GEO ExPro – Fracture, Fracture Everywhere – Part I
Dobrze rozwinięte zestawy stawów na płytach chodnikowych w St. Mary’s Chapel, Caithness, Szkocja. (Źródło: Mike Norton)
Część I
Termin „szczelina” obejmuje wszelkie pęknięcia lub nieciągłości strukturalne w skałach, w których dwie powierzchnie pęknięcia skały (zwykle planarne) są oddzielone wąską szczeliną, znacznie krótszą niż długość lub wysokość szczeliny. Pęknięcia występują z powodu utraty spójności w skale i są typowym wyrazem kruchej deformacji w górnej skorupie ziemskiej (w przeciwieństwie do struktur przepływu i fałdowania, które występują na głębokości skorupy w warunkach plastycznych).
Wspinacz skałkowy używający naturalnych pęknięć w kornwalijskim granicie jako uchwytów dla rąk i stóp. (Źródło: Jane Whaley)Szczeliny są najbardziej powszechnymi cechami strukturalnymi, które występują we wszystkich typach skał (iglaste, osadowe i metamorficzne) i we wszystkich płytowo-tektonicznych ustawieniach, od ryftów kontynentalnych i grzbietów śródoceanicznych do rowów subdukcyjnych i kolizji kontynentalnych. Wiedza o szczelinach jest ważna zarówno dla celów naukowych, technologicznych jak i ekonomicznych. Szczeliny są istotną częścią procesów geologicznych, które tworzą pasy górskie, baseny sedymentacyjne, linie brzegowe, dna oceanów, trzęsienia ziemi, itd. Szczeliny zapewniają również płynne drogi dla ruchu wód gruntowych, ropy i gazu, złóż rud i magmy.
Naukowe badania szczelin sięgają XIX wieku i gwałtownie wzrosły w ostatnich dziesięcioleciach. Badania te obejmują obserwacje skał i mapowanie strukturalne w skali mikro i makro, prace eksperymentalne i analogowe, analizy geometryczne i geomechaniczne oraz modelowanie i symulacje numeryczne.
W eksploatacji złóż ropy naftowej często rozróżnia się szczeliny naturalne (występujące naturalnie) oraz szczeliny pochodzenia wiertniczego i hydraulicznego (wywołane wtryskiwaniem płynu do szczelinowania skał). Mimo, że naturalne szczeliny występują we wszystkich skałach, nie są one jednakowe, a proste określenie „naturalne szczeliny” nie oddaje sprawiedliwości ich złożoności. Charakterystyka szczelin oparta na naukowych zasadach i danych jest więc kluczowa dla ich wykorzystania w eksploracji i eksploatacji zasobów.
Szczeliny występują w różnych formach
Różne typy szczelin na sprzężonej strukturze uskoku normalnego. Zmodyfikowano z Haakon Fossen, Structural Geology (2010). Szczelinowanie występuje w różnych skalach, od minerału do płyty tektonicznej, i jest generowane w wielu formach przez wiele różnych procesów. Pęknięcie jest zbiorczym terminem dla różnorodnych przerw w skałach.
W skali ziarna mineralnego, pęknięcie jest pęknięciem kryształu wzdłuż nierównych lub zakrzywionych powierzchni; wymaga zewnętrznej siły przyłożonej do kryształu. (Pęknięcie różni się od rozszczepienia kryształu, tendencji kryształu mineralnego do podziału wzdłuż jednej lub więcej gładkich płaszczyzn, co jest związane z układem wiązań chemicznych w siatce mineralnej). Na cienkim przekroju próbki skały możemy zaobserwować mikropęknięcia, które mogą być wewnątrzgranularne (ograniczone do pojedynczych ziaren) lub międzyziarnowe (przecinające kilka ziaren).
W wychodniach skał osadowych, płaszczyzny spągowe i stawy są prawdopodobnie najbardziej rzucającymi się w oczy szczelinami skalnymi. Bedding planes oddzielają warstwy kolejnych skał osadowych z powodu zmian w litologii lub innych właściwości osadów. Termin fuga został po raz pierwszy użyty przez górników, którzy uważali, że skały są „łączone” wzdłuż tych płaszczyzn jak klocki. Spoiny nie wykazują widocznego ścinania, ale są szczelinami dylatacyjnymi (otwierającymi się) lub rozszerzającymi się, powstałymi w wyniku naprężeń rozciągających. Inne typy szczelin to szczeliny (szerokie otwory wypełnione powietrzem, wodą lub innymi płynami), żyły (wypełnione minerałami) i groble (pionowe, szerokie szczeliny wypełnione skałami plutonicznymi lub wulkanicznymi).
Z drugiej strony, szczeliny ścinane wykazują względny ruch (poślizg) dwóch ścian szczeliny równolegle do płaszczyzny szczeliny (powierzchnia poślizgu). Szczeliny ścięte mają zwykle przemieszczenia w skali od milimetra do centymetra, podczas gdy uskoki mają większe przemieszczenia. Uskoki często mają polerowane lub prążkowane powierzchnie (tzw. slickensides), które powstają w wyniku tarciowego poślizgu ścian uskoku. Geolodzy mogą wykorzystać slickenlines (rowki na powierzchni uskoku) do określenia kierunku uskoku.
Geometryczna klasyfikacja szczelin na szczeliny podłużne, poprzeczne (krzyżowe), sprzężone, ukośne (skośne) i ortogonalne, rozwinięte na strukturze fałdowej. Koncepcje te zostały sformułowane przez geologów w pierwszej połowie XX wieku. W przemyśle naftowym i wód podziemnych pojęcie szczelinowania często odnosi się do szczelin zbiornikowych i innych otwartych, rozszerzających się szczelin, które mają pozytywny wpływ na przepływ płynów podpowierzchniowych. W tym ograniczonym znaczeniu, duże uskoki, na przykład, są uważane za inną cechę. Stąd często słyszymy o „szczelinach i uskokach” w skałach zbiornikowych, co jest jak mówienie, że na naszej farmie są „zwierzęta i psy”. Uskoki rzeczywiście stanowią istotny rodzaj szczelinowatości i są genetycznie powiązane z wieloma innymi rodzajami szczelin. (O różnych typach uskoków, patrz dwuczęściowy artykuł „Know Your Faults”, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 i No. 6).
Na uwagę zasługują tu również pewne szczególne typy szczelin. Pęknięcia błotne (pęknięcia wysuszające) to wielokąty szczelin rozciągających, które rozwijają się w osadach bogatych w glinę na skutek kurczenia się i utraty wody. Rozpadliny są naturalnymi, otwartymi szczelinami w pokładach węgla wypełnionych gazem ziemnym lub wodą. Pasma deformacji to szerokie na milimetry, planarne elementy w piaskowcach o dużej porowatości, które wykazują niewielkie przesunięcie, ale charakteryzują się niską porowatością i niską przepuszczalnością skał, ale nie wszystkie są takie same ze względu na przepływ ziaren mineralnych, szczelinowanie lub cementację; skupiają się one wokół uskoków.
Niektóre szczeliny tworzą spektakularne cechy na zdjęciach satelitarnych; są one również ważne dla ruchów płynów w skali skorupy ziemskiej. Lineamenty są liniami fizjograficznymi o zasięgu regionalnym, które wskazują na deformację skał przez główne uskoki lub fałdy. Ocean-floor fracture zones extend beyond the mid-ocean ridges to continental margins.
Fracture Characterisation
A comprehensive fracture characterisation involves mapping, measuring and documenting a number of parameters including the following:
1. Typ szczeliny i jej wypełnienie (otwarta lub wypełniona). 3. Systematyczne pęknięcia skał często rozwijają się w jeden lub więcej zespołów szczelin. Ważne jest, aby określić i określić ilościowo te zestawy szczelin i opracować ich względny wiek. 5. Długość szczelin wskazuje na boczną trwałość struktury. Długości śladów <1m oznaczają bardzo małą trwałość, a >20m – bardzo dużą trwałość.
-
W 1961 r. w Biuletynie AAPG (Vol. 45), R.A. Hodgson opublikował swoje badania nad wzorami fug opracowane na skałach w Arizonie i Utah, w których rozróżnił fugi systematyczne, które są planarne, równoległe i równomiernie rozmieszczone oraz fugi niesystematyczne, które są nieregularne w swojej formie, orientacji i rozmieszczeniu. Systematyczne fugi tworzą „wszechobecne zespoły szczelin” prostopadłe do powierzchni podłoża i mogą być połączone „fugami poprzecznymi”. Zespoły spękań mogą przecinać się pod stałym kątem dwuścianu; splecione spękania mają kąty dwuścianu 30°-60°, podczas gdy spękania ortogonalne są pod kątem prostym (prawie 90°). Non-systematic joints are curved and often terminate at bedding surfaces.
-
Bedding joints Based on the orientation of fractures with respect to bedding fractures (notably joints) are classified into strike joints (in plan view, parallel to the strike of bedding plane), dip joints (perpendicular to bedding), and bedding joints (parallel to bedding in both plan and vertical view).
6. Rozmieszczenie szczelin i ich związek z miąższością złoża lub pozycją strukturalną (związaną z uskokami, fałdami lub brakiem) są danymi kluczowymi. Na wychodniach rozstaw szczelin może być mierzony za pomocą taśmy wzdłuż linii skanowania. Obserwacje wykazują, że warstwy bardzo sztywne mają więcej szczelin niż warstwy bardzo słabe, a dla danej litologii cieńsze pokłady mają szczeliny rozmieszczone blisko siebie. Międzynarodowe Towarzystwo Mechaniki Skał (International Society for Rock Mechanics – ISRM) zaleciło następującą skalę klasyfikacji odstępów między szczelinami: bardzo bliskie odstępy (<0,02m), bardzo bliskie odstępy (0,02-0,06m), bliskie odstępy (0,06-0,2m), umiarkowane odstępy (0,2-0,6m), szerokie odstępy (0,6-2,0m), bardzo szerokie odstępy (2,0-6,0m) i bardzo szerokie odstępy (>6,0m). Częstość złamań definiuje się jako liczbę złamań na metr długości. Jest ona zatem odwrotnością rozstawu szczelin. Częstość złamań jest równa 1/rozstaw złamań.
7. populacja: Występowanie szczelin można określić ilościowo w skali 1D (częstość występowania szczelin dla danej długości), 2D (intensywność występowania szczelin dla danej powierzchni) i 3D (gęstość występowania szczelin dla danej objętości).
Anatomia szczelin skalnych. (Źródło: Rasoul Sorkhabi)10. Sztywność szczeliny (mierzona w Pascal/mm) opisuje naprężenie-odkształcenie szczeliny w odniesieniu do naprężenia normalnego (sztywność normalna lub odporność na zamknięcie) i naprężenia ścinającego (sztywność ścinająca lub odporność na przemieszczenie ścinające). Dane dotyczące sztywności szczelin są najtrudniejsze do uzyskania, ponieważ wymagają przeprowadzenia laboratoryjnych badań geomechanicznych lub eksperymentów in-situ na skałach szczelinowatych.
11. Łączność szczelin: krzyżowanie się naturalnych szczelin tworzy sieć przepuszczalności dla płynów, podczas gdy rozłączone, izolowane szczeliny nie są efektywne hydraulicznie. Szansa na łączność szczelin wzrasta wraz z większą liczbą i długością szczelin w danej objętości skały.
12. Petrofizyczne właściwości szczelin, w tym porowatość i przepuszczalność.
Zasobniki szczelinowe
Wszystkie skały zbiornikowe są do pewnego stopnia szczelinowane i zazwyczaj w wyniku więcej niż jednego procesu. Niemniej jednak termin „szczelinowany zbiornik” odnosi się do ciasnego zbiornika (przepuszczalność matrycy < 0,1 mD), w którym naturalne szczeliny odgrywają znaczącą rolę w przepuszczalności dla przepływu płynu (wody, ropy lub gazu ziemnego). Dlatego w takich zbiornikach mapowanie i charakterystyka szczelin w trójwymiarowym modelu geologicznym oraz ilościowe określenie właściwości petrofizycznych szczelin ma ogromne znaczenie dla wierceń i produkcji.
W książce Geologic Analysis of Fractured Reservoirs, Ronald Nelson opisał klasyfikację zbiorników opartą na porowatości i przepuszczalności zarówno matrycy skalnej, jak i szczelin. Wyróżnia więc cztery typy:
Klasyfikacja zbiorników oparta na petrofizycznych właściwościach szczelin skalnych. Zmodyfikowano z Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- W zbiornikach typu I, szczeliny zapewniają podstawową porowatość i przepuszczalność (np. pole Amal, Libia; pola Ellenburger, Texas). Złoża te mają wysokie krzywe spadku na odwiert.
– W złożach typu II, szczeliny zapewniają podstawową przepuszczalność (np. pole Agha Jari, Iran; Rangely, Colorado).
Podpowierzchniowe szczeliny zawsze stanowią wyzwanie dla poszukiwań i produkcji. Dlatego w przemyśle naftowym, geotermalnym i wód podziemnych do identyfikacji, mapowania i charakterystyki szczelin wykorzystuje się szeroką gamę materiałów, narzędzi i technik. Obejmują one tektonikę basenu, analogi wychodni, rdzenie, rejestry obrazowania otworów wiertniczych, przekroje sejsmiczne, dane naprężeń in-situ, testy przepływu w odwiercie, eksperymenty geomechaniczne i tak dalej.
.