Mobilità dei fluidi nei carbonati fratturati da analoghi geologici di giacimenti: implicazioni per il sequestro sotterraneo di CO2

Faults, fractures and deformation bands have a crucial role in controlling the permeability of subsurface rocks, as they can act as corridors or barriers for the storage and flow of various geofluids. Deformation can have different effects on the reservoir properties based on initial rock porosity and strength: in porous and poorly cemented rocks strain tends to localize into deformation bands, reducing locally the porosity and permeability; tight rocks tend instead to form fractures, enhancing the secondary porosity and permeability. Since the distribution of fractures in the subsurface is largely unknown due to their sub-seismic size, the study of well exposed outcrop analogues is the only method to characterize the spatial distribution and connectivity of fractures. The objective of the research is to characterize the mechanism of the development of deformation bands and fractures affecting porous shallow carbonate rocks of the Apulian carbonate platform and how these impact the petrophysical properties of the host rock. Two outcrops in the Apulian foreland (Southern Italy) were chosen as analogues for Mediterranean reservoirs, where tight platform carbonates of Cretaceous (Senonian) age (Calcare di Altamura fm) are unconformably overlain by porous carbonates of Plio-Pleistocene age (Calcarenite di Gravina fm). The study was conducted integrating the following methods: geological and structural survey of the canyons near Matera and Gravina in Puglia with the aid of field and virtual scanlines in digital outcrop models obtained by photogrammetry; collection of stratigraphic and petrophysical logs of the calcarenites to find correlations between the different facies of the calcarenite and the variation in intensity and thickness of the deformation bands; laboratory measurements of porosity and density of calcarenites and deformation bands (Hg-porosimeter, pycnometer); microstructural analysis using optical, cathodoluminescence and SEM-BSE microscopy; quantitative image analysis from 2D (optical and cathodoluminescence micrographs) and 3D images (micro-CT acquisition) to measure porosity and clast size distributions. The Calcare di Altamura formation is moderately tilted and gently folded. It is characterised by NW-SE striking normal faults with throws varying from centimetres to tens of meters and by the occurrence of widespread sub-vertical joints, whose intensity increases approaching the faults. At the same time the Calcarenite di Gravina formation is not offset by the underlying faults but is crosscut by deformation bands and small faults oriented mainly NNE-SSW. Deformation bands consist of evenly spaced, parallel, sub-vertical bands characterized at the microscale by iso-oriented clasts parallel to the band with no cataclasis evidence and pervasive cementation by microgranular calcite precipitation. They present significantly lower porosity, permeability and pore size and a higher strength than in the host rock which reflects on an improvement of the elastic properties (Vp/Vs). Mild deformation of the Calcarenite di Gravina involved in the dynamics of the Apennines foreland basin evolution was able to produce in soft sediment conditions at shallow depths pervasive deformation bands, which all together contribute to the cementation of the porous calcarenites. This diagenetic process, previously unrecognized, can produce a significant effect on the heterogeneities of petrophysical and hydraulic properties of shallow porous carbonates creating a very high compartmentalization. These processes must be considered when exploiting similar rock types for geofluid exploitation and storage because they increase the degree of uncertainty since they are undetectable through seismic data and are rarely identifiable from the well-core data.

Faglie, fratture e bande di deformazione hanno un ruolo cruciale nel controllo della permeabilità delle rocce del sottosuolo, in quanto possono fungere da corridoi o barriere per lo stoccaggio e il movimento dei fluidi. La deformazione può avere effetti diversi sulle proprietà del giacimento in base alle caratteristiche iniziali della roccia: nelle rocce porose la deformazione forma bande di deformazione, riducendo localmente la porosità e la permeabilità; in rocce compatte tende invece a formare fratture, aumentando porosità e permeabilità secondarie. Poiché la distribuzione delle fratture nel sottosuolo è in gran parte sconosciuta a causa delle loro dimensioni non rilevabili dalla sismica, lo studio di analoghi di affioramento è l'unico metodo per caratterizzare la loro distribuzione spaziale e connettività. L'obiettivo della ricerca è caratterizzare il meccanismo di sviluppo di bande di deformazione e fratture in rocce carbonatiche porose della piattaforma carbonatica Apula e il modo in cui queste incidono sulle proprietà petrofisiche. Due affioramenti nell’avampaese dell’Appennino meridionale sono stati scelti come analoghi di giacimenti mediterranei, dove calcari compatti del Cretaceo superiore (Calcare di Altamura) sono ricoperti in modo discordante da carbonati porosi di età Plio-pleistocenica (Calcarenite di Gravina). Lo studio è stato condotto integrando i seguenti metodi: rilievo geologico e strutturale dei canyon nei pressi di Matera e Gravina in Puglia con l'ausilio di scan-line sia in campo che virtuali in modelli di affioramento digitali ottenuti tramite fotogrammetria; raccolta di log stratigrafici e petrofisici per individuare correlazioni tra le varie facies della calcarenite e la variazione di intensità e spessore delle bande di deformazione; misure di laboratorio di porosità e densità; analisi microstrutturale mediante microscopia ottica, catodoluminescenza e SEM-BSE; analisi quantitativa delle immagini 2D (da microscopia ottica e catodoluminescenza) e 3D (acquisizione da micro-CT) per la porosità e la distribuzione dimensionale dei clasti. Il Calcare di Altamura è moderatamente inclinato e piegato. È caratterizzato da faglie normali con direzione NW-SE con rigetti variabili da centimetri a decine di metri e dalla presenza di estese fratture sub-verticali, la cui intensità aumenta avvicinandosi alle faglie. La Calcarenite di Gravina, invece, non è interessata dalle faglie sottostanti ma è attraversata da bande di deformazione e piccole faglie orientate principalmente NNE-SSW. Le bande di deformazione sono bande sub-verticali parallele, uniformemente distanziate, caratterizzate alla microscala da clasti iso-orientati parallelamente alla banda senza evidenza di cataclasi e con una cementazione pervasiva dovuta a precipitazione di calcite microgranulare. Presentano porosità, permeabilità e dimensioni dei pori significativamente inferiori e una resistenza maggiore rispetto alla roccia incassante, portando ad un miglioramento delle proprietà elastiche (Vp/Vs). La lieve deformazione della Calcarenite di Gravina, dovuta al coinvolgimento nella dinamica del bacino di avampaese degli Appennini, ha prodotto in sedimenti non ancora consolidati bande di deformazione pervasive, che hanno contribuito alla cementazione delle calcareniti porose. Questo processo diagenetico, precedentemente non riconosciuto, può produrre un effetto significativo sulle eterogeneità delle proprietà petrofisiche e idrauliche dei carbonati porosi, creando una compartimentazione molto elevata. Queste bande devono essere prese in considerazione quando si sfruttano litologie simili per lo stoccaggio di fluidi perché aumentano il grado di incertezza dato che non sono rilevabili dalla sismica e sono raramente identificabili dai dati di carota.