Geokemi
De kemiske forhold betyder meget for porøsitet, permeabilitet og dannelse af olie og gas. De betyder også meget i en sen fase af udvinding af olie og gas, hvor der pumpes vand ned i reservoiret for at presse ekstra olie eller gas ud. Jo dybere nede i jorden en aflejring befinder sig, jo større er vægten af de lag som ligger ovenpå. Dette betyder at aflejringerne bliver trykket sammen og deformeret så porøsitet og permeabilitet falder [Porøsitet og permeabilitet], men det betyder også at nogle af de mineraler som sedimentkornene består af, lettere opløses. Især kalkkorn opløses lettere jo hårdere de trykkes mod hinanden. Det medfører at der opløses noget kalkmateriale som udfældes igen i aflejringens porøsitet, så reservoiret bliver dårligere.

Når der pumpes vand ned i et reservoir for at trykke mere olie ud og for at opretholde et højt tryk, kan der ske kemiske reaktioner mellem det vand som allerede findes i reservoiret (sammen med olien og gassen) og det tilførte vand. For eksempel kan opløst Kalcium i det vand som pumpes ned, reagere med Sulfat i reservoir-vandet, med det resultat at der udfældes gips i porøsiteten, så det helt kan blokere for strømning.

Temperatur og tryk (gennem masser af tid) fremmer de kemiske ændringer. De kemiske omdannelser kan være så karakteristiske at de kan bruges som et måleapparat der registrerer de forhold som har påvirket en aflejring. De omdannelser der foregår ved høj temperatur og tryk i kildebjergarter [Kildebjergart] er særligt karakteristiske.

Temperatur
Lige under jordoverfladen varierer temperaturen med årstiderne. Denne variation bliver mindre med dybden, og i ca. 20 meters dybde er temperaturen konstant (i Danmark er denne konstante tempertur ca. 8°C). Fra 20 meters dybde og videre ned i jorden stiger temperaturen 2,5 - 3°C for hver 100 meter på grund af den varme som frigives i forbindelse med naturlig radioaktiv nedbrydning i jordens indre. Temperatur- stigningen pr. 100 meter kaldes den geotermiske gradient, og den er noget forskellig fra sted til sted. Tykke lag af sand og ler der er aflejret i den seneste del af jordens historie, virker isolerende så den geotermiske gradient bliver forholdsvis lav. Omvendt er den geotermiske gradient højere hvor der f.eks. er saltstrukturer i undergrunden, fordi salt er godt til at lede varmen op fra den dybere undergrund.


Grafik: Erik Nygaard, GEUS


Olie- og gasvinduerne
I en dybde på 3 km er lagenes samlede tryk ca. 700 bar og temperaturen ca. 90°C, hvilket er den nødvendige temperatur for dannelse af olie. Det temperaturinterval fra 90 - 120°C hvor der sker den største omdannelse af organisk materiale i kildebjergarten til olie, kaldes Olievinduet. Ved højere temperaturer dannes der især gas (Gasvinduet). Om kildebjergarter der har temperaturer over 180°C, siger vi at de er "brændt af", fordi de allerede ved en lavere temperatur har afgivet al olie og gas. Det rette tryk og den rette temperatur er således nødvendig for at organisk materiale i en kildebjergart kan omdannes til olie og gas og strømme ind i et reservoir, men omdannelsen og strømningen sker så langsomt at det også kræver, at der er masser af tid til rådighed. Først skal der være tid til den kemiske proces, og derefter tid til at den dannede olie og gas migrerer (siver) fra kildebjergarten op i et reservoir [Migration]. Olie- og gasdannelsen på dansk område (under Nordsøen) kulminerede for godt 20 millioner år siden i perioden Miocæn [Stratigrafi] men foregår dog stadig.

Oliekemi
Olie og gas er kulbrinter, hvilket vil sige at de, hvis de er helt perfekt dannede, udelukkende består af Kul (C) og Brintatomer (H). Forskellene mellem de halvt hundrede forskellige almindelige kulbrinter er bestemt af antallet af kulstofatomer i den enkelte type gas- eller oliemolekyle. Vi nummererer derfor kulbrinterne efter antallet af kulstofatomer i molekylerne. I den simpleste kulbrinte (Metan, C-1) er ét kulstofatom bundet til fire brintatomer.




Grafik: Leif Løvborg


Ethan (C-2), som også er en gas, har lidt tungere molekyler end metan, idet to sammenkædede kulstofatomer er omgivet af brintatomer. Jo højere kulbrintemolekyle-nummer, jo flere sammenkædede kulstofatomer er der. Til og med 4 kulstofatomer regner vi kulbrinterne som gasser. Fra 5 kulstofatomer og op til 25 er kulbrinterne olier (inklusivt benzin), og hvis de har endnu større molekylenummer, er det tjære eller asfalt.

Kemisk ren olie er en sjældenhed. I naturen erstattes nogle kulstofatomer f.eks. af svovl der også stammer fra det organiske materiale i kildebjergarte

Kildebjergartsundersøgelser
En del af den Geologiske metode består i at beskrive mængde og type af organisk materiale i en kildebjergart og vurdere i hvilket omfang det er omdannet til olie eller gas. Hvis det organiske materiale stammer fra landplanter, er kildebjergarten mest tilbøjelig til at danne gas. Det skyldes at cellulose fortrinsvis nedbrydes ved høj temperatur. Hvis omvendt det organiske materiale består af rester af små planktoniske organismer (f.eks. alger eller mikroskopiske dyr), er det tilbøjeligt til at danne olie.

Typerne af organisk materiale (som kaldes "kerogentyper") kan bestemmes i mikroskop.

Foto: Henrik Ingermann Petersen

Gult lysende rester af marine alger.


Foto: Henrik Ingermann Petersen

Hvidlige rester af landplanter.


Graden af omdannelse af det organiske materiale i en kildebjergart bestemmes for at vurdere i hvilket stadie af olie- eller gasdannelse det befinder sig, d.v.s. hvor modent det er. Denne analyse kan vise det højeste temperaturniveau kildebjergarten har været udsat for, også selv om kildebjergarten siden er blevet kølet af på grund af strukturelle bevægelser og erosion. Naturlige olier indeholder fortrinsvis kulbrintemolekyler med et lige antal kulstofatomer, mens raffinerede olier indeholder molekyler med såvel lige som ulige antal.

Kilde: Jørgen Boyesen Kofoed, GEUS  Grafik: Erik Nygaard, GEUS

Kromatogram-analyse af det organiske materiale i en kildebjergart. Kromatogrammet viser at det organiske materiale især kan danne let olie (benzin). Temperaturen i kildebjergarten har derfor ikke været over ca. 100°C. I teksten underst i figuren betyder "C" kulstof, og tallene angiver hvor mange kulstofatomer der indgår i de forskellige olie- og gasmolekyler.


Hvis en kildebjergart (eller en hvilken som helst bjergart med lidt indhold af organisk materiale) er mere moden end hvad der svarer til den dybde og temperatur hvor bjergarten er fundet, betyder det derfor at aflejringen eller laget tidligere har ligget dybere nede, hvor temperaturen har været højere. Laget har altså i dette tilfælde i en periode ligget dybere nede og er siden kommet nærmere til jordoverfladen på grund af strukturelle bevægelser og erosion.