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École doctorale: RP2E (Ressources, Produits, Procédés et Environnements)
Collegium Sciences et Technologies
Laboratoire GeoRessources, BP 70239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy
Servicio Geológico Mexicano, Mexique.
THESE
Pour l’obtention du grade de docteur de l’Université de Lorraine
(Spécialité: Géosciences)
Par
Francisco De La O Burrola
Étude pétrographique et géochimique intégrée du charbon et de shale à
gaz du bassin Sabinas et de Chihuahua au nord du Mexique: estimation des
ressources en gaz méthane.
Présentée et soutenue publiquement le 14/12/13. 14h30
Composition du Jury :
Rapporteurs: M. Manuel Lemos De Sousa Professeur, CIAGEB, Universidad Fernando Pessoa,
Porto Portugal.
M. José Ramón Mas Mayoral Professeur, Facultad de Ciencias Geologicas,
Universidad Complutense de Madrid.
Directeur de thèse: M. Luis Martinez Professeur, Georessources, Université de Lorraine,
France
Examinateurs: M. Jacques Pironon DR-CNRS, Georessources, Universite de Lorraine,
France
invités: M. Angel Marquez Directeur du Minerales energeticos, SGM .
Mexique.
M. Rogelio Muñoz Cisneros Coordinateur de projet oriental, active intégrale
Burgos PEP-Pemex, Mexique.
M. Eduardo Gonzalez Professeur Universidad Nacional Autonoma de
México, Mexique
M. Luis Camacho Professeur, ESI, Universidad Autonoma de Coahuila.,
Mexique
Contenido
Contenido ...............................................................................................................................0
Résumé. .................................................................................................................................6
Abstract. .................................................................................................................................8
Resumen............................................................................................................................... 10
Introducción general ............................................................................................................. 12
Objetivos. ............................................................................................................................. 16
PARTE 1.- GENERALIDADES .......................................................................................... 18
CAPITULO 1.- Caracterización de la materia orgánica......................................................... 19
1.- Generalidades sobre la MO sedimentaria ..................................................................... 20
1.1.- La materia orgánica sedimentaria .............................................................................. 20
1.2.- El Kerógeno, Composición y Naturaleza ................................................................... 21
1.3.- Tipos de kerógeno ..................................................................................................... 22
1.4.- El kerógeno de tipo I ................................................................................................ 22
1.5.- El kerógeno de tipo II ............................................................................................... 22
1.6.- El kerógeno de tipo III .............................................................................................. 22
1.7.- El Diagrama de van Krevelen .................................................................................... 23
1.8. Evolución de la materia orgánica, (diagénesis, catagénesis y metagénesis) ................. 24
1.8.1.-La Diagénesis ...................................................................................................... 24
1.8.2.-La Catagénesis .................................................................................................... 25
1.8.3.-La Metagénesis .................................................................................................... 25
1.9.- El Carbón ..................................................................................................................... 26
1.9.1 Condiciones para explotar gas de carbón .................................................................. 27
1.9.2. Principales diferencias entre un yacimiento convencional (petróleo) y los yacimientos
de carbón .......................................................................................................................... 27
1.9.3 Génesis de gas en capas de carbón ............................................................................ 28
1.9.4. Rango del carbón..................................................................................................... 29
1.9.5. Los macerales del carbón ........................................................................................ 29
1.9.6. Litotipos .................................................................................................................. 30
1.10. Shale gas ..................................................................................................................... 31
CAPITULO 2 ....................................................................................................................... 33
Procesos analíticos utilizados................................................................................................ 33
2. Procesos analíticos utilizados ............................................................................................ 34
2.1. Introducción ............................................................................................................... 34
2.2. Preparación del muestreo ............................................................................................... 35
2.2.1.- Colección y preparación del muestreo .................................................................... 35
Francisco De La O Burrola.École doctorale: RP2E (Ressources, Produits, Procédés et Environnements). Collegium Sciences et
Technologies. Laboratoire GeoRessources, BP 70239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy. Servicio Geológico Mexicano, Mexique.
2.2.2. Preparación de briquetas .......................................................................................... 36
2.3. Métodos geoquímicos .................................................................................................... 37
2.3.1 - Pirólisis Rock-Eval® 6........................................................................................... 37
2.3.2.- Análisis Inmediato y Elemental .............................................................................. 39
2.3.3 - Isótopos δ13C en Gas de Carbón ............................................................................ 40
2.3.3.1.- Los Isotopos .................................................................................................... 40
2.3.3.2.- Principios básicos de espectrometría de masas ................................................. 42
2.3.3.3. Estándares internacionales de medición isotópica .............................................. 43
2.3.3.4.- Isotopía de C ................................................................................................... 44
2.3.3.5. Técnica de Extracción del gas en isotubos ......................................................... 45
2.4. Análisis de petrografía ................................................................................................... 46
2.4.1. Introducción ............................................................................................................ 46
2.5 - Petrografía Orgánica ..................................................................................................... 47
2.5.1. Poder reflector de la vitrinita ................................................................................... 47
2.5.2 Microscopia de fluorescencia de la materia orgánica ................................................ 51
2.5.3 Microscopia en fluorescencia de inclusiones fluidas ................................................. 52
2.5.4. Análisis de inclusiones fluidas ................................................................................. 52
2.5.5 - Análisis de Imágenes ............................................................................................. 56
2.5.6 - La Microscopia Electrónica de Barrido, (MEB)...................................................... 58
2.6. Modelado numérico ....................................................................................................... 59
2.6.1. Modelado numérico 1D ........................................................................................... 59
2.6.2. Modelado geoquímico 2D ....................................................................................... 60
PARTE 2 .............................................................................................................................. 62
GEOLOGIA DE LAS CUENCAS ESTUDIADAS ............................................................... 62
CAPITULO 3 ....................................................................................................................... 63
Geología de las cuencas de Sabinas y Chihuahua .................................................................. 63
3.1.- Marco Geológico regional de la Cuenca de Sabinas ...................................................... 64
3.2.- Marco geológico de la Cuenca de Sabinas .................................................................... 64
3.3.- Localización ................................................................................................................. 64
3.4.- Historia tectónica de la cuenca de Sabinas .................................................................... 65
3.4.1.- Fallas San Marcos y La Babia ................................................................................ 72
3.4.2.- Deformación y magmatismo Cenozoicos del norte de México ................................ 74
3.4.3.- Volcanismo alcalino intraplaca en la Cuenca de Sabinas ........................................ 75
3.4.4.- Historia geológica-sedimentaria de la región NE de México (Bloque de Coahuila,
Golfo de Sabinas y Península de Tamaulipas) ................................................................... 78
3.5. Estratigrafía de la Cuenca de Sabinas ............................................................................. 97
3.5.1. El Jurásico ............................................................................................................... 99
1
Étude pétrographique et géochimique intégrée du charbon et de shale à gaz du bassin Sabinas et de
Chihuahua au nord du Mexique: estimation des ressources en gaz méthane.
3.5.2. Formación La Casita, (Kimmeridgiano-Titoniano- Portlandiano) ............................ 99
3.5.3 Formación Olvido (Oxfordiano) ............................................................................. 100
3.6.- El Cretácico ................................................................................................................ 101
3.6.1.- Formación Menchaca (Berriasiano-Valanginiano) ................................................ 101
3.6.2 Formación Barril Viejo (Valanginiano) .................................................................. 102
3.6.3 Formación Padilla (Hauteriviano Medio-Superior) ................................................. 103
3.6.4. Formación La Mula, (Hauteriviano-Barremiano) ................................................... 104
3.6.5.- Formación La Virgen (Neocomiano Superior) ...................................................... 105
3.6.6- Formación Cupido (Barremiano Superior) ............................................................ 106
3.6.7. Formación La Peña (Aptiano Superior) .................................................................. 108
3.6.8. Formación Tamaulipas Superior, (Albiano-Cenomaniano) .................................... 109
3.6.9. Formación Kiamichi, (Albiano Medio-Superior) ................................................... 110
3.6.10. Formación Georgetown, (Cenomaniano) ............................................................. 111
3.6.11. Formación Del Río (Cenomaniano temprano) ...................................................... 113
3.6.12. Formación Buda, (Cretácico Tardío, Cenomaniano) ............................................ 113
3.6.13. Formación Eagle Ford, Cenomaniano-Turoniano ................................................. 116
3.6.14. Formación Austin, Coniaciano- Santoniano ......................................................... 117
3.6.15. Formación Upson, (Grupo Taylor), Campaniano ................................................. 118
3.6.16. Formación Olmos, (Grupo Navarro), Maastrichtiano ........................................... 119
3.6.17. Formación San Miguel, (Campaniano Sup.) ......................................................... 121
3.6.18. Formación Escondido, (Grupo Navarro), Maastrichtiano ..................................... 122
3.7.- Los yacimientos de carbón mineral en la Cuenca de Sabinas ...................................... 124
3.7.1.- Características petrográficas y fisicoquímicas del carbón ..................................... 125
3.7.2.- La producción actual de carbón en la Cuenca de Sabinas ...................................... 126
3.8.- Sistemas de generación de gas en la cuenca de sabinas ............................................... 126
3.8.1.- El sistema generador del gas asociado a carbón (GAC) en la cuenca de Sabinas ... 127
3.9.- Sistema petrolero en la cuenca de Sabinas .................................................................. 128
3.9.1- Las Rocas Madres ................................................................................................. 129
3.9.2.- Las rocas reservorio y sello .................................................................................. 130
GENERALIDADES DE LA CUENCA DE CHIHUAHUA. .............................................. 131
3.10- La Cuenca de Chihuahua. .......................................................................................... 132
3.10.1.- Localización. ...................................................................................................... 133
3.11.- Marco Geológico de la Cuenca de Chihuahua ........................................................... 133
3.11.1.- La Cuenca de Chihuahua .................................................................................... 133
3.11.2.- Marco Geodinámico ........................................................................................... 134
3.12.- Geología Regional, (Estratigrafía) ............................................................................ 136
2
Francisco De La O Burrola.École doctorale: RP2E (Ressources, Produits, Procédés et Environnements). Collegium Sciences et
Technologies. Laboratoire GeoRessources, BP 70239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy. Servicio Geológico Mexicano, Mexique.
3.12.1.- Mesozoico .......................................................................................................... 137
3.12.2.- Triásico-Jurásico Medio ..................................................................................... 137
3.12.3- Conglomerado Polimíctico (TRJm Cgp) .............................................................. 137
3.13. Jurásico ...................................................................................................................... 137
3.13.1.- Formación La Casita (Jurásico Sup.) .................................................................. 137
3.13.2.- Cretácico Inferior ............................................................................................... 138
3.13.3.- Formación Navarrete .......................................................................................... 138
3.13.4.- Formación Las Vigas ......................................................................................... 139
3.13.5.- Formación Cuchillo: (Grupo Cuchillo), (La Virgen, Cupido y Peña) .................. 140
3.13.6.- Grupo Aurora. (Coyame, Benigno, Walnut y Finlay) ......................................... 142
3.13.7.- Formación Benavides ......................................................................................... 144
3.13.8.- Formación Loma de Plata ................................................................................... 145
3.13.9.- Grupo Washita ................................................................................................... 145
3.13.10.-Formación Ojinaga ............................................................................................ 146
3.13.11.- Formación San Carlos, Cretácico Tardío (Coniaciano-Maastrichtiano) ............. 147
3.13.12.- Formación Picacho ........................................................................................... 151
3.13.13.- Formación Sacramento ..................................................................................... 151
3.14.- Los Carbones de la Cuenca de Chihuahua ................................................................. 152
3.15. Sistema petrolero en la Cuenca de Chihuahua ............................................................ 153
3.15.1.- Rocas Generadoras ............................................................................................. 153
3.15.2.- Rocas Almacenadoras ........................................................................................ 153
PARTE 3. RESULTADOS ................................................................................................. 155
Capítulo 4. Campañas de muestreo para las cuencas de Sabinas y Chihuahua ..................... 156
4.1.- Campañas de muestreo ............................................................................................ 157
4.2.- Muestreo en la Cuenca de Sabinas .......................................................................... 157
4.3.- Muestreo de carbón ................................................................................................. 158
4.4.- Muestreo de gas de carbón ...................................................................................... 162
4.5 Muestreo en la Cuenca de Chihuahua ........................................................................ 164
4.5.1. Zonas de muestreo ......................................................................................... 165
Capítulo 5. Análisis petrográficos, geoquímicos y de modelado de la Cuenca de Sabinas ... 168
5.1.- Resultados de los análisis de laboratorio ..................................................................... 169
5.1.2 Análisis Geoquímicos............................................................................................. 169
5.1.3.- Pirólisis Rock-Eval® 6 (Bulkrock) de la Cuenca de Sabinas ................................ 169
5.1.4.- Estimación de “Gas-in-Place” para mantos de carbón, Cuenca Sabinas ................ 181
5.1.5.- Análisis elemental ................................................................................................ 183
5.1.6.- Isótopos δ13C en gas de carbón ........................................................................... 185
5.1.7.- Análisis petrográficos .......................................................................................... 190
3
Étude pétrographique et géochimique intégrée du charbon et de shale à gaz du bassin Sabinas et de
Chihuahua au nord du Mexique: estimation des ressources en gaz méthane.
5.1.8. Análisis de reflectancia.......................................................................................... 190
5.1.9.- Microscopia de Fluorescencia .............................................................................. 193
5.1.0.- Microscopia en transmisión y fluorescencia de inclusiones fluidas ....................... 195
5.2.- Modelado numérico de los sistemas generadores de gas natural profundos de la Cuenca
de Sabinas .......................................................................................................................... 199
5.2.1.- Modelado numérico de la Cuenca de Sabinas ....................................................... 199
5.2.2.- Determinación del flujo de calor .......................................................................... 221
5.2.2.1. Metodología para estimar el flujo de calor....................................................... 222
5.2.2.2. Resultados de la estimación del flujo de calor ................................................. 226
5.3; Resultados del modelo 1D ........................................................................................ 226
Capítulo 6 .Análisis petrográfico, geoquímicos y de modelado de la Cuenca de Chihuahua 229
6.1. Resultados de los análisis de laboratorio ...................................................................... 230
6.1.1 Análisis geoquímicos ............................................................................................. 230
6.1.2. Pirólisis Rock-Eval® 6 (Bulkrock) de la Cuenca de Chihuahua ............................. 230
6.1.3. Análisis elemental ................................................................................................. 243
6.1.4. - Isótopos δ13C en gas de carbón para la cuenca de Chihuahua ............................. 244
6.1.5. Análisis petrográficos ............................................................................................ 245
6.1.6. Determinación de la reflectancia ............................................................................ 245
6.1.7 – Microscopia de Fluorescencia .............................................................................. 248
6.2.- Modelado numérico de los sistemas generadores de gas natural profundo en la Cuenca de
Chihuahua .......................................................................................................................... 253
6.2.1.- Modelado numérico de la Cuenca de Chihuahua .................................................. 253
6.2.2.- Modelo cinético para la generación de hidrocarburos (aceite-gas). ....................... 257
6.2.3.- Determinación de la evolución del flujo de calor .................................................. 258
PARTE 4 ............................................................................................................................ 260
INTERPRETACIONES Y CONCLUSIONES GENERALES ............................................ 260
Capítulo 7 Interpretaciones y conclusiones de la cuenca de Sabinas .................................... 261
7.1.- Interpretaciones y conclusiones de la Cuenca de Sabinas ........................................ 262
7.2.- Conclusiones: ......................................................................................................... 265
7.3.- Recomendaciones ................................................................................................... 266
Capítulo 8 ........................................................................................................................... 268
Interpretaciones y conclusiones de la cuenca de Chihuahua .............................................. 268
8.1. Interpretaciones y conclusiones de la Cuenca de Chihuahua ........................................ 269
8.2. Conclusiones ............................................................................................................... 271
8.3.- Recomendaciones ....................................................................................................... 272
Capítulo 9. .......................................................................................................................... 273
4
Francisco De La O Burrola.École doctorale: RP2E (Ressources, Produits, Procédés et Environnements). Collegium Sciences et
Technologies. Laboratoire GeoRessources, BP 70239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy. Servicio Geológico Mexicano, Mexique.
Interpretación y conclusiones entre las dos cuencas (Sabinas y Chihuahua) ........................ 273
9.1. Síntesis entre las dos cuencas ....................................................................................... 274
Referencias bibliográficas................................................................................................... 275
Índice de figuras ................................................................................................................. 298
Índice de tablas ................................................................................................................... 306
Anexos. .............................................................................................................................. 308
5
Étude pétrographique et géochimique intégrée du charbon et de shale à gaz du bassin Sabinas et de
Chihuahua au nord du Mexique: estimation des ressources en gaz méthane.
Résumé.
Une étude de caractérisation intégrée de pétrographie et géochimie organique a été réalisée dans
les bassins de Sabinas et Chihuahua au Nord-Est du Mexique. Ces informations ont permis une
modélisation numérique de la formation du gaz en considérant la subsidence thermique des
charbons et des shales à gaz.
Les objectifs de cette thèse sont les suivants:
- Mise en place d’une méthodologie de caractérisation des roches étudiées
- Estimation du potentiel générateur de gaz et sa distribution régionale
- Estimation des ressources en gaz méthane
Pour le développement de ce projet, nous avons mené une campagne intensive
d'échantillonnage représentatif des charbons, shales carbonés et gaz «in situ». Pour le bassin de
Sabinas nous avons étudié 97 échantillons et 114 pour le bassin de Chihuahua.
Les analyses effectuées sur l’ensemble des échantillons ont permis de caractériser la roche, les
kérogènes, les huiles et les gaz. La méthodologie utilisée permet de croiser les informations
pétrographiques et géochimiques pour pouvoir analyser le système pétrolier par modélisation
numérique. Les analyses réalisées sont: réflectance% Ro, analyse élémentaire et immédiate,
Rock Eval6 ® (Bulk Rock), δ13C, δD, (gaz de charbon), microscopie électronique à balayage,
analyse d'images, analyse des macéraux et inclusions fluides.
Un programme informatique a été construit afin de croiser l’information des analyses des
échantillons avec celle des expériences de maturation artificielle en laboratoire. Cette démarche
nous à permis d’estimer les ressources en gaz méthane à la fois généré par les charbons et les
shales gaz.
Les principaux résultats obtenus pour le bassin de Sabinas sont les suivants:
- Le kérogène de la matière organique (MO) des charbons est de type III. Un mélange de
type III et de type II forme la matière organique des shales gaz.
- Les valeurs élevées d’IH des charbons, de 227 à 667 (avec une moyenne de 456) sont
pour la première fois signalées dans le bassin de Sabinas.
- Les valeurs de réflectance des charbons varient de 0,8 à 1,5% PRV, avec une moyenne
de 1,22% PRV.
- Les sous-bassins du nord sont les plus riches en matière organique avec des valeurs de
32 à 45% de COT.
- Une cartographie du gaz de charbon a été réalisée. Les courbes d’isovaleurs pour les
quantités estimées de méthane ont défini deux zones de production avec des valeurs
maximales: 3.9 à 5.5 m3 / t de charbon.
- Une estimation théorique de la production de gaz de charbon dans le bassin montre des
ressources de l’ordre de 221 361 milliards de pieds cubes PC.
- Les valeurs isotopiques mesurées à partir des échantillons de gaz «in situ» indiquent une
origine thermogénique.
Les principaux résultats obtenus pour le bassin de Chihuahua sont les suivants:
- Le kérogène de charbons de la formation San Carlos est de type III.
- La plupart des échantillons de la formation San Carlos sont au début de la fenêtre à huile
avec un taux de production d'hydrocarbures faible.
6
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