Sedimentary facies reconstruction and kinematic restoration of an Upper Permian tight gas field, north-western Germany

Vackiner, Anna Alexandra; Kukla, Peter

doi:3898

Sedimentary facies reconstruction and kinematic restoration of an Upper Permian tight gas field, north-western Germany = Rekonstruktion der sedimentären Fazies und kinematische Retrodeformation eines Tight Gas Felds aus dem Oberen Perm, Nordwestdeutschland

Vackiner, Anna Alexandra (Author)

2011 & 2012

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Anna Alexandra Vackiner

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVII, 136 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Prüfungsjahr: 2011. - Publikationsjahr: 2012

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Kukla, Peter (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-12-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-38980
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62918/files/3898.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Sedimentologie (Genormte SW) ; Tight-Gas-Lagerstätte (Genormte SW) ; Tektonik (Genormte SW) ; Dreidimensionale Seismik (Genormte SW) ; Bohrkern (Genormte SW) ; Norddeutschland (Genormte SW) ; Nordwestdeutschland (Genormte SW) ; Basin and Range Province (Genormte SW) ; Düne (Genormte SW) ; Perm (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Tektonik und Sedimentologie (frei) ; Ober-Rotliegend (frei) ; Analogstudie (frei) ; tectonics and sedimentology (frei) ; Upper Rotliegend (frei) ; analogue study (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550
rvk: TZ 7500 * TG 7000 * TZ 7600 * TG 8100 * TG 8000

Kurzfassung
Diese Studie befasst sich mit einer tight gas Lagerstätte in ca. 4200m Tiefe im Ober-Rotliegend II (Oberes Perm) in Nordwest-Deutschland. Unter tight gas (hier weiter als tight gas bezeichnet) ist Erdgas zu verstehen, das sich in niedrigpermeablem Gestein befindet. Die Studie beinhaltet die Erstellung eines geologischen Rahmenmodells für eine tektonisch beeinflusste sedimentäre Faziesverteilung. Die strukturelle und sedimentologische Komplexität von permischen tight gas Lagerstätten (des Rotliegend) erfordert einen interdisziplinären Ansatz auf Basis von 3D reflexionsseismischen Daten, geophysikalischen Bohrlochlogs und Bohrkernauswertungen, sowie Laboranalysen, numerischen Modellen und Gelände basierten Analogstudien. Die Reservoirgesteine des Studiengebiets sind fluviatil-äolischen Ursprungs und bestehen aus trockenen äolischen und fluviatilen Sedimenten, sowie aus Ablagerungen episodisch nasser Interdünenbereiche. Dünen- und untergeordnete Sandflächenablagerungen stellen die wichtigsten Reservoirgesteine dar. Als Gasmuttergesteine fungierten karbonische Kohlen. Das Reservoir wird von Evaporiten des Zechsteins abgedichtet. Durch detaillierte Analysen von Rotliegend- und Zechsteinzeitlicher synsedimentärer Paläotopographie, sowie von Störungsaktivität und der Evaluierung des Akkommodationsraums, konnten lokale Depotzentren in kleindimensionalen störungsgebundenen transtensionalen Becken kartiert werden. Synsedimentäre Störungsaktivität, die die Bildung von Halbgräben und Gräben bedingte, konnte für das Ober-Rotliegend II nachgewiesen werden. Zum Großteil wurden die Graben- und Halbgrabenrandstörungen während der späteren Versenkungsgeschichte, insbesondere während der Trias, des Jura und der Kreide, reaktiviert. Durch die Reaktivierung entstanden höhere Versatzbeträge und weitere laterale Erstreckungen der einzelnen Störungen. Die im Ober-Rotliegend II generierten Störungen und die störungsabhängige sedimentäre Fazies wurden versetzt und neu arrangiert. Die direkte Erkennung von Paläodepotzentren des Rotliegend als potentielle Akkumulationsräume für spätere Reservoirgesteine ist daher nicht möglich. Die Rekonstruktion von Paläoablagerungsräumen in mehrfach tektonisch deformierten Gebieten ist unumgänglich. Die sedimentäre Fazies der Ablagerungsräume des Ober-Rotliegend II kann nur punktuell, aus Bohrlochlogs und Bohrkernen, rekonstruiert werden. Um das Verständnis der Interaktion zwischen sedimentärem System und tektonischen Prozessen in vergleichbaren Systemen zu verbessern, wurde eine Gelände-Analogstudie im Panamint Valley, Kalifornien, USA, durchgeführt. Der Vergleich mit der Beckenkonfiguration des Studiengebiets im Rotliegend in Nordwest-Deutschland zeigt, dass beide Studiengebiete durch (i) synsedimentäre transtensionale Tektonik, die ausgedehnte Grabenstrukturen mit großräumigen Grabenrandstörungen hervorruft, (ii) störungsgebundene Paläotopographie als Kontrollmechanismus für sedimentäre Faziesverteilung, die unterschiedliche Typen alluvialer Fächer, Dünen, nasse und trockene Interdünen-Sandflächen und ephemere trockene Seen umfasst, und (iii) sehr ähnliche Sediment-Provenanzen klastischer Gesteine aus den Liegendschollen entlang von Störungszonen und von Vulkaniten, charakterisiert sind. Dieser Vergleich ermöglicht es, ein detailliertes Modell der sedimentären Faziesverteilung des Ober-Rotliegend II, vor der mehrfachen späteren tektonischen Überprägung, für die tight gas Lagerstätte in Nordwest-Deutschland zu erstellen. Dieses Modell umfasst insbesondere die Zusammensetzung und Verteilung äolischer Reservoirgesteine in Abhängigkeit von störungsgebundener Topographie. Zum besseren Verständnis der mehrfachen tektonischen Überprägung, die die primär maturen Reservoirgesteine beeinflusste, wurde eine sequentielle 2D Retro-Deformation des Arbeitsgebiets durchgeführt. Der Fokus lag dabei auf der zeitlichen Unterteilung des Salzdiapirismus und dessen Abhängigkeit von regionalen tektonischen Phasen. Die Retro-Deformation berücksichtigt Sedimentation, Dekompaktion, störungsgebundene Deformation, Salzbewegung, thermische Subsidenz und Isostasie. Die Ergebnisse zeigen, dass die Salzbewegung im Unteren Buntsandstein als reaktiver Diapirismus begann, sich ab dem Unteren Keuper zu aktivem Diapirismus mit subaerischer Exposition von Salz veränderte und dass seit der Unteren Kreide passiver Diapirismus / downbuilding vorherrscht. Isopachenkarten, Messungen von Homogenisierungstemperaturen in Fluideinschlüssen und K/Ar Alter erlauben es, Verbindungen zwischen der tektonischen Evolution und den Zeitpunkten von diagenetischen Prozessen zu ziehen.

This study of a tight gas reservoir, located at ~4200 metres depth in the Upper Rotliegend II (Upper Permian) of north-western Germany, includes a geological framework model for the sedimentary facies distribution, which is strongly influenced by the structural grain. Research focused on unravelling the structural and sedimentary complexity of Permian (Rotliegend) tight gas fields in Central Europe requires multidisciplinary studies combining tectonic-stratigraphic interpretation of three-dimensional seismic reflection, wireline log and core data, laboratory analysis, numerical modelling and field based analogue studies. Reservoir rocks in the study area are of fluvio-aeolian origin, and include dune, fluvial and wet to dry interdune deposits. Dune and minor sandflat deposits represent the most important gas reservoir rocks of the Upper Rotliegend II. Source rocks are Westphalian coals, and the top seal is provided by Zechstein evaporites. Detailed analysis of palaeo-topography, fault activity and accommodation for strata of Permian age (Rotliegend and Zechstein groups) indicate that local depocentres developed within small-scale, fault-controlled transtensional sub-basins. Synsedimentary halfgraben development and fault activity were identified during Upper Rotliegend II deposition. Many Upper Rotliegend structures were reactivated during the Triassic, Jurassic and Cretaceous, often developing enhanced offsets and lateral extent. As a consequence, much of the original Rotliegend structures and stratigraphy were significantly displaced, ultimately re-arranging the location of former Rotliegend depocentres and associated tight gas reservoir facies. This tectonic overprint hampers the prediction of potential Rotliegend reservoirs, emphasizing the necessity of palaeo-environmental restorations in areas with multi-phase tectonic histories. In addition, the sedimentary environment and involved sedimentary processes were only punctually reconstructed from core material and log data. A field analogue study in Panamint Valley, California, United States, was carried out to improve the understanding of the interactions between the sedimentary systems and tectonic processes in graben / halfgraben structures similar to those in the Upper Rotliegend of north-western Germany. The comparison shows that both study areas are characterized by (i) synsedimentary transtensional tectonics resulting in elongated graben structures with large-scale, bounding fault zones, (ii) a fault-controlled (palaeo-)topography, which is one of the key controlling mechanisms of the sediment facies distribution, comprising different types of alluvial fans, dunes, wet and damp interdune sandflats, and ephemeral dry lake deposits, and (iii) very similar sediment sources comprising clastic input from fault zone footwalls and input from volcanics. Consequently, the field analogue-based study provides a detailed model of the sedimentary facies for the tight gas reservoir in Germany prior to multi-phase tectonic overprinting, including the composition and distribution of aeolian sandstone reservoirs and their relation to fault-induced topography. For a better understanding of the multi-phase tectonic overprinting that influenced the primarily good reservoir rocks, a sequential 2D retro-deformation of the study area with focus on the temporal differentiation of salt diapirism and its relation to regional tectonic phases was carried out. Backstripping considers sedimentation, decompaction, fault-related deformation, salt movement, thermal subsidence and isostasy to gain a better understanding of the link between tectonics and reservoir diagenesis. The modeling results of this study indicate that reactive diapirism started during the Lower Buntsandstein, followed by active diapirism starting in the Lower Keuper accompanied by salt piercement of the overburden. Since the Lower Cretaceous, the salt rises by passive diapirism. From isopach maps, fluid inclusion studies, and K/Ar ages a clear linkage between the study area’s structural evolution and the timing of diagenetic processes can be observed.

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