Assessment of non-hydrocarbon gases generation in sedimentary basins

A methodological procedure and mathematical-physical formulation is developed both to characterize the main features of Thermo-chemical Sulphate Reduction (TSR) and Carbonate-Clay Reaction (CCR) and to estimate non-hydrocarbon gases generation in typical sedimentary conditions. TSR is a complex system of irreversible reactions not yet well understood, leading mainly to hydrogen sulphide (H2S) production, anhydrite dissolution and methane consumption. For this reason, in this thesis, preliminary investigations are conducted to evaluate key aspects of the process and three geochemical models physical-chemically associated with such aspects are created. Consequently, anhydrite conversion time is computed through the implementation of the three models. Since some parameters included in geochemical models are affected by uncertainty, the outputs are computed through a probabilistic approach. According to field natural observations and experimental works, the most suitable geochemical model is chosen on a reaction rate point of view. Subsequently, this latter is coupled to a one-dimensional compaction model in order to estimate probabilistically sulphur generation rate in a typical sedimentary basin history. Finally, the impact of pH, chemistry brine and the presence of a Fe- bearing mineral in the initial assemblage is evaluated on the speciation of sulphur generated through a sensitivity analysis. The thesis also focuses on the characterization of carbon dioxide generation as a consequence of Carbonate-Clay Reaction. CCR is a natural process occurring in a sedimentary environment where a carbonate mineral dissolution is enhanced by clay mineral presence, leading to CO2 generation. Previous works provide a reliable geochemical model that characterizes the process. Due to a scarcity of available data, thermodynamic parameters involved in the model are treated as uncertain variables. Therefore a stochastic approach is VII required. In this context, the thesis contributes to extend this geochemical model to new CCR formulations associated with different reaction pathways proposed in literature. Moreover, different assumptions on the initial mineral composition are evaluated. Including again the coupling procedure between the geochemical and the basin model, the following outcomes are obtained for each CCR considered in a probabilistic assessment: (i) probability of mechanism activation; (ii) estimation of depth at which the source of gas is located; (iii) quantification of the amount of CO2 generated, based on the assumption on mineralogy of the sediment involved in the basin formation process.

Nella presente tesi, si sono sviluppati una procedura metodologica e una formulazione matematico-fisica atti a caratterizzare gli aspetti principali della Thermo-chemical Sulphate Reduction (TSR) e della Carbonate-Clay Reaction (CCR) e a stimare la generazione di gas non idrocarburici in tipiche condizioni di bacino. Il processo di TSR è un sistema complesso di reazioni irreversibili non del tutto comprese, che portano alla produzione di acido solfidrico (H2S), alla dissoluzione dell’anidrite e al consumo di metano. Pertanto, in questo lavoro, sono state condotte indagini preliminari per valutare gli aspetti principali del processo e quindi sono stati realizzati tre diversi modelli geochimici associati a tali aspetti dal punto di vista fisico-chimico. Di conseguenza, l’implementazione dei tre modelli ha permesso di calcolare il tempo di conversione dell’anidrite. Siccome alcuni parametri inclusi nei modelli geochimici sono influenzati da incertezza, i risultati sono ottenuti tramite un approccio probabilistico. In accordo con le osservazioni di campo e di laboratorio, si è scelto il modello geochimico più adatto da un punto di vista di tempi di reazioni. Successivamente, tale modello è accoppato con un modello di compattazione di bacino mono-dimensionale per stimare in maniera probabilistica la generazione delle specie solforose in una tipica storia di bacino. Infine, si valuta l’impatto del pH, della composizione dell’acqua interstiziale e della presenza di un minerale ferroso nella composizione mineralogica iniziale rispetto alla speciazione delle specie solforose prodotte, tramite un’analisi di sensitività. La tesi si concentra anche sulla caratterizzazione della generazione di CO2 in seguito al meccanismo di Carbonate-Clay Reaction. La CCR è un processo naturale che avviene in bacini sedimentari, nel quale la dissoluzione del minerale carbonato è incentivata dalla presenza di minerali argillosi, portando così alla formazione di CO2. IX Lavori precedenti forniscono un attendibile modello geochimico caratterizzante il meccanismo. A causa di una scarsità di dati disponibili, i parametri termodinamici coinvolti nel modello sono trattati come variabili incerte. Pertanto si utilizza un approccio stocastico. In questo contesto, la tesi contribuisce a estendere tale modello geochimico a nuove possibili formulazioni di CCR proposte in letteratura. Inoltre, sono state proposte differenti ipotesi sulla composizione mineralogica iniziale. La procedura modellistica, che include anche in questo caso l’accoppiamento con un modello di bacino, permette di valutare in un contesto probabilistico i seguenti risultati: (i) probabilità di attivazione del meccanismo; (ii) stima della profondità in cui la provenienza del gas è localizzata; (iii) quantificazione della CO2 generata, basandosi sull’ipotesi riguardante la mineralogia del sedimento coinvolta nel processo di formazione del bacino.