Multi-schaal modelleren van breuken en lokale stress velden: de relatie tussen de grote schaal en lokaal geplaatste puttenTKI2013-05UG/T2014-08UG/2015-05UG Multi-schaal modelleren van breuken en lokale stress velden: de relatie tussen de grote schaal en l

Samenvatting

Voor een succesvolle exploitatie van ondergrondse reservoirs zoals, olie, gas, aardwarmte en de opslag van CO2 en nucleair afval, is het essentieel dat alle geologische heterogeniteit goed wordt begrepen en voorspeld. Natuurlijke breuken zijn een belangrijke oorzaak van de heterogene eigenschappen. Deze hebben een grote invloed op de effectieve permeabiliteit en mechanische eigenschappen van ondergronds reservoirgesteente. De grootste structuren zoals grote breuken en plooien (100m tot km schaal) kunnen worden gedetecteerd en gevisualiseerd met behulp van seismische data. Echter, deze techniek kan niet worden gebruikt om de kleine structuren (cm tot 10m schaal) ‘breuken’ te detecteren. Deze ‘breuken’ kunnen alleen maar worden geobserveerd door middel van put data. Met als gevolg dat de laterale geometrie onbekend blijft. Geologen krijgen daardoor slechts een 1D beeld van een 3D geologische structuur (netwerk), terwijl die structuur grote invloed kan hebben op de effectieve parameters en daarmee productiviteit van een ondergronds reservoir. 

Om de fundamentele relaties tussen grootschalige tektoniek en de geometrie van kleinschalige deformatie structuren beter te begrijpen  zijn er dagzoom analyses, mechanische modeleer studies en stochastische simulaties toegepast. Met als doel de distributie, topologie, oriëntatie en connectiviteit van een netwerk te voorspellen aan de hand van mechanische eigenschappen, regionale stress velden en grootschalige structuren. 

Het onderzoek laat zien dat breuknetwerken die normaal niet te zien zijn via seismiek maar die wel grote invloed hebben op de productiviteit van een olie- of gasreservoir, kunnen worden voorspeld met behulp van fundamentele geologische kennis. Met veld- en/of modelleerstudies bijvoorbeeld, kan de relatie tussen regionale geologie en potentiele netwerk geometrieën in de ondergrond beter worden begrepen. Het veldwerk laat zien dat netwerk geometrieën kunnen worden gekwantificeerd in statistische parameters die uniek zijn voor elk betreffend netwerk en geologische situatie. Deze statistische parameters kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt in reservoir simulaties. 

De geomechanische modelstudies laten zien hoe de geometrieën betreffende orthogonale netwerken, afhankelijk zijn van zowel regionale stress velden als van lokale heterogeniteiten zoals laagdikte, en dat orthogonale netwerken kunnen worden omschreven aan de hand van handige vuistregels.

Aan de hand van fundamentele geologische kennis wordt een bijdrage geleverd aan het beter begrijpen en in kaart brengen van de complexe structuren die aanwezig zijn in de ondergrond. Deze kennis is toepasbaar voor verschillende applicaties voor geo-resources zoals: Diepe Geothermie, Hydraulische stimulatie, Leaking seal rocks, unconvential recrourses, het plannen van putten en de opslag van CO2. 

Projectdoelstelling

Het algemene doel van het project is om instrumenten te ontwikkelen om “reservoir-scale” distributie te voorspellen van breuken en lokale stress velden in lithologieën en domeinen die mogelijk interessant zijn voor olie- en gasexploratie. 

Projectbeschrijving

Er is een combinatie van  innovatieve en geavanceerde  ontsluitings- en numerieke studies toegepast. Ook is er gebruik gemaakt van dagzoom analyses, mechanische modeleer studies en stochastische simulaties om de fundamentele relaties tussen grootschalige tektoniek en de geometrie van kleinschalige deformatie structuren beter te begrijpen. Tenslotte zijn er geavanceerde middelen zoals drone-imaging, speciale interne softwaretools en visualisaties toegepast om zo de relevante geologische informatie te verkrijgen. 

Resultaten

Karakteristieken van een natuurlijk breuk netwerk

Voor de dagzoom studie, zijn vijf breuk netwerken gekarakteriseerd in Port Mulgrave (NE Yorkshire (UK)). Onze outcrop bestaat uit de Lower Jurassic Whitby Mudstone formatie die als analoog wordt beschouwd voor Poisidonia schalie. De dagzoom in Port Mulgrave is uniek omdat het zowel kliffen als zo geheten pavements omvat, wat de mogelijkheid biedt om een 3D netwerk karakterisering te maken. 

De gedigitaliseerde interpretatie van de vijf pavements is weergegeven in figuur 1, en laat zien dat de netwerk geometrie inderdaad afhankelijk is van de laag. Alle netwerken laten een dominante N-S set van breuken zien die kleinere E-W breuken afsnijden. Deze E-W breuken snijden op zichzelf ook weer kleinere N-S breuken af, waarmee een zogeheten ‘nested’ structuur ontstaat. 

Figuur 1: Gedigitaliseerde breuk netwerken van de pavement outcrops uit Port Mulgrave (Yorkshire UK). Beide netwerken laten een orthogonale geometrie zien met doodlopende hoeken van +- 90⁰. Dit figuur is gemodificeerd van een paper van Hardebol et al. 2017 (In Prep). 

Deze 90⁰ hoek tussen die twee breuk oriëntaties is karakteristiek voor orthogonale netwerken. Verdere analyse laat zien dat de geobserveerde hiërarchische geometrie wordt gekarakteriseerd door zowel de lengte als door de netwerk topologie. Met behulp van deze twee eigenschappen kan het netwerk worden gekwantificeerd in geologische parameters die later kunnen worden gebruikt in bijvoorbeeld stochastische simulaties. Deze parameters zullen voor elke netwerk geometrie anders zijn, en met behulp van veldwerk studies kunnen we deze karakteristieke parameters beter korreleren met de regionale geologie zodat we betere voorspellingen kunnen doen betreffende potentiele netwerk geometrieën in de ondergrond.

Geo-mechanisch modelleren van een orthogonaal breuk netwerk

Breuk netwerken vormen als het gevolg van opeenvolgende scheurvorming door een regionaal stress veld, die de steen doet breken. Heterogeniteiten zoals gelaagdheid, al bestaande breuken, verschillende mechanische parameters maar ook de opeenvolgde scheurvorming zelf, resulteren in lokale perturbaties in het regionale stress veld. Deze lokale verandering worden het best omschreven door LEFM (Irwin, 1957), en deze theorie beschrijft hoe lokale stress velden zich concentreren rondom de punt van een breuk.

De breuk netwerken uit Port Mulgrave laten een orthogonale geometrie zien. Geo-mechanisch modelleer werk, dat is uitgevoerd voor dit onderzoek, laat zien dat de uiteindelijke geometrie van een orthogonaal netwerk, sterk afhankelijk is van het regionale stress veld, de laagdikte en mechanische eigenschappen van het gesteente. De laagdikte van het gesteente beïnvloedt vooral de spatiëring van de breuken en niet zozeer de formatie van een orthogonale geometrie. Over het algemeen laten de modelresultaten zien dat orthogonale breuk netwerken kunnen worden omschreven door kwantificeerbare geologische parameters die kunnen worden gebruikt om potentiele netwerk geometrieën te voorspellen in de ondergrond.

Dit onderzoek draagt bij aan het beter begrijpen en in kaart brengen van de complexe structuren die aanwezig zijn in de ondergrond aan de hand van fundamentele geologische kennis. Deze kennis is toepasbaar voor verschillende applicaties betreffende geo-resources zoals: Diepe Geothermie, Hydraulische stimulatie, Leaking seal rocks, unconvential recrourses, het plannen van putten en de opslag van CO2. 

Publicaties

Boersma, Q., Hardebol, N., Auke , B., & Giovanni , B. (2017). Mechanical factors controlling the development of orthogonal and nested fracture network geometries . Rock mechanics and Engineering (Under review). 

Hardebol, N., Boersma, Q., Barnhoorn, A., Houben, M., & Bertotti, G. (2017). Natural fracture netwerk parameterisation from Lower Jurassic shale pavements, Cleveland Basin, United