Processi e forze dell'invasione di gas in arenaria a grana fine nella formazione Shihezi (P2x1) del giacimento di Dongsheng, parte settentrionale della bacino di Ordos, Cina

Perché questa storia sotterranea è importante

Molto al di sotto delle praterie del centro-nord della Cina, un enorme giacimento di gas naturale è intrappolato in rocce che lasciano passare i fluidi a malapena. Queste arenarie a grana fine contengono gas sufficiente ad alimentare città, ma solo se comprendiamo come il gas è entrato e dove si è accumulato. Questo studio analizza la storia nascosta del giacimento di Dongsheng nel bacino di Ordos e mostra come la pressione profonda abbia agito contro la resistenza dei pori rocciosi microscopici, riempiendo di gas alcune zone e lasciandone altre prevalentemente acquose. Il lavoro propone un nuovo modo per prevedere quali parti di un giacimento compatto possono essere produttive e quali deludenti.

Gas intrappolato in rocce compatte

Il giacimento di Dongsheng è una delle principali risorse di gas in arenaria a grana fine della Cina. Il suo principale orizzonte portatore di gas, parte della Formazione Shihezi del Permiano inferiore, si trova tra circa due e quattro chilometri di profondità. L’arenaria qui presenta in media uno spazio poroso di appena l’8,6 percento e una capacità di trasmettere fluidi estremamente bassa, il che significa che il gas non fluirà liberamente senza interventi ingegneristici. Esaminando oltre duemila campioni di carote, i ricercatori dimostrano che la maggior parte di questa formazione è oggi classificabile come arenaria compatta, soprattutto a sud di una faglia principale chiamata faglia di Poerjianghaizi. Solo nella zona settentrionale più superficiale la roccia conserva uno spazio poroso e una permeabilità leggermente migliori.

Come la roccia si è compattata nel tempo

Per capire perché la roccia sia così compatta, il team ha ricostruito la storia di sotterramento e riscaldamento del bacino. Hanno constatato che, con l'accumularsi dei sedimenti per centinaia di milioni di anni, i granuli di sabbia nello strato Shihezi sono stati compressi più vicini, mentre processi chimici hanno favorito la crescita di quarzo e minerali argillosi che hanno saldato i granuli in un’impalcatura rigida. Immagini in sezioni sottili rivelano granuli incastrati l’uno nell’altro con contatti curvi e la maggior parte dello spazio aperto convertita in piccoli pori secondari o parzialmente riempita da bitume solido. Le simulazioni mostrano che l’porosità originale, dell’ordine di circa un terzo del volume di roccia, si è ridotta a meno del 10 percento in molte zone prima che si verificassero i più importanti apporti di gas.

Tre ondate di invasione di gas

I ricercatori si sono poi concentrati su minuscole bolle di fluido intrappolate nei minerali — le inclusioni fluide — per datare quando petrolio e gas sono entrati nel serbatoio. Combinate con modelli computerizzati di come le rocce sorgente siano state sotterrate, riscaldate e abbiano generato idrocarburi, queste inclusioni rivelano tre distinti episodi di carica. Una fase precoce, da circa 230 a 180 milioni di anni fa, portò sia petrolio sia gas quando gli strati ricchi di materia organica sottostanti iniziarono a degradarsi. Due fasi successive, da 180 a 120 milioni e da 120 a 80 milioni di anni fa, furono dominate solo dal gas, man mano che le rocce sorgente raggiungevano una maturità maggiore. L’ultima di queste ondate di gas coincise con il picco di generazione di gas ed emerse come il periodo cruciale per la formazione dell’importante accumulo osservato oggi.

Pressione contro resistenza dei pori

Un contributo centrale dello studio è un modo semplice ma efficace di descrivere ciò che spinge il gas in rocce così ostinate. Gli autori definiscono una «forza netta» come la differenza tra la sovrappressione nelle rocce sorgente che generano gas e la resistenza capillare dei pori dell’arenaria a una saturazione di gas rappresentativa. Usando modelli di bacino, hanno seguito come la sovrappressione negli strati carboniosi profondi si sia accumulata durante la fase di massimo generatione di gas. Parallelamente, simulazioni su roccia digitale — basate su scansioni tridimensionali di campioni reali — mostrano quanta pressione sia necessaria perché il gas rompa inizialmente i pori riempiti d’acqua, poi li riempia rapidamente e infine raggiunga una saturazione quasi stazionaria. Da queste simulazioni hanno ricavato la pressione necessaria per raggiungere il 50 percento di saturazione di gas, trattandola come misura della resistenza.

Prevedere dove si accumula il gas

Confrontando la pressione motrice modellata con la resistenza simulata, il team ha calcolato valori di forza netta per diversi pozzi e zone. Hanno identificato tre regimi che corrispondono strettamente ai risultati dei test di pozzo reali. Dove la forza netta era bassa e ancora in fase di breakthrough, i pozzi tendevano a essere asciutti o contenevano solo piccole quantità di gas. Dove saliva nella fascia di carica rapida e superava la soglia di resistenza capillare, i pozzi producevano livelli di gas commerciabili. Tra questi si collocavano intervalli marginali e poveri di gas. L’analisi mostra inoltre che, all’epoca dell’ondata di gas più importante, gran parte del serbatoio a sud della faglia di Poerjianghaizi si era già compattato ulteriormente, rendendo più difficile l’ingresso del gas, mentre la zona settentrionale restava leggermente più aperta all’invasione.

Cosa significa per le future esplorazioni di gas

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che la dimensione di una risorsa in arenaria compatta non è determinata solo dalla quantità di materia organica che il bacino conteneva in passato. Dipende anche da una lotta tra la pressione che spinge il gas fuori dalle rocce sorgente e la struttura a scala fine delle arenarie circostanti che ne ostacola l’ingresso. Questo studio dimostra che, ricostruendo nel tempo quella lotta e esprimendola come una forza netta, i geologi possono prevedere meglio quali zone compatte sono probabilmente ricche di gas e quali no. Questa intuizione può orientare le perforazioni verso le parti più promettenti del giacimento di Dongsheng e di serbatoi profondi e compatti simili nel mondo, migliorando l’efficienza e riducendo pozzi inutili.

Citazione: 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

Parole chiave: gas in arenaria a grana fine, Bacino di Ordos, storia dell'invasione di gas, pressione di giacimento, forze capillari