Original paper

Methods to analyse fracture orientation patterns in a Lower Carboniferous carbonate reservoir analogue in the Voreifel, Germany

Becker, Stephan; Nguyen, Hieu T.; Nollet, Sofie; Fernandez-Steeger, Tomas M.; Laux, Dennis; Hilgers, Christoph

Abstract

We studied in a highly fractured Lower Carboniferous carbonate quarry close to Hastenrath (Voreifel, Germany) that provides a good analogue to a fractured carbonate reservoir, two modern techniques to collect data on fracture orientation semi-automatically in the field, and compared them to the results of traditional fracture measurements. Firstly, fractures were measured along several scanlines using a traditional compass and a modern application on an Android smartphone. Overall, the smartphone measurements reflect the same orientation as traditional compass measurements but generate in the same time a much higher number of data. Secondly, terrestrial laser scanning (TLS) was used to measure and visualise the topographic relief of the quarry walls down to centimetre resolution for close-up digital analysis of fractures. With this method, we were able to identify the same fracture groups as identified in the manually measured scanlines. All measurements indicate two dominant NE–SW and NW–SE striking fracture sets, regardless of the technique. An additional W–E striking set is indicated immediately in the footwall of the Sandgewand Fault. Furthermore, fault-related fracturing is indicated by an increase of fracture densities towards the Sandgewand Fault. In addition to the fractures, minor NW–SE striking faults were also observed in the Hastenrath quarry, some with tens of metres of displacement. Locally horizontal slickensides overprint earlier down-slip movement. Based on dextral slickensides on these fault surfaces oriented parallel to the large Sandgewand Fault, we assume that the latter also had a late dextral strike-slip motion component. Based on the results presented in this paper, we conclude that smartphone measurements of fractures and terrestrial laser scanning are appropriate tools to analyse fracture networks in reservoir analogues in a rapid and accurate way.

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Studie wurden in einem stark geklüfteten Kohlenkalk-Steinbruch nahe Hastenrath (Voreifel, Deutschland) zwei moderne Methoden zum semi-automatischen Erfassen von Kluftorientierungen im Gelände untersucht und mit traditionellen Methoden der Kluftmessung verglichen. Die Orientierungen der Klüfte entlang mehrerer Scanlinien wurden dazu zunächst traditionell mit einem Gefügekompass und im Anschluss mit Hilfe einer modernen Smartphone-Applikation auf Android-Basis ermittelt. Beide Messmethoden zeigen eine gute Übereinstimmung der Kluftvorzugsorientierungen, unterschieden sich allerdings stark in der für die Messung benötigten Zeit. Darüber hinaus wurden Teile des Steinbruchs unter Anwendung eines modernen Terrestrial Laser Scanners (TLS) semi-automatisch vermessen. Moderne TLS sammeln innerhalb kürzester Zeit hochauflösende digitale Abbilder zu untersuchender Objekte, auch an schwer oder nicht zugänglichen Orten, wodurch im Steinbruch auch von unzugänglichen und somit bei traditioneller Kartierung sonst nicht einmessbaren Stellen, Messwerte ermittelt werden konnten. Ein Vergleich der mit dieser Technik ermittelten Messwerte zu den manuell ermittelten Gefügemessungen zeigt vergleichbare Kluftvorzugsrichtungen. Die Messungen im Hastenrather Steinbruch zeigen unabhängig von der Messmethode zwei dominante NE–SW bzw. NW–SE streichende Kluftsysteme. Zusätzlich zu den oben genannten Kluftsystemen konnte in unmittelbarer Nähe zur Sandgewand-Störung ein weiteres W–E streichendes Kluftsystem ermittelt werden, ebenso ein Anstieg der Kluftdichte in Richtung der Störung. Neben den zahlreichen Klüften konnten stellenweise auch kleinere NW–SE streichende Störungen mit nur geringen Versätzen von bis zu einigen zehner Metern beobachtet werden. Vertikale Harnische auf den Störungsflächen, überprägt durch jüngere, horizontal orientierte Harnische mit dextralem Bewegungssinn verweisen auf einen zunächst primären Abschiebungssinn der Störung, gefolgt von dextralen Strike-Slip-Bewegungen in der jüngeren Vergangenheit. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen, dass sowohl Smartphones als auch terrestrisch gestützte Laserscans alternative moderne Methoden zum zuverlässigen Erfassen von Kluftorientierungen sind, die gegenüber traditionellen Gefügekompass-Messungen durchaus ihre Vorteile haben.

Keywords

3d fracture modelfractured carbonate reservoir-analoguejointslidarsandgewand faultsmartphoneterrestrial laser scanner (tls)