Microstructures and mineralogy of deformation bands in drill cores from the Matzen Hydrocarbon Reservoir, Austria
Creators: name: Kaiser, Jasmin Corin
Publisher: name: (:none)
Year: 2011

description: In porous sedimentary rocks, fault zones are frequently accompanied by deformation bands. These tabular zones of displacement indicate predominant grain rotation and in many cases grain fracturing. These mechanisms often result in a significant reduction of porosity and permeability. Deformation bands usually show displacements of only a few millimeters to centimeters, and similar thickness, and cannot be captured by seismic measurements. This study analyzed five core samples taken from a well in a hydrocarbon reservoir, the Matzen Field, of the Vienna Basin. The well is located near large normal faults. The samples were selected from depths between 1647.5m and 1656.5m, where deformation bands were identified. The Badenian terrigeneous Matzen sandstones contain predominantly quartz, feldspar and dolomite as sub-rounded, detrital grains bearing weak cementation. Normal faults with several tens to hundreds of meters of displacement are well documented from seismic sections, whereas deformation bands in this reservoir have not been studied in detail. These structures may be associated with a significant reduction in porosity, and may thus create barriers to the migration of hydrocarbons and result in a compartmentalization of the reservoir during migration, charging or production. Deformation bands occur as single bands of up to 4mm width, or as strands of several bands with up to 5cm thickness. Based on grain size analyses of detrital quartz, cataclastic grain size reduction within the bands can be documented. A reduction of porosity within the deformation bands can already be recognized macroscopically and is confirmed by image analysis from back-scattered electron (BSE) images. The porosity is reduced from 20-30% in the host rock to 1-9% in the deformation bands. In contrast to most published examples of deformation bands in terrigeneous sandstones, the reduction of porosity is predominantly caused by precipitation of Fe-dolomite cement within the bands, and only subordinately by cataclasis. The chemical composition of this cement differs from the detrital dolomite grains of the host rock. The dolomite cement shows 10-12wt% FeO content, in contrast to the detrital dolomite grains with less than 2wt% FeO. This observation suggests that the cement is not derived from the detrital grains, but precipitated from a fluid from an external source. In summary, the evolution of deformation bands in the Matzen reservoir can be characterized as follows: After an initial increase of porosity by dilation, disaggregation and fragmentation of detrital grains, a Fe-rich carbonate fluid crystallized within the bands, thereby reducing the porosity relative to the host sediment. Regarding the origin of the Fe-rich dolomite cement, it is postulated that fluids enriched in Fe and Mg originating from underlying shale layers were precipitated within the bands. Different degrees of oil staining on either side of the bands demonstrate that these cementation bands act as effective barriers to the migration of hydrocarbons and should be considered in reservoir models.
description: In porösen Sedimentgesteinen werden Störungszonen häufig von Deformation Bands begleitet. Diese flachen Versatzzonen zeigen vorrangig Kornrotation und in einigen Fällen Kornzerkleinerung. Diese Mechanismen haben oft zur Folge, dass es zu einer signifikanten Porositäts-und Permeabilitätsreduktion kommt. Für gewöhnlich zeigen Deformation Bands einen nur kleinen Versatz im Millimeter bis kleineren Zentimeterbereich, eine ähnliche Dicke und können durch seismische Messungen nicht erfasst werden. In dieser Studie wurden fünf Bohrkernproben des Kohlenwasserstoffreservoirs im Wiener Becken, dem Matzen Feld, analysiert. Die Bohrung findet sich nahe einer großen Abschiebung und die ausgewählten Gesteinsproben wurden aus einer Tiefe von 1647,5m bis 1656,5m entnommen, wo Deformation Bands erkannt wurden. Die aus dem Badenium stammenden terrigenen Matzen Sandsteine enthalten überwiegend Quarz, Feldspat und Dolomit, in Form angerundeter, detritärer Körner und sind kaum zementiert. Abschiebungen mit mehreren Zehnern bis Hunderten Metern Versatz sind anhand seismischer Untersuchungen gut dokumentiert, allerdings wurden Deformation Bands in diesem Reservoir nicht im Detail untersucht. Diese Strukturen können mit einer signifikanten Porositätsreduktion assoziiert werden und können demzufolge Barrieren für das Migrieren der Kohlenwasserstoffe bilden. Daraus ergeben sie eine Kompartmentierung des Reservoirs während der Migration, Anreicherung oder Produktion. Deformation Bands treten als einzelne Bänder von bis zu 4mm Breite, oder im Verbund mit einer Dicke von bis zu 5cm auf. Basierend auf Korngrößenanalysen detritärer Quarzkörner kann eine kataklastische Korngrößenreduktion innerhalb der Bänder dokumentiert werden. Eine Porositätsreduktion innerhalb der Deformation Bands ist makroskopisch erkennbar und wird durch Bildanalysen von Back-scattered electron (BSE) Bildern bestätigt. Die Porosität wird vermindert von 20-30% im Muttergestein auf 1-9% in den Deformation Bands. Im Gegensatz zu häufig publizierten Beispielen von Deformation Bands in terrigenen Sandsteinen wird in diesem Fall die Porositätsreduktion hauptsächlich durch Beteiligung von Fe-Dolomitzementen innerhalb der Bands verursacht und nur untergeordnet durch Kataklase. Die chemische Zusammensetzung des Zements unterscheidet sich von detritären Dolomitkörnern im Nebengestein. Der Dolomitzement zeigt einen FeO-Gehalt von 10-12wt%, im Gegensatz zu den detritären Dolomitkörnern, die weniger als 2wt% FeO aufweisen. Diese Beobachtung weist darauf hin, dass der Zement nicht durch die Auflösung und Rekristallisation detritärer Dolomitkörner gebildet wurde, sondern von einem Fluid einer externen Quelle stammt. Zusammenfassend kann die Bildung der Deformation Bands im Reservoir Matzen folgendermaßen charakterisiert werden: Nach einer anfänglichen Porositätszunahme durch Ausdehnung, Auflockerung und Fragmentierung der detritären Körner, kristallisierte ein Fe-reiches Karbonatfluid innerhalb der Bands aus, wobei es zu einer Porositätsreduktion relativ zum Nebengestein kam. Die Fe und Mg- reichen Fluids stammen wahrscheinlich aus darunter liegenden Tonschichten. Unterschiedliche Ölsättigungen auf beiden Seiten der Bänder demonstrieren, dass diese Zementationsbänder als effektive Barrieren für die Migration von Kohlenwasserstoffen agieren und deshalb in Reservoirmodellen berücksichtigt werden sollten.