Flow Systems in the Alberta Basin: Patterns, Types and Driving Mechanisms

ABSTRACT In the last decade or so, studies utilizing information from the more than 200 000 wells drilled in the Alberta basin to date have provided a good understanding at the regional scale of the patterns of formation water flow. The mechanisms driving the flow are also generally understood. In the Rocky Mountains and the thrust and fold belt, formation water flow is driven by topography in local systems. Two basin-scale flow systems in the undeformed part of the basin are also driven by topography. The first one, located north of the Peace River Arch, is recharged at the fold belt and Bovie Lake fault and discharges at Great Slave Lake. The second one, located in the southern and central part of the basin, is driven in a northward direction from high elevation outcrops of Devonian and Carboniferous strata in Montana to discharge along the Peace River where the Grosmont Formation crops out. Other intermediate- and local-scale flow systems driven by topography are present in the basin, mainly in the northeast. In the southwestern part of the basin, flow in Upper Cretaceous aquifers is driven inward downdip, toward the thrust and fold belt, by erosional rebound in thick intervening shaly aquitards. The flow in deep Paleozoic aquifers in the southwestern part of the basin is driven, probably by past tectonic compression, northeastward, updip toward the main northward basin-scale flow system. The increase of formation water salinity with depth, mainly in deep Paleozoic aquifers, retards the flow of formation water driven by hydraulic-head differences. High permeability Devonian reefs and carbonate platforms play the role of vertical pipes, lateral conduits and drains, allowing for cross-formational and focused flow. Although the basin is generally underpressured, zones of overpressures are present in tight strata in the deep part of the basin, most probably as a result of recent or current hydrocarbon generation. The complex pattern of flow of formation waters has influenced hydrocarbon migration and accumulation, played a role in the genesis of mineral deposits and in places still affects the geothermal regime in the basin. Regional- and basin-scale flow systems can serve for the hydrodynamic entrapment of liquid wastes and CO2 injected into deep aquifers. Although a good understanding of the flow pattern in the basin has been achieved to date, there are a few issues that remain to be addressed. Such issues are the degree, if any, of interaction between flow systems in the deformed and undeformed parts of the basin, and between basement and the sedimentary succession, the effect of the last orogenic pulse, and the true magnitude and direction of formation water flow in the various systems. RESUME Au cours de la derniere decade, ou a peu pres, des etudes utilisant des informations derivees de plus de 200 000 puits fores dans le bassin de l' Alberta ont fourni une bonne comprehension a l'echelle regionale des patrons de circulation des eaux de formations rocheuses. Les mecanismes qui regissent ces ecoulements sont aussi compris de facon generale. Dans les montagnes Rocheuses et dans la chaine de chevauchement et de plissement, l'ecoulement des eaux de formations rocheuses est controle par la topographie des systemes locaux. Deux systemes d'ecoulement a l'echelle du bassin, dans sa partie non-deformee, sont aussi controles par la topographie. Le premier, situe dans le nord de l'arche de Peace River, est alimente a la ceinture de plissement et a la Faille du Lac Bovie et par les deversements du Grand Lac des Esclaves. Le second, situe dans les parties sud et centre du bassin, suit un trace vers le nord a partir d'affleurements de strates du Devonien et du Carbonifere au Montana en haute elevation, pour se deverser le long de la Riviere La Paix, ou la Formation de Grosmont affleure. D'autres systemes d'ecoulement d'echelle intermediaire et locale, controles par la topographie sont presents dans le bassin, surtout au nord-est. Dans la partie sud-ouest du bassin, l'ecoulement dans les aquiferes du Cretace est achemine vers l'interieur, en aval-pendage, vers la chaine de chevauchement, par rebond erosionnel sur les epais shales aquitards intercales. L'ecoulement dans les profonds aquiferes du Paleozoique, dans la partie sud-ouest du bassin, se dirige vers le nord-est, probablement du a des compressions tectoniques passees, en End_Page 455------------------------ amont-pendage vers le systeme principal d'ecoulement au nord a l'echelle du bassin. L'accroissement de la salinite des eaux de formation avec la profondeur, surtout dans les aquiferes profonds du Paleozoique, retarde l'ecoulement des eaux de formation controle par pression piezometrique. Les recifs et les plate-formes de carbonates du Devonien de haute permeabilite jouent le role de cheminees verticales, de conduits lateraux et de drains, permettant l'ecoulement inter-formationnel et la concentration de l'ecoulement. Meme si le bassin est generalement sous-pressurise, les zones de sur-pressurisation sont presentes dans les strates etanches dans la partie profonde du bassin, etant le plus probablement le resultat de la generation recente ou contemporaine d'hydrocarbures. Le patron complexe d'ecoulement des eaux des formations a influence la migration des hydrocarbures et leur accumulation, a joue un role dans la genese des gites mineraux et par endroit, affecte toujours le regime geothermique du bassin. Les systemes d'ecoulement d'echelle regionale et de bassin peuvent servir au piegeage hydrodynamique des dechets liquides et du gaz carbonique injecte dans les aquiferes profonds. Meme si une bonne comprehension du patron d'ecoulement du bassin a ete obtenue jusqu'apresent, il demeure quelques questions en suspend. Ces questions portent sur le degre, s'il y a lieu, d'interaction entre les systemes d'ecoulement dans les parties deformees et non-deformees du bassin, et entre le socle et la succession sedimentaire, l'effet de la derniere impulsion orogenique, de meme que la magnitude reelle et la direction de l'ecoulement des eaux de formation dans les divers systemes. Traduit par Lynn Gagnon