Improvements on numerical modeling of an atypical petroleum systems in Parnaíba Basin, NE Brazil : integration of organic-inorganic thermal indicators based on vitrinite

Abstract

Resumo: A Bacia do Parnaíba, localizada no nordeste do Brasil, é uma bacia intra-cratônica, multifásica, de idade Paleozoica, que contém inúmeros campos de gás natural, gerados na Formação Pimenteiras, do Devoniano, um sistema petrolífero atípico, onde a maturação da rocha fonte e os mecanismos de formação de trapas são causados pelo Evento Magmático do Atlântico Central (CAMP), de idade Neo Triássica. A modelagem numérica de sistemas petrolíferos em ambientes atípicos é um processo desafiador devido ao número de variáveis adicionais e desconhecidas que precisam ser modeladas. As incertezas relacionadas à idade e sequência das intrusões magmáticas, às propriedades térmicas do magma, à escassez e qualidade dos parâmetros orgânicos de calibração térmica e ausência de esquemas cinéticos adequados podem levar a previsões incorretas sobre a transformação das rochas geradoras, bem como na estimativa de fase e composição das acumulações de hidrocarbonetos modeladas. Esta tese apresenta resultados inovadores em três linhas principais de pesquisa: 1) Aquisição de novos dados orgânicos e geoquímicos, como carbono orgânico total (TOC), pirólise e vitrinita dos níveis enriquecidos em matéria orgânica da Formação Pimenteiras; 2) Estabelecimento de um esquema cinético composicional específico para a rocha geradora da Formação Pimenteiras e subsequente implementação no simulador numérico 3D de sistemas petrolíferos 3) Estudo das variações da cristalização da ilita (índice de Kubler) ao longo do perfil de três poços da bacia, com o objetivo de entender o impacto do calor devido às intrusões magmáticas sobre os minerais argilosos, utilizando um extenso conjunto de dados de difração de raios-X. Os resultados dos dados geoquímicos demonstram o impacto das intrusões de soleiras de diabásio sobre o perfil de maturação, levando a valores de reflectância de vitrinita acima de 5% de Ro, no campo de sobre maturação, também mostrando uma importante redução nos valores de TOC. A escassez de partículas de vitrinita e a ampla gama de maturidade indicam a dificuldade de usar a reflectância de vitrinita como um único indicador da maturação da rocha geradora. Os resultados cinéticos mostraram uma distribuição estreita da energia de ativação (entre 50-56 kcal/mol), em linha com uma estrutura homogênea do querogênio. A análise do pirolisados corrobora com a deposição de matéria orgânica algal/bacteriana em um ambiente predominantemente marinho, de querogênio do Tipo II. A implementação do esquema cinético no simulador numérico e a comparação com um esquema cinético análogo, de uma rocha geradora Devoniana da América do Norte (Woodford Shale), mostrou diferenças de -66,6%, -19,5% e -0,8%, respectivamente, para os ORL’s A, B e C, nas massas de petróleo geradas, indicando um efeito substancial do esquema cinético nas previsões da modelagem numérica. A análise dos dados de difração de raios-X na fração argila, com ênfase na decomposição do pico 10A, permitiu a individualização das fases de moscovita/mica detríticas das fases de ilita neo formadas pelo metamorfismo de contato. O Índice de Kubler (largura total no máximo de largura – FWHM, na sigla em inglês), medido no pico associado à ilita, mostrou uma correlação consistente com a reflectância de vitrinita, permitindo a melhoria na calibração térmica dos modelos numéricos

Abstract: The Parnaíba Basin, located in northeastern Brazil, is an intra-cratonic, multi-phase Paleozoic basin that hosts a considerable number of natural gas fields sourced from the Devonian Pimenteiras Formation. It is an atypical petroleum system, where source rock maturation and trap formation mechanisms are driven by the Central Atlantic Magmatic Event (CAMP), which occurred during the Late Triassic. Numerical modeling of petroleum systems in such atypical environments is a challenging process due to the numerous additional unknown variables that must be accounted for. Uncertainties related to the timing and age of magmatic intrusions, thermal properties of the magma, the scarcity and quality of organic thermal calibration parameters, and appropriate kinetic schemes can lead to inaccurate predictions of source rock transformation as well as the phase and composition of predicted hydrocarbon accumulations. This thesis presents novel results in three main areas of research: 1) Acquisition of a new dataset of organic geochemical parameters, such as total organic carbon (TOC), pyrolysis data, and vitrinite reflectance, from the organic-rich layers (ORLs) of the Pimenteiras Formation; 2) The establishment of a specific compositional kinetic scheme for the Pimenteiras Formation source rock and its implementation into a 3D petroleum system modeling (PSM) simulator; and; 3) The investigation of illite crystallinity variations (Kübler Index) across profiles from three wells in the basin, to investigate and understand the impact of magmatic heating on clay minerals, using an extensive dataset of X-ray diffraction (XRD) data. The geochemical data reveals the impact of magmatic sill intrusions on the maturation profiles, resulting in vitrinite reflectance values exceeding 5% of Ro, entering the overmature range, and showing significant reductions in TOC values. The scarcity of vitrinite particles and the wide thermal maturity range highlight the limitations of using vitrinite reflectance as a sole thermal maturity proxy. The kinetic analysis revealed a narrow activation energy distribution (between 50–56 kcal/mol), consistent with a homogeneous kerogen structure. Pyrolysate analysis supports the deposition of algal/bacterial organic matter in a dominantly marine, Type II kerogen environment. The implementation of the new kinetic scheme into the numerical simulator and its comparison with a North American Devonian source rock analogue (the Woodford Shale) showed differences of -66.6%, -19.5%, and - 0.8% in generated petroleum masses for ORLs A, B, and C, respectively, indicating the substantial impact of the kinetic scheme on PSM predictions. XRD analysis of the clay fraction, focusing on the decomposition of the 10Å peak, enabled the differentiation between detrital muscovite/mica and newly formed illite phases. The Kübler Index (full width at half maximum—FWHM), measured from the decomposed illite peak, showed a consistent correlation with vitrinite reflectance, enhancing the thermal calibration of numerical models