Gas Isotopes Tracing: an Important Tool for Hydrocarbons Exploration

Les isotopes du gaz utilisés comme traceurs : un outil important pour l'exploration des hydrocarbures

Institut Français du Pétrole

Corresponding author: alain.prinzhofer@ifp.fr

Abstract

Gas may be considered today both as a reliable tracer for the understanding of associated liquid hydrocarbons and as an economic target. Isotopic measurements of stables isotopes and noble gases give important clues to reconstruct the geological history of hydrocarbons from their generation to their accumulation. Recent analytical advances in carbon isotopes of natural gases (methane to butane and carbon dioxide) duemainly to the development of GC-C-IRMS (Gas Chromatograph-Combustion-Isotopic ratios mass spectrometer) have allowed to reconstruct some of the physico-chemical processes which affect naturalgas chemical signatures, instead of using these signatures as simple fingerprinting of origins as it was the case some time ago. These reconstructions provide important information on both the origins and the dynamic behavior of hydrocarbon fluids between the source rocks and the accumulations in reservoirs. Correlating this methodology with other natural tracers increases the understanding of hydrocarbon history in sedimentary basins. Among other new potential methodologies, noble gas coupled to stable isotopes are the new frontier tool, as their chemical inertia enables their use as precise tracers of sources and of associated physical processes (state of the phases, migration and leakage). Moreover, because some isotopes (4He, 40Ar for example) are produced by natural radioactivity, they may very well represent geological "clocks", giving potentially a quantification of the residence times of hydrocarbons in a reservoir. Several new applications of this association of stable isotopes and noble gases are presented in this paper: a new way for distinguishing bacterial and thermogenic gas origins, and the characterization of the parameters related to the genesis of thermogenic gas (primary versus secondary cracking, openness of the system, relations between gas isotope signatures and biodegradation). At last is presented a tentative quantification of the proportion of hydrocarbon gases leaked from a reservoir, and a quantitative relative residence times of hydrocarbons in heterogeneous reservoirs.

Résumé

Le gaz naturel peut être considéré aujourd'hui à la fois comme un traceur fiable pour la connaissance des hydrocarbures liquides qui peuvent lui être associés, et comme un enjeu économique en lui même. La mesure isotopique combinée des isotopes stables et des gaz rares donne des contraintes majeures pour reconstruire l'histoire géologique des hydrocarbures, depuis leur genèse jusqu'à leur accumulation. Des progrès récents dans la mesure des isotopes stables du carbone du gaz naturel (du méthane au butane et du dioxyde de carbone), liés principalement à l'utilisation de GC-C-IRMS (Gas Chromatograph-Combustion-Isotopic ratios mass spectrometer) ont permis de retracer de nombreux processus physico-chimiques qui affectent le gaz naturel, au lieu d'utiliser ces signatures comme de simples empreintes digitales d'origines, comme c'était l'usage auparavant. Ces reconstructions fournissent des informations capitales à la fois sur leur origine et sur l'évolution dynamique des fluides hydrocarbures entre la roche mère et l'accumulation dans les réservoirs. L'association de cette méthodologie avec l'utilisation d'autre traceurs naturels augmente notre connaissance de l'histoire des hydrocarbures dans les bassins sédimentaires. Entre autres méthodologies potentielles, les isotopes des gaz rares peuvent apparaître comme l'ultime outil de diagnostic, leur totale inertie chimique nous permettant de les utiliser tant comme des traceurs fiables de sources, que comme des indicateurs quantitatifs de processus physiques (état des phases, migration et fuites au travers des formations géologiques). Qui plus est, comme certains isotopes (4He, 40Ar par exemple) sont produit par radioactivité naturelle, il représentent des horloges géologiques, donnant accès à la quantification des temps de résidence des hydrocarbures dans les réservoirs. Plusieurs applications nouvelles sont présentées dans cet article, associant les isotopes stables avec ceux des gaz rares : une nouvelle méthode permettant de distinguer l'origine bactérienne ou thermogénique du gaz, et la caractérisation de paramètres en relation avec la genèse du gaz thermogénique (craquage primaire ou craquage secondaire, degré d'ouverture du système, relations entre les signatures isotopiques et la biodégradation). Enfin, nous présentons une tentative de quantification de la proportion d'hydrocarbures ayant fui hors d'un réservoir, et des valeurs relatives des temps de résidence des hydrocarbures dans un système de réservoirs hétérogènes.