Die Ablagerungsumgebung ist der wichtigste Faktor bei der Bestimmung der Arten von organischen Stoffen in einem Gestein. Es gibt nur zwei Arten von organischen Stoffen in Gesteinen: vom Land stammende und von Wasseralgen stammende. Hitze und Druck wandeln organisches Material in eine Substanz namens Humin und dann in Kerogen um. Zeit und Temperatur wandeln Kerogen in Erdöl um.

Was ist Kerogen?

Geochemiker definieren Kerogen als die Fraktion der organischen Bestandteile von Sedimentgestein, die in den üblichen organischen Lösungsmitteln unlöslich ist. Kerogene setzen sich aus einer Vielzahl von organischen Materialien zusammen, darunter Algen, Pollen, Holz, Vitrinit und strukturloses Material. Die Art der in einem Gestein vorhandenen Kerogene bestimmt weitgehend die Art der in diesem Gestein erzeugten Kohlenwasserstoffe. Die verschiedenen Kerogenarten enthalten unterschiedliche Mengen an Wasserstoff im Verhältnis zu Kohlenstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoffgehalt des Kerogens ist der ausschlaggebende Faktor für die Ausbeute an Öl bzw. Gas aus den primären kohlenwasserstofferzeugenden Reaktionen.

Strukturierte Kerogene umfassen holzige, krautige, vitrinitische und inertinitische Kerogene. Amorphe Kerogene sind bei weitem am weitesten verbreitet und umfassen den größten Teil des Algenmaterials.

Kerogenqualität

Van Krevelen-Diagramm.

Die Art des vorhandenen Kerogens bestimmt die Qualität des Ausgangsgesteins. Je ölhaltiger ein Kerogen ist, desto höher ist seine Qualität. In Sedimentgesteinen kommen vier Grundtypen von Kerogenen vor. In einem Ausgangsgestein kann ein einzelner Typ oder eine Mischung von Typen vorhanden sein. In der nachstehenden Tabelle sind diese vier grundlegenden Kerogentypen aufgeführt und definiert.

Parameterunterschiede

Die nachstehende Tabelle zeigt Beispiele für die Beziehungen zwischen den Kohlenwasserstoffbildungszonen, der Reife und dem Umwandlungsverhältnis für die Standardtypen II und III von Kerogenen auf der Grundlage eines spezifischen Modells für die Verschüttung und die thermische Geschichte. Der signifikanteste Unterschied liegt in der Tiefe bis zum Beginn der Ölbildung, wo 1000 m3,280.84 ft die Spitze der Ölfenster dieser beiden Kerogentypen trennen.

Transformationsverhältnis

Abbildung 1 . Copyright: Ergebnisse der Genex 1-D-Beckenmodellierungssoftware, mit freundlicher Genehmigung des Institute Français du Petrole.

Wenn wir die Kurven der Kohlenwasserstofferzeugung und des Umwandlungsverhältnisses aus 1-D-Modellen vergleichen, können wir eine Beziehung entwickeln, die derjenigen für die Erzeugungsreife ähnelt. Wenn Vitrinit-Reflexionsdaten verfügbar sind, kann die Beziehung zwischen Umwandlungsverhältnis und Reife verwendet werden, um (1) den Prozentsatz des Kerogens, das in einer bestimmten Tiefe Kohlenwasserstoffe gebildet hat, und (2) die Kohlenwasserstoffausbeute vorherzusagen.

Beispiel

Ausgehend von Abbildung 1 stellen wir fest, dass sich das modellierte Bohrloch in einer Tiefe von 2,6 km2.600 m
8.530,184 ft
102.362,26 in der Ölgewinnungszone befindet und etwa 25 % des Kerogens im Ausgangsgestein in dieser Tiefe Kohlenwasserstoffe gebildet hat. Aus der Beziehung zwischen Kohlenwasserstoffbildung und Reifung wissen wir, dass bei 2,6 km2,600 m
8.530,184 ft
102.362,26 in dieser Bohrung ein Vitrinit-Reflexionsgrad ( Ro) von 0,7 % vorliegt. Wenn eine andere Bohrung im Becken ähnliche Ausgangsgesteine enthält und bei 3,7 km3,700 m
12.139.108 ft
145.669.37 in einen Reifegrad von 0,7 % Ro aufweist, können wir vorhersagen, dass der Abschnitt bei 3,7 km3,700 m
12.139.108 ft
145.669.37 in für die Flüssigkeitsbildung reif ist und einen flüssigen Kohlenwasserstoff erzeugt hat, wobei etwa 25 % des Kerogens in Kohlenwasserstoffe umgewandelt wurden.

Kerogentypen

Die folgenden Beschreibungen der Kerogentypen zeigen ihren biologischen Input, die Stratigraphie und die Ablagerungsprozesse, die ihre ölgenerativen Eigenschaften kontrollieren. Kerogentypen werden anhand von H/C- und O/C-Werten (oder HI und OI von Rock-Eval) definiert. In thermisch unreifen Proben enthalten die chemisch extremen Kerogentypen I und IV (und damit die entsprechenden organischen Fazies A und D) Makeralien mit relativ einheitlichen chemischen Eigenschaften. Diese Endglieder werden von den wasserstoffreichsten und wasserstoffärmsten Bestandteilen dominiert. Andere Kerogentypen (und damit auch die entsprechenden organischen Fazies) sind häufig Mischungen von Makeralen. Die Mikroskopie ist die Methode der Wahl, um die Bestandteile gemischter organischer Stoffe zu unterscheiden.

Vor der Aufzählung der Kriterien zur Unterscheidung der Kerogentypen ist es wichtig, den „Mineralmatrixeffekt“ zu berücksichtigen. Einige mineralische Bestandteile (polarer Ton) verzögern die Freisetzung von Kohlenwasserstoffen aus pulverisierten Ganzgesteinsproben während der Rock-Eval-Pyrolyse, wodurch die Quantität, Qualität und die Daten zur thermischen Reifung unterbewertet werden. Obwohl dieser Faktor, der Mineralmatrixeffekt, organischen Geochemikern gut bekannt ist, wird er bei der Interpretation von Rock-Eval-abhängigen Werten, die zur Bestimmung des Kerogentyps und der organischen Fazies verwendet werden, häufig übersehen. Der Mineralmatrixeffekt tritt auf, wenn polare Tone mit polaren organischen Molekülen während des wasserfreien Rock-Eval-Verfahrens reagieren.

Abbildung 2 Modifiziertes Van-Krevelen-Diagramm für die organischen Fazies A bis D. (Nach Jones.)

Pioniere der Pyrolyse fanden heraus, dass einige Mineralien die Kohlenwasserstoffausscheidung während der Pyrolyse des gesamten Gesteins und nicht während der Kerogenpyrolyse hemmen. Die Wirkung der verschiedenen Matrixbestandteile variiert vom stärksten bis zum schwächsten: Illit > Ca-Bentonit > Kaolinit > Na-Bentonit > Calciumcarbonat > Gips. Variationen des Mineralmatrixeffekts im Zusammenhang mit dem organischen Reichtum treten in Ganzgesteinsproben mit TOC-Werten unter 10 % auf.

Geologische thermische Reifungsprozesse unterscheiden sich von denen der Rock-Eval-Pyrolyse. Rock-Eval-Ganzgesteinsproben werden in einer wasserfreien Umgebung schnell erhitzt. Geologische Vergrabungsprozesse bewirken, dass Tone physikalische und chemische Veränderungen erfahren, die in der Regel der langsamen und systematischen thermischen Umwandlung (Erzeugung) von Kerogen in Erdöl vorausgehen. Diese Veränderungen finden in wasserhaltigen Umgebungen statt, die wahrscheinlich die reaktiven Fähigkeiten von Tonen verringern, in der Regel bevor eine signifikante Kohlenwasserstoffbildung stattgefunden hat. Dennoch bleibt ein gewisses Maß an Mineralmatrixeffekt unter geologischen Bedingungen wahrscheinlich bestehen.

Kerogentyp I

Der Kerogentyp I besteht überwiegend aus der wasserstoffreichsten organischen Substanz, die in den Gesteinsunterlagen erhalten ist. Häufig handelt es sich bei der organischen Substanz um strukturlosen (amorphen) Alginit, der in unreifem Zustand im ultravioletten Licht (UV) goldgelb fluoresziert. Ein großer Teil des Kerogens vom Typ I kann thermisch in Erdöl umgewandelt werden und ist daher in thermisch reifem oder postreifem Gestein nur selten zu erkennen. Manchmal ist in thermisch unreifen Gesteinen morphologisch unterscheidbarer Alginit strukturell oder chemisch bestimmten Algen- oder Bakteriengattungen zuzuordnen. Diese Mikrofossilien mit organischen Wänden weisen hohe H/C-Werte auf, da sie Kohlenwasserstoffe auf biologische Weise gebildet haben. Einige Beispiele für reine Assemblagen mit Typ-I-Kerogen-Eigenschaften sind die folgenden: (1) die Seealge Botryococcus braunii, die manchmal ihre diagnostische koloniale Morphologie mit Becher und Stiel und/oder ihre einzigartige chemische Verbindung, Botryococcan, beibehält; (2) Tasmanites spp., ein Phyto-Plankton aus Meeresalgen mit niedrigem Salzgehalt und kühlem Wasser mit einzigartigen physikalischen Merkmalen; und (3) das marine organisch-wandige koloniale Mikrofossil Gloeocapsomorpha prisca aus dem Ordovizium mit seinem diagnostischen physikalischen Aussehen und seiner einzigartigen chemischen Signatur. Wo Kerogentyp I weit verbreitet ist, wird er als organische Fazies A kartiert. Er bildet sich in der Regel in geschichteten Wassersäulen von Seen, Ästuaren und Lagunen.

Kerogentyp I ist in kondensierten Abschnitten konzentriert, in denen der detritische Sedimenttransport gering und hauptsächlich pelagisch ist. Kondensierte Abschnitte treten in küstennahen Faziesbereichen von transgressiven Systemen in marinen und lakustrinen Umgebungen auf. Obwohl diese Ausweitung der Terminologie von marinen auf lakustrine Umgebungen zunächst ungewohnt sein mag, werden lakustrine Gesteine durch dieselben dynamischen Prozesse gebildet, die auch marine Gesteine bilden (d. h., (d.h. Sedimentzufuhr, Klima, Tektonik und Absenkung), obwohl Änderungen des Seespiegels oft eher lokale Änderungen des Abflusses, der Verdunstung und der Füllung von Sedimentbecken widerspiegeln als die globalen und relativen Änderungen des Meeresspiegels, die für marine Sedimente postuliert werden.

Kerogentyp II

Kerogentyp II in seiner reinen (monomazeralen) Form ist durch das relativ wasserstoffreiche makeralische Exinit gekennzeichnet. Beispiele sind Sporen und Pollen von Landpflanzen, vor allem marine Phytoplanktonzysten (Acritarchen und Dinoflagellaten) und einige Landpflanzenbestandteile wie Blatt- und Stammkutikula. Wie beim Kerogentyp I hängt das Auftreten des Kerogentyps II von einer hohen biologischen Produktivität, einer geringen mineralischen Verdünnung und einer eingeschränkten Sauerstoffzufuhr ab. Der reine exinitische Kerogentyp II ist in kondensierten Schnitten erhalten und stellt Makeralien dar, die etwas weniger wasserstoffreich sind als Kerogentyp I.

Kerogentyp II kann auch durch teilweisen Abbau von Kerogentyp I oder aus unterschiedlichen Mischungen von Typ I und den Typen II, III und IV gebildet werden. So kann beispielsweise organisches Material unterschiedlicher Herkunft miteinander kombiniert werden, etwa wenn planktonisches Algenmaterial in Sedimente fällt, die transportierte holzige Makeralien enthalten (Kerogentyp III). Kerogen des Typs II wird in transgressiven Systemen festgestellt, manchmal landwärts von Kerogen des Typs I.

Kerogen des Typs III

Kerogen des Typs III enthält genügend Wasserstoff, um gasbildend zu sein, aber nicht genug Wasserstoff, um ölhaltig zu sein. In seiner reinen Form besteht es aus Vitrinit, einem Makeral, das aus Landpflanzenholz gebildet wird. Wie bei anderen intermediären Kerogentypen können jedoch verschiedene Makeralmischungen oder Abbauprozesse zur Bildung von Kerogentyp III beitragen. In kohlebildenden Umgebungen gibt es mehrere verschiedene Kerogentypen. Die meisten Kohlen bilden sich in paralischen Sümpfen und verlassenen Flusskanälen. Vail et al. (in press) stellen fest, dass in Regionen, in denen das Sedimentangebot gering ist, eingeschnittene Täler diese Sedimente als Ablagerungen in Flussmündungen oder in der Küstenebene enthalten.

Kerogentyp IV

Kerogentyp IV ist ein Begriff, der von organischen Geochemikern nicht allgemein verwendet wird, weil es schwierig ist, Typ IV von Typ III nur mit Hilfe der Rock-Eval-Pyrolyse zu unterscheiden. Es handelt sich um ein inertes (keine Kohlenwasserstoffe erzeugendes) Endglied des Kohlenwasserstofferzeugungsspektrums. Kerogen Typ IV besteht aus wasserstoffarmen Bestandteilen wie Inertinit, d. h. detritischem organischem Material, das direkt durch thermische Reifung einschließlich Feuer (Holzkohle) oder durch biologisches oder sedimentologisches Recycling oxidiert wird.

Siehe auch

• Gesteinsanalyse mit Wasserstoffindex (HI) und Sauerstoffindex (OI)
• Kerogentyp und Qualität: Visuelle Bewertung
• Pyrolyse-Gaschromatographie
• Beziehungen zwischen Reifegrad und Kohlenwasserstofferzeugung
• Kerogentyp und Kohlenwasserstofferzeugung
• Kerogentyp und Reifegrad
• Kerogentyp und Umwandlungsverhältnis
• Modellierung der Erzeugung im offenen- vs. geschlossenes System
• Van-Krevelen-Diagramm
• Kerogentyp I
• Kerogentyp II
• Kerogentyp IIS
• Kerogentyp III
• Kerogentyp IV

Literatur finden über Kerogen

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