GEO ExPro – Breuk, Breuk Overal – Deel I

admin 0 Comments Articles

GEO ExPro – Breuk, Breuk Overal – Deel I

Goed ontwikkelde voegsets op flagstones in St. Mary’s Chapel, Caithness, Schotland. (Bron: Mike Norton)

Deel I

De term ‘breuk’ omvat elke breuk of structurele discontinuïteit in rotsen waarbij twee breukvlakken in rotsen (gewoonlijk vlak) worden gescheiden door een smalle spleet, die veel korter is dan de lengte of hoogte van de breuk. Breuken ontstaan door het verlies van cohesie in het gesteente en zijn een typische uiting van brosse vervorming in de bovenste korst van de aarde (in tegenstelling tot de vloei- en plooiingsstructuren die onder taaie omstandigheden op korstdiepten voorkomen).

Rockclimbber die natuurlijke breuken in Cornish graniet gebruikt als hand- en voetsteunen. (Bron: Jane Whaley)Breuken zijn de meest voorkomende structuurkenmerken die worden aangetroffen in alle soorten gesteenten (stollingsgesteenten, sedimentgesteenten en metamorfe gesteenten) en in alle plaattektonische omgevingen, van continentale breuken en middenoceaanruggen tot subductiegeulen en continentale botsingen. Kennis van breuken is belangrijk voor wetenschappelijke, technologische en economische doeleinden. Breuken zijn essentiële onderdelen van de geologische processen die berggordels, sedimentaire bekkens, kustlijnen, oceaanbodems, aardbevingen, enzovoort vormen. Breuken vormen ook vloeistofpaden voor de beweging van grondwater, olie en gas, ertsafzettingen en magma.
Wetenschappelijk onderzoek naar breuken gaat terug tot de negentiende eeuw en is de laatste decennia snel gegroeid. Deze onderzoeken omvatten rotsobservaties en structurele kartering op micro- en macroniveau, experimentele en analoge werken, geometrische en geomechanische analyse, en numerieke modellering en simulatie.
In het aardolieveld maken we vaak onderscheid tussen natuurlijke (natuurlijk voorkomende) breuken en die van boorgeïnduceerde en hydraulische (geïnduceerd door vloeistofinjectie voor het breken van gesteenten) oorsprong. Hoewel natuurlijke breuken in alle gesteenten voorkomen, zijn ze niet allemaal hetzelfde, en de eenvoudige term “natuurlijke breuken” doet geen recht aan de complexiteit ervan. De karakterisering van breuken op basis van wetenschappelijke principes en gegevens is dus van cruciaal belang voor het gebruik ervan bij de exploratie en productie van hulpbronnen.

Breuken zijn er in verschillende vormen

Verschillende typen breuken op een geconjugeerde normale breukstructuur. Gewijzigd uit Haakon Fossen, Structural Geology (2010). Breuken komen op verschillende schalen voor, van mineraal tot tektonische plaat, en worden in talrijke vormen gegenereerd door een aantal verschillende processen. Breuk is een verzamelnaam voor een verscheidenheid aan breuken in gesteenten.
Op de schaal van een mineraalkorrel is breuk kristalbreuk langs ongelijke of gebogen oppervlakken; hiervoor is een externe kracht nodig die op het kristal wordt uitgeoefend. (Breuk is iets anders dan kristalsplijting, de neiging van het mineraalkristal om langs één of meer gladde vlakken te splijten, wat verband houdt met de ordening van de chemische binding in het mineraalrooster). Op een dunne doorsnede van een gesteente kunnen we microbreuken waarnemen die intragranulair (beperkt tot individuele korrels) of intergranulair (dwars door verschillende korrels) kunnen zijn.
In ontsluitingen van sedimentaire gesteenten zijn beddingvlakken en verbindingen waarschijnlijk de meest in het oog springende breuken in gesteente. Beddingvlakken scheiden lagen van opeenvolgende sedimentaire gesteenten als gevolg van veranderingen in de lithologie of andere sedimentaire eigenschappen. De term voegen werd voor het eerst gebruikt door mijnwerkers die dachten dat de gesteenten langs deze vlakken als bouwstenen aan elkaar werden “vastgemaakt”. Joints vertonen geen zichtbare afschuiving maar zijn dilatatie- (opening) of extensiebreuken, gevormd door trekspanning. Andere soorten uitbreidingsbreuken zijn scheuren (wijde openingen gevuld met lucht, water of andere vloeistoffen), aders (gevuld met mineralen), en dijken (verticale, wijde breuken gevuld met plutonisch of vulkanisch gesteente).
Afgeschoven breuken daarentegen vertonen relatieve beweging (slip) van twee breukwanden parallel aan het breukvlak (slip surface). Afgeschuurde breuken hebben meestal verplaatsingen van millimeter tot centimeter, terwijl breuklijnen grotere verplaatsingen vertonen. Breuken hebben vaak gepolijste of gestreepte oppervlakken (slickensides genoemd) die het gevolg zijn van het glijden van breukwanden door wrijving. Geologen kunnen slickenlines (groeven op het breukvlak) gebruiken om de richting van de breuk te bepalen.

Een geometrische classificatie van breuken in longitudinale, transversale (kruis), conjugate, diagonale (schuine), en orthogonale breuken ontwikkeld op een plooistructuur. Deze op het veld gebaseerde concepten werden in de eerste helft van de 20e eeuw door geologen geformuleerd. Gewijzigd uit Singhal and Gupta, Applied Hydrogeology of Fractured Rocks (2010). In de aardolie- en grondwaterindustrie verwijst de term breuk vaak naar reservoir-schaal verbindingen en andere open, uitbreidende breuken die positieve implicaties hebben voor de vloeistofstroming onder de grond. In deze beperkte betekenis worden bijvoorbeeld grote breuken als een andere eigenschap beschouwd. Zo horen we vaak over “breuken en breuklijnen” in reservoirgesteenten, wat hetzelfde is als zeggen dat er “dieren en honden op onze boerderij” zijn. Breuken vormen inderdaad een belangrijke vorm van breukvorming en zijn genetisch geassocieerd met vele andere soorten breuken. (Voor verschillende typen breuken, zie het tweedelige artikel ‘Know Your Faults’, GEO ExPro, Vol. 9, No. 5 en No. 6).
Enkele bijzondere typen breuken zijn hier ook vermeldenswaard. Modderscheuren (desiccation fractures) zijn polygonen van extensiebreuken die ontstaan in zeer kleirijke sedimenten als gevolg van krimp en verlies van water. Cleats zijn natuurlijke, open breuken in steenkoollagen die gevuld zijn met aardgas of water. Deformatiebanden zijn millimeterbrede, vlakke kenmerken in zandstenen met een hoge porositeit die weinig offset vertonen, maar gekenmerkt worden door gesteenten met een lage porositeit en een lage doorlatendheid; ze zijn echter niet allemaal hetzelfde als gevolg van de stroming van minerale korrels, breukvorming of cementering; ze clusteren zich rond breuken.
Sommige breuken vormen spectaculaire kenmerken op satellietbeelden; ze zijn ook belangrijk voor vloeistofbewegingen op een schaal van het aardkorstoppervlak. Lineamenten zijn fysiografische lijnen van regionale omvang die wijzen op de vervorming van gesteenten door grote breuken of plooiingen. Breukzones op de oceaanbodem strekken zich uit van de mid-oceanruggen tot de continentale randen.

Breukkarakterisering

Een uitgebreide breukkarakterisering omvat het in kaart brengen, meten en documenteren van een aantal parameters, waaronder de volgende:
1. Type breuk en zijn vulling (open of gevuld).
2. Associatie van de breuk met bepaalde lithologie, structuur (breuk, plooi of geen structuur), deformatiegeschiedenis (leeftijd), en huidig (in-situ) spanningsveld.
3. Systematische breuken in gesteente ontwikkelen zich vaak in één of meer breukenreeksen. Het is belangrijk om deze breukreeksen in kaart te brengen en te kwantificeren en hun relatieve ouderdom te bepalen.
4. De houding van breuken omvat inslag (ten opzichte van het noorden) en diphoek (van 0° horizontaal tot 90° verticaal) en richting (diprichting staat altijd loodrecht op inslagrichting). Deze gegevens kunnen worden weergegeven op stereografische plattegronden met gelijke oppervlakten. Breuklijntrends kunnen ook worden uitgezet in een roosdiagram of een histogram.
5. Breuklengte geeft de laterale persistentie van de structuur aan. Breuklengtes van <1m zijn zeer weinig persistente breuken, terwijl die van >20m zeer persistente breuken zijn.

6. De afstand tussen de breuken en hun relatie tot de dikte van de bedding of de structurele positie (breukgerelateerd, plooigerelateerd, of geen) zijn cruciale gegevens. Bij ontsluitingen kan de afstand tussen breuken worden gemeten met een meetlint langs een scanlijn. Uit waarnemingen blijkt dat zeer stijve lagen meer verbindingen hebben dan zeer zwakke lagen; en voor een gegeven lithologie hebben dunnere bedden dicht bij elkaar liggende verbindingen. De International Society for Rock Mechanics (ISRM) heeft de volgende schaal aanbevolen voor het classificeren van de afstand tussen breuken: zeer kleine afstand (0,02 m), zeer kleine afstand (0,02-0,06 m), kleine afstand (0,06-0,2 m), middelgrote afstand (0,2-0,6 m), grote afstand (0,6-2,0 m), zeer grote afstand (2,0-6,0 m), en zeer grote afstand (>6,0 m). De breukfrequentie wordt gedefinieerd als het aantal breuken per meter lengte. Het is dus het omgekeerde van de breukafstand. De breukfrequentie is gelijk aan 1/frequentie van de breukafstand.
7. Bevolking: Het voorkomen van breuken kan worden gekwantificeerd in 1D (breukfrequentie voor een bepaalde lengte), 2D (breukintensiteit voor een bepaald gebied), en 3D (breukdichtheid voor een bepaald volume).
8. De opening is de loodrechte afstand tussen de aangrenzende rotswanden (breukvlakken) van een breuk. Zij kan open zijn (met lucht, water of een andere vloeistof) of gesloten (opgevuld door breukgesteente of een ander geïnjecteerd materiaal). De opening kan nauw zijn (<0,25mm) voor gesloten breuken of wijd (>10mm) voor open breuken. De opening neemt af over de lengte van een breuk naar de voorkant van de breuk toe. De opening kan ook veranderen naarmate de hoogte van de breuk toeneemt ten gevolge van asperiteiten (zie verder). Vaak worden de termen “equivalente”, “hydraulische”, en “mechanische” aperturen gebruikt, afhankelijk van de methoden en het doel van de schatting ervan.
9. Breukwanden hebben geen perfect evenwijdige, gladde oppervlakken, maar bevatten ruwheden en onregelmatigheden, asperiteiten genaamd, die de breukdoorlatendheid verminderen. Enige kennis van asperiteiten kan dus bijdragen tot een betere modellering van de vloeistofstroming door de breuk.

Anatomie van breuken in gesteente. (Bron: Rasoul Sorkhabi)10. De breukstijfheid (gemeten in Pascal/mm) beschrijft de spanning-vervorming van de breuk ten opzichte van de normale spanning (normale stijfheid of weerstand tegen sluiting) en de afschuifspanning (afschuifstijfheid of weerstand tegen afschuiving). Gegevens over de breukstijfheid zijn het moeilijkst te verkrijgen omdat daarvoor geomechanische laboratorium- of in-situ-experimenten van gebroken gesteenten nodig zijn.
11. Verbinding van breuken: de kruising van natuurlijke breuken levert een doorlatend netwerk voor vloeistoffen op, terwijl losgekoppelde, geïsoleerde breuken hydraulisch niet effectief zijn. De kans op breukconnectiviteit neemt toe naarmate de populatie en de lengte van de breuken in een gegeven rotsvolume groter is.
12. Petrophysical properties of fractures including porosity and permeability.

Fractured Reservoirs

Alle reservoirgesteenten zijn tot op zekere hoogte gebroken en meestal door meer dan één proces. Niettemin verwijst de term “gefractureerd reservoir” naar een “tight” reservoir (matrixpermeabiliteit < 0,1 mD) waarin natuurlijke breuken een belangrijke permeabiliteitsrol spelen voor de vloeistofstroming (water, olie of aardgas). In deze reservoirs is daarom het in kaart brengen en karakteriseren van breuken in een 3D geologisch model en het kwantificeren van de petrofysische eigenschappen van breuken van het grootste belang voor het boren en de productie.
In zijn boek Geologic Analysis of Fractured Reservoirs heeft Ronald Nelson een classificatie van reservoirs beschreven op basis van de porositeit en permeabiliteit van zowel de rotsmatrix als de breuken. Er worden vier typen onderscheiden:

Classificatie van reservoirs op basis van petrophysische eigenschappen van gesteentefracturen. Gewijzigd uit Ronald Nelson, Geologic Analysis of Fractured Reservoirs (2001).- In reservoirs van type I zorgen breuken voor de essentiële porositeit en permeabiliteit (bv. Amal-veld, Libië; Ellenburger-velden, Texas). In reservoirs van type II zorgen breuken voor de essentiële doorlatendheid (bijv. Agha Jari-veld, Iran; Rangely, Colorado).
– In reservoirs van Type III dragen breuken bij tot de permeabiliteit van een reeds produceerbaar reservoir (b.v. Kirkuk, Irak; Cottonwood Creek, Wyoming).
– In reservoirs van Type IV fungeren breuken feitelijk als vloeistofbarrières (b.v. Beaver Creek, Wyoming; Houghton, Kansas). Deze reservoirs zijn structureel gecompartimenteerd.
Suburface fractures vormen altijd een uitdaging voor exploratie en productie. In de aardolie-, geothermische en grondwaterindustrie wordt daarom gebruik gemaakt van een grote verscheidenheid aan materialen, instrumenten en technieken om breuken te identificeren, in kaart te brengen en te karakteriseren. Daartoe behoren onder meer bekkentektoniek, outcrop-analogen, boorkernen, beeldvormingslogs van boorputten, seismische doorsneden, in-situ spanningsgegevens, putstromingstests en geomechanische experimenten.