Prozess und Kräfte der Gasanreicherung in dichtem Sandstein der Shihezi-Formation (P2x1) im Dongsheng-Gasfeld, nördliches Ordos-Becken, China

Warum diese unterirdische Geschichte wichtig ist

Tief unter den Grasländern Nordzentralchinas liegt ein großes Erdgasfeld in Gesteinen, die Flüssigkeiten kaum durchlassen. Diese dichten Sandsteine enthalten genug Gas, um Städte zu versorgen — vorausgesetzt, wir verstehen, wie das Gas hereingekommen ist und wo es sich angesammelt hat. Diese Studie seziert die verborgene Geschichte des Dongsheng-Gasfeldes im Ordos-Becken und zeigt, wie Druckverhältnisse tief in der Erde der Widerstandskraft winziger Gesteinsporen entgegengewirkt haben, sodass einige Bereiche mit Gas gefüllt wurden, während andere größtenteils wasserführend blieben. Die Arbeit bietet einen neuen Ansatz, um vorherzusagen, welche Teile eines dichten Reservoirs sich lohnen und welche enttäuschen dürften.

Gefangenes Gas in dichten Gesteinen

Das Dongsheng-Gasfeld gehört zu Chinas bedeutenden Tight-Gas-Vorkommen. Die hauptsächliche gasführende Schicht, Teil der tieferen permischen Shihezi-Formation, liegt in etwa zwei bis vier Kilometern Tiefe. Der Sandstein weist im Mittel nur 8,6 Prozent Porenvolumen und eine extrem geringe Förderfähigkeit auf, das heißt Gas fließt ohne technische Eingriffe nicht frei. Anhand von mehr als zweitausend Bohrkernproben zeigen die Forschenden, dass der Großteil dieser Formation inzwischen als dichter Sandstein gilt, insbesondere südlich einer bedeutenden Verwerfung, der Poerjianghaizi-Verwerfung. Nur in der flacheren Nordzone sind Porenvolumen und Durchlässigkeit noch etwas günstiger erhalten.

Wie das Gestein im Lauf der Zeit dichter wurde

Um zu verstehen, warum das Gestein so dicht ist, rekonstruierten die Autoren die Begräbungs- und Erwärmungsgeschichte des Beckens. Sie fanden, dass mit der über Hunderten von Millionen Jahren aufgestapelten Sedimentschicht die Sandkörner der Shihezi-Lage enger zusammengedrückt wurden, während chemische Prozesse Quarz und Tonminerale wachsen ließen, die Körner zu einem starren Gefüge verschweißten. Dünnschliffbilder zeigen Körner, die mit gekrümmten Kontaktflächen ineinander gedrückt sind und dass der offene Raum größtenteils in kleine sekundäre Poren umgewandelt oder teilweise von festem Bitumen ausgefüllt wurde. Modellierungen zeigen, dass die ursprüngliche Porosität von etwa einem Drittel des Gesteinsvolumens in vielen Bereichen vor dem wichtigsten Gaseintrag auf unter 10 Prozent geschrumpft ist.

Drei Wellen der Gasfüllung

Die Forschenden untersuchten dann winzige, flüssigkeitsgefüllte Blasen, die in Mineralen eingeschlossen sind — sogenannte Fluideinschlüsse —, um zeitlich zu bestimmen, wann Öl und Gas ins Reservoir gelangten. Kombiniert mit Computermodellen zur Begrabung, Erwärmung und Hydrokarbongeneration der Muttergesteine, zeigen diese Einschlüsse drei deutlich getrennte Anreicherungsphasen. Eine frühe Phase von etwa 230 bis 180 Millionen Jahren brachte sowohl Öl als auch Gas, als die organisch reichen Kohleschichten darunter zunächst zu zerfallen begannen. Zwei spätere Phasen, von 180 bis 120 Millionen Jahren und von 120 bis 80 Millionen Jahren, wurden überwiegend von Gas dominiert, da die Muttergesteine höhere Reifegrade erreichten. Die letzte dieser Gaspulse fiel mit der Spitzenperiode der Gasentstehung zusammen und erwies sich als entscheidend für die heutige große Gasakkumulation.

Druck gegen Porenwiderstand

Ein zentraler Beitrag der Studie ist eine einfache, aber wirkungsvolle Art zu beschreiben, was Gas in solche hartnäckigen Gesteine treibt. Die Autoren definieren eine „Netto-Kraft“ als die Differenz zwischen dem Überdruck in den gaserzeugenden Muttergesteinen und dem kapillaren Widerstand der Sandsteinporen bei einer repräsentativen Gassättigung. Mithilfe von Beckenmodellen verfolgten sie, wie sich während der Phase der Spitzen-Gasgenerierung Überdruck in den tiefen Kohleschichten aufbaute. Parallel dazu zeigen digitale Gesteinsimulationen — basierend auf dreidimensionalen Scans realer Gesteinsproben —, welchem Druckniveau Gas ausgesetzt sein muss, um zunächst in wassergefüllte Poren einzubrechen, diese dann rasch zu füllen und schließlich eine annähernd stabile Sättigung zu erreichen. Aus diesen Simulationen ermittelten sie den Druck, der nötig ist, um 50 Prozent Gassättigung zu erreichen, und nutzten diesen Wert als Maß für den Widerstand.

Vorhersage, wo das Gas landet

Indem sie den modellierten treibenden Druck mit dem simulierten Widerstand verglichen, berechnete das Team Netto-Kraft-Werte für verschiedene Bohrungen und Zonen. Sie identifizierten drei Regime, die gut mit tatsächlichen Bohrtestergebnissen übereinstimmen. Wo die Netto-Kraft gering war und sich noch in der Durchbruchphase befand, waren Bohrungen meist trocken oder enthielten nur geringe Gasmengen. Wo sie in den Bereich der schnellen Anreicherung anstieg und die kapillare Widerstandsschwelle überschritt, förderten die Bohrungen kommerzielle Gasschichten. Dazwischen lagen marginale, gasführende Intervalle. Die Analyse zeigt außerdem, dass zum Zeitpunkt des wichtigsten Gaspulses große Teile des Reservoirs südlich der Poerjianghaizi-Verwerfung bereits stark verfestigt waren, was das Gasieren erschwerte, während die Nordzone etwas offener für die Anreicherung blieb.

Was das für zukünftige Gasexplorationen bedeutet

Für Nicht-Spezialisten lautet die Kernbotschaft: Die Größe eines Tight-Gas-Vorkommens wird nicht allein durch die einst vorhandene organische Substanz im Becken bestimmt. Sie hängt auch von einem Wettstreit ab zwischen dem Druck, der Gas aus den Muttergesteinen herausdrückt, und der feinstrukturellen Beschaffenheit der umgebenden Sandsteine, die den Eintritt hemmt. Die Studie zeigt, dass sich dieser Wettstreit zeitlich rekonstruieren und als Netto-Kraft ausdrücken lässt, wodurch Geologen besser vorhersagen können, welche dichten Zonen wahrscheinlich gasreich sind und welche nicht. Solche Erkenntnisse können die Bohrplanung auf die vielversprechendsten Bereiche des Dongsheng-Gasfeldes und ähnlicher tiefer, dichter Reservoirs weltweit lenken, die Effizienz steigern und unnötige Bohrungen reduzieren.

Zitation: Cao, Q., He, F., Zhang, W. et al. Process and forces of tight-sandstone gas charging in the Shihezi formation (P₂x¹) Dongsheng gas field, northern Ordos Basin China. Sci Rep 16, 11818 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39614-0

Schlüsselwörter: dichter Sandsteingas, Ordos-Becken, Geschichte der Gasanreicherung, Reservoirdruck, kapillare Kräfte