Petroleum system analysis in the Persian Gulf region: geochemistry and numerical basin modeling

Baniasad, Alireza; Littke, Ralf (Thesis advisor); Sachsenhofer, Reinhard (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Die Region des Persischen Golfs auf der nordöstlichen Arabischen Platte ist eines der weltweit wichtigsten Kerngebiete für Energieressourcen mit einer langen Explorations- und Produktionsgeschichte, die bis ins frühe 20. Jahrhundert zurückreicht. In dieser Arbeit werden eine Reihe von Studien zur analytischen organischen Geochemie und numerischen Beckenmodellierung vorgestellt und teilweise kombiniert, um unser Verständnis über die Beckenentwicklung und Erdölsysteme der Region zu verbessern und künftige Explorationsentscheidungen zu erleichtern. Zudem wurden die Unsicherheiten der unterschiedlichen Methoden und Ergebnisse ermittelt und untersucht. Eine integrierte geochemische Studie der jurassisch-tertiären Lagerstättenöle wurde auf der Grundlage eines großen Datensatzes durchgeführt, mit dem Ziel aktive Kohlenwasserstoffsysteme in einem regionalen Kontext im Gebiet des Persischen Golfs zu analysieren. Der Datensatz besteht aus verschiedenen physikalischen, geochemischen, molekular-geochemischen Parametern sowie Daten zu stabilen Kohlenstoffisotopen von mehr als 500 Ölproben, die aus 11 verschiedenen Lagerstätten in 112 Ölfeldern entnommen wurden. Der Datensatz wurde aus Literaturdaten und aufgearbeiteten geochemischen- und Isotopen-Daten zusammengestellt und mit neuen Analysen ergänzt. Das Hauptziel bestand darin, die geochemischen Merkmale der Ölproben zu dokumentieren und geochemische Trends in der Region zu ermitteln, die als Leitfaden für künftige Studien dienen können. Die Differenzierung verschiedener Ölfamilien auf Grundlage von Biomarker-Verhältnissen und der multivariaten statistischen Modellierung, d.h. der Chemometrie, führte zur Klassifizierung der Ölproben in 2 Stämme, 6 Ölfamilien und 10 Unterfamilien. Familien/Unterfamilien mit möglicher gemischter Herkunft aus mehreren Muttergesteinen wurden mittels chemometrischer Analyse qualitativ identifiziert. Alter, Lithologie, Ablagerungsmilieu und die Art des organischen Materials der jeweiligen Muttergesteine der einzelnen Ölfamilien/Unterfamilien wurden aus ihren geochemischen Fingerabdrücken abgeleitet. Die regionale Ausdehnung der verschiedenen Familien wurde zur Untersuchung der möglichen Muttergesteine und der Migrationsrichtungen und -pfade herangezogen. Die Ergebnisse dieser organisch-geochemischen Studie wurden im Rahmen einer numerischen Beckenmodellierung mit dem Ziel angewandt, die Ergebnisse physikalisch zu erklären. Die Studie zur Beckenmodellierung konzentrierte sich auf den nordwestlichen Teil des Persischen Golfs vor der Küste des südwestlichen Irans in einem Gebiet von etwa 20.000 km2, welches das südliche Mesopotamische Becken umfasst. Diese Region stellt eines der kompliziertesten Erdölsysteme der nordöstlichen Arabischen Platte dar. Auf der Grundlage der Interpretation von 2700 km langen seismischen 2D-Linien wurde ein 3D-Konzeptmodell erstellt, das durch die Basis der Triashorizonte und den heutigen Meeresboden begrenzt ist. Es wurden Tiefen- und Mächtigkeitskarten erstellt, die mit Daten aus 20 Bohrungen verknüpft wurden. Das Wärmemodell wurde anhand der Temperatur- und Vitrinitreflexionsdaten von zehn Bohrlöchern kalibriert, wobei die wichtigsten Erosionsphasen und Phasen fehlender Ablagerung, sowie die zeitlich und räumlich variablen Wärmeflussverläufe berücksichtigt wurden. Veränderungen in der Sedimentzufuhr und der Mächtigkeitsentwicklung im Laufe der Zeit und ihre Beziehung zur tektonischen Entwicklung wurden eingehend untersucht. Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass die Zagros-Orogenese eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Versenkung und der thermischen Entwicklung sowie der Migration und Akkumulation von Kohlenwasserstoffen spielt. Der Binak-Trog und die Nördliche Senke, eine Fortsetzung der südirakischen Senke, wurden als lokale Gebiete der Haupt-Kohlenwasserstoffbildung identifiziert. Eine frühe Phase der Ölbildung zweier wichtiger Muttergesteine, des Neokom und des Alb, wurde zwischen der späten Kreide (90 Ma) und dem frühen Miozän (18 Ma) in verschiedenen Teilen der beiden "Erdölküchen" innerhalb des südlichen Mesopotamischen Beckens erreicht. Die Genese von Kohlenwasserstoffen könnte bis in die Gegenwart andauern. Die Modellierung der Fluidbewegungen lieferte weitere Informationen über die Migrationsmuster und ihre Variabilität in der Region. Die Richtung der Kohlenwasserstoffmigration und -akkumulation wird hauptsächlich durch die Geometrie der Schichten im Untergrund gesteuert. Während der späten Kreidezeit bis zum Miozän führte die Vertiefung des Beckens nach Süden dazu, dass sich die meisten Kohlenwasserstoffe in den nördlichen Teil des Beckens bewegten. Die letzte Phase der tektonischen Aktivität im Miozän und die dadurch verursachte Neigung und Vertiefung der Horizonte nach Nordosten führten zu einer Änderung der Hauptrichtung der Kohlenwasserstoffmigration nach Süden. Die Ergebnisse belegen außerdem das Vorhandensein von zwei bedeutenden Migrations-/Akkumulationsprozessen, nämlich die klassischen Migration nach der (strukturellen) Fallenbildung und die Re-Migration aus einem früheren Reservoir in eine später neu gebildete Struktur. Das Verständnis der zeitlichen Abfolge der Migrationsereignisse kann wesentlich dazu beitragen, sowohl die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffakkumulationen als auch gescheiterte Explorationsbemühungen in der Region zu erklären. Die Ergebnisse dieser Arbeit vermitteln ein umfassendes Bild der verschiedenen Erdölsysteme und ihrer Ausdehnung in der Region des Persischen Golfs und zeigen unterschiedliche Prozesse, die die räumliche Verteilung der Ölfamilien erklären. Die Ergebnisse können künftige Explorationsrisiken in der Region verringern, was insbesondere für stratigraphische und kombinierte strukturell-stratigraphische Fallen gilt. Diese Studie liefert zudem auch einige Hinweise für eine erfolgreiche Kohlenwasserstoffexploration in der Zukunft.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Geologie, Geochemie und Lagerstätten des Erdöls und der Kohle [532410]