Non-marine source rocks of petroleum and microbial gas in the Ordos and Qaidam basins, mid-west China

Qiao, Jinqi; Littke, Ralf; Sachsenhofer, Reinhard

doi:HT021199689

Non-marine source rocks of petroleum and microbial gas in the Ordos and Qaidam basins, mid-west China

Qiao, Jinqi^RWTH*

2021 & 2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Jinqi Qiao, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022

Genehmigende Fakultät
Fak05

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-11-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-00077
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/837789/files/837789.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ordos Basin (frei) ; Qaidam Basin (frei) ; microbial gas (frei) ; petroleum (frei) ; source rocks (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Muttergesteine sind sowohl für konventionelle als auch für unkonventionelle Erdöl- und Erdgasvorkommen von wesentlicher Bedeutung. Diese Dissertation befasst sich mit der Charakterisierung von nicht-marinen Ausgangsgesteinen, welche einen großen Bereich thermischer Reifen abdecken, von unreifen mikrobiellen Gasmuttergesteinen bis zu überreifen Muttergesteinen. In Kapitel 2 wurden 12 Gasschieferproben aus den karbonischen Benxi- und permischen Shanxi-Formationen am Yishan-Hang des Ordos-Beckens in China untersucht. Diese Proben wurden im Hinblick auf die mineralische Zusammensetzung, die thermische Reife, die Gasspeicherkapazität und das Schiefergaspotenzial ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Sedimentgesteine einen niedrigen bis mäßigen Gehalt an organischem Gesamtkohlenstoff (TOC) aufweisen (0.1% bis 2.3%). Vitrinitreflexionswerte (VRr) von 2.3-3.0% deuten auf ein überreifes Stadium in Bezug auf die Ölbildung hin. Die XRD-Daten zeigen, dass in den meisten Proben Tone die wichtigsten Mineralien sind (0-80%), gefolgt von Quarz (0-43%). Aufgrund ihres hohen Vorkommens dominieren eher Tonminerale die Sorptionskapazitzät statt des organischen Materials. Im Vergleich zu gut untersuchten, produzierenden, marinen Schiefergassystemen mit höheren TOC-Gehalten weisen die untersuchten Sedimentgesteine eine vergleichsweise geringe Gasspeicherkapazität auf. Bei Drücken von > 10 MPa hat die Sorption einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Gasproduktion. Dies ist wichtig für tiefe Lagerstätten, in denen der Porendruck hoch sein kann. In Kapitel 3 wurde eine umfassende petrographische und geochemische Untersuchung von 23 triassischen Gesteinsproben durchgeführt, die aus 18 Bohrungen im mitteleren bis westlichen Ordos-Becken entnommen wurden. Die Proben aus der Chang 7 Subformation wurden im Hinblick auf die thermische Reife und die Eigenschaften der organischen Materie (OM), sowie auf das Paläo-Ablagerungsmilieu interpretiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Proben mäßige bis sehr hohe TOC (0.2-24.8%) und Gesamtschwefelgehalte (TS) (0.1-6.5%) aufweisen. Das gute bis sehr gute Kohlenwasserstoffbildungspotenzial der meisten Proben wird durch hohe S1- und S2-Werte belegt (0.1-3.7 mg HC/g Gestein bzw. 0.6-92.5 mg HC/g Gestein). Die organische Substanz besteht hauptsächlich aus Kerogen des Typs II bis III, wie aus den Rock-Eval-Daten hervorgeht und durch petrographische Beobachtungen bestätigt wird. Sie besteht aus einer Mischung aus holzigem, terrigenem (hauptsächlich Nadelbäume) und aquatischem OM. Die untersuchte Subformation ist ein typisches tonreiches Muttergestein, welches in einer sulfatarmen, lakustrinen bis fluvio-deltaischen Umgebung unter oxischen bis suboxischen Bedingungen abgelagert wurde. Verschiedene Parameter, wie das TOC/TS-Verhältnis und die molekulare Biomarkerdaten, belegen einen niedrigen Salzgehalt. VRr-Werte (0.68-0.88%), durchschnittliche Rock-Eval-Tmax-Werte (445 °C), Biomarker-Parameter und Reifeindizes basierend auf aromatische Verbindungen weisen auf eine thermische Reife innerhalb des Ölfensters hin. In Kapitel 4 werden 30 pleistozäne Muttergesteine aus dem zentralen Qaidam-Becken beschrieben und anhand von Elementardaten (TOC, TS, anorganischer Gesamtkohlenstoff (TIC)), organisch-geochemischen und organisch-petrographischen Analysen diskutiert. Die mächtigen, feinkörnigen Gesteine sind wahrscheinlich die wichtigsten mikrobiellen Gasquellen in dieser Region. Auf Grundlage der neuen Daten wurden zwei unterschiedliche, lakustrine Muttergesteinsfazies identifiziert. Proben der organischen Fazies A mit hohem TOC (4.1-25.3%) und mäßigem TS-Gehalt (1.5-3.7%) wurden hauptsächlich unter einer suboxischen bis anoxischen Süßwassersäule an den Seeufern abgelagert. Obwohl diese Flachwasser-Fluvial-Lakustrin-Fazies nur einen kleinen Teil der gesamten Sedimentabfolge einnimmt, hat sie das größte Potenzial zur Bildung von Kohlenwasserstoffen. Im Gegensatz dazu wurden die Proben der organischen Fazies B mit niedrigen TOC- (0,5-1,1 %) und TS-Gehalten (0.14-1.0%) in sauerstoffreicheren Brackwasserseen abgelagert. Selten traten anoxische Bedingungen in Sedimenten auf, die dann durch Algenmatten versiegelt waren. Das organische Material besteht aus gemischtem Kerogen vom Typ II-III, welches hauptsächlich von Wasserpflanzen stammt. Es wird davon ausgegangen, dass die organische Fazies A von reichlich vorhandenen Makrophyten (z. B. nicht-marine Algen, submerse Angiospermen) am Rande des Sees stammt. Im Gegensatz dazu ist das OM in der organischen Fazies B auf Algen mit zusätzlichem bakteriellen Beitrag zurückzuführen. Terrestrische, höhere Pflanzen sind in beiden organischen Fazies untergeordnet. Die kalten und trockenen klimatischen Bedingungen und die sehr hohe Sedimentationsrate begünstigten die mikrobielle Gasbildung. In Kapitel 5 werden dieselben Sedimente aus der Region des Tibetischen Plateaus (TP) im Nordwesten Chinas anhand anderer Methoden vorgestellt, um Informationen über den Klimawandel, die Umweltbedingungen und die Verwitterung im Gebiet des Qaidam-Beckens zu erhalten. Hierzu wurden Indikatoren aus spezifischen, temperatursensitiven Biomarkern (GDGTs), stabilen Isotopen und Konzentrationen einer großen Anzahl von chemischen Haupt- und Spurenelementen der pleistozänen Qigequan-Formation verwendet. Die Ergebnisse bestätigen, dass es zwei Sedimenttypen mit völlig unterschiedlicher Zusammensetzung der organischen Substanz gibt, nämlich die organische Fazies A und B. Die Anreicherung der organischen Substanz in beiden organischen Fazies wurde in erster Linie durch die Paläo-Redoxbedingungen und nicht durch die Paläo-Produktivität gesteuert. Weiterhin wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den GDGT-Verteilungen in den Sedimenten festgestellt. Im Allgemeinen wurden die Sedimente unter trockenen/kalten Bedingungen mit schwacher chemischer Verwitterung abgelagert, ähnlich wie in der gegenwärtigen Situation. Die mittlere Jahreslufttemperatur war etwas höher als die heutige Temperatur. Die Ri/b-Werte (ƩiGDGTs/ƩbGDGTs) liegen zwischen den höheren modernen Ri/b-Werten und den niedrigeren spätmiozänen Ri/b-Werten, was auf neutrale bis alkalische Bodenbedingungen (pH-Wert zwischen 6 und 10) und einen kontinuierlichen Aridifizierungsprozess hindeutet.

Source rocks are essential for both conventional and unconventional petroleum and gas resources. This thesis focuses on the characterization of non-marine source rocks covering a wide range of thermal maturity, from immature microbial gas source rocks to overmature source rocks.In Chapter 2, source rock characterization was performed on 12 gas shale samples collected from Carboniferous Benxi and Permian Shanxi formations from the Yishan Slope of the Ordos Basin, China. These samples were interpreted with regard to mineral composition, thermal maturity, gas storage capacity as well as shale gas potential. The results reveal that the studied shales show low to moderate total organic carbon (TOC) content (0.1% to 2.3 %). Vitrinite reflectance (VRr) values of 2.3–3.0 % indicate an overmature stage with respect to oil generation. XRD data shows that clays are the major minerals (0–80%) followed by quartz (0–43%) in most samples. Due to their high abundance, clay minerals rather than organic matter control sorption capacity. However, compared to well-studied producing marine shale gas systems with higher TOC contents, the studied shales possess comparatively low gas storage capacities. Sorption has a negligible effect on gas production at pressures of > 10 MPa. This is important for deep reservoirs, where the pore pressure may be high. In Chapter 3, a comprehensive petrographic and geochemical study was performed on 23 Triassic shale samples collected from 18 wells in the mid-western Ordos Basin. These Chang 7 Member samples were interpreted with regard to the thermal maturity and characteristics of organic matter (OM) as well as the paleo-depositional environment. The results reveal that the studied samples have moderate to very high TOC (0.2–24.8 %) and total sulfur (TS) contents (0.1–6.5 %). The good to very good hydrocarbon generation potential for most of the samples is proven by high S1 and S2 values (0.1–3.7 mg HC/g rock and 0.6–92.5 mg HC/g rock, respectively). Organic matter is mainly composed of type II to type III kerogen indicated by Rock-Eval data and supported by petrographical observations. It consists of a mixture of woody, terrigenous (mainly conifers) and aquatic OM. The studied member is a typical clay-rich source rock deposited in a sulphate-poor lacustrine to fluvio-deltaic environment under oxic to sub-oxic conditions. Low salinity is implied by different parameters such as TOC/TS ratios and molecular biomarker data. VRr values (0.68–0.88%), average Rock-Eval Tmax values (445 °C), biomarker parameters, and maturity indices based on aromatic compounds all indicate a thermal maturity within the oil window.In Chapter 4, 30 Pleistocene source rocks from the central Qaidam Basin are described and discussed based on elemental data (TOC, TS, total inorganic carbon (TIC)), organic geochemical and organic petrographic analyses. These thick fine-grained rocks probably act as the main microbial gas source rocks in the region. Two different, lacustrine source rock facies have been identified based on the new data. Organic facies A samples with high TOC (4.1–25.3 %) and moderate TS content (1.5–3.7 %) were mainly deposited under a suboxic to anoxic freshwater column at the lake margins. Although this shallow water fluvial-lacustrine facies only occupies a small part of the whole sedimentary sequence, it has the highest hydrocarbon generation potential. In contrast, organic facies B samples with low TOC (0.5–1.1 %) and TS contents (0.14–1.0 %) were deposited in more oxygen-rich brackish lake bodies. Rarely, anoxic conditions were present in sediments that were sealed by algal mats. Organic matter is composed of mixed type II-III kerogen derived mainly from aquatic plants. Organic facies A is interpreted to originate from abundant macrophytes (e.g. non-marine algae, submerged angiosperms) at the margin of the lake. In contrast, the OM in organic facies B is related to algae with some additional bacterial contribution. Terrestrial higher plants are subordinate in both organic facies. The cold and dry climatic conditions and very high burial rate favored microbial gas generation. In chapter 5, the same sediments from the Tibetan Plateau (TP) region of NW China are presented based on other methods in order to obtain information on climate change, environmental conditions and weathering in the area of the Qaidam Basin. Here evidence from specific temperature-sensitive biomarkers (GDGTs), stable isotopes and concentrations of a large number of major and minor chemical elements of the Pleistocene Qigequan Formation was applied. The results confirm that two sediment types exist with completely different organic matter composition, i.e. organic facies A and B. The organic matter accumulation in both organic facies was primarily controlled by the palaeoredox conditions rather than palaeoproductivity. Furthermore, no significant differences between the GDGTs distributions in sediments is observed. Generally, the sediments were deposited under arid/cold conditions with weak chemical weathering, similar to the present-day situation. The Mean Annual Air Temperature was slightly higher than the present temperature. The Ri/b (ƩiGDGTs/ƩbGDGTs) values are located between the higher modern Ri/b values and the lower Late Miocene Ri/b values, indicating neutral to alkaline soils conditions (pH varying between 6 and 10) and a continuous aridification process.

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