Contribution
Fracture network characterisation of the naturally fractured Upper Carboniferous sandstones combining outcrop and wellbore data, Ruhr Basin, Germany
Allgaier, Felix; Busch, Benjamin; Niederhuber, Thomas; Quandt, Dennis; Müller, Birgit; Hilgers, Christoph
Zeitschrift der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften Band 173 Heft 4 (2023), p. 599 - 623
113 références bibliographiques
publié: Mar 15, 2023
publication en ligne: Jan 16, 2023
manuscrit accepté: Nov 18, 2022
révision final du manuscrit reçu: Nov 9, 2022
révision du manuscrit demandée: Oct 30, 2022
manuscrit reçu: Aug 3, 2022
ArtNo. ESP171017304006, Prix: 29.00 €
Abstract
Fractures in subsurface lithologies globally host economically significant energy resources and can be preferential fluid migration pathways. With the naturally fractured Upper Carboniferous sandstones of the Ruhr Basin located within Germany’s most densely populated area, the utilisation for powering one of Europe’s largest district heating infrastructure can be an option. Since the Upper Carboniferous sandstone matrix exhibits poor reservoir quality (average porosity: 8%, permeability: up to 3 mD), fractures are believed to primarily control fluid flow. By combining data from two outcrops (exposing the Namurian C and Westphalian A) with a wellbore data set (penetrating the Westphalian A), this study aims to develop a refined understanding of the fracture network. The present-day stress control on hydraulically conductive fracture orientations is studied by performing critically stressed fracture analysis for three different SHmax orientation scenarios. Kaisberg (Namurian C) and Finefrau (Westphalian A) Sandstone outcrops show three dominant fracture trends: NNW–SSE to N–S, NNE–SSW to NE–SW and WNW–ESE. The characterised fracture networks of both outcrops follow a top-bounded height distribution pattern, with fractures being mostly bed restricted. Therefore, bed thickness is identified as a controlling factor limiting fracture height. Based on 600 m of oriented core material from the Upper Carboniferous strata (Bork 10 wellbore), the analysis of the in-situ fracture network revealed two dominant fracture orientations: N–S and W–E. Fracture intensity indicates a varying degree of fracturing of the drilled sandstone layers for both trends (N–S: 0 to 9.1 m–1, W–E: 0 to 8.8 m–1). Comparison of dipmeter log fracture interpretations with reliable core description data shows a poor match (11%) for depth location (± 6 m) and dip azimuth (± 25°). Slip tendency analysis highlighted near-vertical N–S and NW–SE striking fractures to be generally favourably oriented for reactivation within the active stress field. In total, 10% of the detected fracture population (Bork 10 wellbore) are critically stressed under present-day stress conditions and may contribute to large scale fluid flow in the subsurface.
Kurzfassung
Klüfte in unterirdischen Gesteinsschichten enthalten weltweit wirtschaftlich bedeutende Energieressourcen und können zudem bevorzugte Migrationswege für Fluide darstellen. Die natürlich geklüfteten oberkarbonischen Sandsteine des Ruhrgebiets befinden sich in einem der am dichtesten besiedelten Gebiete Deutschlands, womit die Nutzung für die Versorgung einer der größten Fernwärmeinfrastrukturen Europas eine Option darstellt. Da die Matrix der oberkarbonischen Sandsteine schlechte Lagerstättenqualitäten aufweist (durchschnittliche Porosität: 8 %, Permeabilität: bis zu 3 mD), wird davon ausgegangen, dass Klüfte in erster Linie den Fluidfluss kontrollieren. Durch die Kombination von zwei Aufschlüssen (Namur C und Westfal A) und Bohrlochdaten (Westfal A) soll diese Studie zu einem besseren Verständnis des Kluftnetzwerks führen. Der Einfluss des rezenten Spannungsfeldes auf die Durchlässigkeit von Klüften wird untersucht, indem für drei verschiedene SHmax -Orientierungsszenarien kritisch beanspruchte Klüfte identifiziert werden. Der Kaisberg- (Namurium C) und der Finefrau- (Westfalium A) Sandsteinaufschluss zeigen drei dominante Klufttrends: NNW–SSE bis N–S, NNE–SSW bis NE–SW und WNW–ESE. Die Klüfte sind meist auf die Schichten beschränkt. Daher wird die Mächtigkeit der Sandsteinschichten als kontrollierender Faktor für die Höhe der Klüfte angenommen. Auf der Grundlage von 600 m orientiertem Kernmaterial der Schichten des Oberkarbons (Bohrung Bork 10) ergab die Analyse des In-situ-Kluftnetzwerks zwei dominante Kluftrichtungen: N–S und W–E. Die Bruchintensität zeigt für beide Kluftrichtungen einen unterschiedlichen Klüftungsgrad der erbohrten Sandsteinschichten an (N–S: 0 bis 9,1 m–1, W–E: 0 bis 8,8 m–1). Der Vergleich der Kluftinterpretationen des Dipmeter-Logs mit zuverlässigen Kernbeschreibungsdaten zeigt eine schlechte Übereinstimmung (11 %) für die Tiefenlage (± 6 m) sowie die Einfallsrichtung (± 25°). Die Analyse der Gleittendenzen ergab, dass nahezu vertikale N–S und NW–SE streichende Klüfte im Allgemeinen günstig für eine Reaktivierung innerhalb des aktiven Spannungsfeldes ausgerichtet sind. Insgesamt sind 10 % der detektierten Kluftpopulation (Bohrung Bork 10) unter den heutigen Spannungsbedingungen kritisch beansprucht und können so zu großräumigen Flüssigkeitsfluss im Untergrund beitragen.
Mots-clefs
Upper Carboniferous • fracture network characterisation • naturally fractured reservoir • slip tendency analysis • post-mining • Ruhr Basin • geothermics • Oberkarbon • Kluftnetzwerkcharakterisierung • natürlich geklüftetes Reservoir • Gleittendenzanalyse • Post-Mining • Ruhrbecken • Geothermie