Fracture propagation and reservoir permeability in limestone-marl alternations of the Jurassic Blue Lias Formation (Bristol Channel Basin, UK)

Abstract

In geschichteten Reservoiren mit geringer Matrix-Permeabilität kontrollieren überwiegend Bruchsysteme den Fluidtransport. In Kalk-Mergel-Wechselfolgen sind allerdings die vertikale Kluftausbreitung sowie die Vernetzung der Kluftsysteme zwischen den unterschiedlichen Schichten sehr variabel, was schließlich die Permeabilität in diesen bruchkontrollierten Reservoiren erheblich beeinflusst. Innerhalb einer Schichtfolge führen diverse sedimentologische Merkmale (z.B. sedimentäre Schichtung und diagenetische Bankung) zu kontrastreichen Gesteinseigenschaften und wirken somit als Spannungsbarrieren. Spannungsbarrieren, wie beispielsweise lithologische Kontakte oder mächtige Mergellagen, können die Kluftausbreitung in geschichteten Gesteinen ebenfalls verhindern und erschweren zusätzlich die Vorhersage potentieller Fluidwege. Aufgrund dessen ist es entscheidend Schichten, die sich mechanisch einheitlich verhalten („mechanische Einheit“) zu finden. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist, den Einfluss von sedimentologischen und diagenetischen Merkmalen und petrophysikalischen Eigenschaften vertikaler Kluftausbreitung in Kalk-Mergel-Wechselfolgen der Jurassischen Blue Lias Formation (Bristol Channel Becken, Großbritannien) abzuschätzen, um verschiedenartige Spannungsbarrieren und mechanische Einheiten zu definieren. Zu diesem Zweck wurden sechs Profile untersucht, welche sich durch unterschiedliche morphologische Variationen auszeichnen (d.h. von kalkdominiert zu mergeldominiert). Die Untersuchungen umfassen Kombinationen aus sedimentologischer (z.B. Geländeuntersuchungen, Dünnschliffpetrografie, Rasterelektronenmikroskopie, CaCO3- and Corg-Messungen), quantitativ strukturgeologischer (z.B. Charakterisierung von Kluftsystemen) sowie petrophysikalischer Daten (z.B. Spaltzug- und Druckfestigkeits-, Rückprallhärte- und Porositäts-Messungen). Im Rahmen der quantitativen strukturgeologischen Untersuchungen wurden unter Verwendung einer modifizierten Scanline Methode (Durchführung einer flächengestützten Kluftanalyse) über 4000 schichtübergreifende Klüfte betrachtet. Generell wird angenommen, dass der Kluftabstand mit zunehmender Bankmächtigkeit zunimmt und die Kluftdichte dementsprechend abnimmt. Diese Studie zeigt jedoch, dass dieser Zusammenhang nur eingeschränkt auf Kalkbänke dieser Abfolgen anwendbar ist und nur auf Schichten mit lateral planaren Oberflächen (wohlgebankte Kalkbänke) übertragen werden kann. Bei Bänken gleicher Mächtigkeit mit allerdings irregulären Oberflächen (semiknollige Kalkbänke) variieren die Kluftabstände innerhalb dieser Bänke beträchtlich. Das bedeutet, die Kluftabstände sind in semiknolligen Kalkbänken eher unregelmäßig wohingegen die Abstände in wohlgebankten Bänken eher regelmäßig sind. Des Weiteren sind in wohlgebankten Kalken ein höherer prozentualer Anteil von schichtgebundenen Klüften (57 %) ausgebildet. Dagegen sind in semiknolligen Kalken ein höherer Anteil nicht-schichtgebundener Klüfte ausgebildet (67 %). Entscheidend für die Kluftausbreitung in geschichteten Gesteinen ist nicht nur die Kluftverteilung der einzelnen Bänke, sondern auch verschiedenartige Spannungsbarrieren, wie beispielsweise lithologische Kontakte, Mächtigkeiten und Heterogenitäten von Mergeln hemmen die Kluftausbreitung. Anhand der vertikalen Kluftstoppung an lithologischen Kontakten und vertikale Kluftausbreitung durch Schichten wurden Spannungsbarrieren identifiziert (schichtgebundene vs. nicht-schichtgebundene Klüfte). Da nicht alle lithologische Kontakte die Ausbreitung von Klüften in geschichteten Gesteinen verhindern, wurde in dieser Studie der Terminus für 50 % Kluftstoppung an diesen Kontakten verwendet („mechanische Grenzflächen“). Zusätzlich wurden bestimmte Mergellagen, die >0.20 m mächtig sind, durch mechanische Grenzflächen begrenzt sind und weniger als 50 % nicht-schichtgebundene Klüfte beinhalten, als „mechanische Puffer“ definiert. Die Charakterisierung des Kluftsystems wird neben der vorherrschenden stark heterogenen Kluftverteilung in der Blue Lias Formation, auch durch eine signifikante Variation des Diagenese-Einflusses von Abschnitt zu Abschnitt erschwert. Beispielsweise wurden in Wales drei Teilprofile genauestens untersucht, welche trotz ihrer räumlich nahen Lage und relativ zeitgleichen Entstehung unterschiedliche sedimentologische und diagenetische Merkmale in Meter- bis Mikrometer-Skalen aufweisen (von früh lithifiziert bis physikalisch kompaktierte Abfolgen). Darüber hinaus sind diese durch unterschiedliche Muster der Kluftstoppung an Kontakten und Kluftausbreitung innerhalb der Bänke charakterisiert. Lithologische Kontakte in diagenetisch beeinflussten Abfolgen sind tendenziell eher graduell und somit keine mechanischen Grenzflächen. Wenn zusätzlich der Unterschied zwischen den CaCO3-Konzentrationen zwischen Kalken und Mergeln niedrig ist, kann die Abfolge als eine mechanische Einheit definiert werden, welches die Kluftausbreitung begünstigen würde. Die Vorhersage der Konnektivität von Kluftnetzwerken ist in lithologisch heterogenen Kalk-Mergel-Wechselfolgen, wie die in der Blue Lias Formation, aufgrund unterschiedlicher Kluftverteilung innerhalb einzelner Bänke, unterschiedliche diagenetische Einfluss und verschiedenartiger Spannungsbarrieren schwierig. Das ist insbesondere für die Charakterisierung der Kluftnetzwerke und ihre Nutzung in Aufschluss-Analogstudien problematisch, welche für die Einschätzung des Fluidtransports in solchen Systemen verwendet wird. Die Ergebnisse dieser Studie sind zur Optimierung der Quantifizierung von Kluftverteilung und -ausbreitung in heterogenen Gesteinsabfolgen entscheidend und präzisieren die Definition mechanischer Einheiten. Diese Definition ist eine wichtige Voraussetzung für die Vorhersage von Kluftpermeabilitäten und folglich entscheidend für Fluidtransportmodelle.