GEO ExPro – Fracture, Fracture Everywhere – Part I

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GEO ExPro – Fracture, Fracture Everywhere – Part I

Scotland, Caithness, St.Mary’s Chapelの旗石に見られる発達したジョイントセット。 (出典: Mike Norton)

Part I

「割れ目」という用語は、2つの岩石の破断面（通常は平面）が、割れ目の長さや高さよりもはるかに短い狭いスリットによって分離されている岩石の切れ目や構造の不連続面を含んでいます。 岩石の凝集力が失われることによって起こる割れ目は、地球の上部地殻における脆性変形の典型的な表現です（延性の条件下で地殻深部に発生する流動と褶曲構造とは対照的です）

コーニッシュ花崗岩の自然の割れ目を手と足のホールドとして使用するロッククライマー。 (出典: Jane Whaley)割れ目は、あらゆる種類の岩石（火成岩、堆積岩、変成岩）、および大陸リフトや中海嶺から沈み込み海溝や大陸衝突まで、あらゆるプレートテクトニック環境において見られる、最も一般的な構造的特徴である。 割れ目に関する知識は、科学的、技術的、経済的な目的のために重要である。 割れ目は、山脈、堆積盆地、海岸線、海底、地震などを形成する地質学的プロセスの不可欠な部分である。 亀裂はまた、地下水、石油・ガス、鉱床、マグマの移動のための流体通路を提供する。
亀裂の科学的調査は19世紀にさかのぼり、ここ数十年で急速に拡大している。 このような研究は、ミクロ・マクロレベルでの岩石観察や構造マッピング、実験やアナログ作業、幾何学的・地球機械的解析、数値モデリングやシミュレーションなどが含まれます。
石油分野では、しばしば自然（天然）割れ目と掘削によるもの、水圧によるもの（岩石破砕用流体の注入によるもの）を区別しています。 しかし、天然亀裂はどの岩石にも存在するにもかかわらず、その形状は一様ではなく、「天然亀裂」という単純な表現では、その複雑さを正しく表現することはできません。

割れ目はいろいろな形をしている

共役正断層構造上のいろいろなタイプの割れ目。 Haakon Fossen, Structural Geology (2010)より改変）破砕は鉱物からテクトニックプレートまで様々なスケールで発生し、多くの異なるプロセスによって多くの形態で発生する。 断裂とは、岩石のさまざまな破壊の総称である。
鉱物粒のスケールでは、断裂は凹凸や曲面に沿った結晶の破壊であり、結晶に外力が加えられる必要がある。 (破砕は、鉱物の結晶が一つまたは複数の滑らかな平面に沿って割れる傾向のことで、鉱物格子内の化学結合の配置に関係する劈開とは異なります)。 岩石試料の薄切片では、粒内割れ（個々の粒に限定されたもの）と粒間割れ（複数の粒にまたがっているもの）が観察できる。
堆積岩の露頭では、岩石の割れ目のうち最も目を引くのは寝かせ面と接合部であろう。 堆積岩の露頭では、岩相の変化や堆積物の性質によって、層理面は連続した堆積岩の層を分ける。 ジョイントという言葉は、鉱夫たちが、岩石がこの平面に沿って積み木のように「接合」されていると考えたことから使われるようになった。 ジョイントは目に見える剪断は見られないが、引張応力によって形成される拡張（開口）亀裂または伸長亀裂である。 伸長破壊の他のタイプとしては、亀裂（空気、水、その他の流体で満たされた広い開口部）、鉱脈（鉱物で満たされた）、ダイク（深成岩または火山岩で満たされた垂直で広い割れ目）があります。
一方、せん断破壊は、破壊面（滑り面）に平行に2つの破壊壁の相対移動（滑り）が見られます。 断層がより大きな変位を持つのに対して、剪断破壊は通常ミリメートルからセンチメートル単位の変位を持つ。 断層には、断層壁が摩擦によって滑ることによって生じる研磨面や筋状の表面（スリックサイドと呼ばれる）がよく見られます。 地質学者はスリッケンライン（断層表面の溝）を使って断層の方向を決定することができます。

褶曲構造で発達した縦断、横断、共役、斜め、直交の割れ目に分類される幾何学的な割れ目のこと。 20世紀前半に地質学者によって作られたフィールドベースの概念である。 石油・地下水業界では、フラクチャーとは、貯留層規模のジョイントや、地下の流体流動にプラスの意味を持つ開口した伸長性フラクチャーのことを指すことが多い。 この限られた意味において、例えば大きな断層は別の特徴として扱われる。 このように、貯留岩に「割れ目や断層」があることをよく耳にするが、これは「農場に動物や犬がいる」と言うようなものである。 断層は確かに重要なタイプの割れ目であり、他の多くのタイプの割れ目と遺伝的に関連している。 (断層の種類については、「断層を知る」（GEO ExPro、Vol.9、No.5、No.6）を参照）。 マッドクラック（乾燥割れ目）は、粘土質の多い堆積物において、収縮と水分の喪失により発達する多角形の伸長性割れ目である。 クリートは天然ガスや水で満たされた炭層中の天然の開放モード割れ目である。 変形帯は、高孔質砂岩中のミリ幅の平面的な特徴で、オフセットはほとんど見られないが、低孔質、低透水性の帯状岩石であるが、鉱物粒子の流動、破砕、セメンテーションによりすべて同じではない。断層の周りに集まっている。
衛星画像上で壮観な特徴を形成する割れ目もあり、地殻スケールでの流体運動にとって重要なものである。 リニアメントは、大きな断層や褶曲による岩石の変形を示す地域的な範囲の地形線である。

割れ目の特性評価

包括的な割れ目の特性評価には、以下のような多くのパラメータのマッピング、測定、文書化が必要である。
1. 亀裂の種類とその充填物（開いているか、充填されているか）。
2.特定の岩相、構造（断層、褶曲、無構造）、変形履歴（年代）、現在の（原位置）応力場との関連性。
3.体系的な岩石亀裂は、しばしば1つまたは複数の亀裂集合で発達する。 このような割れ目群をマッピングして定量化し、相対的な年代を算出することが重要である。
4.割れ目の姿勢には、走向（北を基準とする）と傾斜角（水平0°から垂直90°まで）と方向（傾斜方向は常に走向と直角）があります。 これらのデータはステレオグラフの等面積プロットで表示することができる。 また、走向傾向は、バラ図やヒストグラムにプロットすることもできる。
5. 断裂長さは、構造の横方向の持続性を示す。 <1mの痕跡長は非常に低い持続性、>20mは非常に高い持続性のある割れ目である。

6.割れ目の間隔と層厚や構造的位置（断層関連、褶曲関連、なし）との関連は重要なデータである。 露頭では、走査線に沿ってテープで割れ目の間隔を測定することができる。 観察によると、非常に硬い層は非常に弱い層よりも多くの接合部があり、ある岩相では、より薄い層が密接に接合していることがわかる。 国際岩石力学連合（ISRM）は、割れ目の間隔を次のように分類することを推奨している：極めて狭い間隔（<0.02m）、極めて狭い間隔（0.02-0.06m）、狭い間隔（0.06-0.2m）、中程度の間隔（0.2-0.6m）、広い間隔（0.6-2.0m）、非常に広い間隔（2.0-6.0m）および極めて広い間隔（>6.0m）。 破砕頻度は、長さ1mあたりの破砕数として定義される。 したがって、これは割れ目間隔の逆数である。 破砕頻度は1/破砕間隔に等しい。
7.母集団。 亀裂の発生は、1次元（一定長さの亀裂頻度）、2次元（一定面積の亀裂強度）、3次元（一定体積の亀裂密度）で定量化できる。
8.開口部とは、割れ目の隣接する岩壁（割れ目面）間の垂直距離のことである。 開口している場合（空気、水、その他の流体を含む）と閉じている場合（断層岩やその他の注入物質で満たされている）があります。 開口部は、閉じた割れ目では狭い（<0.25mm）、開いた割れ目では広い（>10mm）ことがあります。 開口部は亀裂の長さに沿って亀裂の前面に向かうにつれて小さくなります。 また、開口部はアスペリティ（下記参照）により、骨折の高さ方向に変化することもあります。 開口幅の推定方法や目的によって、「等価開口幅」「水圧開口幅」「機械的開口幅」という用語が使われることが多い。
9. 亀裂壁は完全な平行平滑面ではなく、アスペリティと呼ばれる粗さや凹凸があり、これが亀裂の透水性を低下させます。 このため、アスペリティに関するある程度の知識は、亀裂を通る流体の流れのより良いモデリングに役立つと考えられる。

岩石亀裂の解剖図。 (出典：Rasoul Sorkhabi）10． 亀裂の硬さ（パスカル/mmで測定）は、正規応力（正規剛性または閉鎖に対する抵抗）とせん断応力（せん断剛性またはせん断変位に対する抵抗）に対する亀裂の応力-変形を記述しています。 亀裂の硬さに関するデータは、亀裂のある岩石のジオメカニカル実験室または原位置での実験が必要なため、最も入手しにくい。
11. 亀裂の連結性：自然の亀裂の交差は流体の浸透ネットワークを提供するが、切断された孤立した亀裂は水理学的に有効でない。 亀裂の連結性は、岩石体積中の亀裂の数や長さが大きくなるにつれて高くなる。
12.

破砕性貯留層

すべての貯留岩はある程度、通常は複数のプロセスで破砕されている。 それにもかかわらず、「フラクチャードリザーバー」という用語は、天然の亀裂が流体（水、油または天然ガス）の流れに対して重要な浸透性の役割を果たすタイトリザーバー（マトリックス浸透率 < 0.1 mD）を指している。 したがって、このような貯留層では、3次元地質モデルにおける割れ目のマッピングと特性評価、および割れ目の石油生理学的特性の定量化が掘削と生産にとって最も重要である。
Ronald Nelsonは、その著書 Geologic Analysis of Fractured Reservoirs で、母岩と割れ目の両方の孔隙率と浸透率に基づいて貯留層を分類している。 3490>

岩石亀裂の岩石物理学的性質に基づく貯留層の分類。 タイプIの貯留層では、亀裂が不可欠な空隙率と浸透率を提供する（例：リビアのアマルフィールド、テキサスのエレンバーガーフィールド）。 このような貯留層では、坑井1本当たりの減少曲線が高い。
-タイプII貯留層では、フラクチャーが必須の浸透性を提供する（例：イラン、アガジャリフィールド、コロラド州レンジリー）。
– タイプIIIの貯留層では、割れ目はすでに生産可能な貯留層の浸透性に寄与する（例：イラクのキルクーク、ワイオミング州のコットンウッドクリーク）
– タイプIVの貯留層では、割れ目が実際に流体障壁として機能する（例：ワイオミング州のビーバークリーク、カンザス州のホートン）
。 これらの貯留層は構造的に区分されている。
地下の割れ目は常に探査と生産に難題を突きつけている。 そのため、石油・地熱・地下水産業では、さまざまな材料や道具、技術を駆使して割れ目の同定やマッピング、特徴付けを行っている。 これらには、盆地テクトニクス、露頭の類似物、コア、ボアホールイメージングログ、地震断面、原位置応力データ、坑内流動試験、ジオメカニカル実験などが含まれます