Artificial maturation of petroleum source rocks and bituminous coals using open and semi-closed pyrolysis systems

Arysanto, Arysthasya; Littke, Ralf; Sachsenhofer, Reinhard

doi:44672

Artificial maturation of petroleum source rocks and bituminous coals using open and semi-closed pyrolysis systems = Künstliche Reifung von Erdöl-Muttergestein und bituminösen Kohlen unter Verwendung offener und halbgeschlossener Pyrolysesysteme

Arysanto, Arysthasya^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Arysthasya Arysanto, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)^RWTH* ; Sachsenhofer, Reinhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-10-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07914
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1018641/files/1018641.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die numerische Modellierung von Erdölsystemen spielt in der Erdöl- und Erdgasindustrie eine entscheidende Rolle als erster Schritt vor Bohrungen. Um genaue Schätzungen zu erhalten, die natürliche Szenarien genau nachahmen, müssen bestimmte Parameter sorgfältig definiert werden. Laborsimulationen werden aufgrund der physikalisch und chemisch gut kontrollierten Bedingungen häufig verwendet, wenn versucht wird, natürliche Bedingungen nachzubilden. Daher ist es notwendig, pyrolysierte Proben mit natürlichen Sequenzen zu vergleichen und zu bewerten, um jede Tendenz zur Über- oder Unterschätzung von Parametern, insbesondere im Zusammenhang mit der thermischen Reifung, abzuschwächen. Diese vergleichende Analyse ist unerlässlich, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der numerischen Modellierung bei der Vorhersage der Dynamik von Erdölsystemen zu verbessern. Vor diesem Hintergrund besteht das Hauptziel dieser Doktorarbeit darin, die Vergleichbarkeit von Beobachtungen zur Erdölbildung und -migration in natürlichen Reifungssequenzen und nach künstlicher Reifung der untersuchten Ausgangsgesteine zu bewerten, wobei sowohl offene als auch halbgeschlossene Systeme verwendet werden. Darüber hinaus wird eine Kombination aus organisch-petrographischen und geochemischen Ansätzen durchgeführt, um künstlich und natürlich gereifte Proben zu bewerten und zu vergleichen. Zu den organischen petrographischen Verfahren gehören Beobachtungen der Veränderungen von Mazeralen unter dem Auflichtmikroskop, in fluoreszierendem Licht und unter dem Rasterelektronenmikroskop. Bei den hier durchgeführten Versuchen wird die Probenoberfläche vor und nach Pyrolyseexperimenten gescannt, was eine schrittweise Überwachung der mikroskopischen Veränderungen während der Erhitzung ermöglicht. Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie lässt sich die Entwicklung von Poren und Mikrorissen im Mikro- bis Nanometerbereich beobachten. Darüber hinaus sind organisch-geochemische Analysen wie die Rock-Eval-Pyrolyse und die Molekulargeochemie von entscheidender Bedeutung für die Bewertung der Veränderungen der organischen Substanz nach der Pyrolyse. Auf der Grundlage von Parametern wie dem gesamten organischen Kohlenstoff, der Vitrinit-Reflexion, Tmax, dem Wasserstoffindex, dem Sauerstoffindex und dem Verhältnis von aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen lassen sich systematische Aussagen treffen. Einige dieser Werte und Parameter sind hervorragende Indikatoren für die thermische Reifung und können sowohl an natürlich als auch an künstlich gereiften Proben untersucht werden. Für die Untersuchung wurden drei verschiedene Ausgangsgesteine ausgewählt, darunter die Eagle-Ford-Formation, Posidonienschiefer aus dem unteren Toarcium und Kohleproben aus dem Pennsylvanium. Der Eagle-Ford-Schiefer ist ein bekanntes Erdöl-Ausgangsgestein aus Südtexas. Die Proben wurden unter den Bedingungen eines offenen Pyrolysesystems mit einem Rock-Eval 6-Gerät erhitzt, wobei der Schwerpunkt auf der Verteilung von festem Bitumen als sekundärem Mazeral lag. Die Eagle-Ford-Proben waren aufgrund ihrer unterschiedlichen thermischen Reife (in der Natur) für die Untersuchung geeignet. Sie sind besonders reich an fossilen Kammern, vor allem von Foraminiferen, in denen die Ansammlung von Bitumen und festem Bitumen beobachtet wurde. Die Proben aus dem Posidonienschiefer und der pennsylvanischen Kohle wurden einer halbgeschlossenen Pyrolyse mit einem selbstgebauten Gerät unterzogen. Diese Proben wurden für die Analyse ausgewählt, da über die entsprechenden Schichtfolgen umfangreiche frühere Studien vorliegen; so ist ein direkter Vergleich zwischen den Ergebnissen der wässrigen Pyrolyse-Experimente und denen zu natürlich gereiften Proben möglich. Dieser umfassende Ansatz ermöglicht eine bessere Bewertung der Dynamik der Erdölbildung und -migration in unterschiedlichen Gesteinen. Die Studie mit dem offenen Pyrolysesystem zeigt, dass nach der thermischen Extraktion (300 °C für 3 min) das Volumen des beobachteten Festbitumens in den Eagle-Ford-Proben leicht zunahm, während der größte Teil des thermisch mobilisierten Bitumens aus dem Inneren des Probekörpers verdampfte und somit aus der Probe verloren ging. Der Reflexionsgrad des Festbitumens war etwas höher als in der Ausgangsprobe, was auf eine geringfügige Reifung hindeutet. Im Gegensatz zur thermischen Extraktion wurde das Festbitumen in den unreifen Proben nach der organischen Extraktion fast vollständig aufgelöst. Während das Festbitumen in der unreifen Probe fast vollständig durch das organische Lösungsmittel aufgelöst wurde, wurde es in der mäßig gereiften Probe nur etwa zur Hälfte aufgelöst, was auf stabileres Festbitumen hindeutet. Nach der künstlichen Reifung (400 °C bis 450 °C) nahm das Volumen des Festbitumens sowohl in der unreifen als auch in der mäßig gereiften Probe innerhalb der Intrapartikelporen deutlich zu, was auf das Vorhandensein von neuem Festbitumen aufgrund der Migration von Bitumen aus dem tieferen Teil des Probenkörpers an die Oberfläche hinweist. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in das Verhalten von Festbitumen und Bitumen in verschiedenen Reifestadien in Erdölsystemen. Die Untersuchung des halbgeschlossenen Pyrolysesystems der Posidonienschiefer- und Kohleproben zeigt, dass subtile Veränderungen bei niedrigeren Pyrolyse temperaturen von 280 und 300 °C beobachtet werden können, während eine signifikante Veränderung bei 320 °C auf eine Kerogenumwandlung in Erdölprodukte hinweist. Dieser Übergang verstärkte sich bei 330 und 340 °C und übertraf die unter natürlichen Bedingungen beobachtete Umsetzung, was auf einen zeitabhängigen Crack-Prozess schließen lässt. Interessanterweise wurde ein erheblicher Teil des S2-Peaks nach Pyrolyse bei 330 und 340 °C aufgrund seiner Löslichkeit als Bitumen und nicht als Kerogen eingestuft, was auf unterschiedliche Abläufe bei pyrolytischer und natürlicher Reifung hindeutet. Weiterhin weisen auch die Kohleproben bemerkenswerte Veränderungen auf, wobei sich Vitrinit, Megasporinit und Sporinit bei 320 °C und darüber in Bitumen umwandeln, was zu neuer Porosität und Hohlräumen innerhalb der Vitrinitkörper führt. Bei weiterer Erhitzung auf 340 °C wandelt sich der größte Teil des Liptinits um, was zu miteinander verbundenen Rissen und Hohlräumen führt. Die analytischen Parameter zeigen einen systematischen Anstieg der Tmax- und des Vitrinit-Reflexionswerte mit zunehmenden Temperaturen bei der wässrigen Pyrolyse, während die Werte des Wasserstoffindex und des Sauerstoffindex sinken, wobei letzterer den Verlust sauerstoffhaltiger Gruppen in der Kohle widerspiegelt. Die Erkenntnisse aus diesen Experimenten stimmen mit den natürlichen Reifungstrends überein, aber bei bestimmten Biomarker-Verhältnissen, insbesondere bei Hopanoiden, sind Diskrepanzen festzustellen. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung von wässrigen Pyrolyse-Experimenten für die Aufklärung von Prozessen der Umwandlung organischer Materie in Erdölmuttergesteinen und Kohlen und bietet Einblicke in Ähnlichkeiten und Unterschiede zu natürlichen Reifungspfaden.

Numerical modelling of petroleum systems plays a crucial role in the oil and gas industry as the first step before drilling operations. In order to obtain accurate estimates that closely mimic natural scenarios, certain parameters must be carefully defined. Laboratory simulations are often used due to the physically and chemically well-controlled conditions when attempting to replicate natural conditions. Thus, it is necessary to compare and evaluate pyrolyzed samples with natural sequences to mitigate any tendency to over- or underestimate parameters, particularly those related to thermal maturity. This comparative analysis is essential to improve the reliability and accuracy of numerical modelling in predicting petroleum system dynamics. In line with this background, the primary objective of this thesis is to evaluate the comparability of observations on petroleum generation and migration in natural maturation sequences and after artificial maturation of studied source rocks using both open and semi-closed systems. Further, the combination of organic petrographic and geochemical approaches is performed to evaluate and compare artificially and naturally matured samples. Organic petrographic approaches include observation of maceral changes under reflected white light microscopy, ultra-violet modes and scanning electron microscopy. A systematic technique involves scanning the sample surface before and after hydrous pyrolysis experiments, allowing step-by-step monitoring of maceral changes during heating. Meanwhile, scanning electron microscopy allows the evolution of pores and microcracks to be observed at the micro to nanometre scale. In addition, organic geochemical analyses such as Rock-Eval pyrolysis and molecular geochemistry are crucial in evaluating kerogen or organic matter changes after pyrolysis, based on parameters such as total organic carbon, vitrinite reflectance, Tmax, hydrogen index, oxygen index, and aliphatic and aromatic hydrocarbons ratios. Some of these values and parameters are excellent proxies for thermal maturation and can be studied both on naturally and artifically matured samples. Three different source rocks were selected to conduct the investigation, including the Eagle Ford Formation, Lower Toarcian Posidonia Shale, and Pennsylvanian coal samples. The Eagle Ford shale is well-known petroleum source rock from south Texas. The samples was heated under conditions of open pyrolysis system using a Rock-Eval 6 device, focusing on the distribution of solid bitumen as secondary macerals. The Eagle Ford samples were suitable for the examination due to their varied thermal maturities (in nature). They are notably rich in fossil chambers, especially foraminifera, where the accumulated bitumen and solid bitumen was expected. The Posidonia Shale and Pennsylvanian coal samples were subjected to semi-closed pyrolysis employing a hydrous pyrolysis self-constructed device. These samples were selected for analysis due to their well-established nature and extensive prior studies, allowing straightforward comparisons between the outcomes of hydrous pyrolysis experiments and natural sequences. This comprehensive approach enables a better evaluation of petroleum generation and migration dynamics within varying maturation environments. The open pyrolysis system study shows that after the thermal extraction (300 °C for 3 min), the volume of observed solid bitumen in the early- and moderately mature Eagle Ford samples slightly increased, while most of the thermally mobilized bitumen from inside the plug was evaporated and thus lost from the sample. Solid bitumen reflectance was slightly higher than in the initial sample showing a minor maturation. In contrast to thermal extraction, solid bitumen in the early mature samples was almost completely dissolved after organic extraction. While the solid bitumen in the early mature sample was almost entirely dissolved by organic solvent, only about half of it was dissolved in the moderately mature sample indicating more mature and more stable solid bitumen. After the artificial maturation (400 °C to 450 °C), the volume of solid bitumen in early- as well as in moderately mature samples clearly increased within the intraparticle pores, indicating presence of new solid bitumen due to bitumen migration from the deeper part of the micro plug to the surface. These findings provide valuable insights into the behavior of solid bitumen across maturation stages in petroleum systems. 2) The semi-closed pyrolysis system study of the Posidonia Shale and coal samples shows that subtle changes were observed at lower temperatures of 280 and 300 °C, while a significant shift at 320 °C indicated kerogen transformation to petroleum products. This transition intensified at 330 and 340 °C, exceeding transformation ratios observed under natural conditions and suggesting a time-dependent cracking process. Interestingly, the solubility of a substantial portion of the S2 peak at 330 and 340 °C classified it as bitumen rather than kerogen, highlighting the dynamic nature of the transformations under hydrous pyroylsis conditions. Meanwhile, coal samples exhibit also notable changes, with vitrinite, megasporinite and sporinite transforming into bitumen at 320°C and above, leading to new porosity and voids within vitrinite bodies. Further heating to 340°C shows the transformation of most liptinite, resulting in interconnected cracks and voids. Analytical parameters demonstrate systematic increases in Tmax and vitrinite reflectance with hydrous pyrolysis temperatures, while there is a decrease in hydrogen index and oxygen index values, the latter reflecting the loss of oxygen-containing groups in coal. Insights from these experiments align with natural maturation trends, but discrepancies are noted for certain biomarker ratios, particularly hopanoid proxies. This thesis underscores the significance of hydrous pyrolysis experiments in elucidating organic matter transformation processes in the Posidonia Shale and coal, suggesting insights into both similarities and differences with natural maturation pathways.

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