Undertrykk i nord

05.07.2017
Hvorfor er det undertrykk i visse formasjoner både i Barentshavet og i Adventdalen på Svalbard?

Brønnlokasjonen i Adventdalen på Svalbard.

Brønnlokasjonen i Adventdalen på Svalbard.

 

Tidlig på 1980-tallet ble det gjort store funn av olje og gass i de nyåpnete områdene nord for 62 grader.

Smørbukk-funnene på Åsgard i Norskehavet hadde bare små avvik fra hydrostatisk poretrykk i reservoaret, mens brønner boret på samme type prospekt like i nærheten traff på høyt overtrykk. Overtrykksbrønnene var tørre.

I flere år var det derfor en vanlig oppfatning at overtrykksområdene på Haltenterrassen ikke var prospektive.

Det har alltid vært viktig i oljeindustrien å kunne forutsi poretrykk for å planlegge og gjennomføre sikker boring, men på 1980-tallet var det en del geologer som hadde begynt å bruke forståelsen av poretrykk til prospektevaluering. I høytrykksområder er det sannsynlig at hydrokarboner kan være oppbevart i dypereliggende feller selv om de siver ut fra de grunnere strukturene.

De som knekket høytrykkskoden i Norskehavet fikk etter hvert gjennomslag for å bore dypereliggende prospekter, noe som bl.a. førte til Saga Petroleums Kristin-funn i 1997.

I Barentshavet var det hydrostatisk trykk i funnene på Snøhvit, og så godt som alle andre letebrønner, og det var neppe noen som forestilte seg at trykkforholdene ville by på overraskelser da områdene lengre nord i Barentshavet skulle undersøkes i 1988.

Men i den første brønnen i Fingerdjupsunderbassenget, 7321/7-1, oppstod uventete problemer. Boreslammet forsvant inn i formasjonen.

Det var kraftig undertrykk i reservoaret i alle de tre brønnene som ble boret i dette bassenget, 8 til 20 bar under hydrostatisk trykk.

Naturlig forekommende undertrykk av denne størrelsen var, så vidt jeg vet, aldri tidligere rapportert i bassenger til havs. Hva kunne disse undertrykkene fortelle oss om den geologiske utviklingen?

Dette hadde også letemessige konsekvenser: Alle de tre brønnene hadde spor av gass, men var tørre. Hadde dette noe med undertrykket å gjøre? Hvordan påvirkes funnsannsynligheten av slike lave poretrykk?

Det var disse hendelsene som fikk meg til å innse hvor viktig det er for en petroleumsgeolog å analysere poretrykksdata.

 

Dyp til bunn kritt og havdyp i sørvestlige Barentshavet. Området uten farge er Lopphøgda, der jura kommer opp i havbunnen og blir erodert. Profillinje nordvest for Lopphøgda går gjennom de tre brønnene i Fingerdjupbassenget. Disse boringene ligger i den dype delen av Bjørnøyrenna der gasshydrat er tolket på seismiske data. Svarte prikker: Letebrønner 

Dyp til bunn kritt og havdyp i sørvestlige Barentshavet. Området uten farge er Lopphøgda, der jura kommer opp i havbunnen og blir erodert. Profillinje nordvest for Lopphøgda går gjennom de tre brønnene i Fingerdjupbassenget. Disse boringene ligger i den dype delen av Bjørnøyrenna der gasshydrat er tolket på seismiske data. Svarte prikker: Letebrønner. 

 

Innsynkning, hydrostatisk trykk og overtrykk

Hvis du har en brønn på hytta kan du se ned på vannspeilet. Det ligger på samme nivå som toppen av grunnvannet.

Trykket nedover i vannsøylen øker etter formelen P= ςgz, der ς er tettheten av vannet, g er tyngdens akselerasjon (9,81 m/s2) og z er dybdeforskjellen fra vannspeilet til der trykket måles.

Når trykket nedover i undergrunnen øker etter denne formelen og er i likevekt med vannspeilet (eller havoverflaten) sier vi at det er hydrostatisk.

Vannspeilet i en brønn på land vil ligge dypere i en tørkesommer enn i en våt høst, og grunnvannsspeilet varierer med topografien.

Havoverflaten varierer ikke mye, men det hydrostatiske trykket i geologiske formasjoner til havs påvirkes av tidevannet og vil innstille seg etter havnivåendringer.

Overtrykk oppstår naturlig i et vannvolum som er stengt inne i porene i et forseglet reservoar under innsynking etter hvert som det begraves under stadig mer sedimentlast.

Porevolumet som står til rådighet vil avta under begraving på grunn av kompaksjon av reservoaret. Kompaksjonen skyldes både fysisk sammenklemming av sedimentkornene og kjemiske prosesser som fører til oppløsning og utfelling av mineraler i porerommene.

Vannvolumet i porene vil øke ved termisk ekspansjon, og totalt volum av væske kan også øke ved at det tilføres hydrokarboner fra modne kildebergarter.

Prinsippene er enkle: Som følge av begravningen vil porevolumet avta mens volumet av væske vil ha en tendens til å øke. Dersom vann kan unnslippe og det er kommunikasjon til havbunnen (åpent system), blir trykket hydrostatisk. Dersom overskuddsvannet ikke kan blø av raskt nok vil det bygges opp overtrykk. Kompressibiliteten til vann er så lav at det skal små volumendringer til for å lage store endringer i trykk. Dersom reservoaret er forseglet og porevolumet krymper vil trykket stige helt til det når bruddstyrken (fraktureringstrykket) til de forseglende lagene.

Som en tommelfingerregel kan en regne at dersom det blir 0,5 til 1 prosent overskudd på vann i et lukket grunnvannssystem vil trykket øke med 100 bar. Da er kompressibiliteten av bergarten tatt med i beregningen. Trykkøkningen i vannet vil nemlig motvirkes noe av sammenpressing av nettverket av mineralkorn i reservoaret.

 

Kan erosjon gi undertrykk?

I et basseng som synker inn og begraves av stadig mer sediment er det altså naturlig at det bygges opp overtrykk. I sentrale deler av Nordsjøen og i Norskehavet er det vanlig å påtreffe overtrykk ved begravning på 3000-3500 m eller mer.

Men de geologiske lagene under havbunnen i Barentshavet synker ikke inn. Det meste av Barentshavssokkelen har en historie med netto erosjon gjennom istidene, og store områder hadde sin maksimale begraving for 30 - 40 millioner år siden.

Når innsynkning fører til høyt trykk, er det da rimelig å tenke seg at en avlastning av sedimenter vil føre til lavtrykk? Dette ville skje bl.a. dersom det kompakterte porenettverket begynte å utvide seg når det ble avlastet. Men en kan se både på Svalbard og i Barentshavet at en sedimentær bergart som er blitt kompaktert vil forbli kompaktert selv om det blir avlastet. Mange av prosessene som fører til kompaksjon lar seg ikke reversere.

I 2009 gjorde jeg en sammenstilling av trykkdata fra Barentshavet i forskningsprosjektet Glacipet for å se om det likevel kunne finnes korrelasjoner mellom avlastning og lave poretrykk.

Et av utgangspunktene var at Fingerdjupsunderbassenget er blitt utsatt for 2 - 3 000 meter erosjon siden eocen. Dette området er dypere erodert enn de andre områdene som den gangen var boret i Barentshavet.

Det var også målt undertrykk og tendenser til undertrykk i mindre skala i enkelte andre letehull. De dataene jeg hadde ble vurdert i forhold til fysiske prosessene som oppstår under avlasting.

  1. Dersom vann kan bevege seg inn i eller unnslippe fra reservoaret til havbunnen vil trykket være hydrostatisk.
  2. Under en overflate som eroderes vil det skje avlastning og avkjøling, siden temperaturen øker mot dypet, og sedimentet som avlastes kommer nærmere overflaten. Vannvolumet i porene vil krympe på grunn av avkjølingen. Reservoaret vil også trekke seg sammen på grunn av avkjøling. Nettoeffekten av dette på et forseglet reservoar er ikke kjent, men ble antatt å være liten, siden enkelte brønner i erosjonsområdet har overtrykk.
  3. Porevolumet kan ekspandere noe fordi belastningen fra overliggende bergarter avtar. En slik ekspansjonseffekt er sannsynligvis mest aktuell i ukonsolidert sediment. I konsoliderte bergarter kan endringer i stress føre til oppsprekking og gjøre det lettere for gass og væske å bevege seg ut av reservoaret.
  4. I et lukket volum som opprinnelig inneholdt både vann og hydrokarboner, vil volumet av væske i porene avta dersom gass kan unnslippe fra systemet. Dette vil bidra til undertrykk. Det er svært mange observasjoner av residuelle hydrokarboner i brønnene i Barentshavet, noe som tyder på at det har vært omfattende lekkasje.

Ett interessant resultat av sammenstillingen for Glacipet var at observerte undertrykk av størrelse 1 - 2 bar opptrådte i reservoarvolumer som enten var små eller hadde svært lav permeabilitet og at det i tillegg var eller hadde vært gasslekkasje.

Forklaringen på disse små undertrykkene kan være at gass siver ut raskere enn vannet strømmer tilbake i porene. Underskuddet av gass og vann i porene fører til trykkreduksjon.

Det har vært mye gasslekkasje i Barentshavet under istidene, men i reservoarsystemer med høy permeabilitet og god forbindelse til havbunnen holder vanntrykket seg hydrostatisk hvis innstrømming av vann er i likevekt med utsiving av gass. Figuren viser at den store jura-akviferen i Hammerfestbassenget har hydrostatisk trykk. Tilsynelatende ligger trykket noe høyere enn hydrostatisk men dette kan forklares med at porevannet er svært saltholdig og derfor har høyere tetthet enn sjøvann.

 

Figur:  Plott av poretrykk mot dyp i frigitte letebrønner i Barentshavet. Blå linjer: Hydrostatisk trykk med normalt saltholdig og salint vann. Røde ringer: Undertrykksbrønner i Fingerdjupsunderbassenget (Fing) og Longyearbyen CO<sub>2</sub>-lab. Blå piler: Trykkpunkter fra ulike lokale systemer med svakt undertrykk.

Plott av poretrykk mot dyp i frigitte letebrønner i Barentshavet. Blå linjer: Hydrostatisk trykk med normalt saltholdig og salint vann. Røde ringer: Undertrykksbrønner i Fingerdjupsunderbassenget (Fing) og Longyearbyen CO2-lab. Blå piler: Trykkpunkter fra ulike lokale systemer med svakt undertrykk.

 

Figuren viser at rundt Lopphøgda og på Finnmarkskysten er både jura- og øvre trias-lagrekka i kommunikasjon med havbunnen over store områder.

Disse betraktningene kunne forklare observasjoner av små undertrykk, men de gav ikke noen fullgod forklaring på de store undertrykkene i Fingerdjupbassenget.

Noen år seinere fikk jeg en telefon fra Snorre Olaussen, i dag professor i arktisk geologi ved UNIS, som åpnet for å se dette mysteriet fra en ny synsvinkel.

 

Undertrykk i Adventdalen

Hensikten med prosjektet Longyearbyen CO2-lab, ledet av UNIS, var å undersøke muligheten av å injisere og lagre CO2 på Svalbard.

Det ble boret, logget, testet og overvåket flere brønner ned mot 1 000 meters dyp.

Målet for CO2-injeksjon er jura og øvre trias sandsteiner.

Snorre Olaussen, som fulgte opp boringen, kunne fortelle om ekstreme trykkforhold. Brønn Dh-4 gikk gjennom ca. 100 meter permafrost og inn i sandstein fra Helvetiafjellformasjonen som hadde grunnvann med noe overtrykk.

De dypere sandsteinslagene i jura og trias er forseglet fra Helvetiafjellformasjonen med ca. 400 meter tykk skifer.

Injeksjonstesting i 2010 viste at trykket i de lavpermeable trias-sandsteinene var ekstremt lavt, opptil 50 bar under hydrostatisk trykk.

Alvar Braathen og medarbeidere har beskrevet resultatene fra prosjektet i Norsk Geologisk tidsskrift. De skriver også om trykkforholdene, og opplyser at de ikke er kommet fram til en endelig forklaring på det ekstreme undertrykket.

Da jeg snakket med Snorre var han svært interessert i Fingerdjupsunderbassenget. Kunne disse undertrykksområdene ha noe felles?

 

Figur 3 Skjematiske profiler gjennom boringene ved Longyearbyen (øverst) og Fingerdjupsunderbassenget med de tre brønnene 7321/7-1, 8-1 og 9-1. Blå stiplet linje viser bunnen av permafrosten. Undertrykket er forseglet av permafrost der lagene kommer opp i dagen mot Sassendalen i ØNØ. Dersom tining eller andre prosesser i bunnen av permafrosten i dette området skaper underskudd på vann i porene vil det påvirke trykkforholdene i brønnen. Profilet i Fingerdjupsunderbassenget (jfr. kartet over dyp til bunn kritt) viser skjematisk jura og øverste trias reservoarbergarter (gul), dyp til bunnen av gasshydratområdet (rød linje) og maksimalt beregnet dyp til gasshydrat under siste istid (blå linje). Svart strek er forkastninger.

Skjematiske profiler gjennom boringene ved Longyearbyen (øverst) og Fingerdjupsunderbassenget med de tre brønnene 7321/7-1, 8-1 og 9-1. Blå stiplet linje viser bunnen av permafrosten. Undertrykket er forseglet av permafrost der lagene kommer opp i dagen mot Sassendalen i ØNØ. Dersom tining eller andre prosesser i bunnen av permafrosten i dette området skaper underskudd på vann i porene vil det påvirke trykkforholdene i brønnen. Profilet i Fingerdjupsunderbassenget (jfr. kartet over dyp til bunn kritt) viser skjematisk jura og øverste trias reservoarbergarter (gul), dyp til bunnen av gasshydratområdet (rød linje) og maksimalt beregnet dyp til gasshydrat under siste istid (blå linje). Svart strek er forkastninger. 

 

Permafrost og gasshydrat - faktorer en må regne med i Arktis

Når vann fryser til is øker volumet med ca. åtte prosent. Is som fryser i porene i en sedimentær bergart tar tilsvarende mer plass enn vannet og vil derfor skape overtrykk og telehiv.

Pingoer er en slags gigantiske telehiv, store hauger med is i kjernen. De dannes der overtrykket blør av og is bygger seg opp. Hvis porevannet som fryser er saltholdig vil isen bli ferskere enn porevannet var, slik at en får oppkonsentrering av salt i porevannet.

 

Figure 4: Det er flere pingo-strukturer i bunnen av Reindalen på Svalbard, noen av dem har krater-liknende strukturer med smeltevann på toppen. Typisk størrelse er noen hundre meter bredde og ca 30 m høyde. Flyfoto: Norwegian Polar Institute, http://toposvalbard.npolar.no/

 

Det er flere pingo-strukturer i bunnen av Reindalen på Svalbard, noen av dem har krater-liknende strukturer med smeltevann på toppen. Typisk størrelse er noen hundre meter bredde og ca 30 m høyde.
Flyfoto: Norwegian Polar Institute, http://toposvalbard.npolar.no/

 

Hvis permafrost tiner vil den ikke danne nok vannvolum til å fylle porene igjen og det kan skapes undertrykk. Overganger mellom vann og is ved frysing og tining gir mye større volumendringer i porevannet enn de andre prosessene som er omtalt i denne artikkelen.

Trykkforholdene i boringene ved Longyearbyen er så ekstreme at det er naturlig å foreslå at prosesser knyttet til permafrost er med på å skape undertrykket, mens forseglingsegenskapene til juraskiferen bidrar til å bevare det.

Profilet over viser skjematisk et forslag til hvordan undertrykk kan oppstå.

Dersom en skal etterprøve denne hypotesen vil det være interessant å sammenlikne forholdene i Adventdalen med data om trykkforhold under permafrost i Sibir og andre steder i Arktis.

Fingerdjupsunderbassenget ligger på så store havdyp at det ikke kan ha hatt permafrost under de siste istidene, men gasshydrat har trolig hatt stor utbredelse. Figuren viser likheter mellom de to geologiske profilene der det er undertrykk.

 

Isen som brenner

Gasshydrat er ikke stabilt under atmosfærisk trykk. Metangassen som er fanget inn i hydratet strømmer ut og kan antennes.


<< Gasshydrat er ikke stabilt under atmosfærisk trykk. Metangassen som er fanget inn i hydratet strømmer ut og kan antennes.
(Foto: www.usgs.gov)

 

En klump med gasshydrat ser ut som is. Den har en krystallstruktur der gassmolekyler er fanget inn i et gitter av vannmolekyler. I naturen er det som regel metan som inngår i hydratet, med en liten andel tyngre komponenter som etan og propan. Andre gasser, f.eks. CO2, kan også danne hydrat. Hvis man tiner en kubikkmeter metan-hydrat vil det komme ut 160 kubikkmeter metan ved atmosfærisk trykk. Metan-hydrat er stabilt bare ved høyt trykk og lav temperatur. Ved atmosfærisk trykk vil gassen ganske raskt frese ut av is-strukturen.

Det er gjort omfattende studier av naturlig forekommende gasshydrat de siste 20 år. De vurderes som en mulig stor ressurs av naturgass, og gass som unnslipper fra hydrat kan gi et bidrag til drivhuseffekten.

Jeg ble første gang kjent med gasshydrater som en viktig geologisk faktor da jeg arbeidet med Barentshavet tidlig på 1990-tallet. Anders Solheim, som da var forsker på Norsk Polarinstitutt, hadde oppdaget et felt i Bjørnøyrenna med kraterstrukturer og viste meg havbunnskart og grunnseismikk. De km-store kratrene kunne likne på gigantiske pockmarks, men de var dannet i faste trias sedimentbergarter. Anders og medarbeidere publiserte oppdagelsene sine i 1993 og foreslo at strukturene var dannet ved dekomponering av gasshydrat og frigjøring av metan. Hypotesen er blitt støttet av seinere undersøkelser, og mye mer omfattende områder med kraterdannelser er kartlagt. Dette er beskrevet av Karin Andreassen og medarbeidere i en artikkel i Science juni 2017.

På lokaliteter med dypt vann der hydrat er stabilt ved havbunnen vil det bli dannet pingo-strukturer som er analoge med det en ser i permafrost-områder. Hvis så trykk og temperatur endrer seg vil kjernen av gasshydrat løse seg opp og resultatet kan bli et krater på havbunnen.

I Bjørnøyrenna med et vanndyp på 400 meter og temperaturer nær 0 grader er metanhydrat stabilt i sedimentet på 6-700 meters dyp. Under glasialt maksimum under siste istid kalvet isbreene på sokkelkanten langs hele norsk sokkel. Vanntrykket under isen var stort nok til at gasshydrat var stabilt på sediment-overflaten.

De store kraterområdene i Bjørnøyrenna og arbeidene til Anders Solheim, Karin Andreassen og mange andre viser at det må ha eksistert store volumer gasshydrat i Bjørnøyrenna ved slutten av siste istid. Områdene har trolig i hovedsak vært begrenset til områder med aktiv gasslekkasje.

 

Gass-hydrat og volumendringer

En kollega av meg, Oddbjørn Nevestveit, laget et regnestykke på hva som vil skje i et grunt gassfelt dersom temperatur og trykk endrer seg slik at gasshydrat blir stabilt. Metan og vann i hydratform opptar mindre volum enn metan og vann hver for seg. Når gassen går over til hydrat vil trykket falle dramatisk dersom gassfeltet ligger i et reservoarvolum som er forseglet fra havbunnen og store grunnvanns-systemer.

 

Kurven viser hvor stort volum som opptas av vann og metan dersom 1 m<sup>3</sup> metan blir dekomponert. Volumendringen er avhengig av dyp, som vist på y-aksen. Metanhydrat er stabilt under lav temperatur og høyt trykk, typisk ned til noen hundre meter under havbunnen. Gass og vann tar typisk 2-4 ganger mer plass enn metanhydrat nede i sedimentet.

Kurven viser hvor stort volum som opptas av vann og metan dersom 1 m3 metan blir dekomponert. Volumendringen er avhengig av dyp, som vist på y-aksen. Metanhydrat er stabilt under lav temperatur og høyt trykk, typisk ned til noen hundre meter under havbunnen. Gass og vann tar typisk 2-4 ganger mer plass enn metanhydrat nede i sedimentet. I beregningen er ekspansjonsfaktoren for metangass satt til dypet delt på 10.


Slike regnestykker viser at store underskudd av væskevolum, og dermed undertrykk kan oppstå ved dannelse av gasshydrat. I Fingerdjups-underbassenget er problemstillingen at gasshydrat har eksistert i større mengder, men at den løste seg opp da istiden tok slutt. Dersom reservoarvolumet hele tida var fullstendig forseglet ville volumet av gass og vann være kommet tilbake til utgangspunktet når alt hydratet var tint. Hvis porevolumet i sedimentet også var bevart ville trykket vende tilbake til det normale. Men slik fullstendig forsegling og bevaring av porevolum er neppe realistisk. Kraterdannelsen som er så utbredt lengre øst i Bjørnøyrenna viser at store volumer fluider har forsvunnet ut av systemet, og det synes å være rimelig at undertrykk i akviferene kan bli bevart. Mer kartlegging og mer komplekse modeller må til dersom en skal forstå mer av disse prosessene.

Det er lite data på hvilke effekter dannelse og opptining av gasshydrat har på trykk og væskestrøm i undergrunnen. Dette er av betydning for dem som utreder mulighetene for utvinning av gasshydrat og for leting og produksjon av hydrokarboner i strøk som har vært utsatt for nedising. Og – sannsynligvis – for dem som er ute etter å finne løsninger på undertrykkene i nord.


Tema: Geologi