Experimental Simulation of Hydrocarbon Expulsion

Stockhausen, Martin

Investigating generation, expulsion and primary migration usually suffers from inadequate methodologies, failing in the provision of natural conditions, prevailing during the genesis of oil and gas. Destructive sample preparation, inappropriate pressure regimes and pyrolysis in closed mode and/or in the absence of water caused results not representative for natural processes. To overcome these limitations, a newly designed apparatus was developed and built, capable to perform pyrolysis experiments with intact rock samples under pressure regimes, prevailing during catagenesis. In detail, lithostatic (or overburden-) pressures and hydrostatic (or pore-) pressures, corresponding to 3000 m depth and beyond, can be simulated by this apparatus, the “Expulsinator” device. Additionally, the experiments are conducted as hydrous, semi-open pyrolysis, allowing the time-based sampling of the expelled products. Thus, generation/expulsion profiles are generated for each investigated source-rock. Comparison of generation and expulsion efficiency of the Expulsinator with established pyrolysis methodologies (MSSV, HyPy, Rock Eval and closed small vessel pyrolysis (CSVP)) reveals striking differences: Expulsinator experiments yielded more bitumen and released lower gas amounts than classic pyrolysis. This is caused by secondary alteration of products in case of classic pyrolysis, e.g. oil to gas cracking at higher temperatures and polymerization to pyrobitumen. The open setup of the Expulsinator experiments prevents successfully secondary alteration, increasing the liquid product yields and lowering the gas formation. This is mirrored in TOC conversion rates as well: Expulsinator conversion exceeds 81 %, whereas those of hydrous CSVP remains at 65 %. Further, interactions between kerogen, bitumen, pyrobitumen and pyrite are reduced in case of Expulsinator experiments. In contrast, CSVP experiments residues show enrichment of nitrogen and oxygen and depletion of sulphur, indicating intense interaction between the mentioned components. Investigating the impact of catagenesis onto the yields and composition of expelled products was carried out by a stepwise experimental setup, simulating burial depths of ~2000 m, ~2500 m and 3000 m, implementing overburden pressures from 600 bar to 900 bar and hydrostatic pressures from 200 bar to 300 bar. Each experiment step shows a distinct expulsion maximum of liquid hydrocarbons, reaching the total maximum at 3000 m. Confrontation of Expulsinator results with comparative CSVP and MSSV experiments reveal expulsion and primary migration effects onto the n-alkane distribution in dependence of maturation and subsidence. An n-alkane increase towards larger molecular size with ongoing expulsion is associated with molecular size controlled retention effects. The expulsion progress is mirrored in trends of isoprenoid-ratios (pristane vs. phytane) and isoprenoid – n-alkane-ratios (pristane vs. n-C17), caused mainly by generation controlled effects. However, both ratios qualify as expulsion indicator, taking into account generation and expulsion are concurrent processes. Generation/expulsion classification is done with eight different source-rocks (two type-I, type-II (-I/II), type-IIS and type-III kerogens, each) with different lithologies, using the catagenesis experiment setup described above. Again, formation of pyrobitumen shows to affect the maturity assessment of the source-rock, increasing the measured Tmax in case of kerogen type-I samples, but decreasing the measured value for type-II and –IIS kerogens. Type-III kerogen shows earliest onset of generation, followed by type-IIS and –II kerogen and type-I kerogen with the latest generation onset. The early generation and the concomitant high expulsion rate, observed for type-III kerogen, is contrasted by results of natural systems where this kerogen type usually shows very low expulsion rates. The Expulsinator setup provides excellent expulsion conditions, leading to early release of generated hydrocarbons. In contrast, accumulation within the kerogen pore space and subsequent condensation to solid bitumen leads to low generation and expulsion in natural systems. Differences between the generation/expulsion profiles of the different source-rocks are not only caused by the nature of the organic matter, but the lithology of the rock sample as well. Sturdy lithologies with very high pressure resistance and low permeability lithologies show lowered expulsion efficiency. An increase of the CO2-yields with increasing temperatures and pressures was observed for lithologies with high inorganic carbon content.

Die Untersuchung von Öl- und Gas Expulsion und Migration wurde bisher durch unzureichende Methodiken erschwert, da Bedingungen, die während der Bildung freier Kohlenwasserstoffe vorherrschen, zumeist nicht oder nur teilweise durch diese Methodiken simuliert werden. Destruktive Probenvorbereitung, unzureichende Druckregime und Pyrolyse in geschlossenen Systemen und/oder in Abwesenheit von Wasser entsprechen nicht den Bedingungen natürlicher Prozesse. Um eine naturnahe Simulation der Generierung und Freisetzung von Öl und Gas zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Apparatur entwickelt, der „Expulsinator“, der eine wässrige Pyrolyse mit einem intakten Erdöl-Muttergestein unter Druckbedingungen durchführen kann, die während der Katagenese vorherrschen. Im Einzelnen ist es möglich, lithostatische und hydrostatische Drücke (oder Porendruck) bis zu einer Tiefe von 3000 m und darüber hinaus zu simulieren. Die wässrige Pyrolyse wird in einem semi-offenen Modus durchgeführt, was eine zeitbasierte Beprobung der freigesetzten Produkte ermöglicht. Dadurch können individuelle Generierungs-/Expulsions-Profile für jedes untersuchte Muttergestein erstellt werden. Ein Vergleich der Generierungs- und Expulsionseffizienz der Expulsinator-Versuche mit den Ergebnissen etablierter Pyrolyse-Methodiken (MSSV, HyPy, Rock Eval und closed small vessel pyrolysis (CSVP)) offenbart große Unterschiede. So wurden, verglichen zu klassischer Pyrolyse, durch Expulsinator-Versuche wesentlich größere Mengen an Bitumen generiert, bei gleichzeitig niedrigeren Gasmengen. Als Ursache werden sekundäre Abbaureaktionen gesehen, die im Falle der klassischen Pyrolysemethoden verstärkt zur Öl-zu-Gas Aufspaltung bei höheren Pyrolysetemperaturen und Polymerisation zu Pyrobitumen führen. Das offene Verfahren, das beim Expulsinator zur Anwendung kommt, verhindert dagegen sekundäre Reaktionen, was die Ausbeute flüssiger Produkte erhöht und gleichzeitig die Gasgenerierung reduziert, welches ebenfalls durch TOC Umwandlungsraten bestätigt wird: Während die Umwandlungsrate des Expulsinator-Versuchs 81 % übersteigt, erreicht die wässrige CSVP gerade einmal 65 %. Des Weiteren werden Reaktionen zwischen dem generierten Bitumen und dem verbleibenden Kerogen, dem Pyrobitumen und Pyrit im Falle des Expulsinators stark reduziert. Dagegen zeigt das Residuum von CSVP-Experimenten erhöhte Werte für Stickstoff und Sauerstoff sowie eine Abnahme an Schwefel, was ein Zeichen verstärkter Interaktion zwischen den oben genannten Komponenten ist. Um den Einfluss der Katagenese auf die Menge und Komposition der freigesetzten Pyrolyseprodukte zu untersuchen, wurde ein Experiment mit schrittweiser Erhöhung der Drücke (lithostatisch: 600 bis 900 bar, hydrostatisch: 200 bis 300 bar) und Temperatur gewählt, wodurch Versenkungstiefen von ~2000 m, ~2500 m und 3000 m simuliert wurden. Jede einzelne Stufe des Experiments zeigte für flüssige Kohlenwasserstoffe ein deutliches Expulsionsmaximum, wobei das Gesamtmaximum bei 3000 m erreicht wurde. Die Gegenüberstellung der Expulsinator-Experimente mit CSVP- und MSSV-Experimenten zeigt deutlich eine Auswirkung von Expulsion und primärer Migration auf die n-Alkan-Verteilung und zwar in Abhängigkeit der Reife und der Versenkung. Mit fortlaufender Expulsion konnte dabei eine Zunahme von n-Alkanen mit zunehmender Molekülgröße festgestellt werden, was klar im Zusammenhang mit durch Molekülgröße beeinflussten Zurückhaltungseffekten steht. Isoprenoid-Verhältnisse (Pristan vs. Phytan) und Isoprenoid- n-Alkan-Verhältnisse (Pristan vs. n-C17) zeigen Trends, die die Expulsionsentwicklung wiedergeben, was hauptsächlich durch Generierungseffekte beeinflusst wird. Allerdings eignen sich beide Verhältnisse dennoch als Expulsionsindikator, da Generierung und Expulsion zeitlich verbundene Prozesse sind. Um eine Klassifizierung von Generierung und Expulsion durchzuführen, wurden insgesamt acht lithologisch unterschiedliche Muttergesteine (jeweils zwei Typ-I, Typ-II (-I/II), Typ-IIS und Typ-III Kerogene) mit dem oben beschriebenen Versuchsaufbau verglichen. Auch hier zeigt sich, das Pyrobitumen entscheidend die Reifebewertung eines Muttergesteins beeinflussen kann. Dabei wurde durch Pyrobitumen der gemessene Tmax im Fall vom Kerogen Typ-I erhöht, bei Typ-II und –IIS allerdings erniedrigt. Typ-III Kerogen zeigte einen sehr frühen Generierungsbeginn, gefolgt von Typ-IIS und –II und zuletzt Typ-I Kerogen mit dem spätesten Beginn der Generierung. Damit stehen die beobachtete frühe Generierung und die begleitende hohe Expulsionrate beim Typ-III Kerogen im Wiederspruch zu Beobachtungen in natürlichen Systemen, wo dieser Kerogentyp eher niedrige Expulsionsraten zeigt. Die Ursache liegt in den idealen Expulsions-Bedingungen, die durch den Expulsinator bereitgestellt werden und zu früher Freisetzung der generierten Produkte führt. Dagegen verursacht im natürlichen System Akkumulation von Bitumen im Porenraum des Kerogens und nachfolgende Kondensation zu festem Bitumen zu geringer Generierung und Expulsion. Weitere Unterschiede zwischen den Generierungs/Expulsions-Profilen der unterschiedlichen Muttergesteine werden nicht nur durch die unterschiedliche Beschaffenheit des organischen Materials verursacht, sondern auch maßgeblich durch die unterschiedlichen Lithologien. So zeigen widerstandsfähige Litho-Typen mit hoher Druckresistenz und mit niedriger Permeabilität verringerte Expulsionsraten. Des Weiteren zeigen Lithologien mit hohem Karbonatanteil mit Temperatur und Druck zunehmende CO2-Mengen, was für einen hohen anorganischen Beitrag zum CO2 spricht.

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Stockhausen, Martin: Experimental Simulation of Hydrocarbon Expulsion.

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