Quantification of heat and fluid flow through time by 3D modeling : an example from the Jeanne d'Arc basin, offshore eastern Canada

Baur, Friedemann Ulrich Maximilian; Littke, Ralf

doi:30929

Quantification of heat and fluid flow through time by 3D modeling : an example from the Jeanne d'Arc basin, offshore eastern Canada = Quantifizierung von Wärme- und Fluid-Fluss durch die geologische Zeit mit Hilfe von 3D numerischen Simulationen : ein Fallbeispiel vom Jeanne d’Arc Becken, offshore östliches Kanada

Baur, Friedemann Ulrich Maximilian

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Friedemann Ulrich Maximilian Baur

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIX, 150 S. : Ill., graph. Darst., Kt.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Littke, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-09-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34192
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63754/files/3419.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Erdölgeologie (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; Jeanne d’Arc basin (frei) ; basin modeling (frei) ; heat flow (frei) ; migration (frei) ; mass balance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Die steigende Nachfrage an Energie verursacht seit Jahrzehnten Versorgungsängste und zwingt die Erdölindustrie in immer riskantere Bereiche für die Ressourcensuche vorzustoßen. Der moderne, vierdimensionale „Petroleum Systems Modeling“-Ansatz, der Raum und Zeit miteinander vereint, ermöglicht es Öl- und Gas-Bildungsraten zu berechnen, potentielle Migrationpfade zu erstellen sowie die Qualität und Quantität der gebildeten und Kohlenwasserstoffen vorherzusagen. Des Weiteren kann man konkrete Aussagen über die jeweiligen pvT (Druck, Volumen, Temperatur) Bedingungen treffen. Diese Parameter und Prozesse können mit Hilfe der numerischen Simulation für ein gesamtes Becken und für die gesamte geologische Vergangenheit berechnet werden. Dieser integrative Ansatz stellt somit die einzige Möglichkeit dar, um ein Kohlenwasserstoffsystem korrekt zu beschreiben und alle parallel ablaufenden Prozesse aufeinander abzustimmen, zu korrelieren und schließlich an Hand der Ergebnisse das Explorationsrisiko zu minimieren und eine angemessene Ressourcenbewertung durchzuführen. Wie genau diese Berechnungen aber tatsächlich sind, wurde bislang nicht quantifiziert. Ein Teil der vorliegenden Dissertation beschäftigt sich daher mit der Vorhersagegenauigkeit des numerischen Modellierungsansatzes speziell im Jeanne d’Arc Becken. Die Vorhersagegenauigkeit wird vor allem in Bezug auf die Reservoirfüllungsgeschichte und bezüglich der Qualität und Quantität der Kohlenwasserstoffe untersucht, indem man gemessenen Daten direkt mit den Ergebnissen der Simulationen vergleicht. Wenn ein bekanntes Ergebnis mit dem Modellierungsansatz nicht wiedergegeben wird, so kann man Verbesserungsvorschläge rückwirkend für die Simulationstechnik machen und so die Methode selbst optimieren. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit untersucht die geodynamische Situation des Jeanne d’Arc Beckens und liefert neue Erkenntnisse für die geologische Wärmeflussgeschichte, die mit Hilfe eines erweiterten „McKenzie-Ansatzes“ erarbeitet wird. Die Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass für das grundlegende Verständnis der thermischen Geschichte des Jeanne d’Arc Beckens ausschließlich ein Riftsystem in der Trias nötig ist. In dieser Riftphase wurden initial die strukturellen Rahmenbedingungen des Beckens geschaffen. Eine zweite Riftphase, das tektonische Spuren hinterlassen hat, erfolgte in der Kreide und stellte sehr wahrscheinlich ein „ultra-langsames“ Rift dar, dessen Wärmeimpuls zu schwach war, um chemische Spuren in den Sedimenten zu hinterlassen. Untersuchungen dieser Dissertation haben ergeben, dass die gesamte Entwicklung des Beckens mit nur einem einzigen Rift-Ereignis in der Trias rekonstruiert werden kann. Darüber hinaus kann gezeigt werden, dass die theoretische Berücksichtigung eines lateralen Wärmeflusses während der Anwendung des „McKenzie-Ansatzes“ einen Effekt auf die Bestimmung der Dehnungsfaktoren hat, die wiederum Grundlage für die Berechnung des Paleo-Wärmeflusses sind. Der hieraus resultierende, direkte Einfluss auf die rekonstruierte Wärmeflussgeschichte hat somit auch einen Einfluss auf die Reifeentwicklung des Muttergesteins. Der zweite und dritte Teil der Arbeit befassen sich mit der chemischen Charakterisierung der Muttergesteinseigenschaften und mit der Rekonstruktion der Reservoirfüllungsgeschichte für das gesamte Becken. Die Kohlenwasserstoffgenese und das Phasenverhalten der generierten Fluide wurden mit Hilfe von phasenvorhersagenden Reaktionskinetiken untersucht, die im Rahmen dieser Arbeit speziell für das Egret-Muttergestein erstellt wurden. Darüber hinaus wurden verschiedene Füllungsgeschichten für das „Terra Nova“-Feld getestet, um die wahrscheinlichsten Migrationspfade zu rekonstruieren. Dabei stellte sich heraus, dass die Terra Nova Akkumulation nicht nur, wie bisher angenommen, von einer lokalen „Kitchen area“, sondern zusätzlich noch von einer zweiten „Kitchen area“ gespeist wurde, die auf halber Wegestrecke zum Erdölfeld Hibernia liegt. Dieses neue Konzept der Füllungsgeschichte weicht vom traditionellen Modell ab. Das letzte Kapitel der Studie diskutiert eine beckenweite Massenbilanzierung für die generierten, migrierten, akkumulierten und verloren gegangenen Kohlenwasserstoffe. Darüber hinaus wird der Einfluss eines verbesserten Adsorptionsverhalten für das Muttergestein getestet und der Einfluss verschiedener Migrationstechniken (Flowpath, Darcy, Hybrid und Inversion Percolation) auf die Massenbilanzierung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass bei ausschließlicher Darcy-Migration das Model nicht in der Lage ist, die Akkumulationsverteilung im Becken so wiederzugeben wie es der Realität entspricht; und dass die Hybrid- bzw. die Flowpath-Methode die effizientesten bzw. besten Migrationsmethoden sind, um korrekte Volumina und Zusammensetzung der Kohlenwasserstoffakkumulationen zu reproduzieren/vorherzusagen.

Demand for energy is growing rapidly, causing worldwide concerns on security of supply. Petroleum systems modeling in 4 dimensions (cube + time) predicts generation, migration, and quality/quantity of accumulated hydrocarbons in reservoirs, incorporating temperature and pressure through the entire evolution of the basin. A petroleum systems model thus provides the only means to combine all physical aspects (source, trap, seal, and reservoir) and timing (charge) to reduce exploration risk and provide a reasonable resource assessment to guarantee a secure and constant supply of hydrocarbons. Over the years, the technology has advanced so far that the basin model results in combination with multi phase chemical reaction kinetics appear to approach reality. Nobody has quantified and published how close to reality these models actually get in the Jeanne d’Arc basin, especially in terms of charge history reconstruction and fluid quality and quantity. All necessary input data for a numerical model are available: especially for the Kimmeridgian Egret Member, the only mature source rock, which generates hydrocarbons; pvT (pressure, volume, temperature) data; and source and reservoir samples are accessible for more than 50 wells. Furthermore, there is processed, converted and interpreted 3D seismic available for the Jeanne d’Arc Basin. This makes the basin ideal for the present study. In addition, petroleum systems modeling should itself be tested to constrain correct assumptions and routines, as well as to improve the predictive capacity of the basin modeling approach. The first part of the thesis focused on the reconstruction of the geodynamic situation of the basin yielding new results for the reconstructed heat flow history using a 3D enhanced McKenzie model. Results show that to understand the thermal evolution of the Jeanne d’Arc sedimentary basin completely, it is crucial to consider the Triassic rift system. This first rift generated the structural framework of the basin, where most of the sediments were deposited. A second extension, in the Cretaceous, represents most likely an ultra-slow extension phase with a heat-impulse, too weak to leave any thermal record. This study demonstrates that the entire evolution of the Jeanne d’Arc basin can be reconstructed assuming just one single Triassic thermal rift. Additionally, the study shows the theoretical effects of lateral heat transfer on the determination of McKenzie stretching factors, its resulting implications for the tectonic subsidence, and the reconstructed heat flow history. The second and third parts concentrate on the determination of source rock properties (chemical reaction kinetics – bulk, multi component and PhaseKinetics) and on the reconstruction of the petroleum reservoir filling history for the entire basin. Petroleum generation and phase behavior were analyzed using phase-predictive compositional kinetic models (PhaseKinetics) determined by pyrolysis of Egret Member source rock samples. Different charge scenarios were tested to reconstruct the most likely migration pathways for the petroleum, which is trapped in the Terra Nova oil field. The most probable filling history includes charge to the reservoir from a local kitchen and a second kitchen located between Hibernia and Terra Nova that was responsible for the long-range contribution. This new migration concept differs from the traditional explanation based on geochemical measurements only (published by von der Dick et al., 1989), which infers that local generation was solely responsible for filling the Terra Nova field. This theory of local generation can be disproved based on a simple mass balance calculation. The mass of the local source rock is not enough to generate the known present amount of hydrocarbons. Finally, the study presents a basin-wide mass balance calculation showing the impact of a newly tested adsorption behavior of the source rock. Additionally, this chapter discusses the influence of different migration techniques (flowpath, Darcy, hybrid and invasion percolation) on a basin-wide mass balance calculation (MBC) in the Jeanne d’Arc basin. It can be concluded that a pure Darcy migration is not sufficient to reproduce the accumulation pattern in the basin and that hybrid or flowpath are the most efficient and precise migration methods to predict correct volumes and composition. Additionally, it turned out that the applied adsorption model does not adequately reproduce the natural behavior of source rocks (SR). Therefore, a revised approach was applied, in which the adsorption capacity is in general much higher, but diminishes, with increasing maturity. In summary, the study provides new insights into the geodynamic development of the Jeanne d’Arc basin, presents calibrated, verified and tested kinetics for the Egret source rock and presents new aspects of a mass balance calculation for the entire basin.

Fulltext:
PDF