GEO ExPro – Fractura, Fractura Pretutindeni – Partea I
Seturi de îmbinări bine dezvoltate pe dalele de la St. Mary’s Chapel, Caithness, Scoția. (Sursa: Mike Norton)
Partea I
Termenul „fractură” include orice ruptură sau discontinuitate structurală în roci, în care două suprafețe de fractură a rocilor (de obicei plane) sunt separate de o fantă îngustă, mult mai scurtă decât lungimea sau înălțimea fracturii. Fracturarea are loc din cauza pierderii coeziunii în rocă și este o expresie tipică a deformării fragile în scoarța superioară a Pământului (spre deosebire de structurile de curgere și pliere care apar la adâncimea scoarței în condiții de ductilitate).
Călcator de stâncă care folosește fracturile naturale din granitul Cornish ca prize pentru mâini și picioare. (Sursa: Jane Whaley)Fracturile sunt cele mai comune caracteristici structurale care se regăsesc în toate tipurile de roci (igneice, sedimentare și metamorfice) și în toate mediile plate-tectonice, de la falii continentale și dorsale medio-ocenice până la șanțuri de subducție și coliziuni continentale. Cunoașterea fracturilor este importantă în scopuri științifice, tehnologice, precum și economice. Fracturile sunt părți esențiale ale proceselor geologice care formează centuri muntoase, bazine sedimentare, linii de coastă, fundul oceanelor, cutremure și așa mai departe. De asemenea, fracturile asigură căile de circulație a fluidelor pentru mișcarea apelor subterane, a petrolului și a gazelor, a depozitelor de minereuri și a magmei.
Investigațiile științifice asupra fracturilor datează din secolul al XIX-lea și au crescut rapid în ultimele decenii. Aceste investigații includ observații ale rocilor și cartografierea structurală la nivel micro și macro, lucrări experimentale și analogice, analize geometrice și geomecanice, precum și modelare și simulare numerică.
În cadrul operațiunilor pe câmpurile petroliere, se face adesea distincția între fracturile naturale (care apar în mod natural) și cele de origine indusă de foraj și hidraulică (induse prin injectarea de fluide pentru fracturarea rocilor). Chiar dacă fracturile naturale se găsesc în toate rocile, ele nu sunt toate la fel, iar termenul simplu de „fracturi naturale” nu face dreptate complexității lor. Caracterizarea fracturilor pe baza unor principii și date științifice este, prin urmare, crucială pentru utilizarea lor în explorarea și producția de resurse.
Fracturile se prezintă sub diverse forme
Diverse tipuri de fracturi pe o structură de falie normală conjugată. Modificat după Haakon Fossen, Structural Geology (2010).Fracturarea apare la diferite scări, de la mineral la placă tectonică, și este generată în numeroase forme de un număr de procese distincte. Fracturarea este un termen colectiv pentru o varietate de rupturi în roci.
La scara unui grăunte mineral, fracturarea este ruperea cristalului de-a lungul unor suprafețe inegale sau curbe; necesită o forță externă aplicată cristalului. (Fractura este diferită de clivaj cristalin, tendința cristalului mineral de a se despica de-a lungul unuia sau mai multor planuri netede, care este legată de aranjamentul legăturilor chimice din rețeaua minerală). Pe o secțiune subțire a unui specimen de rocă, putem observa microfracturi care pot fi intragranulare (restrânse la grăunțe individuale) sau intergranulare (care taie mai multe grăunțe).
În aflorimentele de roci sedimentare, planurile de așternere și îmbinările sunt probabil cele mai vizibile fracturi ale rocilor. Planurile de așternere separă straturi de roci sedimentare succesive din cauza schimbărilor în litologie sau a altor proprietăți sedimentare. Termenul de îmbinare a fost folosit pentru prima dată de către mineri, care credeau că rocile erau „îmbinate” de-a lungul acestor planuri ca niște blocuri de construcție. Îmbinările nu prezintă o forfecare vizibilă, ci sunt fracturi de dilatare (deschidere) sau de extensie formate prin eforturi de tracțiune. Alte tipuri de fracturi de extensie includ fisurile (deschideri largi umplute cu aer, apă sau alte fluide), filonii (pline de minerale) și dik-uri (fracturi verticale, largi, umplute cu roci plutonice sau vulcanice).
Fracturile de forfecare, pe de altă parte, arată mișcarea relativă (alunecare) a doi pereți de fractură paralel cu planul de fractură (suprafața de alunecare). Fracturile forfecate au de obicei deplasări la scară milimetrică sau centimetrică, în timp ce faliile au deplasări mai mari. Faliile au adesea suprafețe lustruite sau striate (numite „slickensides”) care rezultă din alunecarea prin frecare a pereților faliei. Geologii pot folosi slickenlines (caneluri pe suprafața faliei) pentru a determina direcția faliei.
O clasificare geometrică a fracturilor în fracturi longitudinale, transversale (încrucișate), conjugate, diagonale (oblice) și ortogonale dezvoltate pe o structură de falie. Aceste concepte bazate pe teren au fost formulate de geologi în prima jumătate a secolului XX. Modificat după Singhal și Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). în industria petrolieră și a apelor subterane, fractura se referă adesea la îmbinările la scara rezervorului și la alte fracturi deschise, de extensie, care au implicații pozitive pentru curgerea fluidelor din subsol. În acest sens limitat, faliile mari, de exemplu, sunt considerate ca fiind o caracteristică diferită. Astfel, auzim adesea despre „fracturi și falii” în rocile rezervor, ceea ce este ca și cum am spune că există „animale și câini în ferma noastră”. Într-adevăr, faliile reprezintă un tip semnificativ de fracturare și sunt asociate genetic cu multe alte tipuri de fracturi. (Pentru diferite tipuri de falii, a se vedea articolul în două părți „Know Your Faults”, GEO ExPro, vol. 9, nr. 5 și nr. 6).
Câteva tipuri speciale de fracturi sunt, de asemenea, demne de remarcat aici. Fisurile de noroi (fracturi de desecare) sunt poligoane de fracturi extensionale care se dezvoltă în sedimentele foarte bogate în argilă din cauza contracției și pierderii de apă. Crăpăturile sunt fracturi naturale, în mod deschis, în straturile de cărbune umplute cu gaze naturale sau apă. Benzile de deformare sunt trăsături plane, cu lățimea de un milimetru, în gresii cu porozitate mare, care prezintă puțin decalaj, dar sunt caracterizate de roci cu benzi cu porozitate și permeabilitate scăzută, dar nu sunt toate la fel din cauza fluxului de granule minerale, a fracturării sau a cimentației; ele se grupează în jurul faliilor.
Câteva fracturi formează trăsături spectaculoase pe imaginile din satelit; ele sunt, de asemenea, importante pentru mișcările fluidelor la scară crustală. Lineamentele sunt linii fiziografice pe o întindere regională care indică deformarea rocilor prin faliere sau pliere majoră. Zonele de fractură de pe fundul oceanelor se extind dincolo de dorsalele oceanice mijlocii până la marginile continentale.
Caracterizarea fracturilor
O caracterizare completă a fracturilor implică cartografierea, măsurarea și documentarea unui număr de parametri, inclusiv următorii:
1. Tipul de fractură și umplutura acesteia (dacă este deschisă sau umplută).
2. Asocierea fracturii cu o anumită litologie, structură (falie, pliu sau fără structură), istoricul deformării (vârstă) și câmpul de tensiuni prezent (in situ).
3. Fracturile sistematice ale rocilor se dezvoltă adesea în unul sau mai multe seturi de fracturi. Este important să se cartografieze și să se cuantifice aceste seturi de fracturi și să se elaboreze vârstele lor relative.
4. Atitudinea fracturilor include unghiul de lovire (în raport cu nordul) și unghiul de imersie (de la 0° orizontal la 90° vertical) și direcția (direcția de imersie este întotdeauna perpendiculară pe direcția de lovire). Aceste date pot fi afișate pe diagrame stereografice cu suprafețe egale. Tendințele de lovire a fracturilor pot fi, de asemenea, reprezentate pe o diagramă roz sau pe o histogramă.
5. Lungimea fracturii indică persistența laterală a structurii. Lungimile de traseu de <1m reprezintă o persistență foarte scăzută, în timp ce cele de >20m reprezintă fracturi cu persistență foarte ridicată.
-
În Buletinul AAPG din 1961 (Vol. 45), R.A. Hodgson a publicat studiile sale asupra modelelor de îmbinări dezvoltate pe roci din Arizona și Utah, în care a făcut distincția între îmbinările sistematice, care sunt plane, paralele și uniform distanțate, și îmbinările nesistematice, care sunt neregulate în forma, orientarea și distanța lor. Articulațiile sistematice formează „seturi de fracturi omniprezente” perpendiculare pe suprafețele de așternere și pot fi legate prin „articulații încrucișate”. Seturile de fracturi se pot intersecta la un unghi diedru constant; fracturile conjugate au unghiuri diedre de 30°-60°, în timp ce fracturile ortogonale sunt în unghiuri drepte (aproape 90°). Articulațiile nesistematice sunt curbe și adesea se termină la suprafețele de așternere.
-
Articulații de așternere Pe baza orientării fracturilor față de așternere, fracturile (în special articulațiile) sunt clasificate în articulații de lovire (în vedere în plan, paralele cu lovirea planului de așternere), articulații de cădere (perpendiculare pe așternere) și articulații de așternere (paralele cu așternerea atât în plan cât și în plan vertical).
6. Spațierea fracturilor și relația lor cu grosimea patului sau cu poziția structurală (legată de falie, legată de pliu sau niciuna) sunt date cruciale. La aflorimente, spațierea fracturilor poate fi măsurată cu ajutorul unei benzi de-a lungul unei linii de scanare. Observațiile arată că straturile foarte rigide au mai multe îmbinări decât straturile foarte slabe; iar pentru o anumită litologie, straturile mai subțiri au îmbinări foarte apropiate. Societatea Internațională de Mecanică a Rocilor (ISRM) a recomandat următoarea scală pentru clasificarea spațierii fracturilor: spațiere extrem de apropiată (<0,02m), spațiere foarte apropiată (0,02-0,06m), spațiere apropiată (0,06-0,2m), spațiere moderată (0,2-0,6m), spațiere largă (0,6-2,0m), spațiere foarte largă (2,0-6,0m) și spațiere extrem de largă (>6,0m). Frecvența fracturilor este definită ca fiind numărul de fracturi pe metru de lungime. Este astfel inversul distanței dintre fracturi. Frecvența fracturilor este egală cu 1/fracturarea distanței dintre fracturi.
7. Populația: Apariția fracturilor poate fi cuantificată în 1D (frecvența fracturilor pentru o anumită lungime), 2D (intensitatea fracturilor pentru o anumită suprafață) și 3D (densitatea fracturilor pentru un anumit volum).
8. Deschiderea este distanța perpendiculară dintre pereții adiacenți ai rocilor (suprafețele de fractură) ale unei fracturi. Ea poate fi deschisă (care conține aer, apă sau alt fluid) sau închisă (umplută cu rocă de falie sau cu un alt material injectat). Deschiderea poate fi strânsă (<0,25 mm) pentru fracturile închise sau largă (>10 mm) pentru fracturile deschise. Deschiderea scade de-a lungul lungimii unei fracturi spre frontul fracturii. Deschiderea se poate modifica, de asemenea, de-a lungul înălțimii unei fracturi din cauza asperităților (a se vedea mai jos). Adesea se folosesc termenii de deschidere „echivalentă”, „hidraulică” și „mecanică”, în funcție de metodele și scopul estimării lor.
9. Pereții fracturilor nu au suprafețe perfecte, paralele și netede, ci conțin rugozități și neregularități numite asperități, care reduc permeabilitatea fracturii. O anumită cunoaștere a asperităților poate contribui astfel la o mai bună modelare a curgerii fluidelor prin fractură.
Anatomia fracturilor din roci. (Sursa: Rasoul Sorkhabi)10. Rigiditatea fracturii (măsurată în Pascal/mm) descrie tensiunea-deformare a fracturii în raport cu tensiunea normală (rigiditatea normală sau rezistența la închidere) și tensiunea de forfecare (rigiditatea de forfecare sau rezistența la deplasarea de forfecare). Datele privind rigiditatea fracturii sunt cel mai greu de obținut, deoarece implică experimente geomecanice de laborator sau in situ ale rocilor fracturate.
11. Conectivitatea fracturilor: intersecția fracturilor naturale asigură o rețea de permeabilitate pentru fluide, în timp ce fracturile deconectate, izolate nu sunt eficiente din punct de vedere hidraulic. Șansa de conectivitate a fracturilor crește cu o populație și lungimi mai mari de fracturi într-un volum de rocă dat.
12. Proprietățile petrofizice ale fracturilor, inclusiv porozitatea și permeabilitatea.
Rezervori fracturați
Toate rocile rezervor sunt fracturate într-o anumită măsură și, de obicei, prin mai multe procese. Cu toate acestea, termenul „zăcământ fracturat” se referă la un zăcământ etanș (permeabilitate a matricei < 0,1 mD) în care fracturile naturale joacă un rol semnificativ de permeabilitate pentru curgerea fluidelor (apă, petrol sau gaze naturale). Prin urmare, în aceste zăcăminte, cartografierea și caracterizarea fracturilor într-un model geologic 3D și cuantificarea proprietăților petrofizice ale fracturilor este de o importanță capitală pentru foraj și producție.
În cartea sa Geologic Analysis of Fractured Reservoirs, Ronald Nelson a descris o clasificare a zăcămintelor bazată pe porozitatea și permeabilitatea atât a matricei rocilor, cât și a fracturilor. Se disting astfel patru tipuri:
Clasificarea rezervoarelor pe baza proprietăților petrofizice ale fracturilor rocilor. Modificat după Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- În rezervoarele de tip I, fracturile asigură porozitatea și permeabilitatea esențiale (de exemplu, câmpul Amal, Libia; câmpurile Ellenburger, Texas). Aceste zăcăminte au curbe de declin ridicate per sondă.
– În zăcămintele de tip II, fracturile asigură permeabilitatea esențială (de exemplu, câmpul Agha Jari, Iran; Rangely, Colorado).
– În zăcămintele de tip III, fracturile contribuie la permeabilitatea unui zăcământ deja productibil (de exemplu, Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– În zăcămintele de tip IV, fracturile acționează de fapt ca bariere de fluid (de exemplu, Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Aceste rezervoare sunt structural compartimentate.
Fracturile de subsol reprezintă întotdeauna o provocare pentru explorare și producție. Prin urmare, în industriile petrolieră, geotermală și a apelor subterane se utilizează o mare varietate de materiale, instrumente și tehnici pentru identificarea, cartografierea și caracterizarea fracturilor. Printre acestea se numără tectonica bazinelor, analogii de afloriment, carote, jurnale de imagistică a sondelor, secțiuni seismice, date de tensiune in situ, teste de curgere a puțurilor, experimente geomecanice și așa mai departe.
