Original paper

Lithofacies and depth dependency of thermo- and petrophysical rock parameters of the Upper Jurassic geothermal carbonate reservoirs of the Molasse Basin

Homuth, Sebastian; Götz, Annette E.; Sass, Ingo

Abstract

In the early stages of hydrothermal reservoir exploration, the thermo-physical characterisation of the reservoir is accomplished by evaluating drilling data and seismic surveys. Especially in carbonate reservoirs, the distinction of different facies zones and heterogeneities in general is very complex. For economic reasons a sufficiently high flow rate toward the production well and an according high fluid temperature is necessary. For reservoir predictions and modelling, geothermal parameters such as permeability, thermal conductivity/diffusivity, and specific heat capacity have to be quantified. The thermophysical parameters are facies related. The application of a thermofacies classification to Upper Jurassic limestones serves to understand the heterogeneities and to identify production zones. Outcrop analogue studies enable the determination and correlation of facies related thermophysical parameters and structural geology data and thus the geothermal exploration concept becomes more precise and quantitative. The analogue outcrops of the Swabian and Franconian Alb represent the target formations of Upper Jurassic carbonate reservoirs in the adjacent Molasse Basin. These limestone formations contain the main flow paths through fractures, faults, and characteristic of limestone formations also through karstification. The type and grade of karstification is also facies related. In general, the matrix permeability has only a minor effect on the reservoir's sustainability except for some grainstones and dolomitised zones with higher porosities and permeabilities. Permeabilities range from 10 to 10 m (0.001 mD to 100 mD). The permeability range of mud- and wackestones is about the same. A high variation of thermophysical parameters is recognised within individual facies zones or stratigraphic units. Mud- and wackestones show thermal conductivities around 2 W/(mK), whilst mudstones have lower thermal conductivities than wackestones. The thermal conductivities of massive reefal limestones show values of 1.8 to 3.9 W/(mK). Secondarily silicified reefal limestones and dolomites show the highest values of thermal conductivity. These parameters determined on oven-dried samples have to be corrected for water-saturated rocks under the according temperature and pressure conditions using transfer models. A comparison of calculated reservoir properties with measurements from deep drill cores confirms a good correlation. Based on the investigation of the matrix parameters in combination with reservoir transfer models, the reservoir prognosis and numerical simulation can be improved. The facies related characterisation and prediction of reservoir formations is a powerful tool for the exploration, operation, extension and quality management of geothermal reservoirs in the Molasse Basin.

Kurzfassung

In der Planungsphase einer hydrothermalen Reservoirerkundung erfolgt die thermophysikalische Charakterisierung des Reservoirs durch die Auswertung von Bohrungsdaten und seismischen Erkundungen. Im Falle von Karbonat-reservoiren ist die Differenzierung von verschiedenen Faziesbereichen bzw. Heterogenitäten im Allgemeinen sehr komplex. Aus wirtschaftlichen Gründen ist eine hohe Förderrate der Produktionsbohrung und eine entsprechend hohe Fluidtemperatur notwendig. Für eine Reservoirprognose und -modellierung müssen die geothermischen Kennwerte wie Permeabilität, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität im Reservoir quantifiziert werden. Diese thermo- und petrophysikalischen Kennwerte sind faziesabhängig. Die Anwendung einer thermofaziellen Klassifikation auf die Karbonate des Oberen Jura dient hierbei zum besseren Verständnis der Heterogenitäten und zur Identifikation von Produktionszonen. Aufschlussanalogstudien ermöglichen hierbei die Bestimmung faziesabhängiger thermophysikalischer Kennwerte und deren Korrelation mit strukturgeologischen Daten, wodurch die geothermische Erkundung präziser und quantitativer wird. Die analogen Aufschlüsse der Schwäbischen und Fränkischen Alb repräsentieren die Zielformation der oberjurassischen Karbonatreservoire des angrenzenden Molassebeckens. Die Hauptzuflüsse in diesen Kalksteinformationen erfolgen durch Klüfte, Störungen und, charakteristisch für Kalksteine, durch Karststrukturen. Der Typ und der Grad der Verkarstung sind ebenfalls faziesabhängig. Prinzipiell hat die Gesteinspermeabilität sämtlicher untersuchter Karbonate aber nur einen geringen Anteil an der hydraulischen Reservoirnachhaltigkeit mit Ausnahme einiger Grainstones und dolomitisierter Bereiche, die höhere Porositäten und Permeabilitäten zeigen. Die Permeabilitäten reichen von 10-18 bis 10-13 m2 (0.001 mD bis 100 mD). Es wurde eine hohe Variabilität der thermophysikalischen Kennwerte innerhalb verschiedener Faziesbereiche bzw. stratigrafischer Einheiten festgestellt. Mud- und Wackestones zeigen Wärmeleitfähigkeiten um die 2 W/(mK), wobei Mudstones eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Wackestones bei gleichem Permeabilitätsbereich besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit der Massenkalke liegt zwischen 1,8 und 3,9 W/(mK). Sekundär silifizierte Riffzonen und Dolomite weisen die höchste Wärmeleitfähigkeit auf. Die Kennwerte werden an ofengetrockneten Gesteinsproben bestimmt und müssen für entsprechende wassergesättigte Reservoirbedingungen korrigiert werden. Dies erfolgt mittels verschiedener Transfermodelle. Ein Vergleich von prognostizierten Reservoirkennwerten mit gemessenen Kennwerten an Kernen aus Tiefbohrungen zeigt eine gute Übereinstimmung der Prognosewerte mit den tatsächlichen Bedingungen im Reservoir. Basierend auf der Untersuchung der Matrixkennwerte in Verbindung mit Reservoirtransfermodellen können sowohl die Reservoirprognose als auch die Grundlage für numerische Simulationen verbessert werden. Die faziesbezogene Charakterisierung und Prognose einzelner Reservoirhorizonte ist somit ein wirkungsvolles Instrument für die Erkundung, den Betrieb, die Erweiterung und Qualitätsüberwachung geothermischer Reservoire im Molassebecken.

Keywords

geothermal energymolasse basinoutcrop analogue studyreservoir characterisationthermofaciesthermophysical parametersupper jurassic