Source rock evaluation in the Eastern Mediterranean Sea : An integrated approach of organic geochemistry, stratigraphic forward modeling and petroleum system modeling - Institut des Sciences de la Terre de Paris Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Source rock evaluation in the Eastern Mediterranean Sea : An integrated approach of organic geochemistry, stratigraphic forward modeling and petroleum system modeling

Évaluation des roches mères dans la mer méditerranée orientale : une approche intégrée de la géochimie organique, de la modélisation stratigraphique prospective et de la modélisation du système pétrolier

Résumé

The Eastern Mediterranean Sea represents one of the world’s most important hydrocarbon exploration areas. As one crucial element for the understanding and evaluation of petroleum systems, the focus of this thesis is the characterization of potential petroleum source rocks in the area. This includes three main tasks: the first one corresponds to the geochemical and petrographic analysis of previously unknown organic matter (OM)-rich rocks from onshore Cyprus and the ODP Leg 160 wells along the Eratosthenes Seamount (ESM) offshore southern Cyprus. The second part is dedicated to the numerical simulation of these and other source rocks in the greater area via stratigraphic forward modeling. And the last one corresponds to the thermal maturation of these source rocks, which was simulated via petroleum system modeling. At the ESM, OM occurs in dark mudstones in the Upper Cretaceous and Eocene. Upper Cretaceous samples show good source rock properties with average total organic carbon (TOC) contents of about 0.9wt.% and average hydrogen index (HI) values of 319 mg HC/g TOC. A cumulative thickness of around 11 m is observed in the investigated cores. Eocene samples show a fair quality over a cumulative thickness of about 30 m reaching very good quality in a 3 m thick interval in the Upper Eocene with average TOC contents of 4.8wt.% and HI values of about 469 mg HC/g TOC. Rock-Eval results, biomarker ratios, and microscopic investigations indicate mainly type II kerogen for all offshore samples. A positive correlation between the TOC and the total sulfur (TS) content, as well as pristane (Pr) over phytane (Ph) ratios < 2 suggest a deposition under upwelling related increased primary productivity and the formation of an extended oxygen minimum zone. Hence, the lateral extent of these source rocks is restricted to the closer surrounding of the ESM. Vitrinite reflectance (VRr) values ≤ 0.3% indicate thermal immaturity. Burial depth has never been much deeper than at present day. Onshore Cyprus, OM occurs within two geological formations (Fm.). In the Triassic Vlambouros Fm., thin clay layers are interbedded with meter thick sandstone units. OM is concentrated in the clay intervals with TOC contents of 1wt.% on average, but occurs also finely dispersed in the sandstones. HI values average 48 mg HC/g TOC. Microscopic analysis shows a dominance of higher land plants. Low TS/TOC and several biomarker ratios indicate oxygenated, fresh water conditions. VRr values ≤ 0.6% also indicate thermal immaturity. In the Miocene Pakhna Fm., OM occurs in the upper part of the Fm. in outcrops located east of the Troodos Mountain. OM is present in fine-grained, argillaceous mudstone layers of about 20 cm thickness intercalated with similar thick, coarser grained limestones. Average TOC contents and HI values are 4wt.% and 238 mg HC/g TOC, respectively and OM is thermally immature (VRr ≤ 0.5%). Based on Rock-Eval and biomarker results as well as microscopic investigation, the OM is interpreted as mainly marine type II kerogen with minor contributions of terrestrial type III material. TS/TOC ratios ≥ 2.8 and biomarker ratios indicate dys- to even anoxic marine conditions. A positive correlation between the amount of OM and the silicate content indicates that such conditions were reached during enhanced primary productivity controlled by clastic derived nutrient input. Stratigraphic forward modeling provides a best-fit model for Late Cretaceous, Eocene, and Oligo-Miocene source rocks in the Eastern Mediterranean. The model was calibrated by comparing simulated vs. actual thickness, simulated gross depositional environments (GDE) vs.published GDE maps, as well as simulated geochemical parameters vs. data obtained from rock samples of the ESM and the Levant Margin [...]
La Méditerranée orientale est l’une des plus importantes zones d’exploration d’hydrocarbures au monde. En tant qu’éléments cruciaux pour la compréhension et l’évaluation des systèmes pétroliers, les roches mères potentielles de la région et leur caractérisation sont le sujet central de cette thèse. Méthodologiquement, cette étude est articulée en trois étapes. La première correspond à l’analyse géochimique et pétrographique de roches riches en matières organiques (MO) provenant d’affleurements « onshore » échantillonnés à Chypre, et des puits de la campagne ODP 160 localisés tout au long du mont sous-marin dénommé « Eratosthenes Seamount (ESM) », situé au sud de Chypre. La deuxième partie est dédiée à la modélisation stratigraphique par simulation numérique de ces roches mères et d’autres roches mères potentielles de la région. Dans la troisième étape, la maturation thermique de ces roches mères a été simulée via les outils de modélisation de bassin. Au niveau de l'ESM, la MO se trouve dans les argiles noires du Crétacé supérieur et de l'Éocène. Les échantillons du Crétacé supérieur présentent de bonnes propriétés de roche mère avec une teneur moyenne en carbone organique total (COT) d'environ 0,9% en poids et des valeurs d'indice d'hydrogène moyen (IH) de 319 mg HC / g de COT. Une épaisseur cumulée d'environ 11 m est observée dans les carottes étudiées. Les échantillons de l'Éocène montrent une qualité moyenne sur une épaisseur cumulée d'environ 30 m et une très bonne qualité dans un intervalle de 3 m d'épaisseur dans l'Éocène supérieur avec des teneurs moyennes en COT de 4,8% en poids et des valeurs d'IH d'environ 469 mg de HC / g de COT. Les résultats Rock-Eval, les rapports de biomarqueurs et les études microscopiques indiquent principalement des kérogènes de type II pour tous les échantillons « offshore ». Une corrélation positive entre le COT et la teneur en soufre total (TS), ainsi que des rapports de pristane (Pr) sur phytane (Ph) <2, suggèrent un dépôt en conditions d’upwelling impliquant une augmentation de la productivité primaire et en conséquence la formation d'une zone à minimum d’oxygène. Ainsi, l'étendue latérale de ces roches mères est limitée à l'environnement le plus proche de l’ESM. Des valeurs de réflectance de la vitrinite (VRr) ≤ 0,3% indiquent une immaturité thermique et que la profondeur d'enfouissement ne peut pas avoir été beaucoup plus profonde qu'aujourd'hui. Sur la côte chypriote, la MO est présente dans deux formations géologiques. Dans la « Triassic Vlambouros » Fm., de fines couches d'argile sont intercalées avec des unités de grès d'un mètre d'épaisseur. La MO est concentrée dans les argiles avec une teneur moyenne en COT de 1% en poids, mais se trouve également dispersée dans les grès. Les valeurs d'IH sont en moyenne de 48 mg de HC / g de COT. Les valeurs d'indice d'oxygène élevé (OI), ainsi que l'analyse microscopique permettent d’identifier une MO issue de plantes terrestres supérieures. Un rapport TS / COT bas et plusieurs ratios de biomarqueurs indiquent des conditions d'eau fraîche oxygénée. Les valeurs de VRr ≤ 0,6% indiquent une immaturité thermique. Dans la Fm. Pakhna, d’âge Miocène, la MO se situe dans la partie supérieure de la formation dans les affleurements à l'est de la montagne Troodos. La MO est présente dans des couches de mudstone argileux à grain fin d'environ 20 cm d'épaisseur intercalées avec des calcaires d’épaisseur similaire et à gros grain. Les teneurs en COT et les valeurs d’IH sont de 4% en poids et 238 mg de HC / g de COT en moyenne, respectivement ; la MO est thermiquement immature (VRr ≤ 0,5%). Sur la base des résultats Rock-Eval et des biomarqueurs, ainsi que de observations au microscope, la MO est interprétée comme étant principalement un kérogène de type II marin avec des contributions mineures de matériel de type III terrestre. Les ratios TS / COT ≥ 2,8 et les rapports de biomarqueurs indiquent des environnements de dépôt dysoxiques voire anoxiques [...]
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04643258 , version 1 (10-07-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04643258 , version 1

Citer

Sebastian Grohmann. Source rock evaluation in the Eastern Mediterranean Sea : An integrated approach of organic geochemistry, stratigraphic forward modeling and petroleum system modeling. Applied geology. Sorbonne Université; Rheinisch-westfälische technische Hochschule (Aix-la-Chapelle, Allemagne), 2019. English. ⟨NNT : 2019SORUS690⟩. ⟨tel-04643258⟩
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