Fra Troll til Mjøsa - en tidsskala for petroleum

13.11.2017
Det sjuende og siste geofaglige mysteriet i denne artikkelserien dreier seg om hvordan oljen og gassen er fordelt i Troll-feltet.

Troll er det feltet på sokkelen som inneholder mest hydrokarboner. Petroleumsgeologene skaffer seg kunnskap om hvor denne oljen og gassen er dannet og på hvilken måte den har strømmet inn i feltet. Men hvis du spør en petroleumsgeolog om hvor lenge det er siden Troll, Ekofisk, Ormen Lange eller Snøhvit ble fylt med hydrokarboner og hvor fort hydrokarbonene strømmer inn i dag, så spår jeg at du vil få flere ulike svar - og noen tomme blikk.

Om noen tiår vil det ikke være nok gass igjen på Troll til å opprettholde produksjonen, og feltet vil bli nedstengt. Vil naturlige prosesser over tid gjøre at olje- og gassfeltene blir fylt på nytt? Hvor lang tid vil det i så fall ta?

 

Fra Troll til Mjøsa

Mjøsa kartkilde: www.norgeskart.no (Kartverket-Geodata AS)

 

Min interesse for tidsskalaen for petroleum begynte på Oljedirektoratet, der Svein Eggen på 1980-tallet var ganske tidlig ute med å utarbeide og bruke enkle 1-D bassengmodelleringsverktøy for å beregne dannelse, innstrømming og oppbevaring av olje og gass.

Vi innså at den store pålastingen av sedimenter under istidene sentralt i Nordsjøen og på Haltenterrassen måtte ha stor betydning for petroleumssystemene vi ser i dag.

Så flyttet oppmerksomheten seg til områdene i Barentshavet og kystnære områder, der store mengder med sedimenter ble fjernet under istidene, med den konsekvens at petroleumssystemene ble avlastet og nedkjølt. I funnene som ble gjort var det tydelig at store mengder hydrokarboner hadde lekket ut.

Istidene i nord har vart i ca 2.8 millioner år. Vi trakk den slutningen at en tidsskala for petroleum måtte ha delestreker som var kortere enn 1 million år. Men flere spørsmål var likevel uavklart: Var det mest olje eller mest gass som hadde lekket ut der det hadde vært erosjon? Hvordan og når hadde det skjedd? Var dette en lekkasje som pågår også i dag?

 

Eldst og yngst

Kontrastene er store når det gjelder tidsrommet for innstrømming av olje og gass inn i en felle. Krittavsetningene i Valhall og Ekofisk kan for eksempel ha vært i kontakt med gass og olje allerede rett etter avsetning for 60 – 70 millioner år siden.

Gassen i Peon-funnet ligger derimot i sand som ble avsatt foran isbreer i Norskerenna for omtrent 700 000 år siden, og må derfor ha strømmet inn senere enn dette.

 

Den omvendte innsjøen

Et olje- eller gassfelt kan sammenliknes med en innsjø som er vendt opp ned. Elver og bekker som renner inn i sjøen kan sees på som innstrømmingsveiene for hydrokarboner. Det horisontale vannspeilet er kontakten mellom vann og luft, analogt med kontakten mellom gass og vann i et gassfelt.

Dersom sjøen er fylt opp til terskelen som demmer den opp, vil vannet spille ut, på samme måte som olje og gass vil tvinges under spillpunktet og strømme videre fra fellene når de er fylt.

Vannet som fordamper fra overflaten kan sammenliknes med gass som siver ut gjennom kappebergarten til feltet. Vannspeilet er konstant når det er balanse mellom mengdene med vann som renner inn og vann som fordamper og renner ut.

Hvis vannspeilet synker, kan vi se på strandbredden hvor høyeste vannstand har vært, analogt med at residuell olje finnes under oljesonen i mange oljefelt.

En viktig forskjell er at i undergrunnen ligger både hydrokarboner og vann bundet opp i et poresystem. Bevegelse skjer etter Darcys lov, der trykkgradienter driver strømmen av væsker gjennom porene.

En sedimentær pakke er dessuten lagdelt og oppsprukket, og inneholder derfor geologiske hindringer for strømming av olje, gass og vann. En ekstra hindring er at olje og vann konkurrerer om plass og strømningsveier i porene.

 

Et dynamisk system

Hvor gammelt er Troll-feltet?

Reservoarsandsteinene ble avsatt i sein jura tid. Sedimentologene snakker derfor om et jura-felt som er 160 millioner år gammelt. Strukturgeologene kan fastslå at forkastningsblokkene kom på plass for ca. 150 millioner år siden da Nordsjøriften fikk sin endelige form.

Men Troll ble ikke en felle for hydrokarboner før strukturen var fullstendig forseglet av leire, og det kan tidligst ha skjedd i paleocen, ca. 100 millioner år seinere. Og hele strukturen er blitt rotert i flere hendelser som var enda seinere. Fellen har endret sin form.

Oljen og gassen i Troll kommer fra skifer som er rik på organisk materiale. I sein jura tid ble den avsatt i tykke lag i dypet av Vikinggrabenen som ligger vest for feltet. Hydrokarbonene beveget  seg opp til Troll gjennom migrasjonsveier som vi altså kan sammenlikne med bekker og elver.

Skifrene nede i Vikinggrabenen har i dag trykk og temperatur som tilsier at det fortsatt dannes hydrokarboner. Selv om gass siver ut fra toppen av strukturene og fanges opp i sprekkesystemer og unge lag over feltet, er det ikke indikasjoner på at gassvolumet i fellen har avtatt på grunn av denne lekkasjen.

Vi tolker dette som at petroleumssystemet er dynamisk, og at Troll er et eksempel på et felt der det er en balanse mellom hydrokarboner som migrerer inn og som lekker ut. En vil forvente en slik balanse for alle felt som er fylt ned til spillpunktet. I en innsjø som Mjøsa har vi samme situasjon: Vannet blir gradvis skiftet ut fordi den har tilførsel og utløp, men vannspeilet ligger fast.

Olje, gass og vann beveger seg langsomt i undergrunnen, så oppholdstida for hydrokarboner i et felt vil være flere størrelsesordener lenger enn for vannet i en innsjø.

Sedimentbassengene i sentrale Nordsjøen har hatt rask sedimentasjon, innsynkning og temperaturøkning under istidene de siste 2,8 millioner år. De fleste feltene i Nordsjøen ligger derfor i forbindelse med aktive petroleumssystemer.

Troll inneholder en blanding av olje- og gassmolekyler som imidlertid kan stamme fra en lang periode med migrasjon inn i strukturen. I en del av skiferpakkene i Vikinggrabenen ble det dannet olje før kvartær tid, tilbake til 20-30 millioner år, og den første innfyllingen i Troll kan ha startet tidligere enn miocen.

 

Figur 1. Modell av toppen av reservoaret i Troll-feltet sett fra nord.

Figur 1. Modell av toppen av reservoaret i Troll-feltet sett fra nord.
Fra nord til sør i feltet er det mer enn 50 km. De gule og røde fargene viser formen på den delen av feltet som inneholder gass. Grønn flate er kontakten mellom gass og olje, blå flate viser vann-nivået der oljesonen er svært tynn eller mangler helt. Toppflaten trer fram som et landskap der åsene er forbundet med smale rygger og søkk. Mjøsa er et nesten 100 km langt basseng som er gravd ut under istidene. Da siste istid tok slutt sto Mjøsa i forbindelse med havet, og sjøvannet ble gradvis erstattet med ferskvann. Det er fortsatt organismer i innsjøen som stammer fra den gangen det var marine forhold der.
Mjøsa kartkilde: www.norgeskart.no (Kartverket-Geodata AS)

 

Fordeling og omfordeling av olje og gass

I en periode rundt 2005 jobbet jeg med ulike geologiske modeller i Oljedirektoratets Troll-gruppe. Vi var spesielt interesserte i hvor raskt olje og gass kunne strømme mellom Troll Øst og Troll Vest, og om det kunne være mulig å utvinne olje fra den tynne oljesonen i Troll Øst.

Vi prøvde å kartlegge hvor tykk denne oljesonen var, og var interesserte i å finne ut hvorfor det var olje i den vestlige delen av Troll Øst, men ikke i den østlige.

Idar Horstad og Steve Larter hadde da allerede publisert en geokjemisk studie av omfordelingen av olje og gass på Troll. Vi var enige med dem i at fordelingen kunne korreleres med tektoniske bevegelser i neogen (de siste 20 millioner år). Kunne disse bevegelsene dateres mer nøyaktig?

 

Fra Troll til Hardangervidda

Under oljesonen som blir produsert i Troll er det residuell olje. Residuell olje ligger fanget mellom sandkornene og kan fylle opp inntil ca 20 prosent av porevolumet, resten av porevolumet er vannfylt. En slik residuell oljesone dannes ved at vann kommer inn, fortrenger og erstatter olje fra en tidligere forekomst.

Figur 2.

Figur 2.

 

Profilet fra vest til øst på Troll viser at sonen med residuell olje er opptil 60 meter tykk i vest, og blir jevnt tynnere østover. Bunnen av den residuelle oljesonen ligger som et skråplan med stigningstall på ca. 1 meter per 200 meter, opp mot øst.

Skråstillingen viser at olje-vannkontakten en gang i geologisk tid har ligget dypere ned i lagrekka enn i dag. Den vestlige delen av strukturen må på det tidspunktet ha ligget høyere enn den østlige. Troll Øst hadde da ikke noe stort fellevolum. Etter denne tidlige innfyllingen med olje (og gass) ble strukturen vippet opp i øst. Olje ble da omfordelt i strukturen og kunne også spille inn i Troll Øst.

Skråstillingen av den gamle olje-vannkontakten (paleo-kontakten) kan korreleres med skråstilling av de unge lagene over feltet. Inkonformiteten i midt-miocen, 16 millioner år gammel, er en horisont som er vippet opp mot øst.

 

Figur 3. Profil fra vest mot øst over nordlige Nordsjøen og den skandinaviske fjellkjeden. 

Figur 3. Profil fra vest mot øst over nordlige Nordsjøen og den skandinaviske fjellkjeden.
Vippingen som førte til omfordeling av olje og gass på Troll korreleres med den yngste fasen av heving av Sør-Norge, og den siste fasen av innsynkning i Nordsjøen. Rød linje: Dagens topografi. Blå linje: Toppflate fra fjellområdene kombinert med bunn kritt inkonformitetsflate i Nordsjøen. Orange linje: Den «paleiske» flaten øst for det sør-norske høyfjellet, kombinert med midtmiocen inkonformitetsflate i Nordsjøen. Grått: Kvartære sedimenter i Nordsjøen.

 

Flatene vi tolket på Troll viser et utsnitt av en mye større geologisk struktur. Toppen av grunnfjellet øst for Troll ble dekket av sedimenter etter seinjura og definerer en skråstilt flate som kan trekkes videre mot toppnivået av de høyeste fjellområdene i Sør-Norge.

Midtmiocen-inkonformiteten (orange linje i profilet) lar seg korrelere opp mot en erosjonsflate som når opp i over 1000 meters høyde øst og sør for Hardangervidda. Disse flatene er trekk i landskapet som kan brukes til å vurdere ulike faser av landheving i dagens skandinaviske fjellkjede.

 

Vannet som rant bort

Olje og gass som migrerte inn i Troll fortrengte det vannet som opprinnelig lå i porene. I et vannfylt porevolum (en akvifer) som er lukket slik at vannet ikke kan slippe ut vil et ekstra vannvolum på 1 prosent bygge opp ca. 100 bar overtrykk.

Slike overtrykk ser vi ikke rundt Troll. Vannet har hydrostatisk trykk. Et totalt vannvolum tilsvarende volumet av olje og gass i Troll må derfor ha unnsluppet fra disse formasjonene etterhvert som olje og gass migrerte inn i feltet.

Tilsvarende ser vi at det fra naturens side er hydrostatisk trykk i vannsonene som omgir de store gassfeltene Ormen Lange, Frigg-Heimdal og Snøhvit.

Selv om vi ikke kjenner trykkutviklingen gjennom tid tyder dette på at prosessene med migrasjon og lekkasje er langsommere enn prosessen med trykkutlikning i vannsoner som ikke er lukket.

 

 

Figur 4. Trollfeltet og utbredelsen av Sognefjordformasjonen (gul) som er det viktigste reservoaret for olje og gass i Troll. 

Figur 4. Trollfeltet og utbredelsen av Sognefjordformasjonen (gul) som er det viktigste reservoaret for olje og gass i Troll. Sognefjordformasjonen har omtrent samme utbredelse som de underliggende Fensfjord- og Krossfjordformasjonene. Disse formasjonene inneholder vann som står i forbindelse med hydrokarboner i Troll og flere av funnene nord for Troll. Blå linje viser hvor disse formasjonene ligger i direkte kontakt med kvartære lag i Norskerenna.

 

Ett felt - mange prosesser

Væskekontaktene i de ulike segmentene på Troll er horisontale. Olje, gass og vann i hvert enkelt segment er kommet i tilnærmet likevekt etter vippingen av feltet, men oljesonene i ulike segmenter har ulik tykkelse og ulike nivåer på kontaktene.

I slike tilfeller er det vanlig å anta at forkastningene er barrierer som har hindret utjevning av oljesonene. Forkastningssoner har ofte mye lavere permeabilitet enn reservoaret, og kapillærkrefter kan hjelpe til med å holde olje på plass på den ene siden av forkastningen når det er gass eller vann på den andre.

Erfaring fra produksjonen på Troll tyder på at forkastningene mange steder er permeable. Gass og vann kan strømme gjennom dem også i ingeniørenes tidsskala. Dette stemmer overens med at trykket i gass- og vannsonene var i likevekt før produksjonen startet.

Manglende utjevning av oljesoner mellom segmenter trenger ikke bety at segmentene mangler kommunikasjon. Den kan også være et spørsmål om hvor god kommunikasjonen er, et spørsmål om hvor lang tid det tar å oppnå likevekt.

 

Figur 5. Skjematisk profil som viser et felt med to segmenter og to reservoarer der olje og gas migrerer inn, vann og gass strømmer ut av strukturen.

Figur 5. Skjematisk profil som viser et felt med to segmenter og to reservoarer der olje og gas migrerer inn, vann og gass strømmer ut av strukturen. Skissen illustrerer ulike effekter av at olje og gass ikke er kommet i fullstendig (statisk) likevekt: Ulike kontakter i ulike reservoarsoner. Sammensetningen av olje kan være ulik i de to segmentene, og poretrykket vil være ulikt. Akviferen kan være påvirket av produksjon fra felt i nærheten. Forkastningen mellom de to segmentene har så lav relativ permeabilitet at den kan skille mellom olje på den ene sida og vann på den andre. Den danner en grenseflate i en tidsskala for petroleum.

 

Figuren viser at i et typisk felt er det mange typer av likevekter som skal innstilles. Troll illustrerer noen av dem.

Craig Smalley og hans medarbeidere har arbeidet med forenklete modeller for flere slike likevektsprosesser og satt opp formler som gir en pekepinn om tidsperiodene de trenger. Ulike prosesser har ulike hastigheter. Når denne typen arbeid blir kalibrert mot felt der de geologiske rammebetingelsene er godt kjent kommer vi et skritt videre i å tidfeste de ulike epokene av hydrokarbonenes historie i feltene.

 

Slutten er en begynnelse

Hvert olje- og gassfelt har en historie å fortelle. En historie som består av mange fortellinger som er flettet sammen. En god forståelse av historien er nyttig for å forvalte feltene i dag og i framtida.

De som arbeider med forvaltning av ressursene bør også ha i bakhodet at historiene ikke tar slutt. Selv felt som stenges ned har en framtid, som bestemmes av prosesser som går i en tidsskala for olje og gass.

 

Epilog

Dette er den siste artikkelen om sju mysterier som har inspirert meg i mitt geofaglige arbeid. Geofaget utvikler seg. Synet på petroleum som menneskenes viktigste energikilde er i endring. Framtida er blitt mer usikker.

Men vi kan være sikre på at vi vil trenge mer vitenskap, bedre teknologi, mer forståelse for å finne gode veier framover.

Budskapet er at vitenskapen går framover. Men ikke bare på grunn av mer data og nye bevilgninger. Den lever når vi observerer, undrer oss – og gleder oss når mysteriene våre begynner å bli oppklart.


Tema: Geologi