Stratigrafiske og regionale variasjoner i leirmineraler og biogen silika i kenozoisk lagpakke i Nordsjøen: implikasjoner for forseglingens integritet og bergartsegenskaper

Bakgrunn
Store deler av den kenozoiske sedimentære lagpakken i Nordsjøen består av sand og leire som presses sammen til sandsteiner og leirsteiner med økende begravningsdyp og temperatur. Denne kompaksjonen omfatter både mekaniske og kjemiske prosesser som forårsaker betydelig endringer i de fysiske egenskapene til sedimentene.

Den kenozoiske lagpakken i Nordsjøen består generelt av ulike typer litologier, inkludert paleogene marine svellende leirer, sandige turbiditter og sand-injektitter/synkitter, samt neogene deltaiske sandavsetninger og offshore marine leirer. Selv om variasjonen i litologier representerer muligheter for CO₂-lagringsreservoarer i kenozoikum, innebærer det også utfordringer knyttet til forseglingsevnen til leirstein og skifre (takbergarten). Kvaliteten eller integriteten til takbergarten er kritiske faktorer for å legge til rette for sikker, permanent og trygg CO₂-lagring i undergrunnen.

Den kenozoiske lagpakken i Nordsjøen er et verdifullt naturlig laboratorium for å studere leire og leirsteiner, samt deres variasjoner i petrofysiske egenskaper og forseglingsevne. Dette primært fordi det er dokumentert regionale og stratigrafiske variasjoner i den mineralogiske sammensetningen til leire og leirsteiner. Leire og leirsteiner består i hovedsak av ulike leirmineraler, i tillegg til silt, sand, biogent, og organisk materiale. Leirmineral sammensetningen varierer, som en funksjon av erosjon av ulike kildeområder, klima, avsetningsmiljø, samt variasjoner i tilførsel av vulkansk og klastisk materiale.

I våre undergrunnsanalyser deler vi som oftest leirmineraler inn i smektitt, smektitt/illitt, illitt, kloritt, og kaolinitt. De ulike leirmineralene har ulike kjemiske og fysiske egenskaper, som er en viktig faktor som påvirker kompaksjonsgraden av leirsteinene under økende begraving. For eksempel er det dokumentert at grovkornet glasial pliocen leirstein gjennomgår relativt rask mekanisk kompaksjon, mens finkornede eocene smektitt-rike leirer, dannet fra vulkansk materiale, eller pliocen finkornede marine smektitt-rike leirer, kompakteres mye langsommere.
Den mineralogiske sammensetningen til leirsteiner og skifre endres også under økende begravningsdyp kjemisk kompaksjon (diagenese), gjennom at for eksempel smektitt omdannes til illitt, og er en velkjent prosess i sedimentære bassenger Under denne prosessen frigis silika, som utfelles som kvartssement i leirsteinene. Denne prosessen med litifisering av leire («rock stiffening) identifiseres gjennom endringer i fysiske egenskaper under progressiv begraving.

En annen viktige kilde til kvartssementering og «rock stiffening» i skifer og leirstein er fra mikroorganismer sammensatt av silika (opal-A), slik som diatomeer, silikoflagellater og svampnåler. Disse mikroorganismene avsettes ofte vekselsvis med finkornet smektitt-rik leire. Opal-A (amorft materiale) løses opp og felles som opal-CT (kristobalitt/tridymitt) med økende begravningsdyp. Denne prosessen skjer vanligvis ved temperaturer på ca. 50-60 ºC, og med økende temperaturer (ca. >60-80 ºC) re-krystallisere opal-CT til kvarts. Tilstedeværelsen av opal-A og opal-CT, samt biogenindusert kvartssement i leire og leirsteiner, påvirker de fysiske og geomekaniske egenskapene leirsteiner, og vil dermed også påvirke og endre forseglingsevnen. Disse prosessene er fortsatt lite utforsket og i dette prosjektet introduseres det en innovativ model for biogen silika diagenese som skal testes og utvikles.

Mål
Å generere og sammenstille kunnskap om den mineralogiske sammensetningen til leire og leirsteiner til kenozoiske lagpakken i Nordsjøen og omliggende områder, gjennom primært å:

Få en oversikt over regionale og stratigrafiske leirmineralvariasjoner i den kenozoiske lagpakken.

Få en oversikt over den regionale og stratigrafiske utbredelsen av biogen silika med fokus på den oligocene-miocene lagpakken.

Generere et kunnskapsgrunnlag til utvikling og testing av en innovative «rock stiffening» modell på grunn av biogen silika diagenese i leirsteiner.

Det sammensatte mineraldatasettet og tilhørende petrofysiske egenskaper kan også være et grunnlag for generering av AI-modeller, digitale kart eller atlas osv. Disse aktivitetene faller imidlertid utenfor rammen av dette spesifikke prosjektet.

Aktiviteter
Den første aktiviteten i prosjektet er å sammenstille XRD og andre relevante mineraldata fra ulike kilder, slik som publikasjoner, offentlige datasett, upubliserte rapporter og masteroppgaver. Målet er å få en mest mulig oppdatert oversikt over tilgjengelige leirmineraldata og andre relevante mineral data (XRD, QEMSCAN, etc) fra den kenozoiske lagpakken i Nordsjøen og omkringliggende områder. Dette vil innebære å få en regional og stratigrafisk oversikt eller en database over brønner og intervaller som allerede er analysert og publisert fra Nordsjøen. Den andre aktiviteten i prosjektet er å identifisere regionale og stratigrafiske intervaller med biogen silika-rike leirsteiner, med fokus på oligocen- og miocensedimenter.

Disse to første aktivitetene legger grunnlaget for prosjektets hovedmål og den tredje aktiviteten i prosjektet; å etablere et kunnskapsgrunnlag, velge ut nøkkelbrønner og studieområder. Med den hensikt å utvikle og teste en innovativ modell om hvordan den biogene silika-diagensen påvirker de geomekaniske egenskaper til leirsteiner med økende begravningsdyp.

Resultater
Kunngjøres senere

Videre arbeid
Kunnskpasbasen generert gjennom dette prosjektet vil danne grunnlag for et større F&U prosjekt.

Litteratur
Bjørlykke, K. (2015). Petroleum Geoscience. From Sedimentary Environments to Rock Physics Springer 662 pages.
Marcussen. Ø., Thyberg, B. Peltonen, C., Jahren, J. and K. Bjørlykke (2009). Physical properties of Cenozoic mudstones from the northern North Sea: Impact of clay mineralogy on compaction trends. AAPG Bulletin, 93(1), 127-150.
Thyberg, B. Thyberg, B. & Jahren, J. (2011). Quartz cementation in mudstones: sheet-like quartz cement from clay mineral reactions during burial. Petroleum Geoscience, 17, 53-63.