Velocity-effective stress response of -saturated sandstones

Three differing sandstones, two synthetic and one field sample, have been tested ultrasonically under a range of confining pressures and pore pressures representative of in-situ reservoir pressures. These sandstones include: a synthetic sandstone with calcite intergranular cement produced using the CSIRO Calcite In-situ Precipitation Process (CIPS); a synthetic sandstone with silica intergranular cement; and a core sample from the Otway Basin Waarre Formation, Boggy Creek 1 well, from the target lithology for a trial $CO_2$ pilot project. Initial testing was carried on the cores at "room-dried" conditions, with confining pressures up to 65 MPa in steps of 5 MPa. All cores were then flooded with $CO_2$, initially in the gas phase at 6 MPa, $22^{\circ}C$, then with liquid-phase $CO_2$ at a temperature of $22^{\circ}C$ and pressures from 7 MPa to 17 MPa in steps of 5 MPa. Confining pressures varied from 10 MPa to 65 MPa. Ultrasonic waveforms for both P- and S-waves were recorded at each effective pressure increment. Velocity versus effective pressure responses were calculated from the experimental data for both P- and S-waves. Attenuations $(1/Q_p)$ were calculated from the waveform data using spectral ratio methods. Theoretical calculations of velocity as a function of effective pressure for each sandstone were made using the $CO_2$ pressure-density and $CO_2$ bulk modulus-pressure phase diagrams and Gassmann effective medium theory. Flooding the cores with gaseous phase $CO_2$ produced negligible change in velocity-effective stress relationships compared to the dry state (air saturated). Flooding with liquid-phase $CO_2$ at various pore pressures lowered velocities by approximately 8% on average compared to the air-saturated state. Attenuations increased with liquid-phase $CO_2$ flooding compared to the air-saturated case. Experimental data agreed with the Gassmann calculations at high effective pressures. The "critical" effective pressure, at which agreement with theory occurred, varied with sandstone type. Discrepancies are thought to be due to differing micro-crack populations in the microstructure of each sandstone type. The agreement with theory at high effective pressures is significant and gives some confidence in predicting seismic behaviour under field conditions when $CO_2$ is injected.

로 포화된 사암의 속도-유효응력 반응

세 개의 서로 다른 사암 샘플들 -두 개의 합성 샘플과 한 개의 현장 샘플- 에 대해 현장 저류층의 대표적인 구속압력과 공극압력하에서 초음파 시험이 수행되었다. 세가지 사암 샘플들은 (a) 캘사이트 시멘트(calcite intergranula. cement (CIPS))로 만든 합성사암, (b) 실리카 시멘트(silica intergranular cement)로 만든 합성 사암 (c) Otway Basin 의 Boggy Creek 1 시추공에서 시도되는 $CO_2$ 파일럿 프로젝트의 대상 암석층 중 Waarre 층으로부터 추출한 코아 샘플로 구성되어 있다. 공극률은 각각 32%, 33%, 26%이다. 초기시험은 실내건조(room-dried) 상태에 있는 코아들에 대해 구속응력을 5 MPa 씩 단계별로 65 MPa 까지 증가시키며 이루어졌다. 그리고 나서 모든 코아들에 처음에는 온도 $22^{\circ}C$에서 6 MPa 공극압력으로 기체상의 $CO_2$를, 그 다음에는 온도 $22^{\circ}C$ 에서 7 MPa 부터 17 MPa 까지 5 MPa 씩 증가시키면서 액체상의 $CO_2$를 주입하였다. 구속응력은 10MPa부터 65 MPa까지 달리 하였다. P와 S 초음파 파형들이 유효응력이 증가할 때마다 기록되었다. 속도-유효응력 반응들이 P 파와 S 파에 대해 실험 자료들로부터 계산되었으며, 감쇠(1/Qp)들은 스펙트럼 비 방법을 이용하여 파형들로부터 계산되었다. 각각의 사암들에 대한 이론적인 속도-유효응력 계산은 $CO_2$ 압력-밀도 와 $CO_2$ 체적계수-압력 상 다이어그램(phasediagram), Gassmann 유효 매질 이론(effective medium theory)을 이용하여 구하였다. 기체상의 $CO_2$ 주입은 속도-유효응력에서 건조상태(공기로 포화된 상태)에 비해 거의 무시할만한 변화를 가져왔다. 다양한 공극압력에서 액체상의 $CO_2$ 주입은 공기로 포화된 상태에 비해 속도-유효응력 반응을 평균 약 8% 정도 낮게 한다. 실험자료들은 높은 유효응력에서 Gassmann 계산들과 일치한다. 이러한 이론과 일치하는 "임계" 유효응력은 사암의 종류에 따라 달라진다. 이 차이는 각각의 사암 종류의 미세구조에서 미세 균열 수의 차이에 기인한 것이라 생각된다. 높은 유효응력에서의 이론과 의미있게 일치하였으며, $CO_2$ 주입 시 현장에서의 탄성파 거동을 예상하는데 있어서 어느 정도 확신을 준다.