Geological Controls on Petrophysical and Rock Mechanical Properties of Immature Organic-rich Carbonate Source Rocks. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Samer Aljurf PhD Dissertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 January 2027. Download (10MB)

Arabic Abstract

تمثل صخور المصدر الكربوناتية غير الناضجة والغنية بالمواد العضوية موارد هيدروكربونية غير تقليدية ذات أهمية متزايدة، كما توفر فرصة فريدة لفهم العوامل الأساسية المتحكمة في جودة المكمن والسلوك الجيوميكانيكي للصخور قبل حدوث النضج الحراري وتوليد الهيدروكربونات. ومع ذلك، لا تزال العوامل الجيولوجية المؤثرة في الخصائص البتروفزيائية والميكانيكية لهذه الأنظمة غير المتجانسة غير مفهومة بشكل كافٍ، خاصة في صخور المصدر الكربوناتية من العصر الطباشيري الأعلى في منطقة الشرق الأوسط. ويؤدي هذا النقص المعرفي إلى زيادة عدم اليقين في توصيف المكامن، والنمذجة الجيوميكانيكية، وتقييم استقرار الآبار، وتصميم عمليات التحفيز. لذلك، تهدف هذه الدراسة إلى تحديد الضوابط الجيولوجية المؤثرة في الخصائص البتروفزيائية والميكانيكية لصخور المصدر الكربوناتية غير الناضجة والغنية بالمواد العضوية ضمن تكوين الموقر الطباشيري المارلي في وسط الأردن. اعتمدت الدراسة منهجية تكاملية متعددة التخصصات تجمع بين التحاليل الجيولوجية والجيوكيميائية والبتروفزيائية والجيوميكانيكية. وشملت هذه المنهجية الوصف التفصيلي للبّاب الصخري، والدراسات البتروغرافية، وتحاليل حيود الأشعة السينية(XRD + XRF) ، وتحاليل Rock-Eval ، وقياسات أشعة غاما الطيفية، وتسجيل الخصائص الفيزيائية للبّاب الصخري باستخدام أجهزة المسح المستمر، وقياسات المسامية، واختبارات السرعات فوق الصوتية، واختبارات الصلادة والخدش، واختبارات الانضغاط ثلاثي المحاور، بالإضافة إلى التحليلات الإحصائية متعددة المتغيرات ونماذج الانحدار التنبؤية. وقد استُخدمت هذه البيانات المتكاملة لتقييم التغاير الرأسي والجانبي للصخور، وبناء علاقات كمية تربط بين الخصائص الجيولوجية والسلوك الميكانيكي. أظهرت النتائج وجود درجة عالية من عدم التجانس على المستويين الرأسي والجانبي، تمثلت في تعدد السحنات الصخرية والسحنات الكيميائية والمناطق الطباقية الكيميائية. كما بينت النتائج أن التركيب المعدني يمثل العامل الرئيس المتحكم في الخصائص البتروفزيائية والميكانيكية، في حين تؤدي المسامية ومحتوى الكربون العضوي الكلي (TOC) والبيئة الترسيبية والعمليات الدياجينية أدواراً ثانوية في التحكم بهذه الخصائص. وأظهرت عمليات التدعيم بالسيليكا والدلمتة تأثيراً إيجابياً في زيادة الصلابة والمقاومة الميكانيكية ومعاملات المرونة، مقابل خفض المسامية. كما تبين وجود علاقة عكسية قوية بين المسامية وكل من معاملات المرونة وسرعات الموجات الزلزالية والهشاشة ومقاومة الصخر. كذلك أظهرت نماذج الانحدار غير الخطي متعددة المتغيرات قدرة تنبؤية أعلى من النماذج الخطية في تقدير الصلادة ومقاومة الانضغاط غير المحصور. وتتمثل المساهمة العلمية الرئيسة لهذه الدراسة في تطوير إطار جيوميكانيكي متكامل يربط بين الخصائص الميكانيكية الساكنة والديناميكية في الصخور الكربوناتية غير الناضجة والغنية بالمواد العضوية. فقد أظهرت النتائج وجود علاقات ارتباط قوية بين المعاملات المرنة الساكنة والديناميكية، مما يؤكد إمكانية استخدام القياسات الديناميكية للتنبؤ الموثوق بالخصائص الجيوميكانيكية الساكنة. كما أظهرت الخصائص المرنة الديناميكية درجة عالية من التكرارية والموثوقية تحت ظروف اختبار مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، أكدت العلاقة القوية بين سرعتي الموجات الانضغاطية (Vp) والقصّية (Vs) أن انتشار الموجات المرنة يخضع بصورة رئيسة للخصائص الذاتية للصخر، مما يتيح تقدير الخصائص الميكانيكية على نطاق الحقل اعتماداً على بيانات السرعات الزلزالية. كما أوضحت تقييمات الهشاشة أن المؤشرات المعدنية التقليدية وحدها غير كافية لتوصيف الهشاشة في الأنظمة الكربوناتية غير التقليدية، في حين توفر المؤشرات المرنة تقييماً أكثر واقعية لسلوك التشوه وقابلية التصدع. وأظهرت المقارنة مع بيانات منشورة من مكامن غير تقليدية عالمية أن الصخور المدروسة تتوافق مع الاتجاهات الجيوميكانيكية العالمية المعروفة للأنظمة الكربوناتية، على الرغم من الاختلافات في درجة النضج الحراري وتاريخ الدفن ومحتوى المادة العضوية. وبناءً على ذلك، تقدم هذه الدراسة إطاراً كمياً قابلاً للتطبيق والنقل يربط بين العمليات الترسيبية والتركيب المعدني والخصائص البتروفزيائية والسلوك الجيوميكانيكي في الصخور الكربوناتية. وتمثل النتائج مرجعاً مهماً لتوصيف المكامن غير التقليدية، وتقييم استقرار الآبار، وتفسير البيانات الزلزالية، وتحليل الطبقات الميكانيكية، وتحسين استراتيجيات التحفيز والإنتاج في المكامن الكربوناتية حول العالم.

English Abstract

Immature organic-rich carbonate source rocks represent important unconventional hydrocarbon resources and provide a unique opportunity to investigate the fundamental controls on reservoir quality and geomechanical behavior prior to thermal maturation and hydrocarbon generation. Nonetheless, the geological factors that influence the petrophysical and mechanical properties of these heterogeneous systems remain poorly constrained, particularly in Upper Cretaceous carbonate source rocks of the Middle East. This gap introduces uncertainty in reservoir characterization, geomechanical modeling, wellbore stability analysis, and stimulation design. Consequently, this research investigates the geological factors influencing the petrophysical and rock-mechanical properties of immature, organic-rich carbonate source rocks from the Upper Cretaceous Muwaqqar Chalk Marl Formation in central Jordan. An integrated, multidisciplinary methodology was developed that combines geological, geochemical, petrophysical, and geomechanical analyses. The study encompasses detailed core description, petrography, X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), Rock-Eval pyrolysis, spectral gamma-ray logging, multi-sensor core logging, porosity assessments, ultrasonic velocity testing, hardness and scratch testing, triaxial compression experiments, multivariate statistical analyses, and predictive regression modeling. The comprehensive dataset was employed to evaluate vertical and lateral heterogeneity and to establish quantitative relationships between geological attributes and mechanical behavior. Results indicate substantial heterogeneity, as reflected in various lithofacies, chemofacies, and chemostratigraphic zones. Mineralogical composition is the primary factor governing petrophysical and mechanical properties, whereas porosity, total organic carbon (TOC), depositional architecture, and diagenetic processes exert secondary influences. Silica cementation and dolomitization enhance stiffness and strength, whereas porosity exhibits a strong inverse relationship with elastic moduli, wave velocities, brittleness, and overall rock strength. Nonlinear multivariate models outperform linear models in predicting hardness and unconfined compressive strength. A key contribution of this study is the development of a robust geomechanical framework that links static and dynamic rock properties in immature organic-rich carbonates. Notably, strong correlations between static and dynamic elastic parameters suggest that dynamic measurements can reliably predict static geomechanical behavior, with dynamic elastic properties exhibiting high reproducibility under various testing conditions. Additionally, the observed Vp-Vs relationship confirms that elastic wave propagation depends predominantly on intrinsic rock properties, thereby facilitating field-scale estimates of mechanical parameters. Brittleness analyses indicate that mineral-based indices alone are insufficient to assess carbonate-rich unconventional systems; instead, elastic-based metrics provide more representative assessments of deformation and fracturing potential. Comparative analysis with internationally published datasets from major unconventional reservoirs demonstrates that the studied rocks conform to global carbonate geomechanical trends despite variations in thermal maturity, burial history, and organic richness. In conclusion, this research establishes a transferable, quantitative framework that correlates depositional processes, mineralogical composition, petrophysical characteristics, and geomechanical behavior across carbonate systems. The findings hold significant implications for reservoir geomechanics, seismic interpretation, mechanical stratigraphy, wellbore stability, and stimulation strategies in carbonate-based unconventional reservoirs worldwide.