Fra Troll til Mjøsa – en tidsskala for petroleum

Hvert olje- og gassfelt har en historie å fortelle. Her ser vi nærmere på Troll-feltet.

Kart over toppen av reservoaret på Troll. Profilet fra vest mot øst viser at Troll Vest har en 12 – 15 meter tykk oljesone under gassen, mens Troll Øst har en tynn sone på 0 – 5 meter. Troll Vest oljeprovins (TVO) har 20 – 30 meter olje. Det er observert at den residuelle oljesonen i vest er opp til 60 meter tykk. Brønnene på profilet er merket med hvite skiver på kartet.

Hvis du spør en petroleumsgeolog 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.

En typisk problemstilling er om variasjoner i trykk eller gass-oljeforhold innen et felt skyldes langsomme geologiske prosesser, tette barrierer eller om de er knyttet til måleusikkerhet.

En reservoaringeniør vil være opptatt hva som skjer under produksjon av feltet – i en tidsskala på noen tiår, mens petroleumsgeologen har god kontroll på den geologiske tidsskalaen og kjenner godt til alderen på reservoaret i feltene.

Tidsskalaen for migrasjon av hydrokarboner ligger i grenseland mellom ingeniørenes og geologenes domener.

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

Vi innså at den store pålastingen av sedimenter under istidene sentralt i Nordsjøen og på Haltenterrassen var avgjørende 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.

Vi skjønte at funnene i Hammerfestbassenget hadde inneholdt mer olje og gass tilbake i geologisk tid.

Men mange spørsmål var likevel uavklart: Var det olje eller gass som hadde lekket ut, eller begge deler, og hvordan og når hadde det skjedd? Var det økt lekkasje fra feltene på grunn av erosjon, eller var det en naturlig lekkasje som pågår også i dag?

Eldst og yngst

Kontrastene er store når det gjelder tidsrommet for migrasjon av olje og gass. 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 migrert 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 migrasjonsveiene 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 strømme forbi fellene når de er fulle.

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 aktivt system

Troll er vårt største olje- og gassfelt. Hvor gammelt er Troll-feltet?

Reservoarsandsteinene ble avsatt i sen 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.

Oljen og gassen i Troll kommer fra de organisk rike skifrene som ble avsatt sent i jura i dypet av Vikinggrabenen som ligger vest for feltet. Hydrokarbonene beveget seg opp til Troll gjennom migrasjonsveier som vi 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 sier derfor at petroleumssystemet er aktivt, 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. Dette er analogt med en innsjø som Mjøsa, men på grunn av at olje, gass og vann beveger seg sakte i undergrunnen må oppholdstida for hydrokarboner være mange 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 hører derfor til 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, så den første innfyllingen i Troll kan ha startet tidligere enn miocen.

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 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 neogene tektoniske bevegelser. Kunne disse bevegelsene dateres?

Fra Troll til Hardangervidda

Under oljesonen som blir produsert i Troll ligger det residuell olje som fyller opp ca. 20 prosent av porevolumet, resten er vann. Med så lav oljemetting er det bare vann som kan bevege seg gjennom porene.

Profilet 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.

Dette viser at olje-vannkontakten en gang 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 dype 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, 15 millioner år, er en markør som er vippet opp mot øst.

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 sen jura og definerer en skråstilt flate som korrelerer med toppnivået av de høyeste fjellområdene i Sør-Norge.

Midtmiocen-inkonformiteten lar seg korrelere opp mot en flate som når opp i over 1 000 meters høyde øst og sør for Hardangervidda. Disse erosjonsflatene er trekk i landskapet som kan brukes til å vurdere når den skandinaviske fjellkjeden ble løftet opp.

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.

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. 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, ser det ut til at prosessene med migrasjon og lekkasje er langsommere enn prosessen med trykkutlikning i vannsoner som ikke er lukket.

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 jura kommer opp mot kvartære lag i Norskerenna.

Ett felt – mange prosesser

Væskekontaktene i de ulike segmentene på Troll er horisontale. Hvert enkelt segment er kommet i tilnærmet likevekt etter vippingen av feltet, men oljesonene i ulike segmenter har ulik tykkelse.

Det er vanlig å si 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.

Men 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 oljesonene mellom segmenter kan også være et spørsmål om tid.

Skjematisk felt med to segmenter og to reservoarer der olje og gass ikke er kommet i fullstendig likevekt. Olje og gas migrerer inn, vann og gass strømmer ut av strukturen. 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, i en petroleumsgeologisk tidsskala.

Figuren viser at i et typisk felt er det mange likevekter som skal innstilles. Troll illustrerer noen av dem. Ulike prosesser har ulike hastigheter.

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.

Når denne typen arbeid blir kalibrert mot felt der de geologiske rammebetingelsene er godt kjent kan vi komme et skritt videre i å tidfeste de ulike epokene i 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 må også huske på 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.

Denne saken ble først publisert i GEO 02/16.