Total organic carbon evaluation using geophysical well-logs in Lorraine Coal Basin (NE France)

Evaluation des teneurs en carbone organique total par les diagraphies dans le bassin carbonifère lorrain

¹ CNRS, GeoRessources Lab, Université de Lorraine, BP 70239, F-54506 Vandoeuvre-lès-Nancy, France
² M.P. Semenenko Institute of Geochemistry, Mineralogy and Ore Formation of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
³ La Française de l’Energie, Avenue du District, 57380 Pontpierre, France

^* e-mail: salim.allouti@univ-lorraine.fr

Received: 4 September 2024
Accepted: 28 September 2025

Abstract

The Lorraine Coal Basin, recognized as the most promising coal bed methane basin in France, holds significance for the energy transition after more than a century of coal mining until 2004 and renewed interest in oil and gas exploration in the 80 s and 90 s. New data from an ongoing exploration campaign within this basin rise new opportunities in the assessment of gas resources. In the scope of this evaluation the determination of Total Organic Carbon (TOC) content using well-log data is a necessary step. The study employs a methodology encompassing Schmoker’s method, ΔlogR, and multivariate regression, focusing on two reference boreholes. While TOC calculations techniques are usually developed for marine shale deposits, an adaptation to highly heterogeneous fluviatile deposits is presented. Schmoker’s method provides the most accurate TOC values, consistent with Rock-Eval data. However, the ΔlogR method underestimates TOC values, particularly for coal lithologies, for which logarithmic equations are proposed for proportional corrections. Moreover, new equations based on multivariate regression of gamma-ray, sonic, and resistivity logs are developed for TOC estimation. Schmoker’s method proves to be the most reliable with available density logs in the Lorraine Coal Basin. Alternatively, the modified ΔlogR equations or those derived from the multivariate regression of gamma-ray, sonic, and resistivity logs can be used. These new equations represent an alternative approach and identify new possibilities for estimating TOC in hetereogenous coaly formations. Based on TOC, lithologies of the investigated sedimentary series are classified from lean to fair source-rocks for shaly lithologies to excellent for the coal layer.

Résumé

Le bassin carbonifère lorrain, reconnu comme l’un des bassins les plus prometteurs en France pour ses ressources en gaz de charbon (Coal Bed Methane − CBM), revêt une importance particulière pour la transition énergétique après plus d’un siècle d’exploitation charbonnière achevée en 2004 et un regain d’intérêt pour l’exploration pétrolière et gazière dans les années 1980 et 1990. De nouvelles données issues d’une campagne d’exploration en cours dans ce bassin facilitent l’évaluation des ressources gazières piégées dans les dépôts sédimentaires. Cette évaluation est réalisée en déterminant le Carbone Organique Total (COT) le long des puits, à l’aide des données diagraphiques. Plusieurs méthodes dans la littérature décrivent l’utilisation de la diagraphie dans le contexte des séquences marines, mais peu d’études se concentrent sur leur utilisation dans le cadre des dépôts continentaux. L’étude emploie une méthodologie englobant la méthode de Schmoker, la méthode Δ log R, et la régression multivariable, se concentrant sur deux forages de référence : Fols 1A et Dbl S1. La méthode de Schmoker fournit les valeurs de COT les plus précises, cohérentes avec les données Rock-Eval. Cependant, la méthode ΔlogR sous-estime les valeurs de COT, en particulier pour les lithologies charbonneuses, pour lesquelles des équations logarithmiques sont proposées afin de corriger ces estimations. De plus, de nouvelles équations basées sur la régression multivariable des logs gamma-ray, soniques et de résistivité sont développées pour l’estimation du COT. La méthode de Schmoker s’avère être la plus fiable avec les logs de densité disponibles dans le bassin houiller lorrain. Alternativement, les équations ΔlogR modifiées ou celles dérivées de la régression multivariable des logs gamma-ray, soniques et de résistivité peuvent être utilisées. Ces nouvelles équations peuvent constituer une approche innovante et ouvrir des pistes à explorer pour estimer le TOC dans les niveaux riches en matière organique. Sur la base du COT, les lithologies des séries sédimentaires étudiées peuvent être classées de roches mères pauvres à moyennes pour les lithologies argileuses, et excellentes pour les couches de charbon.