GEO ExPro – Fractura, fractura en todas partes – Parte I
Conjuntos de juntas bien desarrollados en las losas de la Capilla de Santa María, Caithness, Escocia. (Fuente: Mike Norton)
Parte I
El término «fractura» incluye cualquier rotura o discontinuidad estructural en las rocas en la que dos superficies de fractura de la roca (normalmente planas) están separadas por una estrecha hendidura, mucho más corta que la longitud o la altura de la fractura. La fracturación se produce por la pérdida de cohesión de la roca y es una expresión típica de la deformación frágil en la corteza superior de la Tierra (en contraste con las estructuras de flujo y plegado que se producen en las profundidades de la corteza en condiciones dúctiles).
Escalador utilizando fracturas naturales en el granito de Cornualles como asideros. (Fuente: Jane Whaley)Las fracturas son las características estructurales más comunes que se encuentran en todo tipo de rocas (ígneas, sedimentarias y metamórficas) y en todos los escenarios de placas tectónicas, desde los rifts continentales y las dorsales oceánicas medias hasta las fosas de subducción y las colisiones continentales. El conocimiento de las fracturas es importante para fines científicos, tecnológicos y económicos. Las fracturas son parte esencial de los procesos geológicos que forman los cinturones montañosos, las cuencas sedimentarias, las costas, los fondos oceánicos, los terremotos, etc. Las fracturas también proporcionan vías de fluidos para el movimiento de las aguas subterráneas, el petróleo y el gas, los depósitos de minerales y el magma.
Las investigaciones científicas de las fracturas se remontan al siglo XIX y han crecido rápidamente en las últimas décadas. Estas investigaciones incluyen observaciones de las rocas y cartografía estructural a nivel micro y macro, trabajos experimentales y analógicos, análisis geométricos y geomecánicos, y modelización y simulación numérica.
En las operaciones de los yacimientos petrolíferos se suele distinguir entre las fracturas naturales (de origen natural) y las de origen inducido por la perforación y las hidráulicas (inducidas por la inyección de fluidos para fracturar las rocas). Aunque las fracturas naturales se encuentran en todas las rocas, no son todas iguales, y el simple término de «fracturas naturales» no hace justicia a sus complejidades. Por lo tanto, la caracterización de las fracturas basada en principios y datos científicos es crucial para su utilización en la exploración y producción de recursos.
Las fracturas tienen varias formas
Varios tipos de fractura en una estructura de falla normal conjugada. Modificado de Haakon Fossen, Structural Geology (2010).La fracturación se produce a varias escalas, desde el mineral hasta la placa tectónica, y se genera en numerosas formas por una serie de procesos distintos. La fractura es un término colectivo para una variedad de roturas en las rocas.
A escala de grano mineral, la fractura es la rotura del cristal a lo largo de superficies irregulares o curvas; requiere la aplicación de una fuerza externa al cristal. (La fractura es diferente de la escisión del cristal, la tendencia del cristal mineral a dividirse a lo largo de uno o más planos lisos, que está relacionada con la disposición del enlace químico en la red del mineral). En una sección fina de un espécimen de roca, podemos observar microfracturas que pueden ser intragranulares (restringidas a granos individuales) o intergranulares (que atraviesan varios granos).
En los afloramientos de rocas sedimentarias, los planos de estratificación y las juntas son probablemente las fracturas de roca más llamativas. Los planos de estratificación separan capas de rocas sedimentarias sucesivas debido a cambios en la litología u otras propiedades sedimentarias. El término junta fue utilizado por primera vez por los mineros que pensaban que las rocas estaban «unidas» a lo largo de estos planos como si fueran bloques de construcción. Las juntas no muestran un cizallamiento visible, sino que son fracturas de dilatación (apertura) o de extensión formadas por esfuerzos de tracción. Otros tipos de fracturas por extensión son las fisuras (aberturas anchas llenas de aire, agua u otros fluidos), las venas (llenas de minerales) y los diques (fracturas verticales y anchas llenas de roca plutónica o volcánica).
Las fracturas por cizallamiento, en cambio, muestran un movimiento relativo (deslizamiento) de dos paredes de la fractura paralelas al plano de fractura (superficie de deslizamiento). Las fracturas cizalladas suelen tener desplazamientos de escala milimétrica a centimétrica, mientras que las fallas tienen desplazamientos mayores. Las fallas suelen tener superficies pulidas o estriadas (denominadas slickensides) que resultan del deslizamiento por fricción de las paredes de la falla. Los geólogos pueden utilizar las slickenlines (surcos en la superficie de la falla) para determinar la dirección de la falla.
Clasificación geométrica de las fracturas en longitudinales, transversales (cruzadas), conjugadas, diagonales (oblicuas) y ortogonales desarrolladas en una estructura de pliegue. Estos conceptos basados en el terreno fueron formulados por geólogos en la primera mitad del siglo XX. Modificado de Singhal y Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010).En las industrias del petróleo y de las aguas subterráneas, la fractura suele referirse a las juntas a escala de yacimiento y a otras fracturas abiertas de extensión que tienen implicaciones positivas para el flujo de fluidos del subsuelo. En este sentido limitado, las grandes fallas, por ejemplo, se consideran una característica diferente. Así, a menudo oímos hablar de «fracturas y fallas» en las rocas del yacimiento, que es como decir que hay «animales y perros en nuestra granja». En efecto, las fallas representan un tipo importante de fracturación y están asociadas genéticamente a muchos otros tipos de fracturas. (Para conocer los distintos tipos de fallas, véase el artículo en dos partes «Conozca sus fallas», GEO ExPro, vol. 9, n.º 5 y n.º 6).
También cabe destacar aquí algunos tipos especiales de fracturas. Las grietas de barro (fracturas de desecación) son polígonos de fracturas extensionales que se desarrollan en sedimentos muy ricos en arcilla debido a la contracción y pérdida de agua. Las grietas son fracturas naturales de modo abierto en lechos de carbón llenos de gas natural o agua. Las bandas de deformación son rasgos milimétricos y planares en areniscas de alta porosidad que muestran poco desplazamiento, pero se caracterizan por ser rocas de baja porosidad y baja permeabilidad, pero no son todas iguales debido al flujo de granos minerales, la fracturación o la cementación; se agrupan alrededor de las fallas.
Algunas fracturas forman rasgos espectaculares en las imágenes de satélite; también son importantes para los movimientos de fluidos a escala de la corteza. Los lineamientos son líneas fisiográficas de alcance regional que indican la deformación de las rocas por fallas o plegamientos importantes. Las zonas de fractura del fondo oceánico se extienden más allá de las dorsales oceánicas medias hasta los márgenes continentales.
Caracterización de las fracturas
Una caracterización exhaustiva de las fracturas implica la cartografía, la medición y la documentación de una serie de parámetros que incluyen los siguientes:
1. Tipo de fractura y su relleno (si es abierta o rellena).
2. Asociación de la fractura con una litología particular, estructura (falla, pliegue o sin estructura), historia de la deformación (edad) y campo de tensión actual (in situ).
3. Las fracturas sistemáticas de la roca a menudo se desarrollan en uno o más conjuntos de fracturas. Es importante cartografiar y cuantificar estos conjuntos de fracturas y calcular su edad relativa.
4. La actitud de las fracturas incluye el rumbo (con respecto al Norte) y el ángulo de buzamiento (de 0° horizontal a 90° vertical) y la dirección (la dirección de buzamiento es siempre perpendicular a la dirección del rumbo). Estos datos pueden mostrarse en gráficos estereográficos de áreas iguales. Las tendencias del rumbo de la fractura también se pueden trazar en un diagrama de rosas o en un histograma.
5. La longitud de la fractura indica la persistencia lateral de la estructura. Las longitudes de trazado de <1m son de muy baja persistencia, mientras que las de >20m son fracturas de muy alta persistencia.
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En el Boletín de la AAPG de 1961 (Vol. 45), R.A. Hodgson publicó sus estudios sobre los patrones de juntas desarrollados en las rocas de Arizona y Utah, en los que distinguía entre las juntas sistemáticas, que son planas, paralelas y uniformemente espaciadas, y las no sistemáticas, que son irregulares en su forma, orientación y espaciado. Las juntas sistemáticas forman «conjuntos de fracturas omnipresentes» perpendiculares a las superficies del lecho y pueden estar unidas por «juntas cruzadas». Los conjuntos de fracturas pueden intersecarse con un ángulo diedro constante; las fracturas conjugadas tienen ángulos diedros de 30°-60°, mientras que las fracturas ortogonales forman ángulos rectos (casi 90°). Las juntas no sistemáticas son curvas y a menudo terminan en superficies de lecho.
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Juntas de lecho Basándose en la orientación de las fracturas con respecto al lecho, las fracturas (especialmente las juntas) se clasifican en juntas de rumbo (en vista plana, paralelas al rumbo del plano de lecho), juntas de buzamiento (perpendiculares al lecho) y juntas de lecho (paralelas al lecho tanto en vista plana como vertical).
6. El espaciamiento de las fracturas y su relación con el espesor del lecho o la posición estructural (relacionada con la falla, relacionada con el pliegue, o ninguna) son datos cruciales. En los afloramientos, el espaciado de las fracturas puede medirse con una cinta a lo largo de una línea de exploración. Las observaciones muestran que las capas muy rígidas tienen más juntas que las capas muy débiles; y para una litología determinada, los lechos más delgados tienen juntas muy espaciadas. La Sociedad Internacional de Mecánica de Rocas (ISRM) ha recomendado la siguiente escala para clasificar el espaciado de las fracturas: espaciado extremadamente estrecho (<0,02m), espaciado muy estrecho (0,02-0,06m), espaciado estrecho (0,06-0,2m), espaciado moderado (0,2-0,6m), espaciado amplio (0,6-2,0m), espaciado muy amplio (2,0-6,0m) y espaciado extremadamente amplio (>6,0m). La frecuencia de fractura se define como el número de fracturas por metro de longitud. Por lo tanto, es la inversa del espaciado de las fracturas. La frecuencia de fractura es igual a 1/espacio de fractura.
7. Población: La ocurrencia de fracturas puede cuantificarse en 1D (frecuencia de fracturas para una longitud determinada), 2D (intensidad de fracturas para un área determinada) y 3D (densidad de fracturas para un volumen determinado).
8. La apertura es la distancia perpendicular entre las paredes de roca adyacentes (superficies de fractura) de una fractura. Puede ser abierta (conteniendo aire, agua u otro fluido) o cerrada (rellena por roca de falla o algún otro material inyectado). La apertura puede ser estrecha (<0,25mm) para las fracturas cerradas o amplia (>10mm) para las fracturas abiertas. La apertura disminuye a lo largo de una fractura hacia el frente de la misma. La apertura también puede cambiar a lo largo de la altura de una fractura debido a las asperezas (véase más adelante). A menudo se utilizan los términos de aperturas «equivalentes», «hidráulicas» y «mecánicas» en función de los métodos y del objetivo de su estimación.
9. Las paredes de las fracturas no tienen superficies paralelas y lisas perfectas, sino que contienen rugosidades e irregularidades denominadas asperezas, que reducen la permeabilidad de la fractura. Por lo tanto, un cierto conocimiento de las asperidades puede ayudar a modelar mejor el flujo de fluidos a través de la fractura.
Anatomía de las fracturas de roca. (Fuente: Rasoul Sorkhabi)10. La rigidez de la fractura (medida en Pascal/mm) describe la tensión-deformación de la fractura con respecto a la tensión normal (rigidez normal o resistencia al cierre) y la tensión de cizallamiento (rigidez de cizallamiento o resistencia al desplazamiento de cizallamiento). Los datos sobre la rigidez de la fractura son más difíciles de obtener porque implican experimentos geomecánicos de laboratorio o in situ de rocas fracturadas.
11. Conectividad de las fracturas: la intersección de las fracturas naturales proporciona una red de permeabilidad para los fluidos, mientras que las fracturas desconectadas y aisladas no son hidráulicamente eficaces. La posibilidad de conectividad de las fracturas aumenta con una mayor población y longitud de fracturas en un determinado volumen de roca.
12. Propiedades petrofísicas de las fracturas, incluyendo la porosidad y la permeabilidad.
Yacimientos fracturados
Todas las rocas de los yacimientos están fracturadas en algún grado y normalmente por más de un proceso. No obstante, el término «yacimiento fracturado» se refiere a un yacimiento hermético (permeabilidad de la matriz < 0,1 mD) en el que las fracturas naturales desempeñan un papel importante en la permeabilidad para el flujo de fluidos (agua, petróleo o gas natural). En estos yacimientos, por lo tanto, la cartografía y la caracterización de las fracturas en un modelo geológico 3D y la cuantificación de las propiedades petrofísicas de las fracturas es de suma importancia para la perforación y la producción.
En su libro Geologic Analysis of Fractured Reservoirs, Ronald Nelson ha descrito una clasificación de yacimientos basada en la porosidad y la permeabilidad tanto de la matriz de la roca como de las fracturas. Así, se distinguen cuatro tipos:
Clasificación de yacimientos basada en las propiedades petrofísicas de las fracturas de la roca. Modificado de Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- En los yacimientos de tipo I, las fracturas aportan la porosidad y la permeabilidad esenciales (por ejemplo, el campo de Amal, Libia; los campos de Ellenburger, Texas). Estos yacimientos tienen curvas de declive elevadas por pozo.
– En los yacimientos de Tipo II, las fracturas proporcionan la permeabilidad esencial (por ejemplo, el campo de Agha Jari, Irán; Rangely, Colorado).
– En los yacimientos de Tipo III, las fracturas contribuyen a la permeabilidad de un yacimiento ya producible (por ejemplo, Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– En los yacimientos de Tipo IV, las fracturas actúan realmente como barreras de fluidos (por ejemplo, Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Estos yacimientos están estructuralmente compartimentados.
Las fracturas subterráneas siempre suponen un reto para la exploración y la producción. Por lo tanto, en las industrias del petróleo, la geotermia y las aguas subterráneas se utiliza una amplia variedad de materiales, herramientas y técnicas para identificar, cartografiar y caracterizar las fracturas. Entre ellos se encuentran la tectónica de cuenca, los análogos de afloramiento, los núcleos, los registros de imágenes de perforación, las secciones sísmicas, los datos de tensión in situ, las pruebas de flujo de pozos, los experimentos geomecánicos, etc.
