Oil Seeps from the "Boulganack" Mud Volcano in the Kerch Peninsula (Ukraine - Crimea), Study of the Mud and the Gas: Inferences for the Petroleum Potential

Indices du volcan de boue "Boulganack" dans la péninsule de Kerch (Ukraine - Crimée), étude de la boue et du gaz : conséquences pour le potentiel pétrolier

¹ Institut français du pétrole, IFP, 1-4 avenue de Bois-Préau, 92852 Rueil-Malmaison Cedex - France
² Beicip-Franlab, 232 avenue Napoléon Bonaparte, 92500 Rueil-Malmaison - France
³ National Museum of Natural History, 15 Khmelnitsky Street, 01030, Kiev - Ukraine

Corresponding authors: j-paul.herbin@ifp.fr macha.saint-germes@beicip.fr nikalmas@mail.ru roland.vially@ifp.fr

Abstract

Mud volcanoes act as prospecting indices in the exploration of oil and gas deposits with gases and muds excreted. A methodology and an analytical protocol have been developed in order to classify the petroleum provinces according to the geochemical information available from the mud volcanoes. Such a study allows us to evaluate the potential of the petroleum system beneath. The Crimean-Caucasus region is renowned for mud volcano activity with well-known areas from west to east: Kerch Peninsula, Kuban and Azerbaijan. A methodology concerning the geochemical sampling and analysis of the mud volcanoes located onshore was applied to the Kerch Peninsula. Three field trips were organised by IFP in 2000, 2001 and 2002 in order to collect geochemical data, in agreement with the Museum of National History in Kiev. During these geological and geochemical surveys particular attention was given to the Boulganack mud volcano, which is a favourable site for the study of mud and gas samples due to the variety of the types of the vents. Specific tools were built in order to take samples of mud, up to 20 m deep in the vents, and gas more than 25 m away from the bubbling point in safe conditions in the deep mud lakes. Moreover, monitoring of the sampling of the gas was undertaken on the Boulganack mud volcano for one year in order to study the variation in the composition of the gas in time and space in the various vents. The proportions of nitrogen, carbon dioxide and hydrocarbons (methane to ethane) were measured. The vents of the Boulganack mud volcano present about 90% of methane and 10% CO₂, with a few percent of heavier hydrocarbons in one particular vent: Andrusov. Pavlov expelled more CO₂ (25% to 40%), with the greatest temporal variations. Only Obrudchev expels as much carbon dioxide as methane (50/50). Sometimes, nitrogen was also measured (Pavlov, Obrudchev and Central Lake). The high dryness of the gas implies a loss of heavy hydrocarbon compounds relative to a typical thermogenic gas. Chemical gas compounds are highly dependent from one vent to the other. The comparison of the quantity of hydrocarbon included in the mud released from the mud volcanoes of the Kerch Peninsula and those of Azerbaijan (used as a reference) shows very little hydrocarbon in the mud from the mud volcano in the Crimea, whereas accumulations of hydrocarbons exist in the fluids expelled from mud volcanoes in Azerbaijan. In fact, the ranking of the petroleum provinces is linked to the occurrence of the free hydrocarbons in the mud excreted by mud volcanoes. Analysis by chromatography of the saturated hydrocarbons presents a high degree of biodegradation when the samples are taken at the surface. When they are taken with the core barrel at greater depth in the vents, the hydrocarbons are preserved with a typical continental origin which can be compared with the organic matter of the Maykop formation. The modelling of the hydrocarbon window geohistory confirms that the hydrocarbons are mainly produced within the lower Maykop. The generation of gas is favoured, in agreement with the quality of the type III source rocks in this western part of the Caucasus.

Résumé

De par leur origine profonde, les sédiments et les gaz rejetés par les volcans de boue sont des indices riches d'information pouvant être utilisés par les compagnies pétrolières lors des phases d'exploration, l'étude des paramètres géochimiques des fluides permettant d'évaluer et préciser le potentiel pétrolier régional. L'activité des volcans de boue est particulièrement intense dans les régions du Caucase, d'ouest en est : péninsule de Kerch en Crimée, Kuban en Russie et Azerbaïdjan, cette activité onshore se prolongeant en offshore : mer Noire à l'ouest et mer Caspienne à l'est. Une méthodologie d'échantillonnage et des protocoles analytiques ont été développés sur les volcans de boue onshore de ces régions et plus particulièrement appliqués sur le volcan de boue de Boulganack dans la péninsule de Kerch. Trois missions ont été organisées par l'IFP en 2000, 2001 et 2002 afin de récupérer des échantillons de boue et de gaz avec la contribution du Museum National d'Histoires Naturelles de Kiev. L'objectif était, d'une part, l'étude des variations spatiales des effluents des différents évents du volcan de Boulganack et, d'autre part, la réalisation de prélèvements hebdomadaires pour observer les variations temporelles dans les différents évents. Des techniques d'échantillonnage ont été developpées pour récupérer des sédiments non pas directement à la surface de l'évent mais en descendant un appareillage par gravité dans la cheminée du volcan de boue de façon à éviter les problèmes de biodégradation de surface qui peuvent altérer la qualité de l'échantillon. De même, pour les gaz émis sur les lacs de boue, un système a été mis au point pour créer une ligne de fluide depuis le lieu d'émission jusqu à la terre ferme. Deux des évents de Boulganack atteignent en effet de grandes profondeurs : 40 m à Pavlov et presque 20 m à Oldenburg. En ce qui concerne l'étude des gaz, les proportions de N₂, CO₂, H₂S, O₂ et hydrocarbures (méthane à butane) ont été mesurées. La composition des gaz varie d'un évent à l'autre. La majorité des évents de Boulganack rejette 90 % de méthane et 10 % de CO₂ avec une très faible présence d'hydrocarbures plus lourds (éthane) uniquement localisés sur l'évent d'Andrusov. Pavlov expulse autant de CO₂ que de méthane (50/50). De l'azote est quelquefois également enregistré (Pavlov, Obrudchev, Central Lake). Ces rejets sont interprétés comme étant thermogéniques (sécheresse du gaz, peu d'hydrocarbure). Comparé à cette grande variabilité spatiale (d'un évent à l'autre), les variations temporelles (enregistrement hebdomadaire) sont beaucoup plus faibles et peu significatives. Les quantités d'hydrocarbures libres, dans les sédiments extrudés par les volcans de boue de la province de Kerch comparées à ceux d'Azerbaïdjan montrent des teneurs beaucoup plus faibles dans les volcans de boue de Crimée. Les quantités d'hydrocarbures libres dans la boue semblent en outre être un critère déterminant permettant de classer les provinces pétrolières. Dans la péninsule de Kerch, les analyses par chromatographie des hydrocarbures des échantillons de surface présentent un fort taux de dégradation. En revanche, ceux prélevés en profondeur dans les gryphons ne sont pas biodégradés et ont une signature identique à celle de la formation du Maïkop avec une matière organique d'origine terrestre. La modélisation de la génèse des hydrocarbures confirme le rôle principal de la formation du Maïkop comme source effective des hydrocarbures. Toutefois, dans la péninsule de Kerch, les roches mères de type III seraient surtout favorables à la génèse de gaz.