Stochastic Joint Simulation of Facies and Diagenesis: A Case Study on Early Diagenesis of the Madison Formation (Wyoming, USA) Simulation stochastique couplée faciès et diagenèse. L’exemple de la diagenèse précoce dans la Formation Madison (Wyoming, USA)

Abstract

The aim of this paper is to propose an integrated approach to reproduce both facies and diagenetic trends in a static reservoir model based on an outcrop case study. In Wyoming (USA), the Madison Formation (Mississippian) is a thick (up to 350 m) carbonate series, outcropping in several locations of the Bighorn foreland basin. Within these series, nine sedimentary facies have been identified. Based on their vertical stacking pattern, they are organized in small-scale facies sequences: 1) intertidal to supratidal facies sequence; 2) shallow subtidal to intertidal facies sequence; 3) deep subtidal facies sequence. These facies associations have been integrated in a synthetic depositional model, which corresponds to a carbonate ramp progressively evolving towards the most inner part of a platform. This enables to propose a sequence stratigraphy framework for the studied series, that represents at least six third-order sequences (some of them being locally eroded). The diagenetic study has been focused on the identification of the early diagenetic phases. Results from these analyses show the occurrence of several successive early diagenetic phases (micritization, marine calcite cementation, dolomitization, etc.). For modeling purposes, seven “diagenetic imprints” have been defined, each of them corresponding to a succession of diagenetic phases that can coexist in the same sedimentary facies. Moreover, as each sedimentary facies may be affected by several diagenetic imprints, a quantification of these imprints has been realized. A 3D gridded model designed for geostatistical modeling has been constructed in order to reproduce the facies organization of the three first third-order sequences (that are the best documented). The gridding is then based on the four sequence boundaries which have been recognized on every section. The relationships between sedimentary facies and diagenesis have been used to define lithofacies simulation rules. The simulations are based on the plurigaussian and nested algorithms. Finally, a discussion on the distribution of the potential reservoir heterogeneities is proposed, taking into account the sedimentary characteristics (facies, architectures, etc.) and the diagenetic impact. Nous proposons dans cet article une approche intégrée visant à reproduire à la fois les faciès sédimentaires et les phases diagénétiques associées, au sein d’un modèle statique de réservoir. Dans le Wyoming (USA), la Formation Madison (d’âge Mississippien) est une formation carbonatée, épaisse de 200 à 350 m, affleurant dans plusieurs zones du bassin d’avant-pays des Bighorn. Au sein de cette série, nous avons identifié neuf faciès sédimentaires, groupés en trois séquences de faciès (basées sur l’empilement vertical des faciès) : 1) une séquence inter- à supratidale; 2) une séquence subtidale peu profonde à intertidale; 3) une séquence subtidale profonde et ouverte. Ces faciès ont ensuite été intégrés au sein d’un modèle de dépôts synthétique, correspondant à une rampe carbonatée évoluant graduellement vers une géométrie de plate-forme dont seule la partie la plus interne est reconnue. Ce travail a permis de proposer un cadre chronostratigraphique pour la série, qui couvre au moins six séquences de dépôts de troisième ordre (certaines d’entre elles étant localement absentes car érodées). L’étude de la diagenèse s’est concentrée sur l’identification et la succession des phases diagénétiques précoces (micritisation, cimentation calcitique, dolomitisation, etc.). Pour les besoins de la modélisation, sept « empreintes diagénétiques » ont été définies, chacune d’entre elles correspondant à une succession de phases diagénétiques coexistant au sein d’un même faciès sédimentaire. De plus, nous avons quantifié la proportion relative de chaque empreinte diagénétique affectant un faciès sédimentaire. Un modèle maillé 3D a alors été bâti afin de reproduire l’organisation des faciès des trois premières séquences de dépôts (qui sont les mieux documentées). Le maillage est donc basé sur les quatre limites de séquences reconnues sur toutes les coupes. Les relations entre faciès sédimentaires et diagenèse ont été utilisées pour définir les paramètres de simulation. Ces dernières sont basées sur des algorithmes plurigaussien et emboîtés. Finalement, nous proposons une discussion sur la distribution des hétérogénéités réservoirs potentielles, prenant en compte à la fois les caractéristiques sédimentaires (faciès, architecture, continuité latérale, etc.) mais également l’impact de la diagenèse.