ABSTRACT

The history of hydrocarbon generation, expulsion and migration from the Upper Devonian Bakken and Mississippian Lodgepole source rocks in the Williston Basin has been successfully replicated by a 330-km long TEMISPACK model, running from the centre of Williston Basin to the Wapella oilfield in Saskatchewan. The model shows that oil generation is the cause of overpressures in the Bakken Fm., where shale vertical permeabilities must be as low as 10^-2-10^-3 nD when overpressures are around 15 MPa. Hydraulic fracturing threshold was not commonly reached. Yet, our model suggests that expulsion efficiencies are as high as 0.85. Observed very low Bakken shale porosities (0.03) are entirely consistent with this result. They seem to account for the unusually low S1/TOC values of mature Bakken source rocks, while the low storage capacity in Bakken shale pores explains why expulsion efficiencies are high. A model of secondary migration, constrained by a lithologically-based regional permeability structure, shows that the greatest portion of oil expelled from Bakken sources remains dispersed in Madison carbonates. In the model, a portion of the Bakken-sourced oils does accumulate, both in Bakken strata, where they are uniquely sourced by Bakken shales, and in the Madison reservoirs of the Nesson Anticline, where they mix with oils from Lodgepole sources. Model accumulations at the subcrop of the Madison Gp. are uniquely sourced by the Lodgepole Fm. These theoretical results agree with recently revised oil families attributes. Our study suggests that, within rich, mature source rocks of low permeability and porosity, most oil resides in the pore space, rather than being retained on the kerogen. Model results discount inferences that expulsion threshold of low permeability rocks is only a function of kerogen retention capacity. The source rock physical environment must also be accounted for. Finally, the assumption that expulsion occurs as a pressure-driven separate phase flow seems reasonable.

RESUME

Cette etude vise a expliquer l'histoire de la genese, de l'expulsion et de la migration des huiles formees dans les roches meres du Devonien Superieur-Mississippien (Fm. Bakken) et du Mississipien (Fm. Lodgepole) du bassin de Williston. Ces processus sont simules numeriquement a l'aide du modele bidimensionnel TEMISPACK de l'IFP, le long d'une coupe de 330 km situee entre le centre du bassin et le Sud du Saskatchewan. La genese d'huile apparait comme la seule cause des surpressions observees dans la roche mere Bakken. L'ajustement entre pressions observees (15 MPa) et calculees revele de tres faibles permeabilites verticales pour la Fm. Bakken, de l'ordre de 10^-2 a 10^-3 nD. Nos calculs confirment l'observation selon laquelle le taux d'expulsion depasserait 0.85 pour la Fm. Bakken. La tres faible porosite de la Fm. Bakken (de l'ordre de 0.03), observee et prise en compte dans nos modeles, nous semble expliquer a la fois la tres faible teneur en huile residuelle de la roche mere, et son fort taux d'expulsion. La modelisation de la migration secondaire des huiles part d'un modele regional de permeabilites assis sur la stratigraphie et les facies. Les simulations indiquent que l'huile expulsee par la Fm. Bakken se disperse dans l'important volume des carbonates du Gp. Madison, sans pouvoir se concentrer. Les saturations y sont trop faibles pour que ces huiles puissent migrer tres efficacement. Des huiles ayant pour origine la Fm. Bakken se melangent cependant en faible proportion avec les huiles expulsees par la Fm. Lodgepole dans les accumulations de la crete de l'anticlinal de Nesson. Au contraire, les accumulations localisees au droit du biseau du Gp. Madison ont pour seule origine la Fm. Lodgepole. La

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roche mere Bakken est a l'origine des huiles qui se sont accumulees en son sein. Ces correlations theoriques sont toutes en accord avec de recentes reinterpretations de l'origine des huiles accumulees au droit de l'Anticlinal de Nesson dans le Gp. Madison. Notre etude semble impliquer que dans des roches meres riches, matures, peu permeables et peu poreuses comme la Fm. Bakken, la plus grande partie de l'huile residuelle remplit l'espace des pores, plutot qu'elle ne s'adsorbe dans ou sur le kerogene. La seule definition d'un seuil de retention massique des HC sur le kerogene ne peut donc, a elle seule, predire le debut de l'expulsion pour des roches meres peu permeables. Notre etude tend par ailleurs a confirmer l'hypothese selon laquelle l'expulsion est un mecanisme de transport darceen, en phases eau et huile separees, dont le moteur est le gradient de potentiel hydraulique entre la roche-mere et le systeme de drainage.