Borehole geophysical method development for a more reliable evaluation of petrophysical parameters of near-surface structures  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
109408
Type PD
Principal investigator Szabó, Norbert Péter
Title in Hungarian Fúrási geofizikai módszerfejlesztés felszínközeli szerkezetek kőzetfizikai paramétereinek megbízhatóbb meghatározása érdekében
Title in English Borehole geophysical method development for a more reliable evaluation of petrophysical parameters of near-surface structures
Keywords in Hungarian mélyfúrási geofizikai szelvényezés, mérnökgeofizikai szondázás, víztelítettség, permeabilitás, faktor analízis
Keywords in English well-logging, engineering geophysical sounding, water saturation, permeability, factor analysis
Discipline
Physics of the Lithosphere, Seizmology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Geophysics
Panel Earth sciences 1
Department or equivalent Geofizikai és Térinformatikai Intézet (University of Miskolc)
Starting date 2013-09-01
Closing date 2016-10-31
Funding (in million HUF) 10.200
FTE (full time equivalent) 2.22
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

Felszínközeli szerkezetek kutatása során a felszíni geofizika eredményeinek pontosságát és megbízhatóságát a fúrási geofizikával (karotázs, mérnökgeofizikai szondázás) szerzett információk nagymértékben növelik. A vízkutatás és egyéb környezet- és mérnökgeofizikai problémák megoldása során számos kőzetfizikai és hidrogeológiai paraméter térbeli eloszlását szükséges meghatározni. A leggyakrabban alkalmazott determinisztikus ill. inverziós elven alapuló fúrási geofizikai értelmezési módszerek eredményeit megerősíteni vagy pontosítani szükséges, mivel a közeg erősen inhomogén és a mérési adatok száma és pontossága is korlátozott. Az effektív porozitás, agyagtartalom, víztartalom, áteresztőképesség stb. becslési pontossága új független módszerek bevonásával növelhető. A kutatás e célkitűzés mentén halad. A permeabilitás becslésére két új független, determinisztikus elven alapuló módszert (Csókás formula, elektrokinetikus elmélet) kínálunk. A víztelítettség és egyéb geotechnikai paraméterek meghatározására egy ígéretes statisztikai módszert (faktor analízis) javaslunk, mely maximalizálja a fúrási adatokból kinyerhető információt, továbbá alkalmas bizonyos szelvények hiányzó mélységintervallumon való pótlására, ezen kívül egyéb háttérváltozókra is fényt deríthet. Az új értelmezési módszerek lehetővé teszik a kőzetfizikai paramétereknek szelvényszerű (ill. térképszerű) meghatározását. Ezzel nagymértékben javul az értelmezési eredmények minősége, mellyel a víztároló szerkezetek és a felszínközeli konszolidálatlan összletek (beleértve a talajok) egzaktabb lehatárolása és a vízkészletek pontosabb becslése valósítható meg.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

A kutatás kiinduló hipotézise szerint a mérési adatok értelmezése során a származtatott kőzetfizikai jellemzők becslési pontossága és megbízhatósága növelhető, ha az értelmezési paramétereket több független forrásból is meghatározzuk. A kapott eredmények ezáltal megerősíthetők vagy pontosíthatók. Ezt a Geofizikai Tanszék korábbi inverziós fejlesztéseiben is igazolta. A kutatás ugyanakkor új (korábban in-situ módon nem előállítható) ismeretlenek meghatározását (pl. száraz sűrűség) is tervezi, mely lehetővé teszi a még pontosabb földtani, geotechnikai és hidrogeológiai kép előállítását.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A vizsgált paraméterek hagyományos módszerekkel történő előállítása erősen függ az aktuális földtani felépítéstől. A javasolt módszerek képesek bizonyos típus területekre a megbízhatóságot növelő (területfüggetlen) becslést adni. Ezen kívül gyorsabbá és olcsóbbá tehetik az értelmezési eljárást. Pl. a neutron mérések szintetikus előállítása új információt jelent a víztárolók paramétereinek kiértékelésénél. A javasolt három módszer nagymértékben javíthatja a víztárolók lehatárolását, a vízkészletek becslését és szakszerűbb feltárását, a vízminőség védelmet. A geotechnikai kutatások számára is szolgálhatnak új (in-situ) információval, mely a mélyépítések és egyéb építkezések szakszerűbb megoldását, hulladéktárolók kialakítását és védelmét teszik lehetővé.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kutatás a felszínkőzelben elhelyezkedő talajok és kőzetrétegek elhelyezkedésének és fizikai tulajdonságainak a feltérképezését és az azokban tárolt folyadékok és gázok (levegő) mennyiségének és minőségének pontosabb meghatározását teszik lehetővé. A kitermelhető vizek mennyiségét alapvetően befolyásolja a kőzetek agyagtartalma, hézagtérfogata és azok folyadékkal szemben mutatott áteresztőképessége, mely tulajdonságokat a fúrásokban gyűjtött adatok új módszereken alapuló feldolgozásával kívánjuk meghatározni. A hagyományos és új módszerek együttes alkalmazásával a kőzettulajdonságok meghatározása megbízhatóbban elvégezhető. A módszereket terepi körülmények között is kipróbáljuk, majd javaslatot teszünk későbbi rutinszerű felhasználásukra. Ennek eredményeképpen a víz- és ásványi nyersanyagkutatás, a környezetvédelmi célű földtani kutatások, a mérnöki feladatok (pl. mélyépítések, nukleáris hulladéklerakók kiképzése stb.) eredményesebben elvégezhetők.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

In the investigation of near-surface structures the information extracted by borehole geophysical methods highly increases the accuracy and reliability of the interpretation results of surface geophysical methods. There is a need to determine the spatial distributions of several petrophysical and hydrogeological parameters in water prospecting and in solving environmental and engineering geophysical problems. The results of traditionally applied deterministic and inversion-based borehole geophysical interpretation methods require to be confirmed or updated, because the rock surroundings is strongly inhomogeneous and the number of measurement data types and their accuracy are limited. The accuracy of effective porosity, shale volume, water saturation and permeability can be improved by involving new independent methods in the interpretation. The research moves along this direction. For the estimation of permeability two new deterministic methods are proposed. For the determination of water saturation and further geotechnical parameters a promising statistical method is suggested (factor analysis) that maximizes the information extracted from the wellbore data set. Moreover, it is applicable to replace some logging data that are not available in some depth intervals or to explore some new background variables. The new methods allow the determination of petrophysical parameters in the form of logs or maps. Therewith, the quality of interpretation results can be highly increased that leads to a more accurate delineation of water-bearing and near-surface unconsolidated rocks including soils and a more reliable estimation of water reserves are realizable.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

According to the basic hypothesis of the research the accuracy and reliability of petrophysical properties estimated from the interpretation of measurement data can be increased when the interpretation parameters are determined from several different sources. Thus, the results of interpretation can be confirmed or improved. It was also proven earlier in the inversion method developments of the Department of Geophysics, University of Miskolc. At the same time, it is planned to determine new unknowns (have not been determined in-situ) in the research (e.g. dry density) that potentiates the development of a more accurate geological, geotechnical and hydrogeological "image" of the shallow region.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

The development of interpretation parameters using traditional methods strongly depends on the actual geological setting. The proposed methods can give a reliable estimate to certain typical areas. Moreover, they can make the interpretation procedure faster and less expensive. For instance, the replacement of neutron porosity measurement can be considered as a new source of information in the evaluation of parameters of water-bearing structures. The proposed methods can highly improve the delination of water-bearing structures, calculation of water reserves and their workmanlike exploitation and protection of water quality. They can support geotechnical exploration with new (in-situ) information that supports a more advanced solution for civil engineering (e.g. construction, installation of landfills and their protection etc.) problems.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

The research deals with the mapping of the spatial distribution and physical properties of near-surface geological features (soils and rocks) as well as the determination of quantity and quality of pore-water and gas (air). The quantity of producible water is basically depends on the shale content, porosity and permeability of rocks that are determined by the interpereation of borehole data using the new methods. The cooperative application of traditional and the new interpretation methods results in a more reliable estimation of petrophysical properties of rocks. The methods will be tested also in the field, and then a proposal will be made for their routinish application. As a result, the prospecting of water and mineral stocks, environmental geological and civil engineering problems (foundations, constructions, nuclear waste disposal sites etc.) can be effectively accomplished.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A projekt keretében új fúrólyukgeofizikai kiértékelési módszereket fejlesztettünk. Az első évben a Csókás eljáráson alapuló áteresztőképesség meghatározást tanulmányoztuk. Egzakt modell és szintetikus fúrólyukszelvények felhasználásával a becslés pontosságát vizsgáltuk, az eredményeket összevetettük a Kozeny-Carman módszer eredményeivel. A Csókás módszer konszolidálatlan üledékekben különböző adattárbeli zaj mellett megfelelő megoldást ad, a terepi alkalmazás során ezt megerősítik a független statisztikai eljárások eredményei és a magadatok. A második évben faktoranalízisen alapuló módszert fejlesztettünk víztároló formációk áteresztőképességének a becslésére, amelyet sikeresen teszteltünk hazai és USA-beli primer- és másodlagos porozitású kőzetekben. Az eredményeket mag és kútteszt adatok is megerősítették. A faktor–permeabilitás függvény közel terület független. Javítottuk az akusztikus szelvényből történő permeabilitás becslés módszerét. A harmadik kutatási évben Steiner-súlyok alkalmazásával iteratív faktoranalízist fejlesztettünk, melyet mérnökszondázási mérésekre alkalmaztunk. Meghatároztuk a víztartalom 1D és 2D eloszlását. Az eredmények ellenőrzésére intervallum inverziós módszert fejlesztettünk, mellyel növeltük a kőzetfizikai paraméterek becslési pontosságát és megbízhatóságát. A mért és számított adatok illeszkedésének javítására genetikus algoritmuson alapuló faktoranalízist fejlesztettünk, mellyel szénhidrogén-tárolók kőzetfizikai paramétereit határoztuk meg.
Results in English
In the project, new well-log-analysis methods were developed. In the first year, we studied the Csókás method based permeability estimation. By using exactly known model and synthetic well logs, we measured the estimation accuracy, and the results were compared to those of the Kozeny-Carman method. The Csókás method yields satisfactory results in unconsolidated formations by different amount of noise, which is confirmed by independent information and core data in field applications. In the second year, a factor analysis based method was developed for permeability estimation in groundwater formations, which was tested successfully in clastic and fractured aquifers in Hungary and USA. The results were confirmed by core and pumping test data. The factor–permeability relation is approximately area-independent. We improved the sonic log based permeability estimation. In the last year, we developed an iterative factor analysis using Steiner-weights, which was applied to engineering geophysical sounding data. We determined the one- and two-dimensional spatial distribution of water content. For checking the results of factor analysis, we developed the interval inversion method, which allowed the increase of accuracy and reliability of the estimated petrophysical parameters. For reducing the misfit of measured and calculated data, we developed a genetic algorithm based factor analysis, which was used for the estimation of petrophysical parameters in hydrocarbon reservoirs.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109408
Decision
Yes





 

List of publications

 
Norbert Péter Szabó: Hydraulic conductivity explored by factor analysis of borehole geophysical data, Hydrogeology Journal, Vol. 23, No. 5, pp. 869−882, 2015
Mihály Dobróka, Norbert Péter Szabó, József Tóth, Péter Vass: Interval inversion approach for an improved interpretation of well logs, GEOPHYSICS 81:(2) pp. D163-D175., 2016
Norbert Péter Szabó, Katalin Kormos, Mihály Dobróka: Evaluation of hydraulic conductivity in shallow groundwater formations: a comparative study of the Csókás’ and Kozeny–Carman model, Acta Geodaetica et Geophysica, Vol. 50, Issue 4, pp. 461–477, 2015
Balogh Gergely Pál: Improved statistical analysis of geophysical logs measured in penetration holes, Geosciences and Engineering, a publication of the University of Miskolc, in press, 2016
Csilla Kalmár: Stoneley permeability estimation in domestic hydrocarbon reservoirs, Meeting of Young Geoscientists 2015 Conference, Sopron, 27–28 March 2015, 2015
Szabó Norbert Péter, Dobróka Mihály: Intervallum inverzió felbontóképességének javítása Legendre polinomok szerinti sorfejtés alkalmazásával, Inverziós Ankét 2014, MTA Miskolci Akadémiai Bizottság Székháza, 2014. október 6-7, 2014
Szabó Norbert Péter, Kormos Katalin: Víztároló rétegek szivárgási tényezőjének meghatározása faktor analízissel, Inverziós Ankét 2014, MTA Miskolci Akadémiai Bizottság Székháza, 2014. október 6-7, 2014
Norbert Péter Szabó, Csilla Kalmár: Permeability estimation in primary porosity rocks using Stoneley-wave transit times (in Hungarian), Magyar Geofizika, No. 3, pp. 141–153, 2013
Norbert Péter Szabó, Mihály Dobróka, Réka Kavanda: Cluster analysis assisted float-encoded genetic algorithm for a more automated characterization of hydrocarbon reservoirs, Intelligent Control and Automation, Vol. 4, No. 4, pp. 362-370, 2013
Ákos Gyulai, Norbert Péter Szabó: Series expansion-based geoelectric inversion methodology used for geoenvironmental investigations, Frontiers in Geosciences, Vol. 2, No. 1, pp. 11-17, 2014
Norbert Péter Szabó, Csilla Kalmár: Nonlinear regression model for permeability estimation based on acoustic well-logging measurements, Geosciences and Engineering, A Publication of the University of Miskolc, Accepted 25.08.2014, In press, 2014
Katalin Kormos: Borehole logging measurements applied to hydraulic conductivity estimation, Meeting of Young Geoscientists, 28-29 March 2014, Balatonföldvár, 2014
Csilla Kalmár: Determination of permeability using Stoneley wave arrival times, Meeting of Young Geoscientists, 28-29 March 2014, Balatonföldvár, 2014
Norbert Péter Szabó, Katalin Kormos, Mihály Dobróka: Evaluation of hydraulic conductivity in shallow groundwater formations: a comparative study of the Csókás’ and Kozeny–Carman model, Acta Geodaetica et Geophysica, online first article, DOI 10.1007/s40328-015-0105-9, 2015
Norbert Péter Szabó, Anett Kiss, Anett Halmágyi: Hydrogeophysical characterization of groundwater formations based on well logs: Case study on Cenozoic clastic aquifers in East Hungary, Geosciences and Engineering – Publications of the University of Miskolc. In press., 2015
Norbert Péter Szabó: Hydraulic conductivity explored by factor analysis of borehole geophysical data, Hydrogeology Journal, Vol. 23, No. 5, pp. 869−882, 2015
Mihály Dobróka, Norbert Péter Szabó: Well log analysis by global optimization-based interval inversion method, Cranganu C., Luchian H., Breaban M. (eds.), Artificial Intelligent Approaches in Petroleum Geosciences. Switzerland: Springer International Publishing, 2015. pp. 245-268, 2015
Norbert Péter Szabó, Csilla Kalmár: Permeability estimation in primary porosity rocks using Stoneley-wave transit times (in Hungarian), Magyar Geofizika, No. 3, pp. 141–153, 2013
Ákos Gyulai, Norbert Péter Szabó: Series expansion-based geoelectric inversion methodology used for geoenvironmental investigations, Frontiers in Geosciences, Vol. 2, No. 1, pp. 11-17, 2014
Norbert Péter Szabó, Csilla Kalmár: Nonlinear regression model for permeability estimation based on acoustic well-logging measurements, Geosciences and Engineering, A Publication of the University of Miskolc, Geosciences and Engineering, Vol. 2, No. 4, pp 27–46, 2013
Katalin Kormos: Borehole logging measurements applied to hydraulic conductivity estimation, Meeting of Young Geoscientists, 28-29 March 2014, Balatonföldvár, 2014
Csilla Kalmár: Determination of permeability using Stoneley wave arrival times, Meeting of Young Geoscientists, 28-29 March 2014, Balatonföldvár, 2014
Norbert Péter Szabó, Anett Kiss, Anett Halmágyi: Hydrogeophysical characterization of groundwater formations based on well logs: Case study on Cenozoic clastic aquifers in East Hungary, Geosciences and Engineering – Publications of the University of Miskolc, Vol. 4, No. 6, pp. 45–71., 2015
Szabó Norbert Péter, Dobróka Mihály, Hursán László: Édesvíztárolók szivárgási paramétereinek meghatározása a Csókás-eljárás alkalmazásával, MAGYAR GEOFIZIKA 56:(2) pp. 70-82., 2015
Szabó Norbert Péter: Faktoranalízisen alapuló új statisztikus eljárás a szivárgási tényező meghatározására, MAGYAR GEOFIZIKA 56:(2) pp. 83-96, 2015
Pál Gergely Balogh: New statistical approach for water content determination in shallow geological environment, MultiScience - XXX. microCAD International Multidisciplinary Scientific Conference, pp. 1-8, ISBN 978-963-358-113-1, 2016
Balogh Grgely Pál: Mérnökszondázási adatok kiértékelése súlyozott faktoranalízis alkalmazásával, Magyar Geofizika, 57. évf. (2016) 1. szám, 23–34, 2016
Balogh Gergely Pál, Szabó Norbert Péter: Penetrációs szondaadatok feldolgozása kétdimenziós súlyozott faktoranalízis alkalmazásával, Műszaki Tudomány az Észak – Kelet Magyarországi Régióban 2016, pp. 27-34, ISBN 978-963-7064-33-3, 2016
Szabó Norbert Péter, Balogh Gergely Pál: Steiner-súlyok alkalmazása mérnökszondázási adatok statisztikus kiértékelésében, Magyar Geofizikusok Egyesületének 34. Vándorgyűlése, 2015. szeptember 24-26, Budapest, Benczúr Konferenciaközpont, 2015
Norbert Péter Szabó, Gergely Pál Balogh: Most frequent value based factor analysis of engineering geophysical sounding logs, 78th EAGE Conference and Exhibition 2016, Wien, 2016. 05. 30-06.02, Tu SBT4 12, pp. 1-5, 2016
Norbert Péter Szabó: Hydrocarbon formation evaluation using an efficient genetic algorithm-based factor analysis method, ECMOR XV - 15th European Conference on the Mathematics of Oil Recovery, Amsterdam, 2016.08.29.09.01, Mo P071, pp. 1-12, 2016





 

Events of the project

 
2014-12-29 10:50:12
Résztvevők változása




Back »