Understanding the Controls on Formation of Authigenic Clay Minerals in Marginal Marine Settings: Insights from Hydrothermal-Reactor Experiments. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final PhD Thesis_Anas Muhammad Salisu v2.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 15 June 2026. Download (6MB)

Arabic Abstract

تتأثر السعة التخزينية، والقدرة على التسليم، وكفاءة استغلال الهيدروكربونات، وتخزين ثاني أكسيد الكربون، والتخزين الحديث للهيدروجين في الخزانات الرملية بشكل كبير بتغيرات جودة الخزان، التي تُعرف بالمسامية والنفاذية. في الصخور الرملية الهامشية البحرية، تلعب التحولات الدياجينية للمعادن الطينية المتكونة دورًا حاسمًا في التأثير على جودة الخزان. تختلف التركيبة النسيجية والتكوينية لهذه الصخور الرملية عبر البيئات الترسيبية الفرعية، مما يُولد تفاوتات كبيرة تؤثر بشكل ملحوظ على العمليات الدياجينية وجودة الخزان، مما يشكل تحديات كبيرة للتنبؤ الدقيق. وعلى الرغم من أن الدراسات الحديثة قد بحثت في العوامل التي تتحكم في وجود وتوزيع الطلاءات الطينية المتكونة في البيئات الهامشية البحرية الحديثة، إلا أن التغيرات الدياجينية لهذه الرواسب ودور المواد الأولية المتكونة في تكوين الطلاءات الطينية الأوثيجينية لا تزال غير مدروسة بشكل كافٍ. يؤدي هذا النقص غالبًا إلى نماذج تجريبية غير دقيقة في التنبؤ بجودة خزانات الصخور الرملية الهامشية البحرية القديمة. .يدمج هذا البحث بين الملاحظات الميدانية، والتجارب الهيدروحرارية، والتحليلات البتروغرافية، والجيوكيميائية، والفيزيائية للخزان لدراسة العوامل المتحكمة في تكوين المعادن الطينية الأوثيجينية في الأنظمة الهامشية البحرية الحديثة والقديمة. أُجريت تجارب هيدروحرارية لمحاكاة الدياجينيز الدفني باستخدام رواسب من مصبات أنليونس (إسبانيا) وجيروند (فرنسا)، إلى جانب صخور رملية ديفونية من عضو سوبات، تكوين جاوف (المملكة العربية السعودية). أُجريت هذه التجارب عند درجات حرارة تتراوح بين 50 و250 درجة مئوية لمدة تصل إلى 30 يومًا، باستخدام مجموعة متنوعة من السوائل الطبيعية والاصطناعية. تكشف النتائج أකي أن التركيبة المتكونة، والكيمياء السائلة، ودرجة الحرارة، والزمن هي العوامل الرئيسية المتحكمة في تكوين السيمكتايت، والإليت، والكلوريت. أدى الذوبان الأولي للكاولينايت والبوتاسيوم-فلسبار إلى ترسيب السيمكتايت عند 150-250 درجة مئوية من خلال عمليات الذوبان-التبلور، تلاها الإليتيزيشن فوق 200 درجة مئوية في السوائل الغنية بالبوتاسيوم. تطورت الكلوريتات الغنية بالمغنيسيوم والحديد من خلال تحول السيمكتايت في محاليل غنية بالمغنيسيوم والحديد. في المقابل، أنتجت السوائل القلوية العالية والغنية بالصوديوم زيوليتات وهاليت، مما يعكس مسارات دياجينية متباينة. أنتجت التجارب الهيدروحرارية مورفولوجيات وتركيبات طينية مماثلة لتلك الموجودة في خزانات الصخور الرملية الطبيعية. أظهرت التحليلات البتروغرافية والفيزيائية للخزان لصخور سوبات الرملية أن الإعدادات الترسيبية والعمليات الدياجينية تؤثر بشكل كبير على جودة الخزان. تُظهر الصخور الرملية النهرية-المصبية جيدة الفرز مسامية ونفاذية أعلى بسبب المحتوى المنخفض من المصفوفة المتكونة والتسميت المحدود، على عكس الفاسيس الساحلية-البحرية ضعيفة الفرز. توفر نتائج هذا البحث رؤى حاسمة حول الآليات المتحكمة في تكوين المعادن الطينية الأوثيجينية وتبرز آثارها في التنبؤ بجودة الخزانات في الصخور الرملية الهامشية البحرية، وهو أمر حيوي لاستكشاف الهيدروكربونات والانتقال إلى الطاقة المستدامة.

English Abstract

The storage capacity, deliverability, and effectiveness of hydrocarbon exploitation, CO₂ sequestration, and hydrogen storage in sandstone reservoirs are largely controlled by variations in reservoir quality (porosity and permeability). In marginal marine sandstones, the diagenetic transformation of detrital clay minerals plays a critical role in influencing reservoir quality. The detrital texture and composition of these sandstones vary across depositional sub-environments, creating heterogeneities that significantly affect diagenesis and, consequently, reservoir quality, posing significant challenges for accurate prediction. While recent studies have investigated the factors controlling the occurrence and distribution of detrital clay coatings in modern marginal marine settings, the diagenetic alteration of these sediments and the role of detrital precursors in forming authigenic clay coatings remain underexplored. This gap often leads to empirical models that inaccurately predict the quality of ancient marginal marine sandstone reservoirs. This research integrates field observations, hydrothermal experiments, petrography, geochemistry, and petrophysical analyses to investigate the controls on authigenic clay formation in modern and ancient marginal marine systems. Hydrothermal experiments simulating burial diagenesis were conducted using sediments from the Anllóns (Spain) and Gironde (France) estuaries, as well as Devonian sandstones from the Subbat Member of the Jauf Formation (Saudi Arabia). These experiments were performed at temperatures ranging from 50°C to 250°C for up to 30 days, using a variety of natural and synthetic fluids. The findings reveal that detrital composition, fluid chemistry, temperature, and time are key controls on the formation of smectite, illite, and chlorite. Initial dissolution of detrital kaolinite and K-feldspar triggered smectite precipitation at 150–250°C via dissolution–crystallization processes, followed by illitization above 200°C in K-rich fluids. Mg- and Fe-bearing chlorites developed through smectite transformation in Mg- and Fe-rich solutions. In contrast, highly alkaline and Na-rich fluids produced zeolites and halite, reflecting divergent diagenetic pathways. The hydrothermal experiments yielded clay morphologies and compositions comparable to those found in natural sandstone reservoirs. Petrographic and petrophysical analyses of the Subbat sandstones demonstrated that depositional settings and diagenetic processes significantly influence reservoir quality. Well-sorted fluvial–estuarine sandstones exhibited higher porosity and permeability due to low detrital matrix content and limited cementation, unlike the poorly sorted shoreface–offshore facies. The findings of this research provide critical insights into the mechanisms controlling authigenic clay minerals formation and highlight their implications for predicting reservoir quality in marginal marine sandstones, critical for hydrocarbon exploration and the transition to sustainable energy.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Earth Sciences
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Al-Ramadan, Khalid Abdulsamad
Committee Co-Advisor:	Koeshidayatullah, Ardiansyah
Committee Members:	Bello, Abdulwahab and Amao, Abduljamiu and Lander, Robert
Depositing User:	ANAS MUHAM SALISU (g202110430)
Date Deposited:	15 Jun 2025 07:32
Last Modified:	15 Jun 2025 12:01
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143522