STRATIGRAPHIC RESERVOIR CHARACTERIZATION FOR PETROLEUM GEOLOGISTS, GEOPHYSICISTS, AND ENGINEERS HANDBOOKOFPETROLEUMEXPLORATIONANDPRODUCTION 6 SeriesEditor JOHNCUBITT Previousvolumesinthisseries: Volume1 OperationalAspectsofOilandGasWellTesting Volume2 StatisticsforPetroleumEngineersandGeoscientists Volume3 WellTestAnalysis Volume4 AGeneralizedApproachtoPrimaryHydrocarbonRecoveryof PetroleumExplorationandProduction Volume5 Deep-WaterProcessesandFaciesModels:Implicationsfor SandstonePetroleumReservoirs STRATIGRAPHIC RESERVOIR CHARACTERIZATION FOR PETROLEUM GEOLOGISTS, GEOPHYSICISTS, AND ENGINEERS HANDBOOKOFPETROLEUMEXPLORATIONANDPRODUCTION 6 Roger M. SLATT UniversityofOklahoma Norman,Oklahoma73019 U.S.A. Amsterdam • Boston • Heidelberg • London • New York • Oxford Paris • San Diego • San Francisco • Singapore • Sydney • Tokyo Elsevier Radarweg29,POBox211,1000AEAmsterdam,TheNetherlands TheBoulevard,LangfordLane,Kidlington,OxfordOX51GB,UK Firstedition2006 Copyright©2006ElsevierB.V.Allrightsreserved Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedinaretrievalsystem ortransmittedinanyformorbyanymeanselectronic,mechanical,photocopying, recordingorotherwisewithoutthepriorwrittenpermissionofthepublisher PermissionsmaybesoughtdirectlyfromElsevier’sScience&TechnologyRights DepartmentinOxford,UK:phone(+44)(0)1865843830;fax(+44)(0)1865853333; email:permissions@elsevier.com.Alternativelyyoucansubmityourrequestonlineby visitingtheElsevierwebsiteathttp://elsevier.com/locate/permissions,andselecting ObtainingpermissiontouseElseviermaterial Notice Noresponsibilityisassumedbythepublisherforanyinjuryand/ordamagetopersons orpropertyasamatterofproductsliability,negligenceorotherwise,orfromanyuse oroperationofanymethods,products,instructionsorideascontainedinthematerial herein.Becauseofrapidadvancesinthemedicalsciences,inparticular,independent verificationofdiagnosesanddrugdosagesshouldbemade LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData AcatalogrecordforthisbookisavailablefromtheLibraryofCongress BritishLibraryCataloguinginPublicationData AcataloguerecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary ISBN-13: 978-0-444-52818-6 978-0-444-52817-9(CDROM) ISBN-10: 0-444-52818-0 0-444-52817-2(CDROM) SeriesISSN 1567-8032 ForinformationonallElsevierpublications visitourwebsiteatbooks.elsevier.com PrintedandboundinTheNetherlands 06 07 08 09 10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 v Contents Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi 1. Basicprinciplesandapplicationsofreservoircharacterization. . . . . . . . 1 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Integratingexpertiseforreservoircharacterization . . . . . . . . . . . 1 1.3 Oilandgas:themainsourcesofglobalenergy . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.1 Resourcesandreserves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3.2 Predictingtheremainingresource . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.3 TheUSGeologicalSurveyassessment . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.4 Somesignificantcomparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.5 Energyconsumption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Theaddedvalueofreservoircharacterization . . . . . . . . . . . . . . 8 1.5 Compartmentalizationofoilandgasreservoirs . . . . . . . . . . . . . 13 1.5.1 Compartmentalization–Theexception,ortherule? . . . . . . 13 1.5.2 Thesignificanceofcompartmentalization. . . . . . . . . . . . 14 1.5.3 Thenatureofcompartmentalization . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.6 Depositionalenvironmentsandtypesofdeposits . . . . . . . . . . . . 17 1.6.1 Scalesandstylesofgeologicreservoirheterogeneity . . . . . 19 1.6.2 Hierarchicalscalesofgeologicheterogeneity(levels) . . . . . 20 1.7 Whenisreservoircharacterizationimportantinthelifecycleof afield? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7.1 Thelifecycleofafield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7.2 Applyingreservoircharacterization . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.8 Thevalueofcasestudies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2. Toolsandtechniquesforcharacterizingoilandgasreservoirs . . . . . . . . 31 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1.1 Staticanddynamicpropertiesofreservoirs . . . . . . . . . . . 31 2.2 Measuringpropertiesatdifferentscales . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.3 Computersandthecomputingenvironment . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4 Seismic-reflectionandsubsurfaceimaging . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.1 Two-dimensional(2D)seismic . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.4.2 Three-dimensional(3D)seismic . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.4.3 Four-dimensional(4D)seismic . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.4.4 Otherseismicimagingtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.4.5 Cross-wellseismicinvestigation . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 vi Stratigraphicreservoircharacterization 2.4.6 Multicomponentseismicinvestigation . . . . . . . . . . . . . 55 2.4.7 Somepitfallsinseismicanalysis. . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5 Drillingandsamplingawell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.5.1 Conventionallogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5.2 Unconventionallogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.5.2.1 Borehole-imagelogs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.5.2.2 Dipmeterlogs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.5.2.3 Nuclearmagneticresonance(NMR)logs. . . . . . . 80 2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3. Basicsedimentaryrockproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.2 Classificationandpropertiesofsedimentsandsedimentaryrocks . . . 85 3.2.1 Siliciclasticsedimentsandsedimentaryrocks . . . . . . . . . 86 3.2.1.1 Texture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.2.1.2 Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.1.3 Porosityandpermeability . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.2.1.4 Significancetoreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.2.2 Chemicalandbiogenicsedimentaryrocks . . . . . . . . . . . 101 3.3 Sedimentarystructuresandtheirsignificance . . . . . . . . . . . . . . 109 3.3.1 Physicalsedimentarystructures . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.3.1.1 Structuresformedbycurrentsandwaves . . . . . . . 110 3.3.1.2 Structuresformedbysedimentloading . . . . . . . . 118 3.3.1.3 Erosionalsedimentarystructures . . . . . . . . . . . 119 3.3.1.4 Sandstoneinjectites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3.3.2 Biogenicsedimentarystructures . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.3.2.1 Bodyfossils. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.3.2.2 Tracefossils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 3.3.3 Chemicalsedimentarystructures . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4. Geologictimeandstratigraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 4.2 NorthAmericangeologictimescale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 4.3 Determiningthetimeframeinwhicharockformed . . . . . . . . . . 136 4.3.1 Radiometricagedating(“theclocksinrocks”) . . . . . . . . . 137 4.3.2 Relativeage-dating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 4.4 Micropaleontologyandbiostratigraphyinreservoircharacterization . 143 4.4.1 High-resolutionbiostratigraphiczonation(biozones) . . . . . 143 4.4.2 High-resolutionwelllogandseismiccorrelationfrom biostratigraphy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.4.3 Determiningsedimentationratesfrombiostratigraphy . . . . . 149 4.4.4 Biostratigraphyandcondensedsections . . . . . . . . . . . . . 150 4.4.5 Biostratigraphyanddepositionalenvironments . . . . . . . . . 152 4.5 Walther’slawandthesuccessionofsedimentaryfacies . . . . . . . . 154 4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Contents vii 5. Geologiccontrolsonreservoirquality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.2 Examinationandmeasurementofporosityandpermeability . . . . . 159 5.2.1 Directobservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 5.2.2 Directmeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.3 Primarygrain-sizecontrolonreservoirquality . . . . . . . . . . . . . 168 5.4 Diagenesisandreservoirquality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.5 Low-unitcharacterizationforcorrelationandupscaling . . . . . . . . 177 5.5.1 Flowunitsthatcombinegeologicalandpetrophysical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 5.5.2 Gunteretal.’s(1997)methodofflow-unitcharacterization . . 180 5.5.3 Upscalingusingflowunits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.6 Capillarypressureanditsapplicationstoreservoircharacterization . . 188 5.6.1 Principlesofcapillarypressure . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 5.6.2 Routinelaboratorymeasurementofcapillarypressure . . . . . 191 5.6.3 RelationshipofP topore-throatsizeandsizedistribution . . 191 c 5.6.4 Relationships among porosity, permeability, pore-throat size, andP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 c 5.6.5 Relationsamongcapillarypressure,grain-sizedistribution,and watersaturation(S ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 w 5.6.6 Conversionofair–Hgcapillary-pressuremeasurementsto reservoirconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 5.6.7 Freewaterlevelandfluidsaturationsinareservoir . . . . . . 196 5.6.8 Capillarityandsealcapacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 5.6.9 Pore-throatsizeandcapillarypressurefromconventional core-analysisdata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 5.7 Seismicporositymeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 5.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 6. Fluvialdepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 6.2 Braidedfluvial(river)depositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . 205 6.2.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 6.2.2 Reservoirexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.2.2.1 Murdochfield,NorthSea . . . . . . . . . . . . . . . 210 6.2.2.2 RhoudeelBaguelfield,Algeria . . . . . . . . . . . . 211 6.2.2.3 PrudhoeBayfield,Alaska . . . . . . . . . . . . . . . 216 6.3 Meandering-riverdepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . 222 6.3.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 6.3.2 Reservoirexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.3.2.1 Rulisonfield,Colorado . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6.3.2.2 Strattonfield,Texas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 6.4 Incised-valley-filldepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.4.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 6.4.2 Reservoirexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 6.4.2.1 SoonerUnit,Colorado . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 viii Stratigraphicreservoircharacterization 6.4.2.2 Sorrentofield,Colorado . . . . . . . . . . . . . . . . 237 6.4.2.3 SouthwestStockholmfield,Kansas . . . . . . . . . . 239 6.5 Combinationfluvialreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 6.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 7. Eolian(windblown)depositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 7.2 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 7.3 Reservoirexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 7.3.1 LemanSandstonegasreservoirs,NorthSea . . . . . . . . . . 257 7.3.2 Roughgasfield,NorthSea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 7.3.3 Pickerillfield,NorthSea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 7.3.4 PainterReservoirfield,Wyoming . . . . . . . . . . . . . . . . 261 7.3.5 TensleepSandstone,Wyoming,USA . . . . . . . . . . . . . . 263 7.3.5.1 Locationandoutcropcharacteristics . . . . . . . . . 263 7.3.5.2 Outcrop3Dgeologicmodel . . . . . . . . . . . . . . 264 7.3.5.3 ApplicationtoTensleepsubsurfacereservoirs . . . . 269 7.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 8. Nondeltaic,shallowmarinedepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . 275 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 8.2 Shallowmarineprocessesandenvironments . . . . . . . . . . . . . . 275 8.3 Shallowmarinedeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 8.3.1 Offshorebarsorsandridges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 8.3.2 Shorefaceparasequencesandsuccessions. . . . . . . . . . . . 282 8.3.3 Marine-dominated,incised-valley-filldeposits . . . . . . . . . 286 8.3.4 Significanceoftheoriginofdeposits . . . . . . . . . . . . . . 287 8.4 Shallowmarinereservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 8.4.1 ThepuzzleofHartzogDrawfield . . . . . . . . . . . . . . . . 288 8.4.1.1 Hartzog Draw field as an offshore sand ridge (shelf bar)(1984–1987) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 8.4.1.2 Hartzog Draw field as a lowstand shoreface deposit (1993–1994) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 8.4.1.3 HartzogDrawfieldasatidalsand-bardeposit associatedwithincisedvalleyfill(1997) . . . . . . . 291 8.4.2 TerrySandstone,DenverBasin,Colorado . . . . . . . . . . . 295 8.5 Barrierislanddepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 8.5.1 Complexprocessesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 8.5.2 BellCreekandReclusefields,MontanaandWyoming,USA . 300 8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 9. Deltaicdepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 9.2 General deltaic processes, environments (physiographic zones), and types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 9.3 River-dominateddeltadepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . 312 Contents ix 9.3.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 9.3.2 Reservoirexample:PrudhoeBayfield . . . . . . . . . . . . . 316 9.4 Wave-dominateddeltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 9.4.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 9.4.2 Reservoirexample:Budarefield . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 9.5 Tide-dominateddeltas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 9.5.1 Processesanddeposits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 9.5.2 Reservoirexample:Lagunillasfield . . . . . . . . . . . . . . . 331 9.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 10. Deepwaterdepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 10.1.1 Definitions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 10.1.2 Globaldeepwaterresources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 10.2 Sedimentaryprocessesoperativeindeepwater . . . . . . . . . . . . . 342 10.3 Depositionalmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 10.4 Architecturalelementsofdeepwaterdeposits . . . . . . . . . . . . . . 347 10.4.1 Sheetsandstonesandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 10.4.1.1 Augerfield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 10.4.1.2 Mensafield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 10.4.1.3 RamPowellJsand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 10.4.1.4 LongBeachUnit,Wilmingtonfield . . . . . . . . . . 356 10.4.2 Canyonandchannel-fillsandstonesandreservoirs . . . . . . . 359 10.4.2.1 RamPowellNsand . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 10.4.2.2 GardenBanks191field,northernGulfofMexico . . 365 10.4.2.3 Andrewfield,UKSector,NorthSea . . . . . . . . . 366 10.4.2.4 Girassolfield,offshoreAngola . . . . . . . . . . . . 368 10.4.3 Leveedepositsandreservoirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 10.4.3.1 RamPowellLsandreservoir . . . . . . . . . . . . . 371 10.4.3.2 TheM4.1sand,Tahoefield,northernGulfofMexico 375 10.4.3.3 Falconfield,northwesternGulfofMexico . . . . . . 376 10.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 11. Sequencestratigraphyforreservoircharacterization . . . . . . . . . . . . . 379 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 11.2 Basicdefinitionsandconcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 11.2.1 Definitions and concepts related to the ocean water column in timeandspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 11.2.2 Definitions and concepts related to sediment accumulation withinasequencestratigraphicframework . . . . . . . . . . . 384 11.2.3 Definitions and concepts related to temporal cyclicity of sea- levelfluctuationsandsedimentaccumulation,withinachrono- stratigraphicframework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 11.3 Developingasequencestratigraphicframework . . . . . . . . . . . . 400 11.3.1 Identifyingakeysurfaceasastartingpoint . . . . . . . . . . . 400 11.3.2 Identifyingandcorrelatingsystemstracts . . . . . . . . . . . . 403
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