GEO ExPro – Brud, brud overalt – Del I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Brud, brud overalt – Del I

Veludviklede fuger på fliser i St. Mary’s Chapel, Caithness, Skotland. (Kilde: Mike Norton)

Del I

Begrebet ‘brud’ omfatter ethvert brud eller strukturel diskontinuitet i bjergarter, hvor to brudflader i bjergarter (normalt plane) er adskilt af en smal spalte, der er langt kortere end brudets længde eller højde. Brud sker på grund af tab af kohæsion i klippen og er et typisk udtryk for sprød deformation i Jordens øvre skorpe (i modsætning til de strømnings- og foldestrukturer, der opstår i dybden af jordskorpen under duktile forhold).

Rockklatrer bruger naturlige brud i Cornish granit som hånd- og fodgreb. (Kilde: Jane Whaley)Brud er de mest almindelige strukturelle træk, der findes i alle typer bjergarter (magmatiske, sedimentære og metamorfe) og i alle pladetektoniske omgivelser, fra kontinentale rifter og midoceaniske rygge til subduktionsgrave og kontinentale kollisioner. Viden om brud er vigtig af videnskabelige, teknologiske og økonomiske årsager. Brud er en væsentlig del af de geologiske processer, der danner bjergbælter, sedimentære bassiner, kystlinjer, havbunden, jordskælv osv. Brud giver også fluidveje for bevægelse af grundvand, olie og gas, malmforekomster og magma.
Den videnskabelige undersøgelse af brud går tilbage til det nittende århundrede og er vokset hurtigt i de seneste årtier. Disse undersøgelser omfatter bjergartsobservationer og strukturel kortlægning på mikro- og makroniveau, eksperimentelt og analogt arbejde, geometrisk og geomekanisk analyse samt numerisk modellering og simulering.
I oliefeltoperationer skelner vi ofte mellem naturlige (naturligt forekommende) brud og brud af boreinduceret og hydraulisk (induceret af væskeinjektion til frakturering af bjergarter) oprindelse. Selv om naturlige brud findes i alle bjergarter, er de ikke alle ens, og den enkle betegnelse “naturlige brud” yder ikke retfærdighed til deres kompleksitet. Karakterisering af brud baseret på videnskabelige principper og data er derfor afgørende for deres udnyttelse i forbindelse med ressourceudvinding og produktion.

Frakturer findes i forskellige former

Flere typer af brud på en konjugeret normalforkastningsstruktur. Modificeret fra Haakon Fossen, Structural Geology (2010).Brud forekommer på forskellige skalaer fra mineral til tektonisk plade og opstår i mange former ved en række forskellige processer. Brud er en samlet betegnelse for en række forskellige brud i bjergarter.
På mineralsk kornskala er brud et krystalbrud langs ujævne eller krumme overflader; det kræver, at der påføres en ydre kraft på krystallet. (Brud er forskelligt fra krystalspaltning, mineralkrystallens tendens til at dele sig langs et eller flere glatte planer, som er relateret til arrangementet af kemiske bindinger i mineralgitteret). På et tyndt snit af en bjergartsprøve kan vi observere mikrobrud, som kan være intragranulære (begrænset til enkelte korn) eller intergranulære (skærende på tværs af flere korn).
I udgravninger af sedimentære bjergarter er lagdelingsplaner og samlinger sandsynligvis de mest iøjnefaldende bjergartsbrud. Lagdelingsplaner adskiller lag af på hinanden følgende sedimentære bjergarter på grund af ændringer i litologien eller andre sedimentære egenskaber. Udtrykket led blev først brugt af minearbejdere, som mente, at bjergarterne blev “sat sammen” langs disse planer som byggeklodser. Fuger viser ikke synlig forskydning, men er dilatations- (åbnings) eller udvidelsesbrud, der er dannet af trækspænding. Andre typer af udvidelsesbrud omfatter sprækker (brede åbninger fyldt med luft, vand eller andre væsker), årer (fyldt med mineraler) og dykes (lodrette, brede brud fyldt med plutonisk eller vulkansk sten).
Skærende brud viser derimod relativ bevægelse (glidning) af to brudvægge parallelt med brudplanet (glideflade). Skårne brud har normalt forskydninger i millimeter- til centimeterskalaen, mens forkastninger har større forskydninger. Brud har ofte polerede eller stribede overflader (kaldet slickensider), som skyldes gnidningsglidning mellem brudvæggene. Geologer kan bruge slickenlines (riller på forkastningsoverfladen) til at bestemme forkastningsretningen.

En geometrisk klassifikation af brud i langsgående, tværgående (cross), konjugerede, diagonale (skrå) og ortogonale brud, der er udviklet på en foldestruktur. Disse feltbaserede begreber blev formuleret af geologer i første halvdel af det 20. århundrede. Modificeret fra Singhal og Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010) I olie- og grundvandsindustrien henviser brud ofte til led i reservoirskala og andre åbne, udvidede brud, der har positive konsekvenser for væskeflowet under overfladen. I denne begrænsede betydning betragtes f.eks. store forkastninger som en anden egenskab. Derfor hører vi ofte om “brud og forkastninger” i reservoirbjergarter, hvilket svarer til at sige, at der er “dyr og hunde på vores gård”. Brud udgør faktisk en væsentlig form for brud og er genetisk forbundet med mange andre typer brud. (For forskellige typer af brud, se den todelte artikel “Know Your Faults”, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 og No. 6).
Nogle specielle typer brud er også værd at bemærke her. Mudderrevner (udtørringsbrud) er polygoner af ekstensionsbrud, der udvikler sig i meget lerrige sedimenter på grund af krympning og tab af vand. Kløfter er naturlige, åbne brud i kullag, der er fyldt med naturgas eller vand. Deformationsbånd er millimeterbrede, plane træk i sandsten med høj porøsitet, der viser lidt forskydning, men er karakteriseret ved bånd med lav porøsitet og lavpermeabilitet bjergarter, men de er ikke alle ens på grund af mineralsk kornstrømning, frakturering eller cementering; de grupperer sig omkring forkastninger.
Nogle frakturer danner spektakulære træk på satellitbilleder; de er også vigtige for væskebevægelser på skorpeplanet. Lineamenter er fysiografiske linjer på regionalt plan, der viser deformation af bjergarter ved større forkastninger eller foldninger. Brudzoner på havbunden strækker sig ud over de mellemoceaniske rygge til kontinentalranden.

Frakturkarakterisering

En omfattende karakterisering af brud omfatter kortlægning, måling og dokumentation af en række parametre, herunder følgende:
1. Brudstypen og dens fyldning (om den er åben eller fyldt).
2. Brudets tilknytning til en bestemt lithologi, struktur (forkastning, fold eller ingen struktur), deformationshistorie (alder) og det nuværende (in-situ) spændingsfelt.
3. Systematiske bjergartsbrud udvikler sig ofte i et eller flere sæt brud. Det er vigtigt at kortlægge og kvantificere disse brud og beregne deres relative alder.
4. Frakturernes retning omfatter streg (i forhold til nord) og dykningsvinkel (fra 0° vandret til 90° lodret) og retning (dykningsretningen er altid vinkelret på stregningsretningen). Disse data kan vises på stereografiske plot med lige store arealer. Brudstrejketrends kan også plottes på et rosediagram eller et histogram.
5. Brudlængden angiver strukturens laterale vedholdenhed. Sporlængder på <1m er meget lav persistens, mens sporlængder på >20m er brud med meget høj persistens.

6. Spændingsafstanden mellem brud og dens relation til lagtykkelse eller strukturel position (forkastningsrelateret, foldningsrelateret eller ingen) er afgørende data. Ved udgravninger kan brudspacingen måles med et bånd langs en scanline. Observationer viser, at meget stive lag har flere brud end meget svage lag, og for en given lithologi har tyndere lag tættere brud med tættere afstand mellem hinanden. International Society for Rock Mechanics (ISRM) har anbefalet følgende skala til klassificering af brudfladerne: ekstremt tæt afstand (<0,02 m), meget tæt afstand (0,02-0,06 m), tæt afstand (0,06-0,2 m), moderat afstand (0,2-0,6 m), bred afstand (0,6-2,0 m), meget bred afstand (2,0-6,0 m) og ekstremt bred afstand (>6,0 m). Brudfrekvens er defineret som antallet af brud pr. meter længde. Den er således den omvendte af brudspredningen. Brudfrekvens er lig med 1/brudafstand.
7. Befolkning: Forekomsten af brud kan kvantificeres i 1D (brudfrekvens for en given længde), 2D (brudintensitet for et givet areal) og 3D (bruddensitet for et givet volumen).
8. Åbning er den vinkelrette afstand mellem de tilstødende klippevægge (brudflader) i et brud. Den kan være åben (med luft, vand eller anden væske) eller lukket (udfyldt af brudsten eller et andet indsprøjtet materiale). Åbningen kan være tæt (<0,25 mm) for lukkede brud eller bred (>10 mm) for åbne brud. Åbningen aftager langs brudets længde i retning af brudets front. Åbningen kan også ændre sig langs højden af et brud på grund af asperiteter (se nedenfor). Ofte anvendes udtrykkene “ækvivalent”, “hydraulisk” og “mekanisk” åbning afhængigt af metoderne og formålet med vurderingen af disse åbninger.
9. Brudvægge har ikke perfekte parallelle, glatte overflader, men indeholder ruheder og uregelmæssigheder kaldet asperiteter, som reducerer brudpermeabiliteten. En vis viden om asperiteter kan således bidrage til en bedre modellering af væskestrømningen gennem bruddet.

Anatomi af brud i bjergarter. (Kilde: Rasoul Sorkhabi)10. Brudets stivhed (målt i Pascal/mm) beskriver brudets spændingsdeformation med hensyn til normalspænding (normal stivhed eller modstand mod lukning) og forskydningsspænding (forskydningsstivhed eller modstand mod forskydning af forskydningen). Det er vanskeligst at få data om brudets stivhed, fordi de kræver geomekaniske laboratorie- eller in-situ-forsøg med brudte bjergarter.
11. Brudforbindelse: Krydsning af naturlige brud giver et permeabilitetsnetværk for væsker, hvorimod usammenhængende, isolerede brud ikke er hydraulisk effektive. Chancen for brudforbindelse øges med større antal og længde af brud i et givet bjergartsvolumen.
12. Petrofysiske egenskaber ved brud, herunder porøsitet og permeabilitet.

Frakturerede reservoirer

Alle reservoirbjergarter er brudt i en vis grad og normalt af mere end én proces. Ikke desto mindre henviser udtrykket “fraktureret reservoir” til et tæt reservoir (matrixpermeabilitet < 0,1 mD), hvor naturlige brud spiller en væsentlig rolle for permeabiliteten for væskestrømning (vand, olie eller naturgas). I disse reservoirer er kortlægning og karakterisering af brud i en geologisk 3D-model og kvantificering af bruddenes petrofysiske egenskaber derfor af afgørende betydning for boring og produktion.
I sin bog Geologic Analysis of Fractured Reservoirs har Ronald Nelson beskrevet en klassifikation af reservoirer baseret på porøsitet og permeabilitet af både bjergmatrix og brud. Der skelnes således mellem fire typer:

Klassifikation af reservoirer baseret på petrofysiske egenskaber ved bjergarternes brud. Modificeret fra Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- I type I-reservoirer giver bruddene den væsentlige porøsitet og permeabilitet (f.eks. Amal-feltet, Libyen; Ellenburger-felterne, Texas). Disse reservoirer har høje aftagende kurver pr. brønd.
– I type II-reservoirer er det bruddene, der udgør den væsentlige permeabilitet (f.eks. Agha Jari-feltet, Iran; Rangely, Colorado).
– I type III-reservoirer bidrager bruddene til permeabiliteten i et allerede producerbart reservoir (f.eks. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– I type IV-reservoirer fungerer bruddene faktisk som væskebarrierer (f.eks. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Disse reservoirer er strukturelt opdelte.
Frakturer under overfladen udgør altid en udfordring for efterforskning og produktion. I olie-, geotermisk- og grundvandsindustrien anvendes der derfor en lang række materialer, værktøjer og teknikker til at identificere, kortlægge og karakterisere brud. Det drejer sig bl.a. om bassintektonik, analogier fra udgravninger, kerner, borehulslogfiler, seismiske sektioner, in-situ-spændingsdata, flowprøver i boringer, geomekaniske eksperimenter osv.