The distribution of movable fluid and its coupling influencing factors in ultra-low permeability sandstone reservoirs: a case study of Chang 6 member, Wuqi area, Ordos Basin

Stel je de aardkorst voor als een gigantische, eeuwenoude spons gemaakt van gesteente. Decennialang proberen wetenschappers olie uit deze spons te knijpen. Maar niet alle sponsjes zijn gelijk. Sommige zijn als een keukenspons met grote, open gaten waar water (of olie) vrij doorheen stroomt. Anderen zijn als een dichte baksteen of een zeer nauwe spons waarbij de gaatjes microscopisch klein zijn en de vloeistof vastzit, gevangen door minuscule krachten die werken als een soort onzichtbare lijm. Dit is de wereld van "ultra-lage permeabiliteit" reservoirs. In deze dichte gesteenten zit de olie niet zomaar stil; het is een touwtrekwedstrijd tussen de minuscule poriën van het gesteente en de vloeistof die probeert te bewegen. De grote vraag voor energiebedrijven is: hoeveel van die olie is daadwerkelijk "verplaatsbaar"? Als de olie vastzit in poriën die te klein of te nauw zijn, is het nutteloos. Als het in gaatjes van de juiste grootte zit, kan het opgepompt worden om onze auto's aan te drijven en onze huizen te verwarmen. Het begrijpen van de grootte en vorm van deze microscopische gaatjes is de sleutel tot het ontsluiten van de energie die diep onder de grond gevangen zit.

Dit artikel duikt diep in een specifiek deel van deze ondergrondse wereld: de Chang 6-formatie in het Wuqi-gebied van het Ordos-bekken in China. Denk aan dit gebied als een specifieële, zeer dichte laag gesteente die olie vasthoudt, maar berucht moeilijk te draineren is. De onderzoekers, onder leiding van Hongli Zhong, wilden precies uitzoeken waar de "verplaatsbare" olie zich verbergt in deze piepkleine ruimtes en wat ervoor zorgt dat sommige gesteenten beter olie doorlaten dan andere. Ze gokten niet alleen maar; ze namen echte gesteentemonsters, vermaalden ze, bekeken ze onder krachtige microscopen en gebruikten zelfs een speciale machine die werkt als een hogedruk waterpistool om te zien hoe de poriën met elkaar verbonden zijn.

Dit is wat ze vonden, en het is een beetje alsof je een rommelige kamer sorteert in twee heel verschillende stapels.

Ten eerste ontdekten ze dat deze gesteenten een mix zijn. Ze bestaan voornamelijk uit kwarts en veldspaat (wat de belangrijkste bouwstenen van zand zijn), met wat gesteentefragmenten erdoorheen. Maar het echte verhaal zit in de gaatjes. De onderzoekers ontdekten dat de olie niet zomaar in één grote plas drijft; het is gevangen in een netwerk van poriën die variëren van de grootte van een zandkorrel tot de grootte van een virus. Ze maten de "verplaatsbare vloeistofverzadiging" — in feite het percentage olie dat daadwerkelijk kan bewegen — over hun monsters heen. De cijfers varieerden van 31,38% tot 62,67%. Dat is een enorm verschil! Sommige gesteenten hadden meer dan de helft van hun olie klaar voor transport, terwijl andere nauwelijks een derde hadden.

Het team realiseerde zich dat ze al hun gesteentemonsters konden verdelen in twee duidelijke teams: Type I en Type II.

Type I monsters zijn de "gelukkige" gesteenten. Deze zijn meestal te vinden in het midden of de bovenkant van dikke zandlagen, zoals de hoofdweg van de oude rivier die het zand heeft afgezet. Deze gesteenten hebben een hoger gehalte aan veldspaat en, cruciaal, meer "opgeloste poriën". Stel je een blok Zwitserse kaas voor waarbij de gaten door zuur zijn weggegeten, waardoor ze groter en meer verbonden zijn. In deze gesteenten zijn de gaatjes groter, vaak in het "micron"-bereik (één-miljoenste van een meter). Omdat de gaatjes groter en beter verbonden zijn, kan de olie gemakkelijker bewegen. Deze monsters hadden de hoogste verplaatsbare vloeistofverzadiging, met een gemiddelde van rond de 54,86%.

Type II monsters zijn de "strakke" gesteenten. Deze bevinden zich in dunnere lagen of aan de onderkant van de zandlichamen, vaak vermengd met meer modder. Deze gesteenten hebben meer piepkleine, nano-grootte poriën en zeer nauwe verbindingen. Het is alsof je water door een dichte spons probeert te duwen in plaats van door een gaasnet. De olie zit hier vast in de kleine nisjes en kieren. Deze monsters hadden een veel lagere verplaatsbare vloeistofverzadiging, met een gemiddelde van rond de 41,59%.

Een van de meest interessante ontdekkingen ging over de grootte van de gaatjes. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid olie die kan bewegen sterk gekoppeld is aan de aanwezigheid van "micron-grootte" poriën (gaatjes tussen 0,3μm en 3μm). Als een gesteente een goed netwerk van deze middelgrote gaatjes heeft, stroomt de olie. Als het alleen maar piepkleine nano-gaatjes heeft, blijft de olie zitten. Dit is een belangrijk verschil tussen deze "ultra-lage permeabiliteit" gesteenten en zelfs nog dichtere "tight sandstone" gesteenten. In de dichtste gesteenten wordt de olie in de allerkleinste nano-gaatjes gedwongen, wat het erg moeilijk maakt om eruit te komen. Maar in de Chang 6-gesteenten die hier werden bestudeerd, maakt de aanwezigheid van die iets grotere micron-gaatjes een enorm verschil.

Het artikel keek ook naar hoe het gesteente werd gevormd en in de loop van de tijd veranderde. Ze ontdekten dat de gesteenten een proces van "compactie" (verdichting) hebben ondergaan, waarbij het gewicht van de aarde erboven de poriën dichtdrukte, waardoor de oorspronkelijke ruimte met 65% tot 85% afnam. Daarna verminderde "cementatie" (mineralen die de korrels aan elkaar lijmen) de ruimte met nog eens 15% tot 35%. Ondanks al dit samendrukken, slaagden de Type I-gesteenten erin om hun grotere poriën open te houden, waarschijnlijk omdat het veldspaat in hen in de loop van de tijd oploste, waardoor er nieuwe, grotere ruimtes ontstonden waar de olie zich kon verschuilen.

Dus, wat is de kern van het verhaal? De onderzoekers suggereren dat om de "sweet spots" te vinden waar olie daadwerkelijk uit deze dichte gesteenten opgepompt kan worden, je moet zoeken naar de gesteenten met de best ontwikkelde micron-grootte poriën. Het gaat niet alleen om hoeveel olie er is; het gaat erom of de olie een weg heeft om te reizen. Als de weg te smal is (nano-schaal), zit de olie vast. Als de weg breed genoeg is (micron-schaal), kan de olie bewegen. Deze studie laat zien dat zelfs in zeer dichte gesteenten het verschil tussen een gesteente dat olie produceert en een gesteente dat dat niet doet, vaak voortkomt uit de grootte van de microscopische gaatjes en hoe goed deze met elkaar verbonden zijn.