加拿大西部蒙特尼组高含H2 S天然气带的δ13 C同位素特征及其热化学硫酸盐还原(TSR)机制研究

研究人员针对高含H2 S天然气开发中的环境风险与经济损耗问题，通过分析加拿大蒙特尼组三口水平井的泥浆气、产出气及烃类液体样品，首次揭示了热化学硫酸盐还原(TSR)反应中乙烷/丙烷δ13 C异常富集的特征，证实TSR主要消耗C2 -C3 而非甲烷，为高含硫气藏成因机制与安全开发提供关键理论依据。

　　

在油气资源开发领域，高含硫化氢(H₂
S)天然气藏犹如一把双刃剑——其巨大的经济价值常被H₂
S的强腐蚀性与剧毒性所抵消。加拿大西部沉积盆地(WCSB)的蒙特尼组作为北美最重要的非常规油气聚集区之一，局部H₂
S浓度高达29%，但对其成因机制与空间分布规律的认识仍存在空白。传统观点认为热化学硫酸盐还原(TSR)是深层高含硫气藏的主要形成途径，但关于TSR反应中具体烃类组分的消耗序列、同位素分馏特征及其地质记录仍存在争议。

为破解这一难题，James M. Wood和Victoria Biersteker团队首次对蒙特尼组三口水平井（包括1500米水平段的高分辨率采样）的泥浆气、产出气及烃类液体展开系统分析。研究创新性地利用钻井过程中实时采集的泥浆气数据，以50-100米间隔获取了H₂
S富集带内C₁
-C₃
烷烃δ¹³
C的高分辨率变化图谱。结果显示，含13% H₂
S的3号井产出气中乙烷、丙烷δ¹³
C值较其他井显著富集（分别达7.5‰和5.6‰），且在Chung图上呈现独特的凸型分布；而甲烷δ¹³
C值在水平井段保持稳定，证实TSR优先氧化C₂
-C₃
烷烃。这一发现为识别TSR反应程度提供了新的同位素指标，相关成果发表于《Marine and Petroleum Geology》。

关键技术方法包括：1) 采集三口水平井的泥浆气（3号井含1500米水平段高分辨率数据）、产出气及烃类液体样本；2) 通过气相色谱-燃烧-同位素比值质谱(GC-C-IRMS)测定C₁
-C₃
δ¹³
C值；3) 结合API度与饱和烃δ¹³
C分析流体成熟度；4) 采用Chung图解析TSR反应进程。

主要研究结果

1. 产出烃类气体与液体特征：3号井产出气H₂
   S含量达13%，其乙烷、丙烷δ¹³
   C值(-26.5‰至-26.2‰)显著重于1/2号井(-30.2‰至-28.9‰)，且气体干燥度(89.0%)指示其为高成熟湿气。

2. 泥浆气同位素空间变化：3号井水平段泥浆气数据显示，乙烷δ¹³
   C值自南向北增加7.5‰，丙烷增加5.6‰，而甲烷δ¹³
   C保持稳定，证实TSR反应存在区域性递进性。

3. TSR反应机制解析：异常富集的C₂
   -C₃
   δ¹³
   C值与凸型Chung图揭示TSR过程中乙烷、丙烷优先被硫酸盐氧化，直至其完全消耗后甲烷才参与反应。

结论与意义
该研究首次证实蒙特尼组高含硫气藏形成于晚白垩世最大埋深期(60-80 Ma)的TSR反应，后期构造抬升终止了该过程。甲烷δ¹³
C的稳定性与C₂
-C₃
同位素空间梯度为TSR反应进程提供了双重判据，不仅完善了TSR理论模型，更对高含硫气藏勘探开发具有三重实践价值：1) 指导通过δ¹³
C异常识别TSR活跃区；2) 预警H₂
S分布高风险层段；3) 为CO₂
封存项目的腐蚀风险评估提供科学依据。该成果建立的TSR同位素指纹识别方法，可推广至全球含硫盆地研究。