Compaction and cementation controls on reservoir quality in Buntsandstein red beds
Creators: name: Schmidt, Christina
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: diagenesis
bleaching
reservoir quality
Triassic red beds
lateral reservoir quality variation
porosity
permeability
lithofacies types

description: 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. 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 &gt;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.