GEO ExPro – Frakturer, frakturer överallt – Del I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Frakturer, frakturer överallt – Del I

Välutvecklade foguppsättningar på flaggstenar i St Mary’s Chapel, Caithness, Skottland. (Källa: Mike Norton)

Del I

Tecknet ”fraktur” omfattar varje brott eller strukturell diskontinuitet i bergarter där två bergartsbrottsytor (vanligen plana) skiljs åt av en smal spricka, som är mycket kortare än frakturens längd eller höjd. Sprickbildning sker på grund av förlusten av kohesion i berget och är ett typiskt uttryck för spröd deformation i jordens övre skorpa (i motsats till de flödes- och veckningsstrukturer som uppstår på skorpans djup under duktila förhållanden).

Rockklättrare som använder naturliga sprickor i Cornish granit som hand- och fotgrepp. (Källa: Jane Whaley)Sprickor är de vanligaste strukturella egenskaperna som finns i alla typer av bergarter (magmatiska, sedimentära och metamorfa) och i alla platt-tektoniska miljöer, från kontinentala rifts och midoceaniska ryggar till subduktionsgravar och kontinentala kollisioner. Kunskap om sprickor är viktig för vetenskapliga, tekniska och ekonomiska syften. Sprickor är viktiga delar av de geologiska processer som bildar bergsbälten, sedimentära bassänger, kustlinjer, havsbottnar, jordbävningar och så vidare. Sprickor tillhandahåller också vägar för rörelser av grundvatten, olja och gas, malmförekomster och magma.
Vetenskapliga undersökningar av sprickor går tillbaka till 1800-talet och har ökat snabbt under de senaste decennierna. Dessa undersökningar omfattar bergartsobservationer och strukturell kartläggning på mikro- och makronivå, experimentella och analoga arbeten, geometrisk och geomekanisk analys samt numerisk modellering och simulering.
I oljefältet skiljer vi ofta mellan naturliga (naturligt förekommande) sprickor och sprickor av borrningsinducerat och hydrauliskt (inducerat genom injektion av vätska för att spräcka bergarter) ursprung. Även om naturliga sprickor finns i alla bergarter är de inte alla lika, och den enkla termen ”naturliga sprickor” gör inte rättvisa åt deras komplexitet. Karaktärisering av sprickor baserat på vetenskapliga principer och data är därför avgörande för att de ska kunna användas vid prospektering och produktion av resurser.

Frakturer har olika former

Varierade typer av frakturer på en konjugerad normalförkastningsstruktur. Modifierat från Haakon Fossen, Structural Geology (2010).Sprickbildning förekommer på olika skalor, från mineral till tektonisk platta, och genereras i många olika former av ett antal olika processer. Frakturer är en samlingsbeteckning för en mängd olika brott i bergarter.
På mineralkornsskala är frakturer kristallbrott längs ojämna eller krökta ytor; det kräver yttre kraft som appliceras på kristallen. (Brott skiljer sig från kristallklyvning, mineralkristallens tendens att dela sig längs ett eller flera släta plan, vilket är relaterat till arrangemanget av kemiska bindningar i mineralgitteret). På ett tunnsnitt av ett bergartsprov kan vi observera mikrofrakturer som kan vara intragranulära (begränsade till enskilda korn) eller intergranulära (skärande över flera korn).
I uppslag av sedimentära bergarter är bäddningsplan och fogar förmodligen de mest iögonfallande bergartsbrotten. Sängplan separerar lager av på varandra följande sedimentära bergarter på grund av förändringar i litologin eller andra sedimentära egenskaper. Termen fog användes först av gruvarbetare som trodde att bergarterna var ”sammanfogade” längs dessa plan som byggstenar. Fogarna uppvisar ingen synlig skjuvning utan är dilatations- (öppnings) eller utvidgningsbrott som bildas av dragspänningar. Andra typer av utvidgningsbrott är sprickor (breda öppningar fyllda med luft, vatten eller andra vätskor), ådror (mineralfyllda) och diken (vertikala, breda sprickor fyllda med plutonisk eller vulkanisk bergart).
Skjuvade brott visar å andra sidan relativ rörelse (glidning) av två brottsväggar parallellt med brottsplanet (glidningsytan). Skarade sprickor har vanligtvis förskjutningar i millimeter- till centimeterskala, medan sprickor har större förskjutningar. Sprickor har ofta polerade eller strimmiga ytor (s.k. glidytor) som beror på att sprickväggarna glider genom friktion. Geologer kan använda slickenlines (spår på förkastningsytan) för att bestämma förkastningens riktning.

En geometrisk klassificering av sprickor i längsgående, tvärgående (tvärgående), konjugerade, diagonala (snedställda) och ortogonala sprickor som utvecklats på en veckstruktur. Dessa fältbaserade begrepp formulerades av geologer under första hälften av 1900-talet. Modifierat från Singhal och Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010).Inom petroleum- och grundvattenbranschen avser frakturer ofta led i reservoarskala och andra öppna, utdragna frakturer som har positiva konsekvenser för vätskeflödet under jordytan. I denna begränsade bemärkelse betraktas till exempel stora sprickor som en annan egenskap. Därför hör vi ofta talas om ”sprickor och sprickor” i reservoarbergarter, vilket är som att säga att det finns ”djur och hundar på vår gård”. Sprickor utgör verkligen en viktig typ av sprickbildning och är genetiskt förknippade med många andra typer av sprickor. (För olika typer av sprickor, se den tvådelade artikeln ”Know Your Faults”, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 och No. 6).
Några speciella typer av sprickor är också anmärkningsvärda här. Slamsprickor (uttorkningsbrott) är polygoner av utdragna sprickor som utvecklas i mycket lerrika sediment på grund av krympning och vattenförlust. Klyftor är naturliga, öppna sprickor i kolbottnar som är fyllda med naturgas eller vatten. Deformationsband är millimeterbreda, plana inslag i sandstenar med hög porositet som visar liten förskjutning men kännetecknas av band med låg porositet och låg permeabilitet stenar men de är inte alla likadana på grund av flödet av mineralkorn, sprickbildning eller cementering; de grupperar sig kring förkastningar.
Vissa sprickor bildar spektakulära inslag på satellitbilder; de är också viktiga för vätskeförflyttningar på jordskorpeskala. Lineament är fysiografiska linjer på regional nivå som visar på deformation av bergarter genom större förkastningar eller veckningar. Sprickzoner på havsbotten sträcker sig bortom de mellanoceana ryggarna till kontinentala marginaler.

Karakterisering av sprickor

En omfattande karakterisering av sprickor innebär att man kartlägger, mäter och dokumenterar ett antal parametrar, bland annat följande:
1. Typ av fraktur och dess utfyllnad (öppen eller fylld).
2. Brottets samband med särskild litologi, struktur (förkastning, veck eller ingen struktur), deformationshistoria (ålder) och nuvarande (in situ) spänningsfält.
3. Systematiska bergfrakturer utvecklas ofta i en eller flera sprickuppsättningar. Det är viktigt att kartlägga och kvantifiera dessa sprickuppsättningar och beräkna deras relativa ålder.
4. Frakturernas position omfattar sträckning (i förhållande till norr) och lutningsvinkel (från 0° horisontell till 90° vertikal) och riktning (lutningsriktningen är alltid vinkelrät mot sträckningsriktningen). Dessa data kan visas på stereografiska lika-ytor-plottar. Trenderna för sprickans utbredning kan också plottas på ett rosettdiagram eller ett histogram.
5. Brottslängden anger hur långvarig strukturen är i sidled. Spårlängder på <1m är mycket låg persistens, medan de på >20m är frakturer med mycket hög persistens.

6. Avstånd mellan sprickor och dess förhållande till bäddtjocklek eller strukturell position (förkastningsrelaterad, vikningsrelaterad eller ingen) är avgörande uppgifter. Vid uppslag kan sprickavståndet mätas med ett band längs en skanningslinje. Observationer visar att mycket styva lager har fler fogar än mycket svaga lager, och för en viss litologi har tunnare lager nära avstånd mellan fogar. International Society for Rock Mechanics (ISRM) har rekommenderat följande skala för att klassificera sprickavstånd: extremt nära avstånd (<0,02m), mycket nära avstånd (0,02-0,06m), nära avstånd (0,06-0,2m), måttligt avstånd (0,2-0,6m), brett avstånd (0,6-2,0m), mycket brett avstånd (2,0-6,0m), extremt brett avstånd (>6,0m). Frakturfrekvensen definieras som antalet frakturer per meter längd. Det är alltså den omvända delen av sprickavståndet. Brottningsfrekvensen är lika med 1/brottsavstånd.
7. Befolkning: Förekomsten av sprickor kan kvantifieras i 1D (sprickfrekvens för en given längd), 2D (sprickintensitet för en given yta) och 3D (spricktäthet för en given volym).
8. Öppning är det vinkelräta avståndet mellan de intilliggande bergväggarna (sprickytorna) i en spricka. Den kan vara öppen (innehållande luft, vatten eller annan vätska) eller sluten (fylld av sprickberg eller något annat injicerat material). Öppningen kan vara snäv (<0,25 mm) för slutna sprickor eller bred (>10 mm) för öppna sprickor. Öppningen minskar längs sprickans längd mot sprickfronten. Öppningen kan också förändras längs frakturens höjd på grund av asperiter (se nedan). Ofta används termerna ”ekvivalent”, ”hydraulisk” och ”mekanisk” öppning beroende på metoderna och syftet med uppskattningen.
9. Sprickväggar har inte perfekta parallella, släta ytor utan innehåller ojämnheter och ojämnheter som kallas asperiteter, vilka minskar sprickans genomsläpplighet. Viss kunskap om asperiteter kan därför bidra till en bättre modellering av vätskeflödet genom sprickan.

Anatomi av bergsbrott. (Källa: Rasoul Sorkhabi)10. Sprickans styvhet (mätt i Pascal/mm) beskriver spänningsdeformationen i sprickan med avseende på normalspänning (normalstyvhet eller motstånd mot stängning) och skjuvspänning (skjuvstyvhet eller motstånd mot skjuvförskjutning). Uppgifter om sprickans styvhet är svårast att få fram eftersom de kräver geomekaniska laboratorie- eller in-situ-experiment på sprickiga bergarter.
11. Fraktkonnektivitet: Korsning av naturliga sprickor ger ett nätverk med genomsläpplighet för vätskor, medan oskiljaktiga, isolerade sprickor inte är hydrauliskt effektiva. Chansen för konnektivitet mellan sprickor ökar med större population och längder av sprickor i en given bergvolym.
12. Petrofysiska egenskaper hos sprickor, inklusive porositet och permeabilitet.

Frakturerade reservoarer

Alla reservoarbergarter är frakturerade i någon grad och vanligen av mer än en process. Termen ”frakturerad reservoar” avser dock en tät reservoar (matrispermeabilitet < 0,1 mD) där naturliga sprickor spelar en betydande roll för permeabiliteten för vätskeflödet (vatten, olja eller naturgas). I dessa reservoarer är därför kartläggning och karakterisering av sprickor i en geologisk 3D-modell och kvantifiering av sprickornas petrofysiska egenskaper av största vikt för borrning och produktion.
I sin bok Geologic Analysis of Fractured Reservoirs har Ronald Nelson beskrivit en klassificering av reservoarer som bygger på porositeten och permeabiliteten hos både stenmatris och sprickor. Fyra typer urskiljs således:

Klassificering av reservoarer baserat på petrofysiska egenskaper hos sprickor i berget. Modifierat från Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- I reservoarer av typ I ger sprickorna den nödvändiga porositeten och permeabiliteten (t.ex. Amal-fältet i Libyen och Ellenburger-fälten i Texas). Dessa reservoarer har höga avtagande kurvor per brunn.
– I typ II-reservoarer ger sprickor den väsentliga permeabiliteten (t.ex. Agha Jari-fältet, Iran; Rangely, Colorado).
– I typ III-reservoarer bidrar sprickor till permeabiliteten i en redan producerbar reservoar (t.ex. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– I typ IV-reservoarer fungerar sprickor faktiskt som vätskebarriärer (t.ex. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Dessa reservoarer är strukturellt uppdelade.
Frakturer under ytan utgör alltid en utmaning för prospektering och produktion. Inom petroleum-, geotermisk- och grundvattenindustrin används därför en mängd olika material, verktyg och tekniker för att identifiera, kartlägga och karakterisera sprickor. Dessa omfattar tektonik i bassänger, analogier från utgrävningar, borrkärnor, loggar från borrhål, seismiska sektioner, spänningsdata på plats, flödestester i borrhål, geomekaniska experiment och så vidare.