University cluster 1:3 3D fracture network formation and characterization in tough gas reservoirs

Samenvatting

In Nederland en Europa vormt schaliegas een mogelijk nieuwe natuurlijke energiebron die ons nog enkele tientallen jaren van natuurlijke energie kan voorzien. Productie van schaliegas is, vanwege de extreem lage permeabiliteit van schalies, alleen economisch haalbaar als het gesteente, na het boren van productieputten, gestimuleerd wordt door het hydraulisch breken van het gesteente (‘fracturing’).

Fracturing zorgt ervoor dat hoog permeabele scheuren in het gesteente worden gevormd zodat een groter deel van het aanwezige gas in het schalie reservoir kan worden geproduceerd. In Noord Amerika wordt fracturing, met wisselend succes, toegepast. Sommige   putten produceren gas in economisch winstgevende hoeveelheden, maar de productie is vaak veel lager dan de voorspelling. Ook blijkt dat initieel grote hoeveelheden gas tijdens productie al snel afnemen tot kleine ongunstige hoeveelheden. Het succes van fracturing hangt onder andere af van de mineralogie van het gesteente, maar ook van de complexe connectiviteit en geometrie in drie dimensies (3D) van de gevormde scheuren. Schalie is zeer heterogeen en ook nog eens zeer anisotroop (grote verschillen in mechanisch gedrag parallel aan en loodrecht op de gelaagdheid). Dit kan er voor zorgen dat de geometrie en connectiviteit van de scheuren zeer complex is en grote verschillen vertoont met de meer simpele structuren van de scheuren in bijvoorbeeld hoog poreuze en zeer homogene zandstenen in Europa.

Om betere voorspellingen te kunnen doen over de productiepotentie van schaliegas in Nederland en Europa is er meer kennis en begrip nodig van deze scheurvorming- processen. Vooral omdat in Europa de productie op van schaliegas op veel grotere dieptes zal gaan plaatsvinden, hetgeen kostbaarder is. Er is in het project door de universiteiten van Utrecht, Eindhoven en Delft de afgelopen jaren intensief samengewerkt. Die samenwerking heeft geleid tot gemeenschappelijke initiatieven voor verder onderzoek op het gebied van breukgedrag en gesteentemechnica. De algehele Nederlandse kennispositie over de scheurvorming is versterkt. 

Projectdoelstelling

De ontwikkeling van kennis over de groei van scheuren in drie dimensies (3D) en de connectiviteit van deze scheuren in “tough gas” gesteente. Een van de vragen is bijvoorbeeld in welke mate de heterogeniteit in schalies de scheurvorming beïnvloedt. Vormen scheuren zich preferent langs de gelaagdheid ongeacht de stress richting, of bepaalt de stress richting de oriëntatie van de scheuren? Een andere doelstelling is bijvoorbeeld om de statistische eigenschappen van het 3D scheurnetwerk in “tough gas” reservoirs te bepalen. Om die statistische gegevens vervolgens te gebruiken voor de inschatting van gasproductie in “tough’ reservoir gesteentes in toekomstige opgeschaalde modellen.

Projectbeschrijving

De schalies van de Whitby Mudstone Formation op mechanische, mineralogische en petrofysische eigenschappen zijn gekarakteriseerd. De Whitby Mudstone Formation kan worden beschouwd als een tijds- en afzettings-equivalent van de Posidonia schalie, een potentiële kandidaat voor schaliegas exploratie in Nederland. 

Met behulp van gesteente mechanische experimenten zijn onder verschillende omstandigheden van bv. effectieve druk, temperatuur, stress  verschillende soorten “tough gas” gesteentes (schalies maar bv. ook tight gas dolomieten of kalken) vervormt. De gevormde breukpatronen zijn daarna in detail in drie dimensies gekarakteriseerd.

Resultaten

De resultaten tonen dat het gedrag van deze schalies erg complex en variabel is en afhangt van verschillende kenmerken. De schalies zijn veel kleirijker en hebben een hogere anisotropie dan die in Amerika. Verder is aangetoond dat akoestische metingen gebruikt kunnen worden voor de detectie van de eerste scheurvorming in gesteentes. Dit kan in de toekomst gebruikt worden voor het monitoren van seismiciteit.

Ook hebben de experimenten laten zien dat bij veelvuldig belasten en ontlasten van gesteentes de sterkte van de gesteentes afnemen (load fatigue) en dat er een beter gedistribueerd scheurnetwerk in het gesteente ontstaat. Voor eventuele seizoensgebonden opslag van energie of vloeistoffen in de ondergrond zijn deze waarnemingen van belang.

Als laatste hebben de experimenten op gelaagde gesteentes aangetoond dat scheuren die ontstaan in de minst sterke laag onder sommige omstandigheden propageren in de sterke laag daarboven of onder. Voor de integriteit van de afsluitende laag van reservoir gesteentes zijn deze metingen bruikbaar maar ze kunnen ook gebruikt worden om te voorspellen of dunne vloeistofhoudende lagen in fijn gelamineerde gesteentes wel of niet in verbinding met elkaar zouden kunnen staan.

Publicaties

Dit project heeft  geleid tot de volgende  wetenschappelijke publicaties in internationale tijdschriften. De artikelen met een * zijn open access artikelen en kunnen dus door iedereen bekeken worden, voor de andere artikelen is een betaling of abonnement nodig. 

• L.A.N.R Douma, M.E. Houben, M.I.W. Primarini, A. Barnhoorn, 2017. The validity of generic trends on multiple scales in rock-physical and rock-mechanical properties of the Whitby Mudstone, United Kingdom. Marine and Petroleum Geology 84, 135–147. 

• *M.E. Houben, N.J. Hardebol, A. Barnhoorn, Q.D. Boermsa, A. Carone, Y. Liu, D.A.M. de Winter, C.J. Peach, M.R. Drury, 2017. Fluid flow from matrix to fractures in Early Jurassic shales. International Journal of Coal Geology 175, 26-39. 

• *M.E. Houben, A. Barnhoorn, L.Wasch, J. Trabucho-Alexandre, C.J. Peach, M.R. Drury, 2016. Microstructures of Early Jurassic (Toarcian) shales of Northern Europe. International Journal of Coal Geology 165 (2016) 76–89