Forecasting of architecture, seismic characteristics and flow behaviour in paleokarst reservoirs.

Dannelse av karst (oppløsning) i karbonater introduserer ekstrem, men svært lokalisert sekundær porøsitet. Væske som siver gjennom sprekker, forkastninger og porøse lag kan løse opp kalkstein og danne sammenhengende hulrom, synkehull og grottesystemer i berggrunnen. Formen og geometrien til disse systemene av hulrom er knyttet til bergartsegenskaper, orientering og romlig fordeling av forkastning- og sprekknettverk, klimatiske forhold, havnivå og i noen tilfeller tilstedeværelsen av hydrotermale væsker som beveger seg opp gjennom jordskorpen. Over tid og under begraving vil disse hulrommene degraderes gjennom innfylling av sedimenter, sementering, nedbryting og kollaps, Selv om enkelte hulrom kan bevares ned til flere kilometers dyp, vil de oftest gradvis fylles inn av sedimenter som føres inn fra utsiden eller av breksjer som dannes etter hvert som hulrommene kollapser. Strukturer av denne typen kalles «paleokarst», og opptrer i ulike former i de fleste karbonatreservoarer. Paleokarstreservoarer kan inneholde betydelige mengder av hydrokarboner og ha utmerkede produksjonsegenskaper, men har ekstremt komplekse romlige egenskapsfordelinger. Modellering og predikering av egenskapene til slike reservoarer i undergrunnen er svært utfordrende, selv med tilgang på seismikk og brønndata. På norsk sokkel ble kommersielle paleokarstreservoarer identifisert for første gang relativt nylig (Barentshavet. Målsetningen med FOPAK prosjektet har vært å forbedre vår grunnleggende forståelse av denne reservoartypen ved å studere hvordan petrofysiske egenskaper (f.eks. porøsitet og strømningsegenskaper), seismiske signaturer og produksjons- oppførsel kan knyttes tilbake til den opprinnelige karstkonfigurasjonen og prosessene involvert i overgangen fra karst til paleokarst. Vi benytter en serie 3D-modeller av kartlagte grotter som representerer ulike geometriske scenarier. Innfylling og endringer i grottenes størrelse og form som følge av kollaps kan modelleres ved hjelp av etablerte prinsipper for bergmekanikk og sedimentologi. Det ble lagt vekt på bruk av industri-standard dataverktøy der dette var mulig for å tilrettelegge for praktisk anvendelse av resultatene. Av samme grunn ble implementering av karst- og paleokarstgeometrier i geo-cellulære modeller vektlagt for å gjøre det mulig å bruke surveys av resente hulesystemer som utgangspunkt for modelleringsprosessen. Sediment-innfyllinger i resente hulesystemer vanligvis blir oversett eller ignorert under kartlegging av huler. Dette har stor betydning for bruk av slike survey-data til reservoarmodellering: hulrommenes opprinnelige størrelse blir undervurdert, og statistisk håndtering av geometriske data må ta høyde for gulvet kan bestå av sedimenter i stedet for fast fjell. Prosjektet gjennomførte derfor kartlegging av romlig fordeling av sediment-tykkelser i flere hulesystemer ved hjelp av geo-elektriske målinger (resistivitet), dels for å samle inn kvalitetssikrede data til modellering, men også for å etablere metoder for rutinemessig innsamling av sediment-tykkelser som rutinemessig del av hulekartlegging. Mengde og romlig fordeling av sediment-innfylling i det opprinnelige karsts-systemet vil påvirke romlig fordeling av kollapsrelaterte breksjer i paleokarsten. Dette vil påvirke seismisk respons og produksjonsoppførsel. Prosjektet har utviklet en prosedyre for seismisk framover-modellering av paleokarstreservoarer og testet denne på både 3D reservoarmodeller og blotninger med kartlagte paleokarststrukturer. Resultatene våre viser at det er mulig å identifisere karakteristiske elementer i paleokarstreservoarer i seismiske data, og at innsamlingsmetoder, -utstyr og modelleringsparametere påvirker hvordan paleokarststrukturer vil framstå i seismiske data. Produksjonsoppførselen til modellene ble undersøkt ved hjelp av væskestrømsimulering. Simulering viser at ulike mengder og sammensetninger av sedimentinnfylling påvirker produksjonsoppførsel og drenering av reservoaret, og at responsen er tett knyttet relative kontraster i gjennomstrømningsegenskaper (permeabiliteten) til de ulike komponentene i systemet. Prosjektet har også tatt for seg oppskaleringsproblematikk, dvs. hvordan egenskapsvariasjoner på liten skala i modeller med høy romlig oppløsning kan fanges opp og gjengis fysisk korrekt på en grovere skala som krever mindre regnekapasitet. Simuleringene er svært sensitive for oppskalering; resultatene våre viser en økende overestimering av produserbare volumer ved økende oppskalering. Effekten ser ut til å øke med økende reservoarkompleksitet, og bør være mål for videre studier for å finne egnede oppskaleringsmetoder.

Prosjektet har etablert et velfungerende tverrfaglig samarbeid mellom forskere ved NORCE og UiB, som kan danne kjernen i en norsk kompetansegruppe innen paleokarstreservoarer. Behovet for en slik forskningsgruppe i Norge har vært signalisert fra flere industriaktører. Framgangsmåten prosjektet har benyttet er nyskapende, og har vakt interesse fra flere hold. Prosjektet har etablert samarbeidsrelasjoner med Bristol University, UK, innen karbonatstudier, University of Texas, Austin innen geofysiske studier av paleokarst og Aristotle University, Thessaloniki, Hellas innen speleologi og bruk av geofysiske metoder i hulekartlegging. Prosjektet har siden oppstarten hatt en løpende dialog med flere industriselskaper rundt anvendelse av resultater og samarbeidsprosjekter knyttet til utforsking og produksjon i Barentshavet og Brasil.

The proposed study is a cross-disciplinary effort involving spelology, geophysics, reservoir geology and -engineering and geo-modelling. It will employ a suite of forward modelling techniques to investigate the link between a) Different karst systems and resulting paleokarst reservoir configurations and properties b) Fluid flow behaviour and paleokarst reservoirs configurations c) Seismic characteristics and paleokarst reservoirs configurations Work will be framed around the construction of a suite of paleokarst resevoir models based on a combination of modern karst/cave types/geometries, representing different tectonostratigraphic settings, and process-based forward modelling of infill and collapse of these systems. Model input will be based on empirical data from present day karst systems as extant in speleological databases and geomechanical and physical principles known to control collapse and infill. Standard industrial reservoir modelling tools will be employed. We aim to build a suite of models representing a range of tectono-stratigraphic settings and populated with a selection of representative petrophsical properties derived from published sources. These models will serve as input to fluid flow simulation studies which will map and identify contrasts in reservoir responses to different production strategies and identify their geological causes. Seismic forward modelling will be carried out on the reservoir geo-models in order to investigate if the different types of paleokarst reservoirs can be idenified based on their seismic characteristics.