安大略省惠特利地区志留系含气层段的地球化学与储层表征

《Applied Geochemistry》：Geochemical and reservoir characterization of Silurian gas-bearing intervals in Wheatley, Ontario

　　

在加拿大安大略省西南部，废弃遗留井（legacy well）的气体迁移已被认为与严重气体事故有关，区域调查将志留系含气层段列为潜在贡献单元。针对志留系层段具有层段特异性的压力和地球化学数据仍然有限。研究人员通过对惠特利地区挖掘中发现的未建档遗留井筒 T012794 进行再入，利用泥浆气剖面、钻杆测试（DST）以及组分与同位素分析对志留系层段进行表征。A2 碳酸盐岩（A2 Carbonate）层段压力响应最强，且是唯一在 DST 中返出气体的层段，因此被识别为被测层段中最具贡献潜力的储层。若干地球化学指标在志留系各层段间重叠，可能反映本地天然地球化学相似性，或由遗留井筒、历史活动、裂缝或断层促成的跨层混合。下 Bass Islands 层段脱溶气（exsolved gas）与其他 T012794 气体不同，具有更13C 亏损的 C1、升高的 C2/C3 比值以及 H2S 存在；这些特征与混合、次生改造或局部地球化学变异一致，但未能厘清具体控制因素。脱溶气中检出 H2S 暗示其与地层流体有关，且热成因气向上迁移时可与含 H2S 流体发生相互作用。区域地球化学数据集重叠可能不足以支撑单井完整性评估；来自离散地层单元的点位特异性压力和地球化学数据可更好约束贡献储层区间。该研究将 A2 Carbonate 定为热成因气贡献的主要候选层段，并将 Lower Bass Islands 定为潜在含 H2S 层段。

研究背景方面，加拿大安大略省西南部拥有北美最早商业油气田之一，自十九世纪末以来钻探数千口井，其中大量井现处非生产、废弃和档案不全状态。许多遗留井采用历史钻井与完井工艺，如裸眼段、有限套管和胶结不足，可导致地层间水力连通，使跨层流动和垂向气迁移成为可能。不完全弃井、封井质量差和层间隔离不足，会使井筒在废弃后仍为渗透通道，让深部储层中的逸出气进入浅部含水层或地表，造成 aquifer 污染、土壤影响、温室气体排放及爆炸窒息风险。该地区曾发生涉及烃类与硫化氢（H₂S）的爆炸事故，促使研究者调查向地表迁移的热成因气来源与通道。区域研究虽将志留系含气层段列为潜在贡献者，但受限于层段特异性压力与地球化学数据不足，以及区域气体组成和同位素值重叠，难以在单井尺度判定贡献储层。论文发表于《Applied Geochemistry》。

为开展研究，研究人员使用的主要关键技术方法包括：对再入遗留井 T012794 在钻进中连续采集泥浆气（mud gas），并在总气分析仪后通过 IsoTube 采集离散样品；在总深后选用测井指示的有孔渗和气显示层段实施钻杆测试（DST），以封隔器隔离目标层，采集流动期、关井底（BHS）自由气、溶解气和脱溶气；由第三方获取 DST 初始与终次关井压力数据；区域样本来自 2021 至 2022 年商业生产井，覆盖志留系、奥陶系和寒武系层系；实验室以气相色谱（GC）测定 C₁–C₆ 与永久气体，以微 GC 测定 H₂S，以同位素比值质谱（IRMS）测定 C₁、C₂、C₃ 的碳（δ¹³C）与氢（δ²H）同位素；并汇编阿巴拉契亚盆地文献与安大略油气盐资源库（OGSR）公开数据作区域对比。

研究结果部分，4.1 储层压力与气体迁移潜力中，研究人员通过 DST 压力恢复与渗透率解释发现，Bass Islands 高压快速稳定、渗透率高但压力低于向上驱动阈值；Lower Bass Islands 压力由 1702 kPa(g) 降至 1207 kPa(g)，显示储层压力衰减；A2 Carbonate 初关 3345 kPa(g)、终关 3032 kPa(g)，为中等渗透且唯一流动返气层段，具备高于正常静水压力的剩余压力，是最强向上迁移候选；Guelph 压力低、渗透率低。结论为 A2 Carbonate 最具贡献潜力，但是否迁移仍依赖遗留井筒等垂向通道。

4.2 地球化学剖面：DST 与泥浆气中，研究人员指出泥浆气因大气污染浓度低，但 C₁/ΣC₂₊、C₂/C₃、iC₄/nC₄ 等比值可与 DST 气保持一致，说明尽管稀释，地层气体组成比在泥浆气中仍可保留，从而用泥浆气补充未做 DST 层段的地球化学指标。

4.3 志留系地层地球化学剖面中，研究人员综合 DST 与泥浆气看到 Bass Islands、A2 Carbonate、Guelph、Goat Islands 在若干比值上接近；Lower Bass Islands 脱溶气则表现为低 C₁/ΣC₂₊、高 C₂/C₃、¹³C 与 ²H 亏损的 C₁，且含 H₂S；现有 C₂、C₃ 同位素不支持 C₂₊ 生物降解为主因，更可能为附加甲烷组分、源混合或次生过程。A2 Carbonate 作为唯一返气层段成为热成因气主要候选，其他层段相似性或来自天然均一性，或来自通过井筒、裂缝、断层的垂向混合。

4.4 A2 Carbonate 与区域志留系气体中，研究人员对比区域 A2 Carbonate 生产井数据，发现 T012794 的 A2 Carbonate 气更富甲烷、C₂₊ 更贫，而区域样 C₂、C₃ 的 δ¹³C 更富集；两者均落于更宽志留系范围内，差异可能来自充注、运移、连通性或成熟度变化，但无法区分自然过程与历史裸眼完井等人为跨层流。Lower Bass Islands 某些指标与宾州及伊利湖 OGSR 样重叠，但 C₁ 同位素与比值仍使其不能归入单一区域群体。

4.5 区域奥陶系与寒武系中，研究人员将对比扩展到更深层系，发现奥陶系、寒武系与志留系在组成和碳同位素上有重叠；高 C₂/C₃ 见于部分奥陶系样，但对应更高 C₁/ΣC₂₊ 与更富集 δ¹³C–C₁，故不能完全解释 Lower Bass Islands；寒武系支持更弱。附近处置井 T006935 的固井失效说明存在深浅沟通可能，但无水利连通证据。

4.6 H₂S 表征中，研究人员说明钻进用 H₂S 清除剂且安全监测未报警，不能证明地层无 H₂S；仅在 Lower Bass Islands 脱溶气中检出 370 ppmv H₂S，A2 Carbonate DST 气未达定量限。区域数据报告不全，但本研究在 T012794 仅 Lower Bass Islands 证实流体伴生 H₂S，机制与区域分布未定。

讨论部分总结为，多个志留系层段地球化学重叠既可反映原生相似性，也可反映由天然裂缝、断层或遗留井筒驱动的跨层混合，单靠区域数据难以定位贡献层；A2 Carbonate 的压力与返气证据使其成为热成因气向上迁移的最强候选，但持续跨层迁移还需导电垂向通道；Lower Bass Islands 的异常指标与 H₂S 说明其可能有超出 A2 Carbonate 热成因气的附加组分；区域志留系、奥陶系、寒武系重叠限制了地球化学归因能力。点位特异性、层段隔离的压力与地球化学数据比宽泛区域数据集更适合支撑井筒完整性评估。

结论部分译为：本研究评价了安大略省惠特利井 T012794 所穿志留系层序中的自由气组成、组成比值、同位素值和压力响应，以评估各地层单元的地球化学变异与迁移潜力。Bass Islands、A2 Carbonate、A2 Anhydrite、A1 Carbonate、Guelph 与 Goat Islands 若干指标重叠，这可能反映天然局部地球化学相似性，或由天然裂缝、断层或遗留井筒促成的跨层混合，现有地球化学数据无法区分二者。A2 Carbonate 压力响应最强且是唯一在 DST 条件下经测试管柱返气的层段，因此被定为热成因气向上迁移的最强候选；该认识证明测试条件下具气流动性，但本身不能确立持续跨层迁移，迁移仍需连接 A2 Carbonate 与浅层的遗留井筒、天然裂缝或断层等导水通道。Lower Bass Islands 脱溶气以高 C₂/C₃、更¹³C 亏损的 C₁ 和 H₂S 存在而异于其他 T012794 气体，这与源混合、次生改造和局部地球化学变异均相容，但贡献组分未被解析；脱溶气中 H₂S 与地层流体相先前关联一致，但未确立其生成机制或迁移史，A2 Carbonate 气中未达 H₂S 定量限，现有数据未证明两区间 H₂S 转移。盆地尺度上，志留系、奥陶系、寒武系在若干组成与同位素指标上重叠，限制了把志留系来源气体归为单一地层单元，也显示在多井与多通道盆地中地球化学指标的局限；部分奥陶系样与 Lower Bass Islands 某些指标重叠，但未见奥陶系或寒武系气贡献 T012794 气体的证据。本结果为安大略西南部研究不足的志留系层序提供了新区段特异性压力与地球化学数据；区域气体数据重叠会削弱单井完整性评估中的层位分辨能力，而来自离散地层单元的点位特异性压力和地球化学数据，可更有力地约束候选贡献储层及经受损井筒或其他导电通道发生的潜在跨层迁移。