Abstract:
Die Reservoirqualität in fluviatilen, siliziklastischen Gesteinen kann stark variieren. Faktoren, welche das Fließverhalten beeinflussen, reichen von Kornbezügen im µm-Bereich, zementierten und/oder gebleichten Horizonten im mm-Bereich über Kieslagen und Tonintraklasten im cm-Bereich bis hin zu verschiedenen Arten der Sortierung und Schichtung, welche über Meter bis Kilometer vorliegen können. Analogstudien in Aufschlüssen ermöglichen die Analyse von Sedimentgesteinen spezifischer Ablagerungsbedingungen im großen Maßstab und liefern Dünnschliffproben, um die diagenetischen Prozesse einschließlich der Kompaktion abzuleiten, welche auf der Kornskala wirken.
... mehr
Um einige der kontrollierenden Parameter für die Reservoirqualität in allgemein heterogenen fluviati-len Sandsteinen zu untersuchen, werden in dieser Studie die Ursachen und Folgen des Bleichungs-prozesses herausgearbeitet, welcher häufig in terrestrischen Rotsedimenten auftritt. Ein solcher, prozessorientierter Ansatz wird gleichsam verwendet, um die laterale Variabilität in einer Fallstudie einer Mäanderablagerung zu verstehen und die verantwortlichen Phasen des Mineralgefüges mit den sich ständig ändernden Bedingungen während der Ablagerung im Flussbett in Verbindung zu brin-gen. Lithofaziestypen werden hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Auswirkungen auf die Kompaktion und Zementation während der Versenkung und der daraus resultierenden Diskrepanz zwischen ihren Porositäts- und Permeabilitätswerten untersucht.
Bleichungsphänomene werden auf der Porenskala in einem Sandsteinbruch des Oberen Buntsand-steins untersucht. Im Steinbruch ist ein 10 m mächtiger Gesteinskörper bestehend aus rotem Sand-stein aufgeschlossen, welcher bis zu cm-mächtige, grauweiße Laminen enthält. Die durchgeführten Analysen konzentrieren sich auf gebleichte und ungebleichte Zonen in cm-großen Proben.
Die gebleichten Zonen weisen eine gröbere Korngröße (um 27 µm) sowie weniger Kompaktion und eine höhere optische Porosität auf (um 3 %). Beim Point counting kann eine stärkere Zementation durch alle beobachteten authigenen Phasen, also Quarz, Illit, K-Feldspat und in geringerem Maße Dolomit, festgestellt werden. Die berechneten intergranularen Volumina und der Porositätsverlust durch Zementation korrelieren positiv mit der Bleichung. Zusätzlich haben ungebleichte Zonen ver-mehrt duktile Körner (z.B. Glimmer, detritischen Ton, Gesteinsfragmente wie Phyllite und plutoni-sche Gesteinsfragmente) eingelagert und unterliegen daher einem größeren Porositätsverlust durch Kompaktion.
Es kann gezeigt werden, dass der Bleichungsprozess mit primären Merkmalen wie korngrößenselekti-ver Lamination zusammenhängt, welche zu höheren Permeabilitäten bei grobkörnigen Laminen führt. Darüber hinaus ist die Bleichung auf eine frühe, das Korngefüge stabilisierende, Zementphase ange-wiesen, welche Wegsamkeiten für die mit der Hebung verbundene Laugung des Detritus und der wenigen Dolomitzemente offenhält.
Um das Speicherpotenzial und die Permeabilität eines Speichergesteins zu beurteilen, muss dessen laterale Heterogenität berücksichtigt werden. In der Fallstudie eines Aufschlusses aus der Untertrias wird die Heterogenität der fluvialen Sandsteine der Plattensandstein-Subformation (Röt-Formation) bei Röttbach im südlichen Teil des Germanischen Beckens, Süddeutschland, untersucht. Die zugehö-rige Buntsandstein-Gruppe gilt als geeignetes Reservoir für die geothermische Speicherung oder Exploration in Süddeutschland. Die >10 m mächtigen lithischen Arkosen sind lateral über 35 m in zwei senkrechten Wänden im Steinbruch Röttbach aufgeschlossen und bestehen aus zwei Einheiten, die durch eine Erosionsfläche getrennt werden. Sie werden von mehreren Metern der Röttonsteine überlagert. Mit Hilfe sedimentologischer Profile, spektraler Gamma-Ray-, Porositäts- und Permeabili-tätsmessungen sowie petrographischer Analysen zur Berechnung von Kompaktionsparametern wer-den laterale Unterschiede in der Reservoirqualität untersucht.
Die Sedimentstrukturen in den aufgeschlossenen, mehrstöckigen Flussrinnenablagerungen deuten auf eine Gleithangablagerung hin, wobei das Flussbett in die Richtung wandert, in der sich die Reser-voirqualität verschlechtert. Diese Verschlechterung korreliert mit einem höheren Gehalt an detriti-schen Glimmern und authigenem Illit, dem Auftreten von Rip-up-Klasten und einer lateralen Zunah-me der gemessenen Gammastrahlung um 19 API (durchschnittlich 5,0 Vol.-% K, 2,7 ppm U, 11,9 ppm Th). Die größeren Mengen an Glimmer und Illit stehen im Zusammenhang mit abnehmenden Strömungsgeschwindigkeiten während der Fortentwicklung des mäandrierenden Systems. Sie erhö-hen die Kompaktion und verringern den verfügbaren intergranularen Porenraum. Illit-Kornbezüge hemmen wahrscheinlich zudem das Wachstum von diagenetischem Quarzzement.
Die Permeabilität verschlechtert sich lateral um bis zu drei Größenordnungen (48 mD bis 0,02 mD, Ø 9 mD), während die gemessenen Porositäten eine geringe Variabilität aufweisen (11 % bis 19 %, Ø 16 %). Die Verschlechterung der Reservoirqualität hängt mit dem Porositätsverlust durch Kompakti-on (COPL 11 % bis 28 %, Ø 18 %) und durch Zementation (CEPL 13 % bis 29 %, Ø 22 %) zusam-men und wird hauptsächlich durch detritische Glimmer und authigenen Illit kontrolliert.
Die Reservoirqualität hängt oft mit den durch die Ablagerung geprägten Gesteinstypen und der Lithofazies zusammen. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Lithofaziestypen aus einem Auf-schlussanalog der Untertrias aus der fluviatilen Vogesensandstein-Formation an der Ostflanke des Oberrheingrabens analysiert. Die entsprechende Buntsandstein-Gruppe ist ein bekanntes Reservoirge-stein im Oberrheingraben und in Süddeutschland für geothermische Energie, Kohlenwasserstoffe und potenziell für Speicherung. Im Steinbruch in Lahr-Kuhbach sind 30 m hohe Wände aufgeschlos-sen, welche zwei Lithofaziestypen beinhalten, von denen 1,2 m schräggeschichtete, mittelkörnige Sandsteine (St) und 0,8 m feinkörnige, wellenförmig horizontal- bis rippelgeschichtete Einheiten (Swr) im Mittelpunkt dieser Studie stehen, um Kontrollfaktoren für gemessene Reservoirqualitäten zu untersuchen. Beide Lithofaziestypen werden im Hinblick auf Sedimentstruktur, Textur, Porosität und Permeabilität sowie auf die Mineralogie und ihre diagenetische Entwicklung untersucht.
Lithofaziestyp St weist eine geringfügig größere durchschnittliche Korngröße auf als Swr-Proben (um 0,05 mm), was mit niedrigeren spektralen Gamma-Ray-Messungen (um 19,9 API) und niedrige-rer Kutanabdeckung (um 27 %) einhergeht. All diese Parameter weisen auf leicht geringere Fließge-schwindigkeiten des Flusses während der Swr-Ablagerung hin, was zu einem höheren Eintrag von detritischen Tonen in das Sediment führte. In den St-Proben liegen geringere Kutanabdeckungen und höhere Quarzzementvolumina vor, letztere stabilisieren deren Korngefüge während das Gegenteil in Swr-Proben der Fall ist. Bevorzugt auftretende Korn-Korn-Kontakttypen, intergranulare Volumina und der Porositätsverlust durch Kompaktion weisen auf einen höheren Grad der chemischen Kom-paktion innerhalb der Swr-Proben hin, welcher mit den höheren Kutanabdeckungen und den geringe-ren syntaxialen Quarzzementüberwüchsen korreliert. Die Kompaktion ist der wichtigste kontrollie-rende Faktor für die Reservoirqualität, was dazu führt, dass die Swr-Proben eine um vier Größenord-nungen niedrigere durchschnittliche Permeabilität aufweisen (0,09 mD gegenüber 236 mD).
Lithofaziestypen zu charakterisieren bietet daher eine Möglichkeit Gesteinseinheiten gemäß ihren unterschiedlichen Ablagerungsbedingungen und ihrer nachfolgenden diagenetischen Überprägung zu klassifizieren.
Abstract (englisch):
Reservoir quality in fluvial siliciclastic rocks is highly variable. Factors influencing permeability ex-tend from micron-scale grain coatings, to mm-scale cemented and/or bleached horizons over pebble lags and cm-sized mud intraclasts to different styles of sorting and bedding that can persevere over meters or even kilometers. Outcrop analog studies allow the analysis of a specific depositional envi-ronment on the large scale and provide thin section samples to deduce the diagenetic processes in-cluding compaction, which act on the grain scale.
To unravel some of the reservoir quality controls in generally heterogeneous fluvial sandstones, this study defines the causes and consequences of the bleaching process as it occurs ubiquitously in ter-restrial red beds. ... mehrSuch a process-oriented approach is also used to understand the lateral variability in a case study of a meander deposit and link the responsible phases in the mineral assemblage to con-tinuously changing conditions during deposition in the river channel. Lithofacies types are explored with regard to their differing effects on compaction and cementation during burial and the conse-quential discrepancy between their porosity and permeability values.
Bleaching phenomena are investigated on the pore scale in an Upper Buntsandstein sandstone quarry. A 10 m thick red sandstone body is exposed in the outcrop with up to cm-sized, greyish white lami-nae in the sandstones. Analyses focus on bleached and unbleached zones in the same cm-sized sam-ples.
Bleached zones exhibit a larger grain size (by 27 µm) as well as less compaction and a higher optical porosity (by 3 %). Stronger cementation by all observed authigenic phases of quartz, illite, K-feldspar and to a minor extent dolomite is registered during point counting. Calculated intergranular volumes and cementational porosity loss are positively linked with bleaching. Meanwhile unbleached zones have incorporated more ductile grains (e.g. micas, detrital clay, rock fragments like phyllites and plutonic rock fragments) and therefore undergo major porosity loss via compaction.
It can be shown that bleaching is related to primary features like grain size-selective lamination, which leads to higher permeability in coarse-grained laminae. In addition to that, it is relying on an early framework stabilizing cement phase, which maintains open pathways for uplift-related leaching of the detritus and few dolomite cements.
To assess the storage potential and permeability of a reservoir rock, lateral heterogeneity has to be taken into account. In the case study of a Lower Triassic outcrop the heterogeneity of the fluvial sandstones of the Plattensandstein Member (Röt Formation) near Röttbach in the southern part of the Germanic basin, Southern Germany, is investigated. The corresponding Buntsandstein Group is considered a suitable reservoir for thermal storage or exploration in Southern Germany. The >10 m thick lithic arkoses are well exposed over 35 m laterally in two perpendicular walls in the Röttbach Quarry and consist of two units separated by an erosive surface. They are covered by several meters of the Röt Claystone Member. Using sedimentological logging, spectral gamma ray-, porosity- and permeability measurements as well as petrographic analyses calculating compaction parameters, lateral reservoir quality differences are studied.
Sedimentary structures in the multi-storey channel suggest a point bar deposit, with the channel migrating in the direction corresponding to deteriorating reservoir qualities. This deterioration corre-lates with an increased detrital mica and authigenic illite content, the occurrence of rip-up clasts, and a lateral increase of gamma ray signatures by 19 API (avg. 5.0 % K, 2.7 ppm U, 11.9 ppm Th). The larger amounts of mica and illite are linked to decreasing flow velocities throughout the evolution of a meandering system. They enhance compaction and reduce available intergranular pore space. Illite grain coatings also inhibit diagenetic syntaxial quartz cement growth.
Permeability laterally deteriorates by up to three orders of magnitude (48 mD to 0.02 mD, avg. 9 mD) while measured porosities show minor variability (11 % to 19 %, avg. 16 %). The deterioration of reservoir quality is related to compactional (COPL 11 % to 28 %, avg. 18 %) and cementational porosity loss (CEPL 13 % to 29 %, avg. 22 %) and is mainly controlled by detrital mica and authi-genic illite.
Reservoir quality is often related to depositional rock types and lithofacies. Within this study two lithofacies types from a Lower Triassic outcrop analog of the fluvial Vogesensandstein Formation at the eastern flank of the Upper Rhine Graben are analyzed. The corresponding Buntsandstein Group is a known reservoir lithology in the Upper Rhine Graben and Southern Germany, for geothermal energy, hydrocarbons, and potentially for storage. In the quarry in Lahr-Kuhbach 30 m high walls crop out featuring two lithofacies types of which 1.2 m of cross-bedded, medium-grained sandstones (St) and 0.8 m of fine-grained wavy- to ripple-bedded units (Swr) are the focus of this study to delineate reservoir quality controls. Both lithofacies types are analyzed with regard to sandstone structure, texture, porosity and permeability as well as mineralogy and its diagenetic evolution.
Lithofacies type St exhibits a slightly larger average grain size than Swr samples (by 0.05 mm) coin-ciding with lower spectral gamma ray measurements (by 19.9 API) and lower grain coating coverages (by 27 %). All of those parameters indicate slightly lower flow velocities of the river during Swr deposition leading to a higher input of detrital clays into the sediment. Smaller grain coating coverag-es and larger quartz cement volumes are found in the St samples and stabilize their grain framework as opposed to Swr samples. Grain contact types, intergranular volumes, and compactional porosity loss indicate a higher degree of chemical compaction within the Swr samples that correlates well with the higher grain coating coverages and smaller syntaxial overgrowth cement volumes. Compaction is the main control on reservoir quality leading to Swr samples exhibiting a lower average permeability by four orders of magnitude (0.09 mD vs. 236 mD).
Characterizing lithofacies types can thus offer a means to classify rock units according to differing styles of sedimentation and subsequent diagenetic overprint.
