THERMAL AND ORGANIC MATTER MODELING IN THE FAULT BEND FOLD AND FAULT PROPAGATION FOLD STRUCTURAL MODELS

Abstract

In Colombia the areas of greatest petroleum exploration interest are characterized by complex structure with folds and thrust faults where it is important to estimate the thermal effects of faults to evaluate organic matter maturity and hydrocarbon generation processes. Except for a software model recently developed by the French Petroleum Institute (Francois Roure personal communication), current and public domain one dimension models do not consider lateral or downward heat flow, which are of normal occurrence in these areas, in addition such models assume instantaneous fault movement contrary to geologic observations. For balanced cross sections with (1) fault bend folds and (2) fault propagation folds we model heat conduction from the basement and organic matter maturity; outputs of the model are temperature and organic matter maturity at each point of the sections at different times while deformation is occurring. Boundary conditions are: absence of lateral heat flow on the lateral border of the sections, constant heat flow at the bottom of the sections, and constant temperature at the surface of the earth. The heat conduction equation applied to the sections was solved by the finite element numerical method with the ANSYS software. The obtained results for different deformation rates are shown and analyzed. Results show lateral variations of temperature and organic matter maturity. Contrary to one dimensional models, the steady state in two dimensions is reached faster, it is cooler and the temperature inversion is shorter. The less deformation rate the less thermal anomaly. At the topographic peaks temperature and maturity are lower than in the valleys. The fault propagation section presents a depth maturity inversion more pronounced than in the fault bend fold model. Depth maturity inversion intensity depends on the ratio between the deformation time Td and the time passed just after deformation ceased Tp: Td /Tp. If this ratio is greater the depth maturity inversion will be greater. This paper shows the possibility to determine the organic matter distribution in a structural section with a known thermal and deformation history.

Translated abstract

En Colombia actualmente las áreas de mayor interés en la exploración de petróleo están caracterizadas por estructuras complejas con pliegues y fallas de cabalgamiento, donde es importante estimar los efectos térmicos que éstas producen, para evaluar los procesos de madurez de la materia orgánica y de generación de hidrocarburos. Los modelos corrientes en una dimensión no consideran la posibilidad de flujo de calor lateral o vertical hacia abajo, que es de esperar en estas áreas, y suponen desplazamiento instantáneo de las fallas, situación que contradice las observaciones geológicas. En este trabajo se modelan los procesos de conducción del calor proveniente del basamento y de maduración de la materia orgánica para secciones estructurales balanceadas con pliegues formados por diferentes mecanismos: (1) pliegue por flexión de falla y (2) pliegue por propagación de falla. Como resultado se obtiene la temperatura y la distribución de la madurez a medida que transcurre la deformación en cada punto de las secciones. Las condiciones de frontera son: ausencia de flujo lateral de calor en los extremos de las secciones, flujo de calor constante en la base de las secciones, y temperatura constante en la superficie de la tierra. La ecuación de conducción del calor sobre el dominio de las secciones estructurales se resolvió usando el método numérico de elementos finitos, por medio del paquete ANSYS, donde se muestran y analizan los resultados obtenidos para diferentes velocidades de deformación. Los resultados muestran variaciones laterales de temperatura y madurez de la materia orgánica. A diferencia de los modelos en una dimensión, el estado estacionario en dos dimensiones se alcanza más rápidamente, es más frío que en una dimensión y la inversión de temperatura no dura tanto tiempo como en una dimensión. A menor velocidad de deformación menor es la anomalía térmica. En los picos topográficos, la temperatura y madurez son menores que en los valles. La sección con pliegue por propagación de falla presenta una inversión del gradiente de madurez con la profundidad más pronunciada que el modelo de pliegue por flexión de falla. La intensidad de la inversión de la madurez con la profundidad depende de la relación entre el tiempo de duración de la deformación Td y el tiempo transcurrido después de la deformación Tp: Td /Tp. Cuando esta relación es mayor, la inversión de madurez con la profundidad es más intensa. Este trabajo muestra la posibilidad de determinar la distribución de madurez de la materia orgánica en una sección estructural, con una historia térmica y de deformación conocida.