GEO ExPro – Frattura, frattura ovunque – Parte I

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GEO ExPro – Frattura, frattura ovunque – Parte I

Insiemi di giunti ben sviluppati su lastre di pietra a St. Mary’s Chapel, Caithness, Scozia. (Fonte: Mike Norton)

Parte I

Il termine ‘frattura’ include qualsiasi rottura o discontinuità strutturale nelle rocce in cui due superfici di frattura della roccia (solitamente planari) sono separate da una stretta fessura, molto più corta della lunghezza o dell’altezza della frattura. La fratturazione avviene a causa della perdita di coesione nella roccia ed è un’espressione tipica della deformazione fragile nella crosta superiore della Terra (in contrasto con le strutture di flusso e piegatura che si verificano a profondità della crosta in condizioni duttili).

Rock climber che usa fratture naturali nel granito della Cornovaglia come appigli per mani e piedi. (Fonte: Jane Whaley)Le fratture sono le caratteristiche strutturali più comuni che si trovano in tutti i tipi di rocce (ignee, sedimentarie e metamorfiche) e in tutti i contesti tettonici, dalle fratture continentali e dalle dorsali medio-oceaniche alle fosse di subduzione e alle collisioni continentali. La conoscenza delle fratture è importante per scopi scientifici, tecnologici ed economici. Le fratture sono parti essenziali dei processi geologici che formano catene montuose, bacini sedimentari, coste, fondali oceanici, terremoti e così via. Le fratture forniscono anche percorsi fluidi per il movimento di acque sotterranee, petrolio e gas, depositi di minerali e magma.
Le indagini scientifiche sulle fratture risalgono al diciannovesimo secolo e sono cresciute rapidamente negli ultimi decenni. Queste indagini includono l’osservazione delle rocce e la mappatura strutturale a livello micro e macro, lavori sperimentali e analogici, analisi geometriche e geomeccaniche, e modellazione e simulazione numerica.
Nelle operazioni sul campo petrolifero, spesso si distingue tra fratture naturali (che si verificano naturalmente) e quelle di origine indotta dalla perforazione e idraulica (indotte dall’iniezione di fluidi per la fratturazione delle rocce). Anche se le fratture naturali si trovano in tutte le rocce, non sono tutte uguali, e il semplice termine “fratture naturali” non rende giustizia alla loro complessità. La caratterizzazione delle fratture basata su principi e dati scientifici è quindi cruciale per il loro utilizzo nell’esplorazione e produzione delle risorse.

Le fratture hanno varie forme

Vari tipi di fratture su una struttura di faglia normale coniugata. Modificato da Haakon Fossen, Structural Geology (2010).La fratturazione avviene a varie scale, dal minerale alla placca tettonica, ed è generata in numerose forme da un certo numero di processi distinti. Frattura è un termine collettivo per una varietà di rotture nelle rocce.
Su una scala di grani minerali, la frattura è la rottura del cristallo lungo superfici irregolari o curve; richiede una forza esterna applicata al cristallo. (La frattura è diversa dalla scissione dei cristalli, la tendenza del cristallo minerale a dividersi lungo uno o più piani lisci, che è legata alla disposizione del legame chimico nel reticolo minerale). Su una sezione sottile di un campione di roccia, possiamo osservare microfratture che possono essere intragranulari (limitate a singoli grani) o intergranulari (che tagliano diversi grani).
In affioramenti di rocce sedimentarie, i piani di allettamento e i giunti sono probabilmente le fratture più vistose della roccia. I piani di allettamento separano strati di rocce sedimentarie successive a causa di cambiamenti nella litologia o in altre proprietà sedimentarie. Il termine giunto è stato usato per la prima volta dai minatori che pensavano che le rocce fossero “unite” lungo questi piani come blocchi da costruzione. I giunti non mostrano un taglio visibile ma sono fratture dilatative (apertura) o di estensione formate da sollecitazioni di trazione. Altri tipi di fratture da estensione includono fessure (ampie aperture riempite di aria, acqua o altri fluidi), vene (piene di minerali), e dighe (fratture verticali, ampie riempite di roccia plutonica o vulcanica).
Le fratture da taglio, d’altra parte, mostrano il movimento relativo (slittamento) di due pareti di frattura parallele al piano di frattura (superficie di slittamento). Le fratture tranciate di solito hanno spostamenti di scala millimetrica o centimetrica, mentre le faglie hanno spostamenti più grandi. Le faglie hanno spesso superfici levigate o striate (chiamate slickenides) che risultano dallo scorrimento per attrito delle pareti della faglia. I geologi possono usare le slickenlines (scanalature sulla superficie della faglia) per determinare la direzione della faglia.

Una classificazione geometrica delle fratture in fratture longitudinali, trasversali (croce), coniugate, diagonali (oblique) e ortogonali sviluppate su una struttura a pieghe. Questi concetti basati sul campo sono stati formulati dai geologi nella prima metà del 20° secolo. Modificato da Singhal e Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). Nell’industria petrolifera e delle acque sotterranee, la frattura si riferisce spesso a giunti su scala del serbatoio e ad altre fratture aperte, di estensione, che hanno implicazioni positive per il flusso dei fluidi nel sottosuolo. In questo senso limitato, le grandi faglie, per esempio, sono considerate una caratteristica diversa. Così sentiamo spesso parlare di “fratture e faglie” nelle rocce serbatoio, che è come dire che ci sono “animali e cani nella nostra fattoria”. Le faglie rappresentano effettivamente un tipo significativo di fratturazione e sono geneticamente associate a molti altri tipi di fratture. (Per i vari tipi di faglie, vedi l’articolo in due parti ‘Know Your Faults’, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 e No. 6).
Alcuni tipi speciali di fratture sono anche degni di nota qui. Le fratture da fango (fratture da disseccamento) sono poligoni di fratture estensionali che si sviluppano in sedimenti altamente argillosi a causa del ritiro e della perdita di acqua. Le fratture sono fratture naturali a modalità aperta in letti di carbone riempiti di gas naturale o acqua. Le bande di deformazione sono caratteristiche planari larghe millimetri in arenarie ad alta porosità che mostrano poco offset ma sono caratterizzate da rocce a bassa porosità e bassa permeabilità, ma non sono tutte uguali a causa dello scorrimento dei grani minerali, della fratturazione o della cementazione; si raggruppano intorno alle faglie.
Alcune fratture formano caratteristiche spettacolari sulle immagini satellitari; sono anche importanti per i movimenti dei fluidi su scala crostale. I lineamenti sono linee fisiografiche di estensione regionale che indicano la deformazione delle rocce tramite faglie o pieghe importanti. Le zone di frattura del fondo dell’oceano si estendono oltre le dorsali medio-oceaniche fino ai margini continentali.

Caratterizzazione delle fratture

Una caratterizzazione completa delle fratture comporta la mappatura, la misurazione e la documentazione di una serie di parametri tra cui i seguenti:
1. Tipo di frattura e il suo riempimento (se aperto o riempito).
2. Associazione della frattura con una particolare litologia, struttura (faglia, piega o nessuna struttura), storia della deformazione (età) e campo di stress attuale (in situ).
3. Le fratture sistematiche della roccia si sviluppano spesso in uno o più gruppi di fratture. È importante mappare e quantificare questi insiemi di fratture e determinare la loro età relativa.
4. L’attitudine delle fratture include lo strike (rispetto al Nord) e l’angolo di dip (da 0° orizzontale a 90° verticale) e la direzione (la direzione di dip è sempre perpendicolare alla direzione di strike). Questi dati possono essere visualizzati su grafici stereografici ad area uguale. Le tendenze di percussione delle fratture possono anche essere tracciate su un diagramma a rosa o su un istogramma.
5. La lunghezza della frattura indica la persistenza laterale della struttura. Lunghezze di tracce di <1m sono a persistenza molto bassa, mentre quelle di >20m sono fratture a persistenza molto alta.

6. La spaziatura delle fratture e la sua relazione con lo spessore del letto o la posizione strutturale (legata alla faglia, alla piega, o nessuna) sono dati cruciali. In affioramento, la spaziatura delle fratture può essere misurata con un nastro lungo una linea di scansione. Le osservazioni mostrano che gli strati molto rigidi hanno più giunti degli strati molto deboli; e per una data litologia, i letti più sottili hanno giunti molto distanziati. La Società Internazionale per la Meccanica delle Rocce (ISRM) ha raccomandato la seguente scala per classificare la spaziatura delle fratture: spaziatura estremamente stretta (<0.02m), spaziatura molto stretta (0.02-0.06m), spaziatura stretta (0.06-0.2m), spaziatura moderata (0.2-0.6m), spaziatura larga (0.6-2.0m), spaziatura molto larga (2.0-6.0m), ed estremamente larga (>6.0m). La frequenza delle fratture è definita come il numero di fratture per metro di lunghezza. È quindi l’inverso della spaziatura delle fratture. La frequenza delle fratture è uguale a 1/frazione.
7. Popolazione: La presenza di fratture può essere quantificata in 1D (frequenza delle fratture per una data lunghezza), 2D (intensità delle fratture per una data area), e 3D (densità delle fratture per un dato volume).
8. L’apertura è la distanza perpendicolare tra le pareti di roccia adiacenti (superfici di frattura) di una frattura. Può essere aperta (contenente aria, acqua o altro fluido) o chiusa (riempita da roccia di faglia o altro materiale iniettato). L’apertura può essere stretta (<0,25mm) per le fratture chiuse o ampia (>10mm) per le fratture aperte. L’apertura diminuisce lungo la lunghezza di una frattura verso il fronte di frattura. L’apertura può anche cambiare lungo l’altezza di una frattura a causa delle asperità (vedi sotto). Spesso i termini “equivalente”, “idraulico” e “meccanico” sono usati a seconda dei metodi e dello scopo della loro stima.
9. Le pareti delle fratture non hanno superfici perfette parallele e lisce, ma contengono rugosità e irregolarità chiamate asperità, che riducono la permeabilità della frattura. Una certa conoscenza delle asperità può quindi aiutare una migliore modellazione del flusso di fluido attraverso la frattura.

Anatomia delle fratture nella roccia. (Fonte: Rasoul Sorkhabi)10. La rigidità della frattura (misurata in Pascal/mm) descrive lo sforzo-deformazione della frattura rispetto allo sforzo normale (rigidità normale o resistenza alla chiusura) e allo sforzo di taglio (rigidità di taglio o resistenza allo spostamento di taglio). I dati sulla rigidità della frattura sono i più difficili da ottenere perché coinvolgono esperimenti geomeccanici di laboratorio o in situ di rocce fratturate.
11. Connettività delle fratture: l’intersezione delle fratture naturali fornisce una rete di permeabilità per i fluidi, mentre le fratture disconnesse e isolate non sono idraulicamente efficaci. La possibilità di connettività delle fratture aumenta con una maggiore popolazione e lunghezza delle fratture in un dato volume di roccia.
12. Proprietà petrofisiche delle fratture, incluse porosità e permeabilità.

Serbatoi fratturati

Tutte le rocce serbatoio sono fratturate in qualche misura e solitamente da più di un processo. Tuttavia, il termine “serbatoio fratturato” si riferisce a un serbatoio stretto (permeabilità della matrice < 0,1 mD) in cui le fratture naturali svolgono un ruolo significativo di permeabilità per il flusso di fluidi (acqua, petrolio o gas naturale). In questi serbatoi, quindi, la mappatura e la caratterizzazione delle fratture in un modello geologico 3D e la quantificazione delle proprietà petrofisiche delle fratture è di fondamentale importanza per la perforazione e la produzione.
Nel suo libro Geologic Analysis of Fractured Reservoirs, Ronald Nelson ha descritto una classificazione dei serbatoi basata sulla porosità e la permeabilità sia della matrice della roccia che delle fratture. Si distinguono così quattro tipi:

Classificazione dei serbatoi basata sulle proprietà petrofisiche delle fratture della roccia. Modificato da Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- Nei serbatoi di tipo I, le fratture forniscono la porosità e la permeabilità essenziali (per esempio Amal field, Libia; Ellenburger fields, Texas). Questi serbatoi hanno curve di declino elevate per pozzo.
– Nei serbatoi di tipo II, le fratture forniscono la permeabilità essenziale (es. campo Agha Jari, Iran; Rangely, Colorado).
– Nei serbatoi di tipo III, le fratture contribuiscono alla permeabilità di un serbatoio già producibile (ad esempio Kirkuk, Iraq; Cottonwood Creek, Wyoming).
– Nei serbatoi di tipo IV, le fratture agiscono effettivamente come barriere di fluido (ad esempio Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Questi serbatoi sono strutturalmente compartimentati.
Le fratture sotterranee rappresentano sempre una sfida per l’esplorazione e la produzione. Nell’industria petrolifera, geotermica e delle acque sotterranee, quindi, viene utilizzata un’ampia varietà di materiali, strumenti e tecniche per identificare, mappare e caratterizzare le fratture. Questi includono la tettonica del bacino, gli analoghi degli affioramenti, le carote, i log di imaging dei pozzi, le sezioni sismiche, i dati di stress in situ, i test di flusso dei pozzi, gli esperimenti geomeccanici, e così via.