Caracterización petrofísica de las facies de areniscas de la Formación Cárdenas, Caracol y Méndez (Cretácico tardío); implicaciones para análogos de yacimientos de hidrocarburos y CO2

Abstract

"Dentro de las diferentes litologías, las areniscas son de gran interés para aplicaciones geológicas, por ejemplo: acuíferos, yacimientos de hidrocarburos, y recientemente como candidatas en almacenamiento de CO2. Existe una amplia cantidad de estudios sobre las características litológicas, petrográficas y sedimentológicas de las areniscas en México. Sin embargo, el acervo accesible sobre la información petrofísica de las areniscas es bastante reducido. El presente trabajo busca proveer nueva información sobre las características petrofísicas de tres unidades del Cretácico Superior, la formación Cárdenas y Formación Méndez (carbonatadas clásticas) y Formación Caracol (clástica). El trabajo de campo consistió en el levantamiento de secciones y recolección de 27 muestras en total, correspondientes a la Formación Cárdenas, al oriente del estado de San Luis Potosí, Formación Caracol al norte de la ciudad de San Luis Potosí y Formación Méndez al norte del estado de Querétaro. Del procesamiento de las muestras se obtuvieron: láminas delgadas para petrografía, cilindros para petrofísica básica y cubos menores a 1cm3 para un análisis de microscopía electrónica de barrido (MEB). A partir de las imágenes petrográficas se distinguieron siete facies diferentes: Arenisca, Arenisca Calcárea, Arenisca Feldespática, Arenisca Micrítica, Arenisca Micrítica con fósiles de esparita, Cuarzo Arenisca y Cuarzo Arenisca con fósiles de esparita. Las propiedades petrofísicas determinadas fueron: Porosidad efectiva, permeabilidad al aire, permeabilidad corregida, densidad de grano, volumen poroso y volumen de grano. Los resultados de porosidad (2.9 – 15.9 [%]) y permeabilidad (0.00 – 1.16 [mD]) indican que, en su conjunto, las unidades pueden denominarse como equivalentes a Areniscas Estrechas, con algunas variaciones. Este término ilustra la composición de las rocas y el tipo de comportamiento petrofísico. Las muestras procesadas de la Formación Méndez se catalogaron como facies de “Areniscas micríticas muy estrechas” (Φ = 2.327 - 14.415 [%]; k = 0.0 - 1.168 [mD]). Las muestras de la Formación Cárdenas como: “Areniscas Calcáreas muy estrechas” (Φ = 2.522 - 9.261 [%]; k = 0.005 - 0.155 xxii [mD]). Las muestras de la Formación Caracol como “Areniscas Feldespáticas Muy Estrechas” (Φ = 0.662 - 6.099[%]; k = 0.0 - 0.005 [mD]). En las imágenes de MEB se observó el contacto delgado entre la matriz y los clastos, rasgo que afecta directamente las propiedades de porosidad y permeabilidad. Con los datos de composición elemental (EDS) se determinó la composición semicuantitativa de la matriz con abundante CaCO3. Esta composición permitió inferir información de la diagénesis de la roca, así como la morfología brindó una representación visual de como el contacto-matriz afecta la permeabilidad en la roca. En general, los resultados obtenidos presentan porosidades y permeabilidades menores a las esperadas en areniscas del Cretácico al oriente de México, aunque en comparación con ejemplos internacionales, los resultados son similares a rocas productoras de la cuenca Ordos, formación triásica Yanchang, en China."

"Within the different lithologies, sandstones are of great interest for geological applications, such as aquifers, hydrocarbon reservoirs, and recently for industrial applications such as CO2 storage. There is a wide range of diverse studies on the lithological, petrographic, and sedimentological characteristics of sandstones in Mexico. However, the accessible information on petrophysical data of sandstones is quite limited compared to the extensive range of studies in the aforementioned areas. This work aims to provide new information on the petrophysical characteristics of three units from the Upper Cretaceous period, the Cárdenas Formation and Méndez Formation (clastic carbonates), and the Caracol Formation (clastic). Outcrops of these three formations were identified through the geological maps published by the Mexican Geological Service in the states of San Luis Potosí and Querétaro. Specifically, Cárdenas to the east of San Luis Potosí, Caracol to the north of the city of San Luis Potosí, and Mendez to the north of Querétaro. To characterize the properties, 27 samples were collected from 7 different locations. The comprehensive methodology includes the selection, collection, processing of the samples, and subsequent analysis of the obtained results. From the sample processing, thin sections for petrography, cylinders for basic petrophysics, and cubes smaller than 1 cm³ for scanning electron microscopy (SEM) analysis were obtained. The equipment used to obtain basic petrography data included a Helium Porosimeter (CoreTest PHI 220) and an Automated Permeameter (CoreTest AP 608), while the cubes were processed in the FEI - ESEM Quanta FEG - 250 equipment at the National Laboratory for Research in Nanoscience and Nanotechnology (LINAN). Seven different facies were distinguished from the petrographic images: Sandstone, Limestone Sandstone, Feldspathic Sandstone, Micritic Sandstone, Micritic Sandstone with sparry fossil, Quartz Arenite, and Quartz Arenite with sparry fossil. The determined petrophysical properties were: Effective porosity, air permeability, corrected permeability, grain density, porous volume, and grain volume. The most important data were porosity (2.9 - 15.9 [%]) and permeability (0.00 - 1.16 [mD]), and the facies were referred to as "Tight Sandstones." This term quickly illustrates the composition of the rocks and the expected petrophysical behavior of the analyzed rocks. The concept of "tight" refers to rocks with fine pore structures that result in low permeability and porosity. In this work, the processed samples from the Méndez Formation were classified as "Very tight micritic sandstones" (Φ =2.327 - 14.415 [%]; k = 0.0 - 1.168 [mD]). The samples from the Cárdenas Formation were classified as "Very tight limestone sandstones" (Φ = 2.522 - 9.261 [%]; k = 0.005 - 0.155 [mD]). The samples from the Caracol Formation were classified as "Very tight feldspathic sandstones" (Φ = 0.662 - 6.099 [%]; k = 0.0 - 0.005 [mD]). The SEM images revealed the contact between the matrix and the clasts, a feature that directly affects the porosity and permeability properties. The elemental composition data (EDS) determined the semi-quantitative composition of the matrix with abundant CaCO3. This composition allowed us to infer information about the rock's diagenesis, and the morphology provided a visual representation of how the matrix-clast contact affects fluid flow in the rock. In general, the results obtained show porosities and permeabilities lower than expected in Cretaceous sandstones in eastern Mexico, although compared to international examples, the results are similar to producing rocks from the Ordos basin, Yancheng Triassic formation, in China."