Fúróiszap és foliáció hatása a hidraulikus repesztésre

Átírás

1 Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2016 (Szerk: Török Á., Görög P. & Vásárhelyi B.) Fúróiszap és foliáció hatása a hidraulikus repesztésre Interpreting complex multistage minifrac test in metamorphic rock Farkas Márton Pál Golder Associates (Magyarország) Zrt. és GeoForschungsZentrum Potsdam, mfarkas@golder.hu Dankó Gyula Golder Associates (Magyarország) Zrt., gdanko@golder.hu ÖSSZEFOGLALÁS: A Golder Zrt. szakemberei egy Közép-magyarországi mélyfúrásban több vizsgálati szakaszon hidraulikus repesztéses mérést végeztek in-situ feszültségtér meghatározásának céljából. A vizsgálatok kb. 500 méteres mélységben, csillámpala kőzetrétegekben zajlottak. A hidrorepesztéses mérések szokatlan nyomásgörbéket mutattak: a repesztési ciklus törési nyomása kisebb, mint az azutáni újranyitási ciklusok újranyitási nyomásai. Úgy véljük, hogy a jelenségben a fúróiszap és a metamorf kőzet foliációja meghatározó szerepet játszhat. A nyomás és hozamgörbék azt mutatják, hogy a fúróiszap behatol a közel vízszintes, gyengeségi felületnek tekinthető foliációkba. A fúróiszap a feltételezhetően foliációkból kiinduló, létrejövő repedést eldugaszolja, és azt merevebbé teszi. Mivel az így elzáródott repedés a repesztési ciklus után nem tudott maradéktalanul kiürülni, az újranyitási fázisok során a dugó szilárdságát is meg kellett haladni. A szokatlan jelenség ellenére az eredmények alapján a vizsgált kőzettest tartományban az uralkodó feszültségtér feltolódásos (kompressziós). Kulcsszavak: in-situ feszültség, hidraulikus repesztés, foliáció, fúróiszap-dugulás ABSTRACT: Multistage minifrac tests were performed in a borehole located in central Hungary in order to determine in-situ stress. At depth of about 500 meters, observed pressure versus time curve in metamorphic rock formation (mica schists) show atypical results. After each pressurization cycle, the fracture breakdown pressure in the first fracturing cycle is lower than the reopening pressures in the subsequent reopening phases. It is assumed that the composition of the drilling mud and observed foliation of the mica schists have a significant influence on the pressure values. The anomalous characteristics of the pressure behavior are interpreted in that way that the drilling mud penetrates the subhorizontal foliation plane, it clogs the plane of weakness and makes the opened fracture tight. Eventually, the process prevents leak-off from the opened fracture that might explain the increased fracture breakdown pressure in subsequent cycles. Despite the anomalous phenomenon the results suggest that the in-situ stress field is characterized by thrust faulting (compressional) regime. keywords: in-situ stress, minifrac test, foliation, mud clogging 1 BEVEZETÉS 1.1 A feszültségtér és annak forrásai A földkéreg valamely térrészére jellemző feszültségviszonyokat feszültségtérnek nevezzük. A földkéreg bármely pontjában lévő pontszerű feszültséget hat független komponenssel jellemezhető feszültségtenzorral határozhatjuk meg. Könnyen belátható, hogy a feszültségtenzort leíró térbeli koordináta-rendszert megfelelő irányba forgatva a feszültségeket egy háromkomponensű, ún. főfeszültség koordináta-rendszerben megadhatjuk. Mivel a földkéreg fizikai értelemben szabad felületnek tekinthető, a rendszer két, egymásra merőleges horizontális tengellyel, valamint e kettőre merőleges függőleges tengellyel leírható. A főfeszültségek általában nem azonos hosszúságúak, így a földkéregben a feszültségteret jellemző három komponens a minimális horizontális, a maximális horizontális valamint a vertikális főfeszültség: S h, S H és S V (Zang és Stephansson 2010). Feszültségtér meghatározására, ill. pontosítására irányuló kutatásoknál elsődleges feladat, hogy feltárjuk a kőzetekben uralkodó nyomásviszonyok lehetséges forrásait. Ezek közül, Stephansson és Zang 2012-féle ISRM ajánlása szerint a lemez-tektonikai (geodinamikai), ill. szerkezetföldtani, gravitációs (sűrűség) és esetleg topográfiai adottságokból származtathatók a legfontosabbak. Utóbbi csak magashegységi területeken jelentős, így Magyarországon az ebből fakadó hatások elhanyagolhatók. Gravitációs eredetű feszültségnek a litosztatikus, azaz. a kőzetek (kőzetoszlop) súlyából származó feszültséget

2 Farkas Dankó tekintjük, és azt függőlegesnek feltételezzük. Ebből következően a litosztatikus feszültség megegyezik a vertikális főfeszültséggel (S v ). Magyarországon uralkodó jelenkori feszültségtér értelmezéséhez a tágabb értelemben vett, ún. Pannon-medence geodinamikai modelljének ismerete szükséges. A Pannon-medence tektonikáját késő pliocéntől-negyedidőszaktól kezdve alapvetően a korábbi extenziót (tehát süllyedést) felváltó, rövidüléssel járó fokozatos inverzió (kiemelkedés) jellemzi, amely a medencében differenciáltan jelentkezik. Ennek fő hajtóereje az Adria mikrolemez óramutató járásával ellentétes irányú forgása és északi irányú benyomulása, ami a medence belsejében fellépő kompressziós feszültségek döntő forrása (Bada et al. 2007). Bada és munkatársai megjegyzik, hogy a Pannon-medencében az összetett tektonikai helyzetből adódóan a feszültségtér laterálisan km-es távolságon belül is jelentősen változik. Míg az Alpi-Dinári orogén kontaktus mentén az uralkodó tektonikai rezsim feltolódásos, ez a medence felé folytonosan átmegy transzpressziósba, illetve oldalelmozdulásosba. Mindezekből adódóan a különböző fúrásokból Közép-Magyarországon feltolódásos, oldalelmozdulásos, illetve lokálisan transzpressziós feszültségtér rajzolódik ki (1. ábra). Ennek jelentősége abban mutatkozik meg, hogy Anderson 1951-ben megállapította, hogy a feszültségtérből következtethetünk a főfeszültségek irányítottságára és egymáshoz viszonyított nagyságára (és fordítva): oldalelmozdulásnál a legkisebb főfeszültség a minimális (S h ), legnagyobb főfeszültség a maximális horizontális főfeszültség (S H ), tehát S h <S v <S H. Feltolódás esetén a legkisebb a vertikális főfeszültség, a legnagyobb főfeszültség a maximális horizontális főfeszültség (S v <S h <S H ). A két feszültségtér közé sorolható a transzpressziós rezsim, ekkor S h =S v <S H (Zoback 2007). 1. ábra. Neotektonikai rekonstruált feszültségterek a Pannon-medencében és környezetében. A nyilak az általánosított feszültségrezsimek irányát mutatják, színük azok típusát (Bada et al. 2007). (Reconstructed stress provinces, and the location and kinematics of neotectonic (Pliocene to recent) structures in and around the Pannonian basin. Generalised horizontal stress directions are shown by arrows, whereas stress regimes are indicated by colouring, relative size of stress arrows. Key to abbreviations: AP Apuseni Mts., CAR Carpathians, D Drava trough, GHP Great Hungarian Plain, MH Mid-Hungarian fault system, MMZ Mur Mürz Žilina fault zone, PAL Periadriatic lineament, S Sava trough, SF Sava folds, TD Transdanubia, Z Zala basin) 1.2 A vizsgált kőzettartomány A vizsgál kőzettartomány világosszürke aprószemcsés gránátos csillámpala, illetve paragneisz, rétegzettsége sík és folyamatos (horizontális foliációk, 2. ábra). 254

3 Hidraulikus kőzetrepesztés Kőzetmechanikai laboreredmények alapján a kőzet brazil húzószilárdsága kb. 2,8 és 6,4 MPa közötti. A húzószilárdság értékének viszonylag nagy szórásának főleg az az oka, hogy egyes üledékes (pl. agyagpala) és metamorf kőzetek esetében a palásság, illetve a foliáció szilárdság szempontjából gyengeségi felületnek minősül, az ilyen kőzetet ún. transzverzális izotrópia jellemzi. Amint azt a 3. ábra mutatja, a kőzet törési nyomása a (függőleges) fő terhelési irányban kétszerese a gyengeségi síkkal párhuzamos terhelésnél kapotthoz képest (Amadei és Stephasson 1997). 2. ábra. A vizsgált foliációs csillámpala kb. 1,5 méteres szakasza (piros keret) a magládában. (tested 1,5-meter-long mica schist interval (red box) in the core box) Kőzetmechanikai paraméterek közül a hidrorepesztéses vizsgálatok szempontjából (lásd lentebb) lényeges a kőzet brazil húzószilárdsága, amely kb. 2,8 és 6,4 MPa közé esik. A húzószilárdság értékének viszonylag nagy szórásának főleg az az oka, hogy egyes üledékes (pl. agyagpala) és metamorf kőzetek esetében a palásság, illetve a fóliáció szilárdság szempontjából gyengeségi felületnek minősül, az ilyen kőzetet ún. transzverzális izotrópia jellemzi. Amint a 3. ábra is mutatja, a kőzet törési nyomása a (függőleges) fő terhelési irányban kétszerese a gyengeségi síkkal párhuzamos terheléshez képestihez (Amadei és Stephasson 1997). 3. ábra. Tranzverziális izotrópia illusztrálása agyagpalán. (a) Példa agyagpala függőleges irányhoz képesti különböző irányú terhelésére (a foliáció kb. 45 fokos dőlésszögű a vízszinteshez képest. (b) Maximális differenciális feszültség alakulása függvényében triaxiális terhelési teszt során (McLamore és Gray 1967 nyomán Saeidi et al. 2014). 2 A FESZÜLTSÉGMÉRÉS ÉS MEGHATÁROZÁS MÓDSZERTANA A feszültségtér horizontális komponenseinek meghatározásának leggyakoribb módja a hidraulikus repesztés vagy hidrorepesztés (Amadei és Stephansson 1997). A hidrorepesztéses vizsgálatok kiértékelésével a minimális horizontális főfeszültség (S h ) nagyságát meghatározhatjuk, a húzási szilárdság és a pórusnyomás ismeretében (vagy feltételezésével) a maximális horizontális főfeszültség (S H ) értékét is megkapjuk a Dankó és Vásárhelyi (2015)-ben követett eljárás útján. A vertikális főfeszültséget (S v ) a fúrólyukban végzett sűrűségmérés adatsorából számíthatjuk ki. A szerzők felhívják a figyelmet, hogy a hidrorepesztés (minifrac vagy extended leak-off test) nem egyezik meg a hidrualikus rétegrepesztéssel. Bár az eljárás menete mindkét esetben hasonló, de céljuk különböző: előbbinél kis repedés létrehozásával az S h meghatározása a cél, utóbbinál támasztóanyag segítségével a létrehozott repedés nyitvatartása, ill. permeabilitás megnövelése. A hidraulikus repesztéshez szükséges eszközök, ill. annak menete megegyezik a Dankó és Vásárhelyi (2015)-ben leírtakkal. Eszerint a mérés menete összefoglalva a következő. A fúrólyuk egy kiválasztott, pl. másfél méter hosszú szakaszát két felfújt (megfelelő nagyságú nyomás alá helyezett) gumipakker segítségével lezárjuk. Ezután állandó hozamú repesztő folyadékot, általában vizet szivattyúzunk a 255

4 Farkas Dankó mélységszakaszba. A fúrólyuk falára így egyenletesen növekvő nyomás hat, végül túlnyomás hatására a falon repedés keletkezik, ill. a meglévő repedés újranyílik. A nyomás idő görbén az eddig emelkedő nyomás hirtelen letörik. Ekkor a szivattyúzást leállítjuk, a lezárt szakaszon a nyomás továbbcsökken, néhány perc elteltével az eredeti (hidrosztatikus) szintre visszaesik, a repedés ekkora már bezáródott (shut-in vagy zárási nyomás). A lezárt szakaszt végül leürítjük. A fenti repesztési ciklust ugyanakkora hozam mellett még néhányszor megismételjük, amelyet újranyitási (reopening) ciklusnak nevezzük. Az adatok megbízhatóságát tovább növelhetjük azzal, hogy a szivattyú nyomásának szabályozásával a hozamot lépcsőzetesen emeljük az újranyitási csúcsnyomás eléréséig (step rate vagy jacking ciklus). A nyomás-idő diagramok alapján S h nagyságát meghatározhatjuk (lásd lentebb). A pakkerek leresztésével és mozgatásával egy másik mélységszakaszon a fenti eljárásokat megismételjük. A mérési eszközöket és elrendezésüket 4. ábra szemléleti.. 4. ábra. A hidrorepesztéses vizsgálatokhoz használt eszközök elvi vázlata (Sketch of the minifrac tools A hidrorepesztéses vizsgálatokat nyitott (béléscsövezés előtti), lehetőleg repedésmentes lyukszakaszokon kell elvégezni. Repedezett szakasz esetében, amennyiben egy jól lehatárolható repedés egyértelműen azonosítható, lehetséges azt is hidraulikus repeszteni (ún. hydraulic testing of pre-existing fracture, HTPF). A két módszer kombinálása a teljes feszültségtenzor meghatározását lehetővé teszi, a fúrólyuk irányától és a kőzetminőségtől függetlenül (Haimson és Cornet 2003). Mindezekből adódóan a mérések megtervezéséhez mindenképp szükséges, hogy a fúrómagok szemrevételezése mellett rendelkezésre álljon akusztikus lyukfal-televíziós (BHTV) szelvény vagy a Schlumberger szabadalma alatt álló, elektromos módszerrel képalkotó Formation Microimager (FMI) felvétel a vizsgált mélységszakaszról. A vizsgálatok után készült képlogok segítségével a létrejött repedés irányát meghatározhatjuk. 256

5 Hidraulikus kőzetrepesztés Haimson és Cornet 2003-féle ISRM ajánlás alapján a hidraulikus repesztésnél a következő feltételezésekkel élünk: a hidrorepesztés elméletileg bármilyen elasztikus, merev kőzetbe fúrt fúrólyukban elvégezhető, lehetőleg tiszta vízhez közeli összetételű folyadékkal; a hidrorepesztéses vizsgálatok elvileg bármilyen mélységben, de általában min. 50 métertől elvégezhetők a vizsgált kőzettest elasztikus, homogén és izotróp; a fúrólyuk tengelye az egyik főfeszültséggel legyen párhuzamos, függőlegesen fúrt lyukak esetében a fúrólyuk tengelye S v -vel párhuzamos; amennyiben kulisszaszerű (en-echelon) törések kialakulását tapasztaljuk, akkor azok a fenti feltételektől való eltérésre utalnak. A fenti feltételek teljesülése mellett érvényes az, hogy a létrejött repedés terjedési iránya mindig merőleges a legkisebb főfeszültség irányára és a legnagyobb és középső főfeszültség által meghatározott síkban nyílik. A minimális horizontális főfeszültséget Dankó és Vásárhelyi (2015) szerint a nyomás idő diagramokat alapul véve az alábbi módszerekkel határozhatjuk meg, amelyek a repedés bezáródásához vagy újranyitásához szükséges nyomáson alapulnak: 1) Az újranyitási nyomást az újranyitási ciklusok és a kezdeti repesztési fázis során a kőzetet érő nyomásterhelés mértékének (MPa/perc, dp/dt) összevetéséből kiszámítjuk; 2) A zárási (shut-in) nyomást a dp/dt, illetve az idő négyzetgyökének függvényében ábrázolt nyomás diagramokról olvashatunk le, az egymást metsző tangenciális egyenesekből. Ezen értékek, a repedés bezáródásának hatására bekövetkező, a vizsgálati szakasz vezetőképességében vagy tározási tényezőjében megjelenő változást mutatják; 3) A jacking nyomást az egymást követő jacking mérések alapján meghatározott nyomás - hozam diagramon, az ábrázolt lineáris - lamináris áramlástól való eltérés kezdeti pontjából tudjuk meghatározni. A maximális horizontális főfeszültség nagyságát az alábbi egyenlet segítségével számítjuk ki (Zang és Stephansson 2010): SH = T + 3 Sh FBP, (1) ahol T a kőzet húzószilárdsága, FBP pedig a repesztési ciklus csúcsnyomása (fracture breakdown pressure). A húzószilárdságot az 1.2 fejezetben leírtak alapján 5,5 MPa-nak feltételezzük. 3 A HIDROREPESZTÉS EREDMÉNYEI A Golder Zrt. szakemberei a fúrólyukban több mélységszakaszokon végezték hidrorepezstéses méréseket, kb. 500 méteres mélységben. Mivel az összes vizsgálati szakasz hasonló eredményeket mutat, így egy intervallum ismertetetésére szorítkozunk. A hidraulikus repesztések előtt, bár kívánatos lett volna, nem volt mód a fúróiszap cseréjére, így a vizsgált mélységszakaszokon nem csak a szivattyúzott (injektált) víz hatása érvényesült. A nyomást MPa-ban adjuk meg a vizsgálati szakaszban elhelyezett nyomásszonda mérési eredményeivel összevetve (rudazatban történő offline mérés). Ez a nyomásérték már magában foglalja a pórusnyomásból adódó többletet is. A hozamokat liter/percben közöljük (5. ábra). A repedésmentes szakaszon a hidraulikus repesztés több fázisból épült fel: egy klasszikus repesztést (fracking) 2 újranyitási (reopening) fázis követette. Bár a repesztési fázis sikeresnek tűnik, az utána következő újranyitási ciklusok egyre magasabb újranyitási nyomása eltér az elvárttól. A legnagyobb nyomás így szokatlan módon az utolsó, újranyitási ciklus során adódott, s nem a repesztésnél (1. táblázat). Bár két jacking ciklusra is sor került a mérések során, azok nem értelmezhetők, feltételezhetően a fúróiszap fenti hatása miatt. A nyomás idő diagramok elemzése alapján (lásd előző fejezet végén) a minimális horizontális főfeszültség nagysága 16,4 MPa, amelyet a 6. ábra illusztrál. 257

6 Farkas Dankó 5. ábra. A repesztési (1) és újranyitási ciklusok (2,3) nyomás (piros) és hozam (kék) időgörbéi. FBP - csúcsnyomás (Fracturing (1) and reopening cycles (2,3) pressure and flow rate vs time graphs. FBP stands for fracture breakdown pressure) 1. táblázat. Az első vizsgálati szakasz ciklusai és nyomásértékei. Aláhúzással a nyomás- idő diagramokkal elemzett, legkisebb hibával terhelt S h -t jelöltük (Pressure values in each cycle in the first interval. The value underlined represents the analyzed minimum pressure with least error) Vizsgálati szakasz pórusnyomása [MPa] Vizsgálati szakasz litosztatikus/vertikális feszültsége (S v ) [MPa] 5,77 11,2 Ciklusszám Ciklus Csúcsnyomás, újranyitási nyomás [MPa] Minimális horizontális főfeszültség (S h ) [MPa] Maximális horizontális főfeszültség (S H ) [MPa] 1 Repesztés 16, Újranyitás 19,0 16,4 35,7 3 Újranyitás 19,3 17,0 37,2 6. ábra. Az első újranyitási fázis dp/dt a nyomás függvényében 16,4 MPa-os zárónyomást, így minimális horizontális feszültséget (S h ) mutat. (dp/dt vs p graph in the first reopening phase exhibits shut-in pressure and so that minimum horizontal stress equaling 16.4 MPa) 258

7 Hidraulikus kőzetrepesztés Az 1. táblázat alapján a vizsgálati szakaszban horizontális síkban terjedő repedés jött létre, mivel a vertikális főfeszültség a legkisebb. Mivel Sv< Sh<SH, a meghatározott feszültségek feltolódásos (kompressziós) feszültségtérre utalnak. Ezt a feltevést erősíti, hogy a rendelkezésre bocsátott BHTV szelvényen nem látszik az újonnan létrehozott repedés tehát az csak horizontális síkban terjedhetett. Emellett a szelvény 1:10-es méretarányú függőleges felbontása nem teszi lehetővé a feltehetően mm-es nagyságrendű repedés azonosítását (7. ábra). 7. ábra. A vizsgálati szakasz hidrorepesztés utáni (bal) és előtti (jobb) futási idő és amplitúdó szelvényei (Geo-Log Kft.). A szelvényeken új repedés nem látható. (Post-testing (left) and pretesting (right) acoustic logs of the section. No new fracture is visible) 4 KÖVETKEZTETÉSEK Egy Közép-magyarországi mélyfúrásban a Golder Zrt. munkatársai gránátos csillámpalában fúróiszappal elárasztott mélyfúrásban hidraulikus repesztéses vizsgálatokat hajtottak végre, hogy meghatározzák az in-situ feszültségteret. A vizsgálatokat repedésmentes szakaszon végezték. Bár a nyomásgörbék csúcsnyomása a klasszikus hidraulikus repesztéshez képest ciklusról ciklusra emelkedett, a mérések sikeresek voltak. A kialakult jelenség a fúróiszap és a metamorf kőzet foliációjának együttes hatásaként magyarázható. Önmagában a fúróiszap jelenléte nem magyarázhatja a jelenséget, mert más, hasonló körülményeknél elvégzett méréseknél nem tapasztaltuk a szokatlan jelenséget. Ennél fogva a metamorf kőzet fóliációja 259

8 Farkas Dankó (mint gyengeségi felület) is közreműködhet a ciklusról ciklusra növekvő csúcsnyomásokban. Feltételezésünk szerint a fúróiszap a ferde (közel vízszintes) gyengeségi felületekbe beszivárog, abból kiinduló repedést indukál. A fúróiszap a kőzetösszlet (foliáció) és a pórusfolyadéktól jelentősen eltérő kőzetmechanikai tulajdonságai miatt a létrehozott repedést eldugaszolja, merevebbé teszi. Mivel az így eltorlaszolt repedés a repesztési ciklus végeztével nem tud maradéktalanul kiürülni, az újranyitási fázisok során a dugó szilárdságát is meg kellett haladni. Közvetetten erre utalhat Healy és Zoback (1988), akik a fázisról fázisra növekvő csúcs, ill. újranyitási nyomás lehetséges okának a kőzetek kis húzószilárdságát, azaz a foliációt tartják. Az ilyen kőzet tehát nem teljesen repedésmentes. A vizsgálati szakaszok, a fenti jelenségtől függetlenül, nyomás idő görbéi alkalmasak voltak a minimális és maximális horizontális főfeszültségek meghatározására. Az elemzések alapján S v <S h <S H, amely feltolódásos tektonikai feszültségtérre utal. A feszültségrezsim a szakirodalomban elvárttal részben egyezik; Bada et al. (2007) oldalelmozdulásos, ill. feltolódásos feszültségteret számított a kutatási területre. Mivel ilyen térben nem alakulnak ki (nem várunk) vertikálisan terjedő repedés(ek), így a BHTV szelvényeken S h, ill. S H irányokat (közvetlen úton) nem lehet meghatározni. HIVATKOZÁSOK Amadei, B., Stephansson, O Rock Stress and Its Measurement, Chapman and Hall Publication, London (első kiadás), Bada, G., Horváth, F., Dövényi, P., Szafián, P., Windhoffer, G., Cloetingh, S Present-day stress field and tectonic inversion in the Pannonian basin. Global and Planetary Change, 58(1 4), Dankó, Gy.,Vásárhelyi, B Hidraulikus kőzetrepesztés, elmélet és gyakorlat. In: Török Á., Görög P., Vásárhelyi B. (szerk.) Mérnökgeológia-Kőzetmechanika 2015 Konferencia, Haimson, B.C., Cornet, F.H ISRM Suggested Methods for rock stress estimation Part 3: hydraulic fracturing (HF) and/or hydraulic testing of pre-existing fractures (HTPF). International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(7 8), Healy, J. H., Zoback, M. D Hydraulic fracturing in situ stress measurements to 2.1 km depth at Cajon Pass, California. Geophysical Research Letters, 15(9), Saeidi O., Rasouli V., Vaneghi R. G., Gholami R., Torabi S. R A modified failure criterion for transversely isotropic rocks, Geoscience Frontiers, 5(2), Stephansson, O., Zang, A ISRM Suggested Methods for Rock Stress Estimation Part 5: Establishing a Model for the In Situ Stress at a Given Site. Rock Mechanics & Rock Engineering, 45: Zang, A., Stephansson, O Stress field of the Earth's crust. Springer, Dordrecht (első kiadás), Zoback, M. D. (2007). Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, New York (első kiadás), p 260