Indvinding af olie fra de danske kalkfelter

SPECIALARTIKEL fra GEUS' Årsberetning 1999
Hjemtag (download) pdf-fil: geus99-3.pdf (610 Kb)

Stevns Klint. Øverst ses bryozokalk, hvor undersiden bølger svagt; i lavningerne mellem bølgetoppene findes visse steder et tyndt lag ler, "fiskeleret". Fiskeleret vidner om betydeligt ændrede geologiske forhold på pladsen, da leret blev afsat. Under bryozokalken følger "Gråkridtet" fra den øverste, yngste del af kridttiden. Den grålige farve skyldes et svagt, fint fordelt indhold af sodpartikler i kridtet. Det er bl.a. den type bjergarter, der er genstand for petrofysiske undersøgelser i laboratoriet; resultaterne giver mulighed for at karakterisere reservoiregenskaberne hos kalk og kridt. Kemiske analyser af sodpartiklerne fra Gråkridtet tyder på, at partiklerne kommer fra vulkanudbrud på overgangen fra kridttid til tertiær tid for omkring 65 millioner år siden. Den vulkanske aktivitet var omtrent samtidig med den bjergkædedannelse, der bl.a. foldede Alperne op (den alpine foldefase), og med havbundsspredningen, der f.eks. førte til åbningen af Nordatlanten som følge af pladetektonik; lava fra vulkanismen i spredningszonen skabte Færøerne, de østgrønlandske plateaubasalter og Island. Der er stadig levende vulkanisme på Island, der ligger på den fortsat aktive spredningszone midt ned gennem øen og Atlanterhavet; det medfører bl.a. at den østlige og vestlige del af Island bevæger sig væk fra hinanden med en hastighed på 1 til 2 cm om året.

"Oliedråbens skæbne"
Det var en mørk og stormfuld nat. Den lille oliedråbe følte sig under pres. Den var strandet ved en indsnævring, hvor tre coccolitter sad og spærrede, så der kun var en lille, snæver kanal at se. På grund af overfladespændingen kunne den ikke klemme sig igennem ­ endnu. Hvis trykket blev højere end det der allerede klemte den ind imod det lille hul, kunne den måske blive mast igennem. Oliedråben svedte ved tanken. Den havde godt hørt om de store forandringer, der var på vej nede i kalkreservoiret på grund af den øgede indpumpning af vand i visse dele af lagene; men at det skulle komme så pludseligt, havde den ikke ventet. Mange af dens familie og venner, der havde siddet i nærheden var allerede skyllet væk. De fleste havde været heldige og kunne holde sammen i lange kæder og var løbet afsted gennem de lidt større porer i kalken. Når porerne var mere end ca. en tusindedel millimeter var det jo ikke noget problem at løbe igennem.
Oliedråben havde egentlig altid syntes at den sad godt i sit lille hjørne mellem coccolitterne; men nu ville skæbnen og de petrofysiske forhold, at den var efterladt på dette øde sted midt i kalken fra Øvre Maastrichtien. Nu mærkede den også at den frøs, for det kolde havvand, der blev pumpet ind, var nået frem til den, hvor den ellers før havde siddet i det dejlige varme og salte porevand. "Det er jo vanrøgt" tænkte den ­ "hvorfor får vi ikke alle mulighed for at komme ud"

Denne lille fabel antyder, hvor vanskeligt det kan være at få olien ud af de danske kalk reservoirer i Nordsøen. En række betingelser skal være opfyldt, for at en kæde af begivenheder kan finde sted, der fører til en effektiv indvinding. Disse vanskelige forhold gælder ikke kun for oliedråberne, men eksisterer på forskellige størrelsesskalaer - lige fra den molekylære skala og op til hele Nordsøens udstrækning - og spænder derved i længdemål over mere end 15 størrelsesordner.
På GEUS foregår der forskningsaktiviteter, der dækker et bredt udvalg af de emner og skala trin som er relevante for en øget indvinding fra kalken. Selvom de enkelte emner har overlap med skalaen under og over, og indgår i et samspil med andre effekter, vil vi alligevel gennemgå udvalgte dele af dette skalaspænd. Der er udført mange undersøgelser i relation til de danske kalkreservoirer med spændende og nyttige resultater tilfølge.
Det vil dog alligevel fremgå undervejs i gennemgangen, at der stadig mangler væsentlige forklaringer, og at der stadig kan rejses nye spørgsmål, hvor besvarelsen eller løsningen på problemet kan have stor betydning for indvindingen af den meget værdifulde ressource som olie og gas udgør for vores samfund.

Fig. 1 Billedet er fra Sigerslev kridtbrud på Stevns. Ved hjælp af en håndboremaskine udbores der borekerner af kridt til senere studier i laboratoriet. Ved hjælp af avanceret udstyr bliver variationen af kridtprøvernes fysiske egenskaber bestemt. Resultaterne gør det muligt at beskrive kridtets regionale petrofysiske egenskaber; dermed kan der siges noget om kridtets reservoiregenskaber for olie og gas.

		Kridt og kalk Kridt ­ Kridttiden geologisk periode for 142-65 millioner år siden. Kridt af latin creta "kalk". Hvid finkornet kalksten bestående af mere end 90% calcit (CaCO3 ). Kalksten Limsten. En bjergart der består af mere end 75% carbonatmineraler. Kalk - bruges ofte som synonym for de almindelige danske kalkbjergarter ­ herunder altså også de forskellige typer af kridt og kalksten på Stevns. Det hvide kridt vi ser nederst i Stevns Klint er "Skrivekridt". Ordet Skrivekridt bruges både som en stratigrafisk betegnelse og en bjergartsbetegnelse for kalksten fra tidsperioden Maastrichtien, som er den yngste del af Kridttiden. I den allerøverste del af kridtet ved Stevns, lige under Kridt-Palæogen (nedre Tertiær) grænsen, findes et 3-4 m tykt lag som kaldes "Gråkridtet" på grund af en svag grålig farvenuance. Over Kridt-Palæogen grænsen findes aflejringerne fra Danien; først det tynde lag af Fiskeler, hernæst et andet tyndt lag - kaldet "Cerithium kalken", og derover en tyk serie af "bryozokalk". I Øresundsområdet er de tykke lag af "København kalk" fra Palæogen tid fundament for Øresundsbron. Under Nordsøen finder man forskellige typer af kalk og kridt fra Kridttiden og Palæogen tid, hvoraf den mest finkornede type fra perioden gennem det øverste Kridt og nederste Palæogen på engelsk betegnes "Chalk". I den følgende behandling bruges kridt og kalk som skiftende betegnelser for den bjergart de fleste danske olie og gas reservoirer er udviklet i.

VANDFILM
I de danske kalkreservoirer, der ligger i dybder fra 1400-2800 m under havniveau, findes olien fint fordelt i den meget porøse kalksten, som kaffe i en sukkerknald. Porøsiteten i de bedste lag kan være op til 40-45%, men porerne vil ikke altid være fyldt udelukkende med olie. Det meste kalk i reservoirerne holder af vand ­ det kaldes, at den er "vandvåd". Selv i de mest oliemættede lag findes der ca. 5% vand, som er fordelt, oftest som en tynd vandfilm, hen over kornoverfladerne. På grund af den meget lille kornstørrelse, længde ca. 1-2 mikrometer (1mikrometer = 1/1000 millimeter = 1µm) for de enkelte krystaller, der indgår i coccolitterne, er den samlede kornoverflade enorm, og kan være op til 1-2 m² pr. gram kalk.

Hvis en oliemættet kalk bliver tilført vand vil den suge vandet ind. Vandet vil fortrinsvis krybe af sted på kornoverfladerne, og vil sidde som en tynd film der dækker hele kornoverfladen i bjergarten, samt fylde de meget små revner og sprækker. Den vandfilm, der sidder på de enkelte korn, kan have meget forskellig tykkelse alt efter kornoverfladens ruhed og trykforholdene imellem olie og vand.

Den mindste vand filmtykkelse, der kan sidde på overfladen af et calcit korn, er et enkelt lag af vandmolekyler, som vil have en tykkelse på omkring 3 Ångstrøm = 0,3 milliontedel mm. Imidlertid findes der forskellige typer af kræfter mellem væsker og korn (van der Waal kræfter, elektrostatiske kræfter og strukturelle kræfter). Samspillet mellem disse kræfter er kompliceret og afhænger af olie typen, vandets saltholdighed og flere andre forhold; der er derfor stadig en stor usikkerhed omkring vandfilmens opførsel nede i reservoiret.

Vandfilmen omkring kornene kan i visse tilfælde gennembrydes og erstattes af olie som vil klæbe til kornoverfladen. Dette sker oftest hvor olien har været i kontakt med kalken i længst tid og hvor olien næsten fylder hele porerummet ud. Når kornoverfladerne på denne måde bliver glade for olie, kaldes bjergarten "olievåd". Om kornoverfladen foretrækker olie eller vand kaldes dens vædningspreference. Hvis en bjergart er delvis olievåd, dvs. at typen af film (olie/vand) kan variere pletvist eller er ujævnt fordelt, ved man teoretisk og fra eksperimenter, at det giver en forskellig effektivitet i uddrivning af olien, når man bruger vandinjektion til indvindingsforbedring.
Strømningen af olie og vand i kalkreservoirerne er således afhængige af væskernes rumlige fordeling i porerne. De præcise forhold er endnu kun dårligt undersøgt for kalkreservoirers vedkommende.

Fig. 2 Billede optaget med (SEM) scanning-elektron- mikroskop af et stykke kridt fra Stevns. I midten ses en enkelt coccolit , som sammen med flere andre har siddet som skjolde på overfladen af en omtrent kugleformet havalge, der har levet i Kridttids havet. Langt de fleste coccolitter er nedbrudt til enkeltkrystaller med en størrelse på 1-2 µm og ses liggende i den omgivende kridtmasse. Det fremgår også tydeligt, hvor små de enkelte porer er, og hvor snørklet det porøse netværk er i kridt af denne type.

Fig. 3 Et stykke kridt fra Stevns Klint med coccolitter, der ofte har lighed med små knapper.		Fig. 4 Elektronmikroskop billede af et af forfatterens få tilbageværende hår med kridtstøv på. Hår fra mennesker er normalt omkring 0.1 mm tykke. I det ene støvkorn ses en velbevaret coccolit (øverst).

Nano-silica
I kalken er de fleste korn af cal-cit, og stammer fra de mikroskopiske alger der oprindelig har opbygget skeletmateriale af calcitten i form af de små coccolitter.

I det reneste kridt er kun 2-5 % af bjergarten ler eller anden uopløselig rest.

Nye undersøgelser har imidlertid vist at der i visse lag i kalken er et stort indhold af silica (SiO₂). Dette materiale har en meget lille kornstørrelse, ca. 100 nanometer (1 nanometer = 1 milliontedel millimeter), heraf navnet nano-silica (Fig. 5). Dannelsen af dette materiale tolkes som en udfældning fra havvandet ved sammenklumpning (flokkulering) af små silicapartikler til kugleformede partikler som sedimenteres på havbunden (Fig. 5).

Det vides udfra styrketekniske undersøgelser at en stor andel af nano-silica i kalken giver afvigende mekaniske egenskaber sammenlignet med almindelig kalk. Indvindingsegenskaberne bliver formodentlig også påvirket af tilstedeværelsen af nano-silica. Men det er endnu uafklaret, hvorvidt egenskaber såsom vædningspreference overfor vand eller olie, eller elektrisk respons også påvirkes, og dermed kræver særskilt behandling i analysen af data fra de olieførende lag i et reservoir.

Fig. 5 Billede optaget med et AFM (Atomic Force Microscope), som viser ansamlinger af nano-silica, der ses som en perlekrans. Fig. 6 Tegning: Under udfældningen i havvandet samles de enkelte korn som kugleformede flokkulater der synker tilbunds og indgår i det ellers calcit- dominerede sediment.

Mikromodeller
Når olie og vand strømmer samtidig igennem porenetværket, foregår transporten af olien enten som en sammenhængende fase, eller som isolerede olie tråde og dråber. Transportprocessen kan eftergøres og studeres i kunstige porenetværksmodeller. Disse fremstilles ved at ætse et netværk af kanaler og hulrum ned i en tynd plade, akkurat som det bruges i halvlederindustrien ved fremstilling af computerchips.

Det ætsede netværk dækkes af en glasplade, og man kan nu pumpe olie og vand ind i det, mens man iagttager, hvordan de to væsker fordeler sig i porerne. Denne proces er meget kompleks, og især, hvis der forekommer både gas, olie og vand samtidig i netværket, er det meget kompliceret at forudsige fordeling og strømningsforhold for de enkelte faser. Under forsøgene kan det ses, hvorledes de små oliedråber eller olietråde løber afsted, forgrener sig eller smelter sammen, alt efter hvordan porenetværket varierer. For strømningen af olie er det meget vigtigt om der er kontinuitet - d.v.s. at olien udgør en sammenhængende fase, eller om olien er opdelt. Hvis olien opdeles i tråde eller dråber, vil der nemmere kunne dannes residual olie, d.v.s. olie der ikke kan bevæges og som dermed sænker indvindingseffektiviteten.

Man kan endnu ikke fremstille netværk med porer, der er nede i de meget små størrelser, som findes i kalk. Undersøgelserne kan imidlertid bruges til at fastlægge nogle af de helt basale processer, og dermed bidrage til at efterprøve de beregningsmodeller, man anvender til at simulere strømning på reservoir- skala.

Fig. 7 Billede optaget med skanning elektron mikroskop (SEM), som viser de ætsede kanaler og hulrum på oversiden af en plade. De mindste kanaler er ca. 8 µm brede, og porekamrene er ca. 40 µm. Ætsedybden er 15 µm.		Fig. 8 I netværket af kanaler og porer er indpumpet olie (grønt) og vand (rødt), og gas (gult). Den komplicerede fordeling af de to væsker og gassen, samt bevægelserne kan direkte iagttages under et lysmikroskop.

Geometri af porenetværket i kalk
Opbygningen af porenetværket har stor betydning for forløbet af indvindingsprocessen i kalk, og varierer alt efter hvilken type af kalk vi ser på, og hvilken porøsitet bjergarten har. Denne sammenhæng undersøges normalt med laboratorieforsøg og analyser af de forskellige kalk typer fra reservoiret.

Som følge af de meget små porer i kalken er det vanskeligt og tidskrævende at udføre visse strømningsforsøg på store kalkprøver på grund af den meget lave strømningshastighed i kalken. Nogle af forsøgene, f.eks. undersøgelse af kapillartryksforhold mellem olie og vand med bestemte metoder kræver flere år at gennemføre. Det er derfor attraktivt at kunne erstatte laboratorieforsøgene med beregningsmodeller, som kan analysere forskellige typer af kalk og strømningsforhold på meget kortere tid end de fysiske forsøg vil kunne udføres i. Til dette skal man dels bruge en numerisk udgave af det porøse netværk, dvs. en gengivelse af den rumlige struktur på talform, og dertil en matematisk beregningsmetode, der kan afspejle strømningsprocesserne i denne numeriske model.

Teksturen og geometrien af netværket af porer i kalk kan kvantificeres ved analyse af snit i en kalkprøve. En poleret overflade kan betragtes i elektronmikroskop (fig. 9) og porerummet kan adskilles fra det faste materiale ved billedanalyse. En analyse af geometrien af porerne i snittet kan bruges til en rekonstruktion af den rumlige struktur af det porøse netværk, hvorefter strømning kan simuleres med computerberegninger i dette numeriske medium.

Fig. 9 Billede af en poleret overflade af et stykke kridt optaget med SEM (ca. 40x40 µm) som viser porerum (hvid) og matrix (sort). Til venstre i billedet ses en ringformet struktur som er et snit i en coccolit.

Cyklicitet
Det er blevet alment accepteret, at de geologiske lag rummer vidnesbyrd om de klimatiske variationer, der er sket på Jorden gennem tiden. Nogle af de klimatiske ændringer kan føres tilbage til astronomiske begivenheder, f.eks. jordbanens variation gennem tid. Jordens rotationsakse udviser ganske små ændringer i hældningen over tusinder af år. Jordbanens ellipseform omkring solen ændrer sig ligeledes lidt over perioder af 100,000 år. Dette influerer på energistrømmen, der modtages på jorden og dens fordeling, og kan i sidste ende føre til, at der sker ændringer i de aflejringsmønstre, der skabes i have, floder og søer.

Kombinationen af de forskellige astronomiske effekter resulterer i et cyklisk forløb af de klimatiske ændringer, og benævnes Milankovitch cyklicitet, opkaldt efter en af pionererne indenfor dette felt.

Også i kalken er der dokumenteret cyklicitet i aflejringerne. Tydeligst ses det, hvor der er en regelmæssig vekslen mellem lerholdige og mere rene lag af kalk. Men også i lag, hvor et ringe lerindhold ikke hjælper til at fremhæve cykliciteten, kan den spores ved analyse af f.eks. porøsitet, magnetisk susceptibilitet eller andre bjergartsegenskaber.

Fig. 10 Porøsitetsmålinger fra en brønd i Nordsøen, som viser regelmæssige variationer, der måske kan tolkes som cykliske. De lilla punkter er målinger på kerneprøver fra brønden, den orange kurve er data fra målinger udført direkte i borehullet med en sonde.

I flere boringer i Nordsøen udviser kalken svingninger i porøsiteten, der tolkes som koblet med klimatiske faktorer i Kridttiden, men den præcise sammenhæng er endnu ikke fastlagt. Variationerne af egenskaberne, som kan måles enten i kerne prøver eller fås fra målinger i borehullet, kan analyseres med signalanalytiske værktøjer eller med geostatistiske metoder, der begge er velegnede til at afkode forskellige typer af periodicitet i et givet signal. Hvis der kan skabes yderligere sikkerhed for koblingen mellem de astronomiske signaler og variationerne i bjergarten, er der god mulighed for at kunne anvende disse variationer som et supplerende korrelationsværktøj til at genfinde bestemte lag i forskellige boringer.

Den cykliske lagdeling af kalken og variationen i dens egenskaber har en betydning for hvordan olien og vandet strømmer i reservoiret. Om olien skal løbe på langs af lagene, eller om den tvinges til at strømme opad på tværs af lagene, har stor betydning for effektiviteten af indvindingen. Det kan derfor være væsentligt at undersøge disse variationer og deres effekt i forskellige dele af reservoiret.

Fig. 11 Analyse af porøsitetsmålingerne fra kerneprøver udført med variogram beregning, som viser at der i data er en korrelationsstruktur som indeholder en periodisk (cyklisk) komponent med en bølgelængde på ca. 2 m. Pilene angiver hvor denne struktur bliver udtrykt på variogrammet som en hul-effekt.

Til eftertanke
De Danske kridtaflejringer under Nordsøen vil de næste 5 år være ophav til produceret olie og gas til en samlet samfundsøkonomisk værdi af ca. 12-15 milliarder kroner pr. år.

Denne post mærkes direkte på betalingsbalancen bl.a. i form af eksportindtægt og sparet energi import og bidrager i 1999 med en andel på 8,9 mia kr ud af det samlede betalingsbalanceoverskud på 13,9 mia kr. Dette betydelige bidrag kan opretholdes eller endog forøges de næste 4-5 år forudsat at olieprisen holder sig stabil.

Næste gang De står ved Stevns Klint og ser det hvide skrivekridt, så tænk på at hver kubikmeter kridt i et godt kalkreservoir i Nordsøen indeholder 300 l råolie ­ ca. 1/4 standard villa olietank. Den umiddelbare glæde forudsætter dog at vi kan vride det hele ud ­ hvilket langt fra er tilfældet. Ser vi på et helt kalkreservoir i km størrelse ­ som for eksempel Dan feltet ­ der har meget varierende indhold af olie og gas, anses 30% indvinding for fremragende. Men slutresultatet er dog at 70% olie stadig sidder tilbage hvis vi anlægger førnævnte ideal betragtning.

Der gøres derfor store anstrengelser for at indvinde yderligere mængder olie, for det er unægtelig store mængder energiråstof vi indtil videre går glip af.

Billedet er fra Stevns Klint på Sjælland. Øverst i klinten ses bryozokalk med en lys brunlig farve; derunder skrivekridt med en lys grålig farve, "Gråkridtet". Den grålige farve skyldes et svagt indhold af fint fordelt sod, som måske kommer fra gigantiske vulkanudbrud, der fandt sted på overgangen fra kridttid til tertiærtid for omtrent 65 millioner år siden. Under gråkridtet ligger det hvide skrivekridt. Bånd med flintknolde viser bl.a., at kridtet her er aflejret omtrent vandret.