Quantitative analysis of carbonate sandbodies : outcrop analog study from an epicontinental basin (Triassic Germany)

Abstract

Scope This outcrop analog study aims to provide quantitative data concerning dimensions, spatial distribution, internal structure and poro-perm characteristics of carbonate shoal bodies on a carbonate ramp system. Shelly-oolitic carbonate bodies of the SW-German Upper Muschelkalk represent excellent outcrop analogs for hydrocarbon reservoirs in epeiric carbonate systems of the Middle East (e.g. Khuff, Hanifa, Arab).

Methods & data Sampling of a few thousand polished slabs and detailed sedimentological logging in 21 outcrops plus outcrop gamma-ray measurements constitute the data basis for facies & genetic stratigraphic analysis. The reservoir quality of carbonate shoal bodies was quantified by more than 650 poro-perm samples. Thin section investigations analyzed diagenetic effects on phi / k using cathodoluminescence microscopy. Regional high resolution sequence stratigraphic correlations highlight the architecture and geometry of carbonate shoals while facies- and poro-perm maps show the continuity, distribution and potential of reservoir bodies.

Results (* = Average values) • The best reservoir quality occurs in (1) shell hash grainstones (phi* = 15 %, k* = 45 mD) and (2) poorly sorted, bioclastic grainstones (phi* = 13 %, k* = 82 mD) on wind-sheltered leeward sides of the shoals, where primary porosity is preserved in addition to moldic porosity. • Stratigraphically, shoals occur in the top parts of meter-scale shallowing upward cycles. These stack vertically in large-scale transgressive and regressive trends, building multiple reservoir storeys. • In the course of the larger-scale regression, shoal reservoir bodies systematically increase in abundance, size and thickness and decrease during larger-scale transgression. • Length / thickness plots of shoal bodies show scattering, but also rough trends. Individual shoal reservoir bodies are up to 18 km x 8 km in extend and up to 2 m thick. • The best reservoir quality occurs during large-scale transgression due to the predominance of highly permeable shelly shoals in contrast to lower permeability of oolite shoal facies. • Shoal bodies preferentially occur on paleotectonic highs. These shallow-water areas were sites (1) of enhanced primary grain accumulation and (2) of secondary meteoric leaching during diagenesis. Shapes and elongations of the shoal bodies follow both predominant structural and paleocurrent patterns. • The most prominent porous and permeable shoals are situated on local, subtle present-day anticlines, separated by synclines. The prediction of shoal reservoir bodies may thus be possible by integration of detailed structural data.

Conclusion The present outcrop analog study demonstrates that the distribution, dimension and reservoir potential of investigated shoal bodies follows systematic stratigraphic / diagenetic and paleotectonic trends. The quantitative data are useful for both predicting the reservoir architecture in productive hydrocarbon provinces of the storm-dominated carbonate ramp type and for building static reservoir models

Der Rahmen Ziel dieser Aufschluß-Analog Studie war die Erforschung quantitativer Daten, wie Größe, räumliche Verteilung, innerer Aufbau und Poro-Perm Eigenschaften von Karbonat-Shoal-Körpern entlang einer Karbonatrampe. Die aus Schalen und Ooiden aufgebauten Karbonatkörper des Südwestdeutschen Oberen Muschelkalks sind hervorragend geeignete Aufschluß-Analog Beispiele für Kohlenwasserstoffspeicher in epeirischen Karbonat-Systemen des Mittleren Ostens (z.B. Khuff, Hanifa, Arab).

Methoden & Datenbasis Die Beprobung einiger tausend Anschliffe, sowie die ausführliche sedimentologische Aufnahme von 21 Aufschlüssen einschließlich ihrer Gamma-Ray Vermessung bilden die Datenbasis zur Fazies- und genetisch-stratigraphischen Analyse. Die Reservoirqualität der Karbonat-Shoal-Körper wurde anhand von mehr als 650 Poro-Perm Proben bestimmt. Der Einfluß der Diagenese auf Porosität (phi) und Permeabilität (k) wurde in Dünnschliff-untersuchungen, mit Hilfe der Kathodenlumineszenz-Mikroskopie analysiert. Regional hochauflösende sequenzstratigraphische Korrelationen verdeutlichen die Architektur und Geometrie der Karbonat-Shoals, während Fazies und Poro-Perm Karten Kontinuität, Verteilung und Potential der Reservoirkörper veranschaulichen.

Ergebnisse (* = Durchschnittswerte) • Die besten Reservoirqualitäten sind in (1) shell hash grainstones (phi* = 15 %, k* = 45 mD) und (2) schlecht sortierten, bioklastischen grainstones (phi* = 13 %, k* = 82 mD) an den windabgewandten, leewärtigen Seiten der Shoals zu finden. Dort bleibt primäre Porosität zusätzlich zur Lösungsporosität erhalten. • Stratigraphisch treten Shoals in den oberen Bereichen von Meter-maßstäblichen Verflachungszyklen auf. Diese stapeln sich vertikal und zeigen großmaßstäblich trangressive oder regressive Tendenzen, wobei mehrfache Reservoirstockwerke aufgebaut werden können. • Während einer großmaßstäblichen Regression nehmen Shoal-Reservoirkörper systematisch an Häufigkeit, Größe und Mächtigkeit zu, während sie im Laufe einer großmaßstäblichen Transgression abnehmen. • Länge- / Mächtigkeits-Verhältnisse von Shoal-Körpern streuen, dennoch sind grobe Trends erkennbar. Einzelne Shoal-Reservoirkörper erstrecken sich bis zu 18 km x 8 km und werden bis zu 2 m mächtig. • Die beste Reservoirqualität tritt während einer großmaßstäblichen Transgression auf. Dann überwiegen hochdurchlässige, aus Schalen aufgebauten Shoals, im Gegensatz zu einer oolitischen Shoal-Fazies mit niedriger Permeabilität. • Shoal-Körper sind bevorzugt an paläotektonisch erhöhten Positionen zu finden. Diese Flachwasser Bereiche sind Orte (1) erhöhter primärer Sedimentanhäufung und (2) erhöhter sekundärer, meteorischer Lösung während der Diagenese. Form und Ausdehnung der Shoal-Körper folgen überwiegend tektonischen Strukturen wie Paläoströmungsmustern. • Die porösesten und permeabelsten Shoals liegen auf lokalen, gegenwärtigen Antiklinalen und sind durch Synklinalen voneinander getrennt. Die Vorhersage von Shoal-Reservoirkörpern scheint somit durch Integration genauer tektonischer Daten möglich zu sein.

Zusammenfassung Die vorliegende Aufschluß-Analog Studie zeigt, daß Verteilung, Größe und Reservoirpotential der untersuchten Shoal-Körper systematisch stratigraphischen / diagenetischen und paläotektonischen Mustern folgt. Die quantitativen Daten sind sowohl zur Vorhersage der Reservoir-Architektur in produzierenden Kohlenwasserstoffgebieten des sturm-dominierten Karbonatrampen-Typs verwendbar, sowie zum Aufbau von Reservoir-Modellen nützlich.