Multiscale heterogeneity analysis of shallow-water carbonate units: case studies in Jurassic outcrops of the Lusitanian Basin (Portugal) and Cretaceous reservoir of the Thamama Group, Rub Al Khali Basin (U.A.E.)

Abstract

Carbonate successions are known to show great heterogeneity in facies and rock properties. In subsurface cases, where data is limited to well locations and the complexity in petroleum reservoir modelling and management is relatively high, multi-scale integrated studies addressing the geological controls on rock property variability are indispensable and greatly beneficial. The analysis of outcrop case studies offers valuable insights into depositional controls on facies variability and, potentially, reservoir properties heterogeneity. In this context, three case studies are addressed in this work, two including outcrops from the Lusitanian Basin (LB), Portugal and one focusing on subsurface data from the Rub Al Khali Basin, U.A.E.: the Toarcian-Aalenian(?) carbonate-siliciclastic mixed succession of the CC5 Member of the upper Cabo Carvoeiro Formation (CC Fm.) in Peniche (western LB); the Bathonian-Callovian Santo António-Candeeiros Formation in the Maciço Calcário Estremenho (MCE) region (central LB), Portugal; and the Barremian Upper Kharaib Member (UKM) in the Abu Dhabi subsurface (U.A.E.). In general terms, the present study aims to offer further insight into the controls on facies and petrophysical properties heterogeneity, as well as the variability in depositional geometries. To achieve these objectives, multi-scale outcrop analysis was carried out, as well as semi-quantitative petrography and digital image analysis (DIA), including machine learning methods for pore type quantification in the subsurface case. A total of 312 thin sections were analysed from the Peniche outcrops, 2 offshore wells near Peniche and 4 onshore wells in Abu Dhabi. The topmost interval of the CC Fm. cropping out exclusively in Peniche, is characterized by a 160 m succession of oolitic-intraclastic grainstones with quartz, contrasting with the hemipelagic sediments of the coeval S. Gião Fm. in the LB onshore. A detailed facies classification scheme proved indispensable to reveal the subtle facies heterogeneity and cyclicity, allowing for 3 new sub-divisions to be proposed for the CC5 Member. Two nearby offshore wells were analysed (40-45 km to the south and 15-20 km to the north) to address the regional extension of this grainstone interval, interpreted in this study to have been deposited in infralittoral prograding wedges, which have very little expression at the well locations. Lateral facies variations through pinching-out, interfingering or gradation represent potential stratigraphic traps for hydrocarbons accumulations, considering the presence of Sinemurian-Pliensbachian mature source rocks and of potential seals. This Peniche succession might potentially be replicated in analogous settings in the Lusitanian and Peniche basins, offering opportunities for hydrocarbon exploration in the region. The Santo António-Candeeiros Fm. was analysed along freshly-cut quarry fronts at the MCE, allowing for the analysis of depositional features and geometries at levels of detail which are not possible in weathered outcrops. At Codaçal, the exposed Codaçal Member succession evolves from a basal interval characterized by tabular and large-scale wedge-like geometries with cross-bedding, through a section containing oo-bioclastic lenticular bodies, and into a top interval with isolated coral-rich biostrome mounds, laterally transitioning into decimetric grainstone-rudstones layers over short distances. Moderate to strong continuity of depositional packages is observed over large distances for the Codaçal and Pé da Pedreira members, but stronger lateral variability occurs at smaller centimetre/metre scale, especially observed in the Codaçal Member. The continuity of large-scale geobodies at greater observation scales and the strong small-scale variability provides further insight into the depositional controls on facies heterogeneity in this case and in the Abu Dhabi subsurface case, as there is moderate similarity between both cases. The UKM shows well-known vertical heterogeneity in facies and permeability, in contrast to total porosity, which show little variability. However, the controls on small-scale facies and petrographic heterogeneity are not fully understood. In the studied wells, small-scale, discontinuity-bounded fining-upwards intervals occur in the upper half of the UKM, to some extent controlling pore type distribution. These rhythmic intervals vary from well to well, indicating complex depositional geometry patterns and limited lateral extension of geobodies. The porous network is characterized by a dual-porosity system containing micro and macro-pores, where microporosity is the dominant fraction by volume. Such heterogeneity will have a strong impact on reservoir performance. Petrographic analysis and the quantification of pore types through DIA revealed that high permeability intervals correspond to well-sorted grainstones with higher interparticle macroporosity and very low to no interparticle cementation in the studied wells. The acquired observations and interpretations show the importance of performing an integrated semi-quantitative analysis, with attention given to small-scale variability in facies and geometries, as they provide valuable information to better understand the controls on carbonate heterogeneity. An improved understanding of these control factors will allow for the creation of more reliable reservoir models based on sound geological concepts.

RESUMO: As rochas carbonatadas são conhecidas pela forte heterogeneidade nos seus parâmetros petrográficos e petrofísicos. Em casos de subsuperfície, onde os dados são limitados a sondagens e onde existe uma grande complexidade no que respeita a modelação e gestão dos reservatórios, estudos multi-escala integrados incidindo sobre os controlos geológicos na variabilidade das propriedades da rocha são indispensáveis. Os casos de estudo em afloramentos oferecem informação importante no que respeita aos controlos deposicionais na variação de fácies e, potencialmente, das propriedades de reservatório. Neste sentido, três casos foram analisados neste projeto, dois incluindo afloramentos da Bacia Lusitânica (BL), Portugal, e um na subsuperfície da Bacia de Rub Al Khali, E.A.U.: a sucessão carbonatadasiliciclástica do Membro CC5 da Formação de Cabo Carvoeiro do Toarciano-Aaleniano(?) em Peniche (BL ocidental); a Formação de Santo António-Candeeiros do Batoniano-Caloviano na região do Maciço Calcário Estremenho (MCE) (BL central), Portugal; e o Membro Upper Kharaib (UKM) do Barremiano na subsuperfície de Abu Dhabi (E.A.U.). Em termos gerais, este estudo tem como objetivo principal oferecer um melhor entendimento dos controlos na heterogeneidade de fácies e de propriedades petrofísicas, assim como da variação de geometrias deposicionais. Para atingir estes objetivos, foram efetuadas uma análise multi-escala de afloramentos e uma análise petrográfica semi-quantitativa, incluindo análise digital de imagem (DIA) utilizando machine learning para a quantificação de tipos de porosidade no caso de Abu Dhabi. Foram analisadas 312 laminas delgadas dos afloramentos de Peniche, 2 sondagens no offshore próximas de Peniche e 4 sondagens no onshore de Abu Dhabi. A Formação de Cabo Carvoeiro observa-se exclusivamente em Peniche. O intervalo do topo caracteriza-se por uma sucessão de 160 m composta por grainstones oolíticos-intraclásticos com grãos de quartzo, em contraste com a sucessão de sedimentos hemipelágicos da Formação de São Gião na generalidade do onshore da BL. Um esquema de classificação de fácies detalhado mostrou-se indispensável ao revelar variações subtis e ciclicidade de fácies, permitindo a proposta de três novas subdivisões do Membro CC5. Duas sondagens no offshore foram analisadas (40-45 Km a sul e 15-20 Km a norte de Peniche) de modo a verificar a extensão regional das fácies grainstone observadas em Peniche. Esta sucessão foi interpretada neste estudo de acordo com um modelo de infralittoral prograding wedges e as fácies observadas não têm expressão significativa nas duas sondagens analisadas. As variações laterais de fácies através de biselamento, interdigitação ou gradação representam potenciais armadilhas estratigráficas que poderão promover a acumulação de hidrocarbonetos, considerando que existem rochas potencialmente geradoras do Sinemuriano-Pliensbaquiano que terão gerado estes fluidos e unidades com potencial selante na região. Sucessões estratigráficas semelhantes à de Peniche poderão ocorrer em contextos análogos, nas bacias Lusitânica e de Peniche, oferecendo oportunidades na exploração de hidrocarbonetos na região. A Formação de Santo António-Candeeiros foi analisada ao longo de frentes recentes em pedreiras na região do MCE, permitindo a observação e interpretação de características e geometrias deposicionais a um nível de detalhe que não é possível em afloramentos deteriorados. No Codaçal, a sucessão aflorante do Membro do Codaçal evolui de um intervalo basal caracterizado por geometrias tabulares e em cunha a grande escala com estratificação cruzada, para um intervalo de corpos lenticulares oo-bioclásticos e, para o topo, biostromas isolados ricos em corais, que passam lateralmente a intercalações decimétricas de grainstones e rudstones. A grande escala, observa-se a continuidade lateral de pacotes deposicionais nos membros de Codaçal e Pé da Pedreira. No entanto, a pequena escala, verifica-se uma variabilidade forte de fácies e geometrias deposicionais. Esta forte continuidade de corpos a grande escala e a variabilidade a pequena escala observadas em afloramentos oferecem informação importante na interpretação do caso de estudo de Abu Dhabi, visto existir alguma semelhança entre estes dois casos. No UKM, a variação vertical de fácies e de permeabilidade é bem conhecida, em contraste com a porosidade total, que mostra baixa variabilidade. Contudo, os fatores que controlam a heterogeneidade petrofísica a pequena escala não são entendidos na sua totalidade. Nas sondagens estudadas, intervalos pouco espessos, delimitados por superfícies de descontinuidade e granulodecrescentes para o topo ocorrem na parte superior do UKM. Esta variação rítmica varia nas sondagens analisadas, indicando geometrias deposicionais complexas e uma extensão lateral limitada de corpos. A porosidade do reservatório caracterizase por um sistema de macro e microporosidade, onde esta última constitui a fração dominante da porosidade total. Esta heterogeneidade tem um forte impacto no comportamento do reservatório. A análise petrográfica e a quantificação dos tipos de porosidade através de DIA revelaram que os intervalos de alta permeabilidade correspondem a grainstones bem calibrados, com macroporosidade intergranular alta e fraca cimentação do espaço poroso. As observações e interpretações adquiridas mostram a importância em desenvolver estudos semiquantitativos integrados, com foco na variabilidade de fácies e geometrias deposicionais a pequena escala, visto oferecerem informação indispensável para obter um melhor entendimento da heterogeneidade em carbonatos. Tal permitirá o desenvolvimento de modelos de reservatório com maior precisão e incluindo informação geológica de maior detalhe.