High-Resolution Ultrasonic Logging of Sandstones ____________________________________________________________________________________________________ Applications to Stratigraphy, Reservoir Characterization, and Dimension Stone Quality Evaluation (Hochauflösende Ultraschallmessungen in Sandsteinen – Anwendungen zu stratigraphischen Fragestellungen, Reservoircharakterisierung und Bausteinqualität) Der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. vorgelegt von Dipl. Geol. Claudio Miro Filomena aus Tübingen Als Dissertation genehmigt von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg Tag der mündlichen Prüfung: 05.06.2012 Vorsitzender der Promotionskommission: Prof. Dr. R. Fink Erstberichterstatter: Prof. Dr. Harald Stollhofen Zweitberichterstatter: Prof. Dr. Roman Koch für meine Oma Table of contents Table of contents Zusammenfassung (deutsch) 8 Sommario (italiano) 10 Abstract (english) 12 Chapter I Introduction 1.1 Thesis rationale 14 1.2 Thesis outline 16 1.3 Geological background and stratigraphic sections 17 Chapter II Methodology 2.1 High-resolution ultrasonic logging (HRS) 22 2.1.1 Equipment 22 2.1.2 Controls on ultrasonic velocity patterns 24 2.1.3 Transmitter-receiver test assembly 26 2.2 Porosity 27 2.3 Permeability 29 2.4 Petrographic analysis and mineralogical composition 31 2.5 Micro-computed tomography (µ-CT) 31 2.6 Compressive strength 35 2.7 E-modulus 35 Chapter III Application of Ultrasonic Measurements to Stratigraphy: Detection of Cryptic Unconformities Abstract 36 3.1 Introduction 37 3.1.1 Geological setting 37 3.1.2 Study area and study sites 38 5 3.2 Identification of unconformities 39 3.3 Methods 41 3.4 Outcrop and well core sections 43 3.4.1 Well core: Guggenberg B28 (Northern Bavaria, Germany) 43 3.4.2 Outcrop: Gambach quarry (Northern Bavaria, Germany) 47 3.4.3 Well core: Rockensußra 209/83 (Thuringia, Germany) 50 3.5 Visualization of sub-H-unconformity pore networks 53 3.5.1 3D pore volume reconstruction 53 3.5.2 MIP versus numerical µ-CT pore analysis 57 3.6 Discussion 58 3.6.1 Petrophysical properties 58 3.6.2 Diagenesis and tectonic implications 61 3.7 Conclusions 63 Chapter IV Application of High-Resolution Ultrasonic Logging to Clastic Reservoir Heterogeneity Abstract 64 4.1 Introduction 65 4.2 The Middle Solling Sandstone Member (MSSM) 67 4.2.1 Lithology and facies types 67 4.2.2 Facies successions 71 4.3 Methods 72 4.4 Middle Solling Sandstone Member reservoir heterogeneity 73 4.4.1 MSSM petrology and porosity 73 4.4.2 Wireline log pattern 76 4.4.3 HRS logging – porosity relationships 76 4.4.4 HRS logging-derived porosity proxies 78 4.5 Conclusions 80 6 Table of contents Chapter V Application of High-Resolution Ultrasonic Logging to Dimension Stone Quality Evaluation Abstract 82 5.1 Introduction 83 5.1.1 Dimension stone characteristics 83 5.1.2 Study site 85 5.2 Methods 86 5.3 Worzeldorf Sandstone characteristics 87 5.3.1 Lithology and facies 87 5.3.2 Composition 89 5.3.3 Diagenetic history outlined 90 5.3.4 Dimension sandstone qualities 93 5.4 Correlation between petrophysical parameters 96 5.4.1 Calculating E-moduli proxy values 96 5.4.2 Calculating compressive stength proxy values 97 5.4.3 Lateral tracing of dimension stone qualities 98 5.5 Conclusions 101 Chapter VI Synopsis 6.1 Résumé 102 6.2 Conclusions and Outlook 104 References 106 Table of figures 116 Danksagung 118 7 Zusammenfassung Die petrophysikalischen Eigenschaften von Sandsteinkörpern und deren Heterogenitäten sind wichtige Faktoren bei der Beurteilung von Kohlenwasserstofflagerstätten und geo- thermischen Reservoiren. Standardmäßig angewendete Messverfahren zur Bestimmung der Porosität (z.B. Quecksilber- oder Heliumporosimetrie an Bohrkernproben oder Bohrlochmessungen) sind häufig sehr zeitaufwändig, zerstörerisch, oder sie haben eine nur geringe örtliche Auflösung im Meter- bis Dezimetermaßstab. In dieser Arbeit wird die Anwendung zerstörungsfreier, hochauflösender Ultraschallmessungen (p-Wellen) an Bohrkernen und Aufschlusswänden siliziklastischer Abfolgen als Porositäts-Proxy im Zentimetermaßstab getestet. Zusätzlich werden die Ultraschallmessungen mit petro- graphischen Analysemethoden wie Polarisations- und Elektronenmikroskopie von Dünn- schliffen und Röntgendiffraktometrie kombiniert und mit direkter Messung von petro- physikalischen Größen (Porosität, Permeabilität und Druckfestigkeit) und mit Daten aus der 3D Mikrocomputertomographie und Bohrlochmessungen korreliert. Drei Anwendungsbeispiele von hochauflösenden Ultraschallmessungen werden behandelt: A) zur Identifizierung von Diskordanzen, B) zur Reservoircharakterisierung und C) zur Qualitätsbeurteilung von Naturbausteinen. A) In Sandsteinserien mit einheitlicher Korngröße sind Diskordanzen oftmals sehr schwer zu erkennen, da vor allem Oberflächenaufschlüsse nur begrenzt und über sehr kurze Strecken auftreten und typische Merkmale wie Paläoböden an der Grenzfläche fehlen können. Mittels hochauflösender Ultraschallmessung wurde die Hardegsen-Diskordanz des Mittleren Buntsandsteins (frühe Trias) an einem Aufschluss und zwei Bohrkern- abschnitten in Mittel- und Süddeutschland untersucht. Hierbei wurde festgestellt, dass Änderungen der Sandsteinzementation und -porosität über die Diskordanz hinweg durch einen erheblichen Sprung in der Ultraschalllaufzeit abgebildet werden. Die sich abrupt ändernden Laufzeitmerkmale der Hardegsen und Solling Formationen unter und über der Diskordanz trennen diese beiden Einheiten daher eindeutig voneinander. Der Einsatz von hochauflösenden Ultraschallmessungen kann somit dazu beitragen Diskordanzen zu lokalisieren, auch wenn kein Paläoboden ausgebildet ist. Geländegestützte Ultraschall- messungen stellen zudem eine nützliche Ergänzung zu herkömmlichen Aufschluss- 8 Loggingmethoden dar. Sie unterstützen die in-situ Bestimmung von Porositäts- bzw. Zementationsheterogenitäten in Sandsteinen und tragen zur Korrelation von Sequenz- grenzen zwischen Bohrungen und Aufschlussanalogen bei. B) Die frühtriassische Mittlere Solling Sandstein Folge vor der niederländischen Küste ist ein gasführendes Reservoir, das im Rahmen dieser Dissertation als Testobjekt für die Anwendung von hochauflösenden Ultraschallogs bei der Reservoircharakterisierung dient. Der untersuchte Profilabschnitt besteht fast ausschließlich aus schräggeschichteten bis massigen Quarzsandsteinen, die als äolische Dünen in einer trockenen Sandebene abgelagert wurden und unterschiedlich starke Salzzementation aufweisen. Porositäten aus Plug-Kernproben und gemessene Ultraschalllaufzeiten zeigen eine gute lineare Korrelation zueinander, mit einem R² von 0.86 in massigen äolischen Sandsteinen mittlerer bis hoher Zementationsgrade. Mittels Ultraschallmessungen im Zentimetermaßstab können stark zementierte und hochporöse Bereiche innerhalb der Mittleren Solling Sandstein Folge verlässlich und hoch ortsauflösend dokumentiert und eindeutig voneinander unterschieden werden. Die Methode liefert wichtige zusätzliche Daten zur Reservoirheterogenität in ansonsten homogen erscheinenden Sandsteinserien. C) Der Worzeldorfer Sandstein aus der späten Trias (Mittlerer Keuper), ein im Raum Nürnberg häufig verwendeter Naturbaustein, wurde für eine weitere Versuchsreihe für die Anwendung von hochauflösenden Ultraschallmessungen in der Qualitätsbewertung von Bausteinen getestet. Als Ergebnis werden hierbei zwei Qualitätsendglieder unterschieden: 1) Qualitativ hochwertige Sandsteine, die vor allem durch eine hohe Korndichte, ausge- prägte Quarzzementation und niedrige Tongehalte charakterisiert sind und bei Ultraschall- geschwindigkeiten von > 3.6 km/s eine hohe Druckfestigkeit von mehr als 50 MPa (bis zu 104 MPa) aufweisen. 2) Sandsteine geringer Qualität, die Druckfestigkeiten von weniger als 20 MPa besitzen und durch Ultraschallgeschwindigkeiten < 2.73 km/s, hohe Porosität, schlechte Zementation und niedrige Packungsdichte mit häufig losem Kornverband gekennzeichnet sind. Zwischen diesen beiden Endgliedern wurden Sandsteine aller Druckfestigkeiten untersucht. Wurden die Ultraschallgeschwindigkeiten einmal für eine bestimmte Lithologie und Korngröße an Messwerten der uniaxialen Druckfestigkeit kalibriert, stellen hochauflösende Ultraschallmessungen eine zeitsparende, zerstörungs- freie und hoch ortsauflösende Messmethode dar, die reproduzierbare quantitative Proxy- daten zu Gesteinsfestigkeiten potentieller Abbaubereiche liefert. 9 Sommario Le proprietà petrofisiche e la eterogenità delle arenarie sono importanti fattori per la caratterizzazione di un reservoir petrolifero o geotermico. Molto spesso, i consueti metodi di rilevamento per la determinazione della porosità del pietrame (l’intrusione di mercurio e la porosimetria di elio eseguita su campioni di carote, o le misure in pozzo) richiedono molto tempo, sono distruttivi, e hanno una risoluzione limitata alla scala metrica o decimetrica. La presente tesi di dottorato utilizza misure di ultrasonica (onde p) ad alta risoluzione per effettuare un’ analisi non-distruttiva sulla porosità di rocce silicoclastiche in affioramento e carota. Le misure di ultrasonica sono integrate con analisi petrografiche su sezioni sottili usando diffrattometro ai raggi x e microscopio elettronico. Inoltre le misure petrofisiche (porosità, permeabilità e resistenza alla pressione), i dati provenienti da tomografia assiale computerizzata e le misure in pozzo sono correlati con le velocità di ultrasonica. Ci sono applicati tre studi di caso