Application of Frequency and Time Domain Induced Polarization – Resistivity Effects for Exploring Aquifer and Hydrocarbon Reservoirs in Bahia, Brazil

Abstract

ABSTRACT.

Two field surveys using the induced polarization (IP) - resistivity method, are presented as an effective tool to evaluate aquifer and hydrocarbon reservoirs at shallow depths. First, the electrochemical mechanisms responsible for generating IP effects in reservoir rocks are reviewed. Then, theoretical developments are proposed to reduce the inductive electromagnetic coupling from the underground IP effects, and to compute three fundamental electrical parameters, namely the apparent DC-resistivity, the apparent chargeability and relaxation time, both for frequency (FD) and time-domain (TD) data. These parameters are attributed to average representative volumes of the subsurface geology, which depends on the electrode array and its characteristic depth of investigation. The studied structure includes: an upper fresh-water sandstone aquifer of 60m average thickness; overlaying a 70m thick, prismatic sandstone oil-reservoir, sandwiched between shale sequences and laterally confined by intersecting normal faults. The data acquisitions were made using dipole-dipole electrode arrays, with lengths a of 50 and 100 m, and separations na, with n ranging from 1 to 12 (FD), and 1 to 6 (TD). The 2-D inverted pseudo-sections exhibit small distortions, attributed to differences in resolution, terrain effects and signal-to-noise ratios, but are consistent in outlining the following features: i) the detection of an upper resistive low-IP layer, representing a water-table aquifer; ii) a distinct electrical anomaly, related to the western bounding fault zone, depicted as a conductive chimney bordered by high resistive halos; iii) the separation of different geo-electrical units within the shale sequence sealing the reservoir; and iv) the delineation of the top of oil reservoir, defined by a slight increase in resistivity and by high IP values, at and above the oil reservoir.

Keywords: electrical resistivity, induced polarization, aquifers, oil reservoirs.

RESUMO.

Levantamentos geofísicos usando resistividade e polarização induzida (PI) são apresentados como ferramenta eficaz para avaliar aquíferos e reservatórios petrolíferos em profundidades rasas. Primeiro, faz-se uma revisão dos mecanismos eletroquímicos geradores de PI em rochas reservatórios. Em seguida, propõem-se tratamentos teóricos para separar o acoplamento eletromagnético dos efeitos puros da PI subterrânea e calcular três parâmetros aparentes fundamentais: resistividade (Ï0,a), cargabilidade (mw,a) e tempo de relação (Ï„ w,a), tanto no domínio da frequência (FD) quanto do tempo (TD). Esses parâmetros são atribuídos a centros volumétricos representativos da geologia, que dependem do arranjo de eletrodos e de suas profundidades de investigação. A estrutura estudada inclui: um aquífero arenoso superior, com 60m de espessura; sobreposto a um reservatório petrolífero prismático de arenitos, com 70m de espessura, intercalado entre sequências argilosas, e lateralmente confinado por falhas normais intercruzadas. Os dados foram adquiridos com arranjos dipolo-dipolo usando distâncias entre eletrodos de 50 e 100 m, e separações na, com n variando de 1 a 12 (FD) e 1 a 6 (TD). As seções 2-D invertidas exibem pequenas distorções, atribuídas a diferenças de resolução, efeitos de terreno e razão sinal-ruído, mas consistentes na identificação dos seguintes aspectos: (i) detecção de camada superior resistiva e baixo PI, representando o aquífero freático; (ii) anomalia elétrica relacionada à falha do limite ocidental, revelada como uma chaminé condutora com halos de maior resistividade; (iii) separação de duas unidades geoelétricas na sequência dos folhelhos selantes do reservatório; e (iv) delineamento do topo do reservatório de óleo, definido por um ligeiro aumento na resistividade e por altos valores de PI no e acima do reservatório.

Palavras-chave: resistividade elétrica, polarização induzida, aquíferos, reservatórios.