downstream extremities, respectively. The magnitude of the anomalies is directly proportional to the lens' dimensions in the flow direction, the ratio of lens-to-matrix permeability, lens sphericity and the regional hydraulic gradient. Maximum possible anomalies are reached at a lens-to-matrix permeability ratio of approximately 1000, but the magnitude of an anomaly is limited also to the difference in the undisturbed potential values between the centre and one end of the lens. Anisotropy in lens permeability affects the shape of the anomaly. Potentiometric perturbations due to two or more proximate lenses may coalesce, thereby masking the contributions from individual lenses.

Based on the theoretical conclusions, two case studies were conducted. Owing to essentially identical methods and results, however, only one, the Keho Lake study, is presented here. The geological unit chosen for study was the Bow Island Formation in southern Alberta, Canada, because of its lenticular structure, petroleum occurrences, confined lateral fluid flow, steep regional hydraulic gradients and good database. The study was executed in three main phases: 1. qualitative assessment and selection of target potentiometric anomalies; 2. geological evaluation of chosen anomaly sites; and 3. verification and refinement of predictions by numerical stimulation. In Phase 1, potentiometric perturbations theoretically attributable to highly permeable rock pods were selected by visual inspection from a small-scale, regional potentiometric map. Subsequently, a large-scale, local potentiometric map was prepared for the chosen area and six anomaly sites identified in a similar manner. In Phase 2, four definite and two tentative centra of increased rock permeabilities were found by conventional subsurface geological studies, core analyses and drill-stem test interpretation. Phase 3 involved a series of gradually improving numerical stimulations of the potentiometric surface by judiciously modifying the permeability distributions. An acceptable match was ultimately achieved between the observed and modelled potentiometric surfaces, confirming that rock lenses are the cause of the potentiometric perturbations, and that the spatial arrangement of the lenses can be approximated by field-data based inverse modelling. The method's potential suitability for petroleum exploration was underscored by the final observation; namely, that commercial accumulations of hydrocarbons are found at four of the originally identified six anomaly sites, water at one, and the sixth site could not be evaluated since it is still unexplored.

L'EXPLORATION POUR DES ROCHES A QUALITE DE RESERVOIR PAR LA CARTOGRAPHIE ET LA SIMULATION DES ANOMALIES DE SURFACE D'EQUIPOTENTIEL

RESUME

Le but de la presente etude est d'examiner la proposition selon laquelle des perturbations dans des surfaces d'equipotentiel delimitees sur le terrain pourraient etre utiles dans l'exploration des roches a qualite de reservoir dans la subsurface. Si la proposition est verifiee, une methode d'exploration normale pourrait etre etablie et formulee.

Des modeles numeriques ont confirme que, place dans un champ uniforme de debit fluide et une matrice homogene a faible permeabilite, une masse rocheuse eliptique a permeabilite elevee donne lieu a une paire co-ordonnee d'anomalies de potentiel negative et positive centrees sur son extremite amont et aval, respectivement. La grandeur des anomalies est directement proportionnelle aux dimensions de la masse lenticulaire dans la direction du debit, au rapport entre la permeabilite de la masse lenticulaire et celle de la matrice, a la sphericite de la lentille, et au gradient hydraulique regional. Les anomalies maximales possibles sont produites lorsque le rapport de permeabilite lentille-matrice atteint approximativement 1000, mais la magnitude d'une anomalie est aussi limitee a la difference dans les valeurs de potentiel non derangees entre le centre et une des extremites de la lentille. L'anisotropie de la permeabilite des lentilles a un effet sur la forme de l'anomalie. Les derangements du potentiel dus a la proximite de deux lentilles ou plus peuvent se fondre, masquant ainsi l'apport individuel des lentilles.

Base sur les conclusions theoriques, deux etudes de cas ont ete entreprises. A cause des methodes et des resultats pratiquement indentiques par contre, seulement une etude, Keho Lake, est ici presentee. L'entite geologique choisie fut la formation Bow Island dans le sud de l'Alberta, Canada, a cause de sa structure lenticulaire, de l'existence de gites petroliers, du debit lateral de fluide limite, des gradients hydrauliques regionaux raides et d'une bonne base de donnees. L'etude fut menee en trois etapes principales: 1) Evaluation qualitative et selection des anomalies potentiometriques ciblees; 2) Evaluation geologique des sites des anomalies choisies; et 3) Verification et rafinement des predictions par simulation numerique. Pour l'etape 1, des derangements de potentiel attribuables en theorie a des poches de roche tres permeables furent choisis par inspection visuelle a partir d'une carte d'equipotentiel regionale a petite echelle. Ensuite, une carte d'equipotentiel locale a grande echelle fut preparee pour la region choisie et le site de six anomalies fut identifie de facon semblable. Pour l'etape 2, quatre centres certains de roche a permeabilite accrue et deux centres provisoires ont ete decouvert grace a des etudes geologiques de subsurface conventionelles, des analyses de carottes et l'interpretation d'essais aux tiges. L'etape 3 consistait en une serie de simulations numeriques de la surface d'equipotentiel, s'ameliorant graduellement par la modification judicieuse des repartitions de la permeabilite. Un assortiment acceptable a finalement ete obtenu entre les surfaces d'equipotentiel observees et modelees, confirmant ainsi que des lentilles rocheuses sont la cause des perturbations du potentiel, et que la disposition spatiale des lentilles peut etre definie de facon approximative par le modelage inverse base sur les donnees de terrain. L'application possible de cette methode a l'exploration petroliere a ete soulignee par l'observation finale, c'est-a-dire que des reserves d'hydrocarbures a valeur commerciale se trouvent dans de la roche a qualite de reservoir dans le site de quatre des six anomalies nommees au depart, qu'un des sites est compose de roches remplies d'eau, tandis que la valcur du sixieme site ne pouvait pas etre estimee vu qu'il est encore inexplore.

Traduit par Marc Charest

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