Marine and Petroleum GeologyVolume

Marine and Petroleum Geology
Volume 66, Part 2, September 2015, Pages 310–322
Gas hydrate drilling in Eastern Nankai

Research paper
Geological setting and characterization of a methane hydrate reservoir distributed at the first offshore production test site on the Daini-Atsumi Knoll in the eastern Nankai Trough, Japan
• Tetsuya Fujiia, , ,
• Kiyofumi Suzukia,
• Tokujiro Takayamaa,
• Machiko Tamakib,
• Yuhei Komatsua,
• Yoshihiro Konnoc,
• Jun Yonedac,
• Koji Yamamotoa,
• Jiro Nagaoc
Under a Creative Commons license
Show more
doi:10.1016/j.marpetgeo.2015.02.037
Get rights and content
Open Access
________________________________________
Highlights
•
Geologic settings in the β-MH-concentrated zone.
•
Well distribution in 2012 pre-drilling and formation evaluation method.
•
Characteristics of confirmed MH-bearing formation.
•
Lateral continuity of sand layers confirmed by well-to-well correlations.
•
Reservoir properties suggested from well log and core data comparisons.
________________________________________
Abstract
To obtain basic information for methane hydrate (MH) reservoir characterization at the first offshore production test site (AT1) located on the northwestern slope of the Daini-Atsumi Knoll in the eastern Nankai Trough, extensive geophysical logging and pressure coring using a hybrid pressure coring system were conducted in 2012 at a monitoring well (AT1-MC) and a coring well (AT1-C). The MH-concentrated zone (MHCZ), which was confirmed by geophysical logging at AT1-MC, has a 60-m-thick turbidite assemblage with sublayers ranging from a few tens to hundreds of centimeters thickness. The turbidite assemblage is composed of lobe/sheet-type sequences in the upper part and relatively thick channel-sand sequences in the lower part. Well-to-well correlations of sandy layers between two monitoring wells within 40 m of one another exhibited fairly good lateral continuity of sand layers in the upper part of the reservoir. This suggests an ideal reservoir for the production test.
The validity of MH pore saturation (Sh) evaluated from geophysical logging data were confirmed by comparing with those evaluated by pressure core analysis. In the upper part of the MHCZ, Sh values estimated from resistivity logs showed distinct differences between the sand and mud layers, compared with Sh values from nuclear magnetic resonance (NMR) logs. Resistivity logs have higher vertical resolution than NMR logs; therefore, they are favorable for these types of thin-bed evaluations. In the upper part, Shvalues of 50%–80% were observed in sandy layers, which is in fairly good agreement with core-derived Sh values. In the lower part of the MHCZ, Sh values estimated from both resistivity and NMR logs showed higher background values and relatively smoother curves than those for the upper part. In the lower part, Sh values of 50%–80% were also observed in sandy layers, and they showed good agreement with the core-derived Shvalues.
Keywords
• Methane hydrate;
• Nankai Trough;
• Site selection;
• Geophysical logging;
• Pressure coring;
• Reservoir properties;
• Hydrate saturation
________________________________________
1. Introduction
Since 1996, the Japanese Ministry of Economy, Trade and Industry (METI) has been intensively conducting exploratory surveys of methane hydrates (MHs) in the eastern Nankai Trough; this area has been chosen as a model for MH surveys (Fig. 1). On the basis of the results from the Ministry of International Trade and Industry (MITI) obtained for “Nankai Trough” wells in 1999 (Tsuji et al., 2004) and METI “Tokai-oki to Kumano-nada” exploratory test wells in 2004 (Takahashi and Tsuji, 2005, Tsuji et al., 2009 and Fujii et al., 2009), MH-bearing sand-rich intervals (i.e., sand pore-filling-type MHs) have been identified in turbidite fan deposits of the eastern Nankai Trough.

Figure 1.
Map showing the history of methane hydrate exploration surveys in the eastern Nankai Trough (1996–2004) and the location of this study area, Daini-Atsumi Knoll (modified from Fujii et al., 2009).
Figure options
On the basis of the analyses of the aforementioned well data together with 2D/3D seismic survey data acquired in 1996, 2001, and 2002, we identified more than ten prospective MH-concentrated zones (MHCZs) in this area (Saeki et al., 2008). Resource assessments of the methane gas within MHs were performed using a probabilistic approach (Fujii et al., 2008). The total amount of methane gas contained in the MHs within the survey area was estimated at a mean value of 40 trillion cubic feet (Tcf) (equal to 1.1 trillion cubic meter). The total gas in place for the MHCZ was estimated at a mean value of 20 Tcf, which is half the total amount and equal to 0.57 trillion cubic meter. Chemical composition and carbon isotope analyses of methane gas derived from MH-bearing core samples from this area prove that more than 99% is methane, and most of the methane gas is of microbial origin (Uchida et al., 2009 and Kida et al., 2015).
Among the interpreted MHCZs mentioned above, the β-MHCZ at the Daini-Astumi Knoll (Fig. 2) was selected to be the test site for the first offshore production, which was performed from 2012 to 2013. This selection was based on water depth, existing well controls, pressure–temperature conditions of reservoir formation (depth from seafloor), the characteristics of MH-bearing layers, and the existence of sealing layers (mud-rich layers with sealing capacity) above them (Fujii et al., 2013).

Figure 2.
Time structure map of seafloor of the Daini-Atsumi Knoll from 3D seismic survey data. Pink line outlines the β-MH-concentrated zone, as interpreted from 3D seismic data. Water depth in the β-MH-concentrated zone ranges from 857 to 1405 m. Inset (top left) locates the first offshore production test site (2012–2013), which is on the northwestern slope of the Daini-Atsumi Knoll (modified from METI, 2011).
The main objective of the first production test was to understand the behavior of MH dissociation in an in-situ condition. The final goal was to verify the feasibility of using the “depressurization technique” as a commercial gas-production method from offshore MH-bearing sediments (Yamamoto et al., 2012a). In March 2013, the world's first offshore production test from MH bearing layers was conducted at the site; the cumulative volume of gas produced during the six-day test was approximately 120,000 m3 (at atmospheric pressure). The rate of gas production was approximately 20,000 m3/day (Yamamoto et al., 2014).
An integrated reservoir characterization and an analysis of production and monitoring data are required to better understand the formation response and the process of MH dissociation during the flow test. In order to identify dissociation layers and the dissociation front by the test, understanding the initial condition of reservoir properties are very critical. In this study, we first describe the general geology of the study area, then we focus on MH-bearing reservoir characterization based on seismic and geophysical well-logging data. Specifically, we focus on the occurrence and physical properties of MH-bearing layers confirmed from seismic, geophysical logging, and coring data, which will be the basic information for the interpretation of the production/monitoring data.
2. Geologic setting in the β-MH-concentrated zone
Our study area is located in the Tokai–Kumano forearc basins along the eastern Nankai Trough, central Japan (Fig. 1). The tectonic setting of the eastern Nankai Trough is strongly influenced by a collision between the Izu-Ogasawara and Honshu arcs (Fig. 1a). The Daini-Atsumi Knoll, off Enshu-Nada, is part of the ENE–WSW trending outer ridge (Fig. 1b), which corresponds to the boundary between the accretionary prism and the forearc basin (Ashi et al., 2004). In this area, the Plio-Pleistocene Kakegawa and Ogasa Groups have thicknesses of several kilometers (Takano et al., 2009).
The β-MHCZ is located on the northwestern slope of the Daini-Atsumi Knoll (Fig. 2). An outline of the β-MHCZ, as interpreted from 3D seismic data, is shown by the pink line inFigure 2; the area is approximately 12 km2, and the water depth ranges from 857 to 1405 m. The β-MHCZ was discovered by geophysical logging and coring at the β1 well, which was drilled in 2004 (Fujii et al., 2009). The MHCZ has a thickness of several tens of meters and is confirmed to mainly contain turbidite channel-type sediments within a submarine fan system in the Ogasa Group; its age ranges from middle-to-late Pleistocene (Fujii et al., 2009 and Noguchi et al., 2011). On the basis of the evaluations using the oxygen isotope ratios of foraminiferal shells and volcanic ash analysis of core samples, the geological age of the MHCZ at the β1site ranges from 0.7 to 0.25 Ma (Yamasaki et al., 2011 and Yamasaki et al., 2012). From coccolith assemblies, the depositional ages of sediment cores range from 0.85 to 0.45 Ma (Egawa et al., 2015), which is in good agreement with that from the oxygen isotope ratio of foraminiferal shells.
Figure 3 shows representative seismic sections from β-MHCZ. Figure 3a is a cross section from NW to SE, which is the direction of the formation dip. On the basis of the interpretations of formation resistivity image logs, the formation dip of the MHCZ is about 20° at the β1 and AT1 sites. Figure 3b shows a cross section from NW to SW, which is the direction of the formation strike line. The MHCZ is distributed above bottom simulating reflectors (BSRs), which are indicated by the sky-blue lines in Figure 3; the MHCZ is characterized by strong seismic reflectors. The top of the MHCZ is indicated by the yellow-green line in Figure 3. This top was interpreted not only from strong seismic reflectors but also by considering results from high-resolution velocity analysis (Saeki et al., 2008).

Kết quả (Việt) 2:

Marine và Dầu khí Địa chất
lượng 66, Part 2, tháng 9 năm 2015, trang 310-322
Gas hydrate khoan ở Đông Nam Khai giấy Nghiên cứu thiết lập địa chất và đặc tính của một hồ chứa methane hydrate phân phối tại các trang web thử nghiệm sản xuất ngoài khơi đầu tiên trên Daini-Atsumi Knoll ở Đông Nankai Trough, Nhật Bản • Tetsuya Fujiia,,, • Kiyofumi Suzukia, • Tokujiro Takayamaa, • Machiko Tamakib, • Yuhei Komatsua, • Yoshihiro Konnoc, • Tháng Sáu Yonedac, • Koji Yamamotoa, • Jiro Nagaoc Theo giấy phép Creative Commons Hiển thị thêm doi : 10,1016 / j.marpetgeo.2015.02.037 Nhận quyền và nội dung truy cập mở ________________________________________ Điểm nổi bật • thiết lập địa chất trong vùng β-MH-tập trung. • phân phối Cũng trong năm 2012 trước khi khoan và đánh giá hình thành phương pháp. • Đặc điểm của xác nhận MH-mang hình thành. • liên tục Lateral của lớp cát được xác nhận bằng tốt-to-cũng tương quan. • tính Reservoir đề nghị từ cũng đăng nhập và so sánh dữ liệu cốt lõi. ________________________________________ Tóm tắt Để có được thông tin cơ bản cho methane hydrate (MH) đặc tính hồ chứa tại các trang web thử nghiệm sản xuất ngoài khơi đầu tiên (AT1) nằm trên sườn phía tây bắc của Daini-Atsumi Knoll ở phía đông Nankai Trough, khai thác gỗ địa vật lý rộng lớn và áp lực Coring sử dụng một hệ thống coring áp lai đã được tiến hành vào năm 2012 tại một giám sát tốt (AT1-MC) và một coring tốt ( AT1-C). Khu MH-tập trung (MHCZ), được xác nhận bằng cách đăng nhập địa vật lý tại AT1-MC, có một tập hợp turbidite 60-m-dày với lớp con khác nhau, từ vài chục đến hàng trăm cm độ dày. Các tập hợp turbidite gồm thùy / tờ kiểu chuỗi trong phần trên và tương đối dày chuỗi kênh cát ở phần dưới. Vâng-to-cũng tương quan của các lớp cát giữa hai giếng theo dõi trong vòng 40 m của nhau trưng bày liên tục bên khá tốt của các lớp cát ở phần trên của hồ chứa. Điều này cho thấy một hồ chứa lý tưởng cho sản xuất thử nghiệm. Thời hạn hiệu lực của MH lỗ bão hòa (Sh) đánh giá từ ghi dữ liệu địa vật lý đã được khẳng định bằng cách so sánh với những người được đánh giá bằng phân tích cốt lõi áp. Trong phần trên của MHCZ, giá trị Sh ước tính từ các bản ghi điện trở cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các lớp cát và bùn, so với giá trị Sh từ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) các bản ghi. Nhật ký điện trở có độ phân giải dọc cao hơn các bản ghi NMR; do đó, họ được thuận lợi cho các loại đánh giá mỏng giường. Trong phần trên, Shvalues ​​50% -80% đã được quan sát thấy trong các lớp cát, mà là trong thỏa thuận khá tốt với các giá trị cốt lõi Sh-nguồn gốc. Trong phần dưới của MHCZ, giá trị Sh ước tính từ cả hai điện trở suất và NMR cho thấy các bản ghi các giá trị nền cao hơn và những đường cong tương đối mượt mà hơn so với phần trên. Trong phần dưới, giá trị Sh 50% -80% cũng đã được quan sát thấy trong các lớp cát, và họ đã cho thấy hợp tốt với Shvalues ​​core-nguồn gốc. Keywords • Methane hydrate; • Nankai Trough; lựa chọn • Site; • Geophysical đăng nhập; • coring áp; tính • Reservoir; • Hydrate bão hòa ________________________________________ 1. Giới thiệu Kể từ năm 1996, Bộ Nhật Bản Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) đã tiến hành khảo sát thăm dò sâu hydrat metan (MHS) ở phía đông Nankai Trough; lĩnh vực này đã được chọn là một mô hình cho các cuộc điều tra MH (Fig. 1). Trên cơ sở kết quả từ Bộ Thương mại và Công nghiệp (MITI) thu được cho "Nankai Trough" giếng vào năm 1999 (Tsuji et al., 2004) và METI "Tokai-oki để Kumano-nada" giếng kiểm tra thăm dò vào năm 2004 (Takahashi và Tsuji, 2005, Tsuji et al., 2009 và Fujii et al., 2009), khoảng cát giàu MH chịu (ví dụ, cát lỗ chân lông-điền-loại MHS) đã được xác định trong các khoản tiền gửi fan turbidite của đông Nankai Trough. Hình 1. Bản đồ cho thấy lịch sử của các cuộc điều tra thăm dò methane hydrate ở phía đông Nankai Trough (1996-2004) và vị trí của khu vực nghiên cứu này, Daini-Atsumi Knoll (sửa đổi từ Fujii et al., 2009). Hình lựa chọn Trên cơ sở những phân tích của giếng dữ liệu nói trên cùng với 2D / 3D dữ liệu khảo sát địa chấn được trong năm 1996, 2001, và 2002, chúng tôi xác định được hơn mười khu MH-tập trung tiềm năng (MHCZs) trong lĩnh vực này (Saeki et al., 2008). Đánh giá tài nguyên của khí metan trong MHS được thực hiện bằng cách sử dụng một cách tiếp cận xác suất (Fujii et al, 2008.). Tổng lượng khí mê-tan chứa trong MHS trong khu vực khảo sát ước tính giá trị trung bình của 40 nghìn tỷ feet khối (TCF) (tương đương 1,1 nghìn tỷ mét khối). Tổng gas tại chỗ cho các MHCZ ước tính giá trị trung bình của 20 TCF, mà là một nửa tổng số và bằng 0570000000000 mét khối. Thành phần hóa học và đồng vị cácbon phân tích của khí methane có nguồn gốc từ các mẫu lõi MH-mang từ khu vực này chứng minh rằng hơn 99% khí mê-tan, và hầu hết các khí mêtan có nguồn gốc vi sinh vật (Uchida et al., 2009 và Kida et al. , 2015). Trong số các MHCZs giải thích đề cập ở trên, β-MHCZ tại Daini-Astumi Knoll (Fig. 2) đã được chọn là các trang web thử nghiệm để sản xuất ra nước ngoài đầu tiên, được thực hiện từ năm 2012 đến năm 2013. Đây là lựa chọn dựa trên độ sâu của nước, kiểm soát tốt hiện tại, điều kiện áp suất nhiệt độ của sự hình thành hồ chứa (độ sâu từ đáy biển), đặc điểm của lớp MH-mang, và sự tồn tại của niêm phong lớp (lớp bùn giàu với niêm phong công suất) ở trên chúng (Fujii et al., 2013). Hình 2. Thời gian bản đồ cấu trúc của đất dưới đáy biển của Daini-Atsumi Knoll từ dữ liệu khảo sát địa chấn 3D. Dòng màu hồng phác thảo khu β-MH-tập trung, như giải thích từ dữ liệu địa chấn 3D. Độ sâu của nước trong vùng β-MH-tập trung trong khoảng 857-1405 m. Inset (trên cùng bên trái) nằm trang web đầu tiên ra nước ngoài sản xuất thử nghiệm (2012-2013), mà là trên sườn phía tây bắc của Daini-Atsumi Knoll (sửa đổi từ METI, 2011). Mục tiêu chính của sản xuất thử nghiệm đầu tiên là tìm hiểu hành vi của MH phân ly trong một điều kiện in-situ. Mục tiêu cuối cùng là để xác minh tính khả thi của việc sử dụng "kỹ thuật xả áp" như là một phương pháp khí sản xuất thương mại từ các trầm tích MH-mang ra nước ngoài (Yamamoto et al., 2012a). Vào tháng Ba năm 2013, sản xuất thử nghiệm ngoài khơi đầu tiên của thế giới từ lớp mang MH đã được tiến hành tại các trang web; khối lượng tích lũy khí tạo thành trong quá trình thử nghiệm kéo dài sáu ngày là khoảng 120.000 m3 (ở áp suất khí quyển). Tỷ lệ sản lượng khí đốt được khoảng 20.000 m3 / ngày (Yamamoto et al., 2014). Một đặc tính hồ chứa tích hợp và phân tích về sản xuất và số liệu giám sát được yêu cầu để hiểu rõ hơn về những phản ứng hình thành và quá trình MH phân ly trong quá trình thử nghiệm dòng chảy . Để xác định các lớp phân ly và mặt trước phân ly do các kiểm tra, tìm hiểu các điều kiện ban đầu của tài sản hồ chứa là rất quan trọng. Trong nghiên cứu này, đầu tiên chúng ta mô tả địa chất chung của khu vực nghiên cứu, sau đó chúng tôi tập trung vào MH-mang hồ chứa đặc tính dựa trên dữ liệu địa chấn và địa vật lý nổi khai thác gỗ. Cụ thể, chúng tôi tập trung vào các tính chất xuất hiện và thể chất của lớp MH chịu xác nhận từ địa chấn, địa vật lý khai thác gỗ, và các dữ liệu lấy mẫu lõi, đó sẽ là thông tin cơ bản cho việc giải thích các dữ liệu sản xuất / giám sát. 2. Thiết lập địa chất trong vùng β-MH-tập trung khu vực nghiên cứu của chúng tôi nằm trong lưu vực các Tokai-Kumano forearc dọc theo phía đông Nankai Trough, miền trung Nhật Bản (Fig. 1). Các thiết lập kiến tạo của đông Nankai Trough chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi một vụ va chạm giữa Izu-Ogasawara và vòng cung Honshu (Fig. 1a). Các Daini-Atsumi Knoll, off Enshu-Nada, là một phần của ENE-WSW xu hướng sườn núi bên ngoài (Hình. 1b), tương ứng với ranh giới giữa lăng kính accretionary và lưu vực forearc (Ashi et al., 2004). Trong khu vực này, các Kakegawa và Ogasa Groups Plio-Pleistocene có độ dày vài km (Takano et al., 2009). Các β-MHCZ nằm trên sườn phía tây bắc của Daini-Atsumi Knoll (Fig. 2). Một phác thảo của các β-MHCZ, như giải thích từ dữ liệu địa chấn 3D, được thể hiện bằng đường màu hồng inFigure 2; khu vực này là khoảng 12 km2, và độ sâu nước khoảng 857-1.405 m. Các β-MHCZ được phát hiện bởi logging địa vật lý và coring tại β1 tốt, mà đã được khoan vào năm 2004 (Fujii et al., 2009). Các MHCZ có bề dày vài chục mét và được xác nhận là chủ yếu chứa turbidite kênh loại trầm tích trong một hệ thống quạt tàu ngầm trong Nhóm Ogasa; tuổi của nó khoảng từ giữa đến cuối kỷ Pleistocene (Fujii et al., 2009 và Noguchi et al., 2011). Trên cơ sở những đánh giá bằng cách sử dụng tỷ lệ đồng vị oxy của vỏ foraminifera và phân tích tro núi lửa của mẫu lõi, tuổi địa chất của MHCZ tại dãy β1site 0,7-0,25 Ma (Yamasaki et al., 2011 và Yamasaki et al., 2012). Từ hội đồng coccolith, các lứa tuổi trầm của lõi trầm tích nằm trong khoảng 0,85-0,45 Ma (Egawa et al., 2015), đó là phù hợp tốt với điều đó từ tỉ lệ đồng vị oxy của vỏ foraminifera. Hình 3 cho thấy phần địa chấn đại diện từ β- MHCZ. Hình 3a là một mặt cắt ngang từ NW SE, mà là hướng của các dip hình. Trên cơ sở những sự giải thích của các bản ghi ảnh hình điện trở, nhúng hình thành của MHCZ là khoảng 20 ° ở β1 và AT1 các trang web. Hình 3b cho thấy một đoạn đường chuyền từ NW để SW, mà là hướng của đường hình đình công. Các MHCZ được phân phối trên dưới mô phỏng phản xạ (BSRs), được chỉ định bởi các đường xanh da trời trong hình 3; các MHCZ được đặc trưng bởi phản xạ địa chấn mạnh. Phía trên cùng của MHCZ được chỉ định bởi các đường màu vàng-xanh trong hình 3. top này giải thích không chỉ từ phản xạ địa chấn mạnh mẽ nhưng cũng bằng cách xem xét các kết quả từ phân tích vận tốc có độ phân giải cao (Saeki et al, 2008.).