dc.contributor.advisor | Philipp, Sonja L. Prof. Dr. | |
dc.contributor.author | Afsar, Filiz | |
dc.date.accessioned | 2015-07-29T08:36:27Z | |
dc.date.available | 2015-07-29T08:36:27Z | |
dc.date.issued | 2015-07-29 | |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0022-6069-A | |
dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-5201 | |
dc.description.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. | de |
dc.language.iso | eng | de |
dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
dc.subject.ddc | 910 | de |
dc.subject.ddc | 550 | de |
dc.title | Fracture propagation and reservoir permeability
in limestone-marl alternations of the Jurassic Blue Lias
Formation (Bristol Channel Basin, UK) | de |
dc.type | cumulativeThesis | de |
dc.contributor.referee | Philipp, Sonja L. Prof. Dr. | |
dc.date.examination | 2015-01-12 | |
dc.description.abstracteng | In layered reservoirs characterised by low matrix permeability, fracture networks control the
main fluid flow paths. In limestone-marl alternations, however, the vertical fractureassociated
permeability varies considerably between distinct layers. Within a succession,
various sedimentological features (e.g. sedimentary layering or diagenetic bedding) lead to
contrasting rock properties and thus may act as stress barriers. Stress barriers such as
lithological contacts or thick marl layers can prevent the fracture propagation in layered rocks,
making the prediction of potential fluid flow paths in such successions even more
complicated. To improve the prediction of potential fluid flow path, it is crucial to find several
layers without stress barriers, which act mechanically as a single unit (‘mechanical unit’). The
aim of this doctoral study is to assess the impact of sedimentological and diagenetic features
and petrophysical properties on vertical fracture propagation in limestone-marl alternations of
the Jurassic Blue Lias Formation (Bristol Channel Basin, United Kingdom), in order to define
different kinds of stress barriers and mechanical units. For this purpose, six sections
characterised by different morphological variations (e.g. from limestone-dominated to marldominated)
were comprehensively investigated combining sedimentological (e.g. field
observations, thin section petrography, scanning electron microscopy, CaCO3- and Corgmeasurements),
quantitative structural geological (e.g. characterisation of fracture networks)
and petrophysical data (e.g. tensile and compressive strength-, rock hardness- and porositymeasurements).
Concerning the quantitative structural geological approach, more than 4000
fractures were traced over several layers along a 15 m scan-line using a modified scan-line
method (i.e. a combination of scan-line and window sampling).
It is generally assumed that the spacing between tension fractures increases and the fracture
density decreases with increasing bed thicknesses. This study revealed, however, that in the
respective beds of these alternations this relationship is only limitedly applicable and can only
be applied in cases of beds with laterally planar surfaces (i.e. well-bedded limestones). Even
in beds with the same thickness the fracture spacing varies significantly in beds with irregular
surfaces (i.e. semi-nodular limestones). That means fractures are unregularly spaced in seminodular
limestones and more regularly spaced in well-bedded limestones. Furthermore, wellbedded
limestones in the successions are generally characterised by higher percentages of
stratabound fractures (57 %), while semi-nodular limestones show higher percentages of nonstratabound
fractures (67 %). Not only is the fracture distribution in single beds crucial for the
fracture propagation in layered rocks, but also stress barriers such as lithological contacts,
thicknesses and heterogeneities within marl layers inhibit fracture propagation, as well. Stress
barriers were identified based on vertical fracture termination at and crossing through
lithological contacts and vertical fracture extension through layers (stratabound vs. nonstratabound
fractures). Since not all lithological contacts prevent the fracture propagation in
layered rock, the term was only used in this doctoral project for 50 % of fracture terminations
at these contacts (i.e. ‘mechanical interfaces’). In addition thick marl layers (>0.20 m)
bounded by mechanical interfaces and less than 50 % non-stratabound fractures are defined as
‘mechanical buffer’. Given the high heterogeneity of the Blue Lias Formation in fracture
distribution also the impact of diagenesis varies significantly from section to section. For
instance, three subsections in Wales were studied in detail, despite of their close vicinity and
relative contemporaneous time, all three subsections reveal different sedimentological and
diagenetic features on metre to micrometre scales (from early lithified over physically
compacted) and are all characterised by dissimilar patterns of fracture terminating at and
crossing through lithological contacts and fracture extension (e.g. percentages of nonstratabound
fractures) within beds. Lithological contacts in diagenetic influenced successions
are more gradual and hence are no mechanical interfaces, if additionally the contrast of
CaCO3 contents between limestones and marls is low the succession can be defined as a
mechanical unit which promotes the fracture propagation.
The prediction of fracture network connectivity is difficult in lithological heterogeneous
limestone-marl alternations such as the Blue Lias Formation with high heterogeneity in
fracture distribution, different impact of diagenesis and effect of different stress barriers. This
is particularly problematic for the characterisation of fracture networks and its application in
outcrop analogue studies, which are commonly used to predict main fluid flow paths in such
systems. The findings of this study are crucial to improve the quantification of fracture
distribution and propagation in heterogeneous rock successions and, consequently, to refine
definitions of mechanical units, being an important prerequisite for the prediction of fractureassociated
permeability and fluid flow models. | de |
dc.contributor.coReferee | Westphal, Hildegard Prof. Dr. | |
dc.contributor.thirdReferee | Sass, Ingo Prof. Dr. | |
dc.subject.eng | Fracture propagation | de |
dc.subject.eng | Reservoir permeability | de |
dc.subject.eng | Stress barrier | de |
dc.subject.eng | Limestone-marl alternation | de |
dc.subject.eng | Nodular limestone | de |
dc.subject.eng | Diagenesis | de |
dc.subject.eng | Differential compaction | de |
dc.subject.eng | Blue Lias | de |
dc.subject.eng | Bristol Channel Basin | de |
dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-11858/00-1735-0000-0022-6069-A-9 | |
dc.affiliation.institute | Fakultät für Geowissenschaften und Geographie | de |
dc.subject.gokfull | Geophysik (PPN623604493) | de |
dc.identifier.ppn | 832331279 | |