Pore-scale Characterization and modelling of Kapp Toscana Group reservoir sections using X-ray micro-CT.

Jeroen Van Stappen
Sinds 2007 is het CO2 laboratorium van het universiteitscentrum UNIS op Svalbard, Noorwegen, belast met de studie van reservoir gesteenten die te vinden zijn onder de stad Longyearbyen op Spitsbergen. Deze studies worden uitgevoerd met als uiteindelijk doel om CO2 van nabije steenkoolcentrales te capteren en op te slaan in de ondergrond. Onderzoek uitgevoerd in 2012 benadrukte hierbij het belang van breuken in de aangeboorde gesteenten van de Wilhelmøya Subgroep. Deze gesteenten werden geïdentificeerd als de meest geschikte sectie voor opslag van CO2 in de onmiddellijke nabijheid van de stad.

Pore-scale Characterization and modelling of Kapp Toscana Group reservoir sections using X-ray micro-CT.

Sinds 2007 is het CO2 laboratorium van het universiteitscentrum UNIS op Svalbard, Noorwegen, belast met de studie van reservoir gesteenten die te vinden zijn onder de stad Longyearbyen op Spitsbergen. Deze studies worden uitgevoerd met als uiteindelijk doel om CO2 van nabije steenkoolcentrales te capteren en op te slaan in de ondergrond. Onderzoek uitgevoerd in 2012 benadrukte hierbij het belang van breuken in de aangeboorde gesteenten van de Wilhelmøya Subgroep. Deze gesteenten werden geïdentificeerd als de meest geschikte sectie voor opslag van CO2 in de onmiddellijke nabijheid van de stad. Met de technologie, beschikbaar in het universiteitscentrum,  was het echter onmogelijk om de breuken in de boorkernen te karakteriseren. Daarom werd een samenwerking opgezet tussen UNIS en de Universiteit Gent. Om de zandsteensecties van de Wilhelmøya Subgroep te karakteriseren werden 12 cylindrische gesteentestalen van de beschikbare boorkernen genomen rondom Longyearbyen. De gesteenten die bemonsterd werden zijn hierin terug te vinden op dieptes van 670 meter tot 755 meter. Door de hellende natuur van de gesteentelagen worden dezelfde gesteenten ook teruggevonden in valleien ten Noord-Oosten van de stad. Ook hier werden de gesteentelagen bemonsterd. Analyses gebeurden met X-stralen computer tomografie (CT) aan het “Centre for X-ray Tomography” van de Universiteit Gent (UGCT). Met deze non-destructieve techniek was het mogelijk de gesteentestalen te visualiseren en een quantitatieve karakterisatie te geven in 3 dimensies van de interne structuren van de gesteenten.

Met het oog op potentiële CO2-opslag in de gesteenten zijn de distributies van poriën en breuken in de gesteenten natuurlijk de belangrijkste parameters voor analyse. De applicaties van X-stralen CT op gesteenten blijft echter niet tot deze parameters beperkt. Doordat de interne structuur van het gesteente in 3 dimensies wordt gevisualiseerd bij deze analyses kon er een meer uitgebreide karakterisatie van de gesteenten gebeuren. Dit zorgde ervoor dat gesteenten uit verschillende boringen en deze in de valleien gedetailleerder met elkaar gelinkt konden worden en werden er fossiele structuren ontdekt in de boorkernen.

Alle gesteentestalen werden hiervoor geanalyseerd bij verschillende resoluties. Op deze manier kon het gesteente gekarakteriseerd worden op de schaal van de kernen (met een breedte van ongeveer 4 cm) en op de schaal van de individuele poriën en breuken die terug te vinden zijn in het gesteente, de micro-schaal. Een voorbeeld van CT-beelden van de gesteenten met een hoge resolutie is gegeven in de bijlage. Het gesteentemonster dat hierop te zien is is een zandsteen met bijmenging van klei, gelocaliseerd op een diepte van 689.70 meter in de boorkern. Met een resolutie van 2.8 μm kunnen er micro-breuken (blauwe pijlen) worden waargenomen en indicaties van fossiele kruipgangen van organismen (paarse pijlen), alsook individuele korrels.

De verkregen resultaten van het CT-onderzoek werden aangevuld met resultaten van laboratorium metingen. Vervolgens werden de CT-beelden gebruikt als basis voor modellering van de gesteenten met een gespecialiseerde software. Bij deze modellering werden de poriën onttrokken uit de 3D-beelden waarna ze vereenvoudigd werden. Op het resulterend vereenvoudigd netwerk werden vervolgens simulaties uitgevoerd van vloeistofstroom. Op deze manier konden de gesteenten digitaal geïnjecteerd worden met CO2. Deze simulaties leidden tot extra parameters om de gesteenten verder mee te karakteriseren.

Voor het eerst sinds de start van het gedetailleerd onderzoek naar deze gesteentes werden in de beschikbare boorkernen de breuken in de gesteenten gekarakteriseerd. Parameters die konden bepaald worden zijn: de maximale opening van de breuken, de orientatie en de lengte ervan. Deze parameters zijn van belang voor de evaluatie van de gesteenten met betrekking tot mogelijke CO2-opslag. Ze werden ook bepaald in de gesteentestalen uit de ontsluitingen nabij de stad. Dat leidde tot volgend vergelijk: de breuken in de boorkernen zijn duidelijk minder lang dan de breuken in de gecorreleerde gesteenten op het veld. Dit kan te maken hebben met de verschillende ontwikkeling van de gesteenten door opheffing en vorstwerking aan de oppervlakte. De orientatie van de breuken en ook hun opening zijn echter zeer vergelijkbaar. Voor wat betreft deze parameters kunnen dus gesteenten aan de oppervlakte een goede indicatie geven van de waarden teruggevonden in de gesteenten van de Wilhelmøya Subgroep onder Longyearbyen.

Flow simulaties werden uiteindelijk voltrokken bij 4 gekozen substalen. Deze waren allen bij een hoge resolutie gescand en vertoonden bij deze resoluties voldoende poriën om de simulaties uit te voeren. De poriestructuur was echter zeer complex in deze substalen, wat zorgde voor een verschil in resultaten van de simulaties vergeleken met resultaten die verkregen werden bij laboratorium experimenten. Verder onderzoek naar deze modelleringsmethode bij geoptimaliseerde resoluties is hierdoor zeker aan te raden.

Voor het eerst werden gesteenten van de Wilhelmøya Subgroep geanalyseerd met X-stralen computer tomografie. Dit onderzoek kwam tot stand via een samenwerking van UNIS en de UGent na het bepalen van de verdere noodzaak in het onderzoek van gesteenten voor CO2-opslag in de ondergrond nabij Longyearbyen, Svalbard. De geselecteerde gesteenten werden grondig geanalyseerd op verschillende schalen, waarbij de voornaamste aandacht ging naar de karakterisatie van de poriënstructuur en de analyse van breuken in de boorkernen. Door gebruik te maken van geavanceerde X-stralen CT scanners van het UGCT konden breukparameters zoals opening en lengte van de breuken op micrometer-schaal bepaald worden.

Bibliografie

Attix, F.H. (1986). Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. New York: Wiley.

Båckstrøm, S.A. & Nagy, J. (1985). Depositional history and fauna of a Jurassic phosphorite conglomerate (the Brentskardhaugen Bed) in Spitsbergen. Norsk Polarinstitutt Skrifter. 183. 1-61.

Bakke, S. & Øren, P.E. (1997). 3-D Pore-Scale Modelling of Sandstones and Flow Simulations in the Pore Networks. SPE Journal. 2, 136-149.

Bergan, M. & Knarud, R. (1993). Apparent changes in clastic mineralogy of the Triassic-Jurassic succession, Norwegian Barents Sea: Possible implications for palaeodrainage and subsidence. In: Vorren, T.O., Bergsager, E., Dahl-Stamnes, Ø.-A., Holter, E., Johansen, B., Lie, E. & Lund, T.B. (eds) Arctic geology and petroleum potential. Amsterdam, Elsevier: Norwegian Petroleum Society, Special Publication v. 2. 481-493.

Bergh, S.G., Braathen, A. & Andresen, A. (1997). Interaction of basement-involved and thin-skinned tectonism in the tertiairy fold-thrust belt of central Spitsbergen, Svalbard. American Association of Petroleum Geologists Bulletin. 81, 637-661.

Braathen, A., Baelum, K., Christiansen, H.H., Dahl, T., Eiken, O., Elvebakk, H., Hansen, F., Hanssen, T.H., Hochmann, M., Johansen, T.A., Johnsen, H., Larsen, L., Lie, T., Mertes, J., Mørk, A., Mørk, M.B., Nemec, W., Olaussen, S., Oye, V., Rød, K., Titlestad, G.O., Tveranger, J. & Vagle, K. (2012). The Longyearbyen CO2 Lab of Svalbard, Norway – initial assessment of the geological conditions for CO2 sequestration. Norwegian Journal of Geology. 92, 353-376.

Brabant, L., Vlassenbroeck, J., De Witte, Y., Cnudde, V. et al. (2011). Three-dimensional analysis of high-resolution X-ray computed tomography data with Morpho+. Microscopy and Microanalysis. 17 (2), 252-263.

Bromley, R.G. & Frey, R.W. (1974). Redescription of the trace fossil Gyro-lithes and taxonomic evaluation ofThalassinoides, Ophiomorpha and Spongeliomorpha. Bulletin of the Geological Society of Denmark. 23, 311-335.

Brooks, R.A. & Di Chiro, G. (1976). Principles of computer assisted tomography (CAT) in radiographic and radioisotopic imaging. Physics in Medicine and Biology. 21 (5), 689-732.

Chen, S. & Doolen, G.D. (1998). Lattice Boltzmann Method for Fluid Flows. Annual review of Fluid Mechanics. 30, 329-364.

Cnudde, V. (2011). Integrated reservoir modelling, Partim: Petrophysical rock properties. University of Ghent course notes.

Dypvik, H., Hvoslef, S., Bjaerke, T. & Finnerud, E. (1985). The Wilhelmøya Formation (Upper Triassic-Lower Jurassic) at Bohemanflya, Spitsbergen. Polar Research. 3, 155-166.

Elvebakk, H. (2010). NGU Report 2010.018 Results of borehole logging in well LYB CO2, Dh4 of 2009, Longyearbyen, Svalbard. Geological Survey of Norway: 5-35.

European Standard NBN EN 1936:2006. Natural stone test methods – Determination of real density and apparent density and of total and open porosity. CEN, Brussels.

Farokhpoor, R., Torsaeter, O., Baghbanbashi, T., NTNU, Mørk, A., SINTEF, NTNU, Lindeberg, E. & SINTEF (2010). Experimental and Numerical Simulation of CO2 Injection into Upper-Triassic Sandstones in Svalbard, Norway. The Society of Petroleum Engineers international conference on CO2 capture, storage and utilization held in New Orleans, USA.

Forbes, A.T. (1973). An unusual abbreviated larval life in the estuarine burrowing prawn Callianassa kraussi (Crustacea: Decapoda: Thalassinidea). Marine Biology. 22, 361-365.

Glover, P. (2001). Formation Evaluation MSc Course Notes. Aberdeen University. 84-94.

Gómez, J.J. & Fernándeze-López, S. (1994). Condensation processes in shallow platforms. Sedimentary geology. 92, 147-159.

Greg, M. (2001). X-ray computed tomography. Physics Education. 36 (6), 442-451.

Haremo, P., Nagy, J., Elverhøi, A., Eikeland, T.A. & Johansen, H. (1990). Structural development along the Billefjorden Fault Zone in the area betweeen Kjellströmdalen and Adventdalen/Sassendalen, central Spitsbergen. Polar Research. 8, 195-216.

Harland, W.B. (1997). The Kapp Toscana and Sassendalen Groups (Liassic, mainly Triassic). In: The geology of Svalbard. London: The geological society. 59-63.

Ketcham, R.A. (n.d.). X-ray computed tomography. Available: http://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/CT.html. Last accessed 31 may 2013.

Ketcham, R.A. & Carlson, W.D. (2001). Acquisition, optimization and interpretation of X-ray computed tomographic imagery: applications to the geosciences. Computers & Geosciences. 27, 381-400.

Klinkenberg, L.J. (1941). The permeability of porous media to liquids and gases. API Drilling and Production Practice. 200-213.

Knoll, G.F. (2000). Radiation Detection and Measurement. New York: Wiley.

Maher, H.D.Jr. (1989). A storm-related origin for the Jurassic Brentskardhaugen Bed of Spitsbergen, Norway. Polar Research. 7, 66-77.

Major, H., Haremo, P., Dallmann, W.K. & Andresen, A. (2000). Geological map of Svalbard 1:100 000, sheet C9G Adventdalen (revised after Major 1964). Norsk Polarinstitutt Temakart nr. 31.

Mørk, A., Hynne, I.B. & Rød, R.S. (2010). Upper Triassic sandstones as possible reservoir for CO2 storage below Longyearbyen, Svalbard. 29th Nordic Geological Winter Meeting, Oslo, 11-13 January. Abstract and Proceeding of the Geological Society of Norway 1-2010. 28-29.

Mørk, M.B.E. (2013). Diagenesis and quartz cement distribution of low-permeability Upper Triassic-Middle Jurassic reservoir sandstones, Longyearbyen CO2 lab well site in Svalbard, Norway. American Association for Petroleum Geologists Bulletin. 97 (4), 577-596.

Nagy, J. & Berge, S.H. (2008). Micropalaeontological evidence of brackish water conditions during deposition of the Knorringfjellet Formation, Late Triassic-Early Jurassic, Spitsbergen. Polar Research. 27, 413-427.

Ogata, K., Senger, K., Braathen, A., Tveranger, J. & Olaussen, S. (2012). The importance of natural fractures in a tight reservoir for potential CO2 storage: a case study of the upper Triassic-Middle Jurassic Kapp Toscana Group (Spitsbergen, Arctic Norway). Geological Society, special Publications v374. London.

Olsen, R.K. & Grigg, M.W. (2008). Mercury Injection Capillary Pressure (MICP) A Useful Tool for Improved Understanding of Porosity and Matrix Permeability Distributions in Shale Reservoirs. AAPG Search and Discovery Article 40322.

Ramstad, T., SPE, Øren, P.-E., SPE & Bakke S. (2010). Simulation of Two-phase flow in Reservoir Rocks Using a Lattice Boltzmann Method. Society for Petroleum Engineers Journal. 1-11.

Reineck, H.-E. & Wunderlich, F. (1968). Classification and Origina of Flaser and Lenticular Bedding. Sedimentology. 11, 99-104.

Sandifer, P.A. (1973). Distribution and abundance of decapod crustacean larvae in the York River Estuary and adjacent lower Chesapeake Bay, Virginia, 1968-1969. Chesapeake Science. 14, 235-257.

Span, R. & Wagner, W. (1996). A new equation of state for carbon dioxide covering the fluid region from the triple-point temperature to 1100K at pressures up to 800 Mpa. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 25 (6), 1509-1596.

Steel, R.J. & Worsley, D. (1984). Svalbard’s post-Caledoian strata: an atlas of sedimentational patterns and palaeogeographic evolution. In: Spencer, A.M. et al. (eds) Petroleum Geology of the North European Margin. London: Norwegian Petroleum Society/Graham & Trotman. 109-135.

Succi, S. (2001). The lattice Boltzmann Equation for Fluid Dynamics and Beyond. Oxford University Press.

Tanikawa, W. & Shimamoto, T. (2006). Interactive comment on “Klinkenberg effect for gas permeability and its comparison to water permeability for porous sedimentary rocks”. Hydrology and Earth System Sciences Discussions. 3, 997-998.

Vlassenbroeck, J., Dierick, M., Masschaele, B., Cnudde, V., Van Hoorebeke, J. & Jacobs, P. (2007). Software tools for quantification of X-ray microtomography at the UGCT. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 580, 442-445.

Vlassenbroeck, J. (2010). Advances in laboratory-based X-ray microtomography. Phd dissertation, university of Ghent.

Voorn, M., Exner, U. & Rath, A. (2013). Multiscale Hessian fracture filtering for the enhancement and segmentation of narrow fractures in 3D image data. Computers & Geosciences. 57, 44-53.

Williams, A.B. (1984). Family Upogebiidae. In: Fisher, D.C. Shrimps, lobsters and crabs of the Atlantic Coast of the Eastern United States, maine to Florida. Washington D.C.: Smithsonian institution Press. 190-191.

Worsley, D. (1973). The Wilhelmøya Formation – a new lithostratigraphical unit from the Mesozoic of eastern Svalbard. Norsk Polarinstitutt Årbok 1971. 17-34.

Worsley, D. (2008). The Post-Caledonian development of Svalbard and the western Barents Sea. Polar Research. 27 (3), 298-317.

Universiteit of Hogeschool
Master of science in de geologie
Publicatiejaar
2013
Kernwoorden
Deel deze scriptie