Original paper

Relationship between electrical and hydraulic properties of sedimentary rocks

Zisser, Norbert; Nover, Georg; Dü rrast, Helmut; Siegesmund, Siegfried

Abstract

This study is looking closer to the relationship between hydraulic and electrical transport properties of porous water saturated sedimentary rocks. Transport of fluids through a network of open pores and/or cracks/fractures (permeability) and the transport of electrical charges in pore electrolytes both depend on three dominant factors: pore volume, degree of interconnection of the pores through pore throats, and the distribution and orientation of open cracks/fractures. Thus, petrophysical properties were measured on carbonates and sandstone samples from various drillings and different extraction depths. The directional (X, Y, Z) and pressure dependence (up to 200 MPa) of permeability (10−15-10−21 m2) and electrical conductivity ( 0.1 S/m) were studied on identical samples that were cut in three orthogonal directions in regard to macroscopic visible sedimentary layering (X-Y-plane parallel to sedimentary layering, Z-direction perpendicular). Additionally, the petrophysical properties porosity (2.3-14.9 %), density (2.38-2.87 g/cm3), BET surface (0.111-0.384 m2/g) and mineralogical composition were determined, together with rock fabric elements. For each step in pressure, the frequency dependence of the complex electrical conductivity was recorded in the frequency range 800 Hz up to 1 MHz and interpreted using the Cole-Cole equivalent circuit model. The variations of electrical model parameters were correlated with the pressure dependence of the permeability. A correlation between the pressure dependencies of the electrical conductivity and permeability could be detected for each sample and direction X, Y, Z, but a general relation was not found.

Kurzfassung

In dieser Studie wurden die Beziehungen zur Richtungs- und Druckabhängigkeit zwischen hydraulischer Leitfähigkeit und elektrischen Eigenschaften untersucht. Der Fluidtransport und der Transport elektrischer Ladungsträger erfolgen jeweils durch das gleiche offene und vernetzte System miteinander verbundener Poren/Klüfte. Damit hängen diese Größen direkt vom Porenvolumen, dem Vernetzungsgrad und der Geometrie des Porenraums sowie der Orientierung des Kluftsystems ab. Für die Untersuchungen wurden Karbonate und Sandsteine aus verschiedenen Bohrungen und aus unterschiedlicher Teufe verwendet. Die Anisotropie der petrophysikalischen Eigenschaften wurde für Plugproben bestimmt, die jeweils in Bezug zur Schichtung in den Richtungen X, Y und Z (X-Y ist die Schichtungsebene, Z ist die Normale auf der Schichtung) aus Bohrkernen präpariert wurden. Die Druckabhängigkeit der Permeabilität wurde bis zu einem Umschließungsdruck von 200 MPa gemessen. Die Porositäten der Proben variierten von 2,3 bis 14,9 %, die Dichte lag zwischen 2,38 bis 2,87 g/cm3 und die BETOberflächen lagen zwischen 0,111 und 0,384 m2g. Der Mineralbestand wurde röntgenografisch qualitativ und quantitativ bestimmt.Die komplexe elektrische Leitfähigkeit wurde im Frequenzbereich 800 Hz bis 1 MHz jeweils für jede Druckstufe (bis 200 MPa) gemessen. Die komplexen Leitfähigkeiten wurden mittels eines Cole-Cole-Modells rechnerisch interpretiert. Die Modellparameter der Verfeinerung wurden mit den Druck- und Richtungsabhängigkeiten der Permeabilitäten korreliert. Eine Abhängigkeit konnte für jede Probe bestimmt werden; eine allgemeingültige Korrelation zwischen Permeabilität und elektrischer Leitfähigkeit wurde nicht gefunden.

Keywords

permeabilitycomplex electrical conductivityanisotropymicrostructures