Correlation of hydraulic conductivity with stratigraphy in a fractured-dolomite aquifer, northeastern Wisconsin, USA

Abstract.

This study integrated surface and subsurface stratigraphic data with geophysical logs and hydrogeologic data in order to characterize the hydraulic properties of the Silurian dolomite in northeastern Wisconsin. Silurian stratigraphy consists of predictable alternations of characteristic facies associations. A vertical profile of hydraulic conductivity, obtained from short-interval packer tests in a core hole that penetrates a majority of the Silurian section, indicates that hydraulic conductivity ranges over five orders of magnitude (10^–1 to 10^–6 cm/s). Matrix conductivity is generally low and varies with texture; the finer-grained restricted-marine and transitional facies being less permeable than the coarser-grained open-marine facies. High-conductivity values are generally associated with bedding-plane fractures, and fracture frequency is greater in the restricted-marine facies.

High-flow features in 16 wells were identified using fluid-temperature/resistivity and heat-pulse flowmeter logs. Natural-gamma logs were used to identify the stratigraphic position of flow features in each well and to correlate flow features to specific stratigraphic horizons. By combining stratigraphic, geophysical, and hydrogeologic data, 14 high-permeability zones within the Silurian aquifer have been identified and correlated in wells more than 16 km apart. These zones parallel bedding, appear most pronounced at contacts between contrasting lithologies, and are most abundant in restricted-marine lithologies.

Résumé.

Cette étude a intégré des données stratigraphiques de surface et souterraines à des logs géophysiques et à des données hydrogéologiques, dans le but de caractériser les propriétés hydrauliques de la dolomie du Silurien du nord-est du Wisconsin. La stratigraphie du Silurien consiste en des alternances prédictibles d'associations de faciès typiques. Un profil vertical de la conductivité hydraulique, obtenu à partir de tests rapprochés entre packers dans un forage carotté qui traverse la plus grande partie de la série du Silurien, indique que la conductivité hydraulique varie de 5 puissances de 10, entre 10^–1 to 10^–6 cm/s. La conductivité de la matrice est en général faible et varie en fonction de la texture, du fait que le faciès de mer fermée à grain le plus fin est moins perméable que le faciès de mer ouverte à plus gros grain. Les valeurs élevées de conductivité hydraulique sont généralement associées aux fractures de joints de bancs, et la fréquence des fractures est plus forte dans les faciès de mer fermée.

De forts écoulements dans 16 puits ont été mis en évidence à partir de logs de résistivité/température de l'eau et de mesure de vitesse par choc thermique. Les logs gamma naturel ont été utilisés pour identifier la position stratigraphique des écoulements dans chaque puits et pour corréler ces écoulements avec des horizons stratigraphiques spécifiques. En combinant les données stratigraphiques, géophysiques et hydrogéologiques, 14 zones à forte perméabilité ont été identifiées dans l'aquifère silurien et ont été corrélées entre des puits situés à plus de 16 km les uns des autres. Ces zones parallèles à la stratification apparaissent les plus marquées au contact entre des lithologies contrastées, et sont plus abondantes dans les lithologies de mer fermée.

Resumen.

El presente estudio ha integrado datos estratigráficos superficiales y subterráneos con registros geofísicos y datos hidrogeológicos para caracterizar las propiedades hidráulicas de las dolomitas Silúricas del Nordeste de Wisconsin. La estratigrafía del Silúrico consiste en alternancias de asociaciones de facies características predecibles. Un perfil vertical de la conductividad hidráulica, obtenido mediante ensayos cortos con obturadores en un sondeo que penetra la mayoría de la sección del Silúrico, indica que existen variaciones superiores a cinco órdenes de magnitud (de 10^–1 a 10^–6 cm/s). La conductividad de la matriz es generalmente baja y variable con la textura; así, las facies marinas restringidas y de transición, de grano más fino, son menos permeables que las facies marinas abiertas, de grano más grueso. Los valores elevados de conductividad hidráulica se hallan generalmente asociados a fracturas en planos estratigráficos, y la frecuencia de las fracturas es mayor en las facies marinas restringidas.

Se han identificado zonas de flujo preferente en 16 pozos por medio de medidas de temperatura del fluido/resistividad y registros de flujo con pulsos de calor. Se han empleado registros de gamma natural para identificar la posición estratigráfica de las fracturas principales en cada pozo y para correlacionar las zonas de flujo preferente con horizontes estratigráficos concretos. Combinando datos estratigráficos, geofísicos e hidrogeológicos, se ha podido identificar 14 zonas de alta permeabilidad dentro del acuífero Silúrico, y correlacionarlas con pozos situados a más de 16 km. Estas zonas de estratos paralelos son más pronunciadas en los contactos entre litologías contrastadas y son más abundantes en las facies marinas restringidas.