Synchrotron FTIR Hydrocarbon Fluid Inclusion Microanalysis Applied to Diagenetic History and Fluid Flow Reconstruction in Reservoir Appraisal

Microanalyse par FTIR avec une source synchrotron des inclusions d'hydrocarbures. Application à la reconstitution des conditions de la diagenèse et des circulations fluides dans les réservoirs

¹ Muséum National d'Histoire Naturelle, Case 52.USM 205 LEME - UMS CNRS 2679 NanoAnalyses - 57, rue Cuvier 75005, Paris - France
² Soleil Synchrotron, L'Orme des Merisiers, BP 48, Saint-Aubin, 91192 Gif-sur-Yvette Cedex - France

Corresponding author: guilhau@mnhn.fr

Abstract

In sandstones, siliceous diagenetic overgrowths may commonly contain several generations of hydrocarbon fluid inclusions (FI's), generally of size no more than 10 µ. We successfully analyzed such inclusions in North sea sandstones from the Dunbar area, subthrusted reservoirs such as sub-Andean basins (Venezuelian and Colombian foothills) and carbonaceous series in areas of Pakistan, using synchrotron infrared microscopy. We addressed, for each case studied, molecular identification and mapping of the components, i.e. hydrocarbon content, and additional molecules such as CO₂, H₂O, in small volumes in their liquid and gas phase as well as the solid phases often associated as products or mechanically entrapped minerals. Semi-quantitative analysis leads to determination of the average composition of each inclusion, i.e equivalent aliphatic chain length (CH₂/CH₃ ratios), CO₂ and CH₄ content. The quantitative method for hydrocarbon chain length measurements was tested first on some exceptionally large FI's (up to 500 µm) previously analyzed by gas chromatography after individual extraction. Homogeneity and /or heterogeneity of trapping as well association of oil with water or their separation is shown for each generation of FI corresponding to a specific organic fluid migration in sandstones from the Brent formation of Dunbar (North sea), and in siliceous reservoirs of subandin basins (Venezuelian and Colombian foothills). Microanalyses of solid phases closely associated within oil in such FI's indicate conditions of the dissolution-recrystallisation processes. Results are particularly promising in carbonaceous reservoirs of Northern Pakistan (Chorgali area, North Potwar basin) where first results pinpoint the effect of TSR mechanism in environments where evaporites were first deposited. PVT modeling of isochores using semi-quantitative SFTIR analyses leads to reconstruction of P-T conditions of diagenesis. Therefore by combining these results with data from organic matter (Genex modeling) and petrography, the onset of cementation was established in the Venezuelian and Colombian Foothills. The path of fluid migration along geological history was then reconstructed with Thrustpack 2D thermal modeling (IFP software), in Tunisian and Pakistani ore deposits and in the carbonaceous reservoir of Chorgali.

Résumé

Au cours de la diagenèse des réservoirs, des gouttelettes d'hydrocarbures présentes dans les fluides minéralisateurs sont piégées dans des lacunes de cristallisation sous forme d'inclusions fluides (FI). En combinant la composition de ces hydrocarbures à leur densité et leurs paramètres volumiques, mesurés par microthermométrie, on peut modéliser leurs isochores spécifiques dans un champ de pression-température (P-T). Le piégeage de familles d'inclusions synchrones et de compositions différentes permet de déterminer les conditions P-T de migration des fluides organiques ainsi que les conditions de la diagenèse au cours d'une évolution géologique. À partir de la composition de ces inclusions, on peut étudier les mécanismes importants pour les qualités des réservoirs, tels que le craquage et la biodégradation de la matière organique, les injections de gaz comme le CO₂ et le CH₄. La microspectrométrie infrarouge a fait des progrès spectaculaires ces dernières années grâce à l'utilisation des sources synchrotron, particulièrement stables et à forte brillance dans le moyen et le proche infrarouge. La composition d'inclusions d'hydrocarbures de très petite dimension (quelques microns) piégées dans des minéraux tels que le quartz, la fluorine et les carbonates peut être obtenue individuellement et de manière non destructive par microscopie infrarouge à transformée de Fourier (SFTIR). Cette technique utilise une source synchrotron comme radiation excitatrice. Nous présentons les potentialités de cette méthode de microanalyse avec des exemples de résultats significatifs dans le domaine des réservoirs pétroliers, en contexte de bassins sédimentaires et de zones sous chevauchements. Dans les surcroissances de quartz des réservoirs gréseux, la dimension des inclusions d'hydrocarbures est de l'ordre de 10 µm ou inférieure. Nous avons pu analyser plusieurs générations d'inclusions. Ces analyses ont été effectuées dans les grès de la mer du Nord (Brent, région de Dunbar), les bassins d'avantpays des régions subandines (Venezuela, Colombie) et les formations carbonatées du nord de la Tunisie et du Pakistan oriental. Dans la plupart des cas, nous avons pu réaliser et étudier des images moléculaires et procéder à l'analyse semi-quantitative in situ des composés organiques inclus (rapports CH₃/CH₂) et des molécules associées telles que CO₂, H₂O, CH₄. La fiabilité des résultats des rapports CH₃/CH₂ a été vérifiée en effectuant une comparaison avec les compositions obtenues par chromatographie en phase gazeuse après extraction individuelle du contenu organique des inclusions de grande dimension (500 µm) dans la fluorine. Les phases solides présentes comme minéraux fils (issus de la solution initiale) dans les phases hydrocarbonées ont pu également être identifiées. Elles mettent en évidence l'importance des mécanismes de transformation sulfates-carbonates (TSR) en présence de composés organiques dans les sédiments riches en évaporites. À partir des compositions obtenues par SFTIR, nous avons pu, dans ces exemples, calculer les conditions P-T de la diagenèse. L'histoire de la migration des fluides dans des environnements de réservoirs gréseux, dans des zones de foothills comme les régions subandines du Venezuela et de la Colombie, ainsi que l'historique de la circulation des fluides en relation avec les évolutions tectoniques, ont pu être reconstitués. Ce travail a été réalisé à l'aide du logiciel Trustpack (IFP), par l'équipe du Département Géologie de l'IFP dans les gîtes minéraux associés aux déformations le long de l'accident de Zagouhan (Tunisie septentrionale) et du nord de la chaîne de Kir Thar (Pakistan) ainsi que dans les réservoirs carbonatés de la région de Chorgali (bassin du Nord Potwar, Pakistan).