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.