Kompositionelle Veränderungen von Erdöl aufgrund von Expulsion und Migration im Erdölsystem des Zentralgrabens, Nordsee

The Mandal Formation, the principal source rock in the well-explored North Sea Central Graben, has been identified as a locally very inefficient expeller of its generated products, although having charged numerous petroleum accumulations in that basin. This unusual behaviour for marine shales makes the Mandal Formation an interesting natural laboratory to re-assess the factors controlling generated, retained and expelled fluid compositions as a function of maturity and kerogen type, and to unravel processes affecting compositional fractionation during expulsion and migration of different evaporative fractions. Aiming this, bulk chemical methods and compositionally ultra-highly resolving analyses have been applied to source rock samples, their solvent extracts and expelled crude oils. The Mandal Formation seems to be a typical marine source rock containing mainly Type II organic matter (OM) of marine algal origin with up to 12 % TOC content, a generation potential up to 647 mg HC/g TOC and generating a Paraffinic-Naphthenic-Aromatic Low Wax oil. Being mainly a function of maturity, aromaticities of the source rock pyrolysates vary within the same maturity levels. While retention of gaseous hydrocarbons is controlled by the pyrolysate’s aromaticity, i.e. by the amount of its cross-linked monoaromatic sites, oil retention is strongly dependent on the relative proportion of generated high-molecular weight (HMW) bituminous OM. The Mandal Formation behaves untypical in comparison to the marine Posidonia Shale, a source rock with high expulsion efficiency. The HMW OM fraction dominates the retained products and contains elevated oxygen contents. 2 to 6 O-atoms are incorporated in compounds with longer aliphatic chains and/or larger aromatic ring systems than observed in Posidonia Shale extracts. This might be due to variations in the paleogeography and palaeoclimate affecting the composition and relative contribution of microorganisms within the marine system. The dominance of highly polar, large and awkwardly shaped molecules can be seen as a limiting factor causing delayed expulsion until effective bulk fluid migration sets in during the main generation phase. Selected crude oils in the Central Graben contain less amounts of polar compounds than source rock extracts and are composed of lower polar constituents (N1 > O1 >> O2, N1O1). Maturity is the principal process affecting the composition of polar compounds as revealed by a coherent correlation with biomarker data. However, secondary migration promote the loss of most polar benzocarbazolic and phenolic homologues with shortest aliphatic side chains in oils from carbonate reservoirs which overly thick OM-poor shale packages and are charged from deeper source kitchens. Again it might be the activity of polar sites, the size and shape of migrating phase affect the chemical fractionation upon migration by mutual interaction of polar phases and surfaces. This has an impact on density and phase behaviour of crude oils and hence significantly influences the in-reservoir oil quality.Die Mandal Formation als Hauptmuttergestein im Zentralgraben der Nordsee wurde als ein Schwarzschiefer mit lokal hohem Retentionspotential seiner Geneseprodukte charakterisiert, obwohl zahlreiche Erdölfelder in diesem Becken erschlossen sind. Aufgrund dieses für marine Schiefer untypischen Verhaltens ist die Mandal Formation geeignet, um physikalisch-chemische Einflussfaktoren auf die Erdölzusammensetzung in Reservoiren und im Muttergestein in Abhängigkeit der thermischen Reife und des Kerogentyps des organischen Ausgangsmaterials in neuem Licht zu betrachten sowie einzelne Prozesse aufzutrennen, die die chemische Fraktionierung während der Expulsion und Migration verschiedener chemischer Komponentengruppen beeinflussen. Um dies zu erreichen wurden gesamtkompositionelle Methoden bis hin zu ultra-hochauflösenden Analysen an Muttergesteinen, deren extrahierbarer organischen Materie und an geförderten Erdölen durchgeführt. Die Mandal Formation scheint ein typisches marines Muttergestein zu sein, welches vorwiegend einen Kerogentyp II marinen Ursprungs mit <12 % TOC und einem Erdölgenesepotential von bis zu 647 mg HC/g TOC enthält, das ein Paraffinisch-Naphthenisch-Aromatisches Öl mit niedrigem Wachs-Gehalt generiert. Die Aromatizität der Muttergesteinspyrolysate, welche hauptsächlich von der thermischen Reife abhängt, variiert jedoch innerhalb der gleichen Reifestadien, und korreliert mit der Retention gasförmiger Kohlenwasserstoffe. Insbesondere die vernetzte, monoaromatische Oberfläche des Kerogens adsorbiert diese. Andererseits hängt die Retention flüssiger Bestandteile stark mit den relativen Anteilen der gebildeten bituminösen Erdöl-Komponenten innerhalb der hochmolekularen organischen Materie zusammen. Im Vergleich zum marinen Posidonienschiefer, einem Muttergestein mit hoher Expulsionseffizienz, verhält sich die Mandal Formation untypisch. Die Fraktion der HMW OM dominiert die zurückgehaltenen Produkte und enthält Komponenten mit 2 bis 6 Sauerstoff-Atomen, die durch längere aliphatische Ketten und größere aromatische Ringsysteme gekennzeichnet sind als Extrakte des Posidonienschiefers. Die ist wohl auf Variationen der paläogeographischen Gegebenheiten sowie im Paläoklima zurückzuführen, welche sich auf die Zellstruktur und den relativen Anteil von Mikroorganismen auswirken. Die Dominanz solcher hochpolaren, großen und bizarr geformten Moleküle in den Extrakten der Mandal Formation kann als Grund für die verzögerte Expulsion gesehen werden, deren Effizienz erst zum Beginn des Ölfensters steigt. Natürliche Erdöle in Reservoiren enthalten weniger polare Bestandteile als Muttergesteinsextrakte und diese sind zudem von niedrigerer Polarität (N1 > O1 >> O2, N1O1) gekennzeichnet. Biomarker-Daten und die der NSO-Fraktion zeigen, dass die thermische Reife die Erdölzusammensetzung am stärksten beeinflusst. Jedoch verursachen Migrationseffekte den Verlust der polarsten Benzocarbazole und Phenole mit kurzen aliphatischen Ketten in produzierten Ölen aus Karbonat-Reservoirgesteinen. Diese überlagern mächtige TOC-arme Schiefer und werden aus großen Tiefen gespeist. Aufgrund der Interaktion polarer Phasen im Erdölsystem liegt es nahe, dass die Größe und Form der migrierenden Moleküle, determiniert durch die Anzahl aromatischer Ringe und durch Kettenlängenverteilungen aliphatischen Kohlenstoffs, aber hauptsächlich die Aktivität der funktionellen, polaren Atome Auswirkungen auf die chemische Zusammensetzung der migrierten Erdöle haben. Dadurch verändern sich Dichte und Phasenverhalten der Öle, was sich signifikant auf deren Qualität im Reservoir und während der Förderung auswirkt