Undertrykk i nord

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

Av Fridtjof Riis

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 nå var det en del geologer som også brukte forståelse av poretrykk til prospektevaluering.

De som knekket høytrykkskoden i Norskehavet fikk 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 var tørre. Hadde dette noe med undertrykket å gjøre? Hvordan påvirkes funnsannsynligheten av slike lave poretrykk?

Det var disse hendelsene som først fikk meg til å innse at trykkdata har en viktig historie å fortelle.

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 løpet av 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 et forseglet reservoar under innsynking. Kompaksjon av reservoaret fører til at porevolumet avtar.

Når vannet ikke kan unnslippe, vil vannmolekylene bli presset sammen slik at trykket øker. Kompressibiliteten til vann er så lav at det skal små volumendringer til for å lage store endringer i trykk.

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 motvirke noe av sammenpressingen av porene i reservoaret.

Prinsippene for å forstå poretrykk i et basseng under begraving er enkle: Dersom vann kan unnslippe i geologisk tid og det er kommunikasjon til havbunnen (åpent system), blir trykket hydrostatisk.

Dersom vannvolumet er forseglet og større enn porevolumet som står til rådighet, vil trykket stige til det når bruddstyrken (fraktureringstrykket) til de forseglende lagene.

Vannvolumet kan øke ved termisk ekspansjon, og totalt volum av væske kan øke ved at det tilføres hydrokarboner fra modne kildebergarter. Porevolumet som står til rådighet kan avta på grunn av kompaksjon under begraving.

Kan erosjon gi undertrykk?

I et basseng som synker inn er det normalt og naturlig at det bygges opp overtrykk.

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?

I 2009 gjorde jeg en sammenstilling av trykkdata fra Barentshavet i forskningsprosjektet Glacipet for å se om det kunne finnes noen slike sammenhenger.

Et av utgangspunktene var at Fingerdjupsunderbassenget er blitt utsatt for 2 – 3 000 meter erosjon siden eocen, mer enn de andre brønnene som den gangen var boret i Barentshavet.

Det var også observasjoner av undertrykk i mindre skala fra enkelte andre lokaliteter. Dataene ble vurdert i forhold til fire ulike faktorer som gjelder porevolumet forbundet med hver av brønnene:

1. Dersom vann kan bevege seg inn i eller unnslippe fra porevolumet til havbunnen vil trykket være hydrostatisk.

2. Under en overflate som eroderes vil det skje en avlastning og en avkjøling. 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 ser ut til å være liten, siden enkelte brønner i erosjonsområdet har overtrykk.

3. Porevolumet kan ekspandere fordi belastningen fra overliggende bergarter avtar. En slik ekspansjonseffekt kan bidra til å forklare dannelse av undertrykk, og 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 mest interessante resultatet av sammenstillingen for Glacipet var at observerte undertrykk av størrelse 1 – 2 bar opptrådte i reservoarvolumer som enten var svært små eller hadde svært lav permeabilitet og at det i tillegg var eller hadde vært gasslekkasje.

Forklaringen ser ut til å være at gass siver ut raskere enn vannet strømmer tilbake i porene. Underskuddet av vann 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.

(Artikkelen fortsetter under bildet.)

Rundt Lopphøgda og på Finnmarkskysten er både jura- og øvre trias-lagrekka i kommunikasjon med havbunnen over store områder.

Disse betraktningene forklarte noen av observasjonene, men ikke de store undertrykkene i Fingerdjupbassenget.

Men så 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 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 lagene i jura og trias er forseglet fra Helvetiafjellformasjonen med ca. 400 meter tykk skifer.

Injeksjonstesting i 2010 bekreftet 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, uten å ha noen god forklaring på det ekstreme undertrykket.

Snorre trakk en parallell til Fingerdjupsunderbassenget. Han var interessert i om disse undertrykksområdene kunne ha noe felles.

(Artikkelen fortsetter under bildet.)

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 følgelig åtte prosent mer plass enn vannet og skaper derfor overtrykk.

Pingoer dannes der overtrykket blør av. Hvis porevannet som fryser er saltholdig vil isen bli ferskere enn porevannet var, slik at en får oppkonsentrering av salt.

Hvis permafrost tiner vil den ikke danne nok vannvolum til å fylle porene igjen og det kan skapes undertrykk. Overgangen mellom vann og is 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 en hypotese der tining av permafrost er med på å skape undertrykket, mens forseglingsegenskapene til juraskiferen bidrar til å bevare det.

Profilet over viser skjematisk et forslag til en forklaring.

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 har ikke hatt permafrost under de siste istidene, men gasshydrat kan ha spilt en liknende rolle.

I denne dype delen av Bjørnøyrenna er det tolket gasshydrat i grunne lag og sonen med gasshydrat har vært større under siste istid.

Figuren viser med rødt dagens undergrense for gasshydrat og med blått hva som ifølge Chand og medarbeidere kan ha vært maksimumsgrense under siste istid.

Geometrien minner om boringene i Adventdalen dersom en erstatter permafrost med gasshydrat. Jurareservoaret kommer opp i stabilitetsområdet for gasshydrat øst for boringene i Fingerdjupsunderbassenget.

Skissen viser at det kan være en ide å forfølge om undertrykkene henger sammen med dekomponering av gasshydrat i jura-reservoaret etter istida, kanskje kombinert med lekkasje av gass som har vært fanget under den.