Reactive transport modeling of fluid-rock interactions associated with carbonate diagenesis and implications for reservoir quality prediction

Xiong, Ying

doi:10.21268/20220811-0

published

Reactive transport modeling of fluid-rock interactions associated with carbonate diagenesis and implications for reservoir quality prediction

German
English

Die Diageneseforschung ist die Grundlage für die Charakterisierung und Exploration von Kohlenwasserstofflagerstätten. Die reaktive Transportmodellierung (RTM) ist ein neuer Ansatz für die Diageneseforschung mit der einzigartigen Fähigkeit zur Quantifizierung und Vorwärtsmodellierung der gekoppelten thermo-hydrochemischen Prozesse der Diagenese. Diese Arbeit untersucht die beiden wichtigsten Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen in Karbonatgesteinen, d. h. Dolomitisierung und Verkarstung, basierend auf generischen Modellanalysen und einer Fallstudie im Ordos-Becken, China. Bei der Refluxdolomitisierung werden zunehmender Dolomit, abnehmender Kalzit und dynamische Gipsausfällung/-auflösung beobachtet. Höherer Solesalzgehalt, Temperatur und reaktive Oberfläche tragen zu einem höheren Dolomitisierungsgrad bei. Die Porosität-Permeabilität des Gesteins wird kollektiv durch die Porenzunahme durch Dolomitisierung und die Porenfüllung durch Gipsausfällung gesteuert. Bei der eogenetischen Verkarstung gibt es einen abnehmenden Trend bei der Karbonatauflösung und Gesteinsporosität. Die Dauer der subaerialen Exposition und das Klima bestimmen maßgeblich die vom Karst beeinflusste Tiefe und Porositätszunahme. Die atmosphärische pCO2-Konzentration hat einen geringen Einfluss auf die Karstausdehnung, während sie die Auflösungsgeschwindigkeit beeinflusst. Eine integrierte geologische und RTM-Studie zeigt, dass die Hauptporositäten des Reservoirs der Ordovizium-Majiagou-Formation im Ordos-Becken während der frühen Diagenese entstanden sind. Die mehrstufige Refluxdolomitisierung fand in der eingeschränkten Verdunstungsumgebung statt, was zu einem maximalen Porositätszuwachs von 7,3% des Lagunenfazies-Mikrits führte. Der eogenetische Karst entwickelte sich hauptsächlich in Schwarmfazies-Grainstein mit einer Dauer der subaerialen Exposition von 30–110 ka und einer Porositätszunahme von 1,5–6,7% (durchschnittlich 3,1%). Die weitere Exploration des Reservoirs sollte sich auf die Sedimentumgebung und die Paläogeographie konzentrieren, die die Dolomitisierung und Verkarstung kontrollieren. Die Ergebnisse sind hilfreich, um die räumlich-zeitliche Verteilung und Koevolution von Diagenese und Mineralporosität besser zu verstehen und die Unsicherheit der Vorhersage der Reservoirqualität zu verringern.

Diagenesis research is the foundation of hydrocarbon reservoir characterization and exploration. Reactive transport modeling (RTM) is an emerging approach for diagenesis research, with the unique capability of quantification and forward modeling of the coupled thermo-hydro-chemical processes of diagenesis. This thesis investigates the two most important fluid-rock interactions in carbonate rocks, i.e., dolomitization and karstification, based on generic model analyses and a case study in the Ordos Basin, China. For reflux dolomitization, increasing dolomite, decreasing calcite and dynamic gypsum precipitation/dissolution are observed. Higher brine salinity, temperature and reactive surface area contribute to a higher degree of dolomitization. The rock porosity-permeability is collectively controlled by pore-increment via dolomitization and pore-infill by gypsum precipitation. For eogenetic karstification, there is a downward decreasing trend in carbonate dissolution and rock porosity. The duration of subaerial exposure and climate significantly determine the karst-affected depth and porosity increment. The atmospheric pCO2 concentration has a minor impact on the extent of karst, while it affects the dissolution rate. Integrated geological and RTM study shows that the major porosities of the Ordovician Majiagou Formation reservoir in the Ordos Basin were formed during early diagenesis. The multistage reflux dolomitization occurred in the restricted-evaporative environment, giving rise to a maximum 7.3% porosity increment of lagoon-facies micrite. The eogenetic karst developed mainly in shoal-facies grainstone, with the duration of subaerial exposure of 30– 110 ka and porosity increments of 1.5%–6.7% (average 3.1%). Further exploration of the reservoir should focus on sedimentary environment and paleogeography which control dolomitization and karstification. The results are helpful to better understand the spatial-temporal distribution and co-evolution of diagenesis and mineral-porosity, and to reduce the uncertainty of reservoir quality prediction.