ABSTRACT

Natural gas samples from wells located in Ordovician and Cambrian strata of southwestern Ontario have been characterized isotopically and compositionally. Together with data from Silurian natural gas wells (Barker and Pollack, 1984), these results provide important constraints on gas formation and migration within the Lower Paleozoic strata of southwestern Ontario. Compositionally these gases are "wet", composed predominantly of CH₄ (57-92% by volume), with significant concentrations of higher hydrocarbons (C2⁺ = 5-33%) and N₂ (1-16%). Notably, gases in the Ordovician (Black River Group) and Cambrian strata that form the contact rock with the Precambrian basement have very high He concentrations (up to 1.2% by volume) compared to concentrations of < 0.15% in overlying strata.

CH₄ isotopic results indicate that the gases are thermogenic in origin, with a significant bacterial component (10-45%) in several Silurian reservoirs. Isotopic and compositional thermal maturity indicators support the conclusion that the gases originated in mature to overmature source rocks. Such high maturation levels are inconsistent with in situ gas production in the immature to marginally mature southwestern Ontario strata, and suggest that gases migrated into southwestern Ontario from more mature source rocks outside the region. The distribution of estimated gas formation temperatures (based on carbon isotope geothermometers) indicates a source in the Appalachian Basin to the southeast of the study area. Migration pathways over hundreds of kilometres appear to be controlled by the Cambrian strata and their contact with the Algonquin Arch.

³He/⁴He ratios for gases from Cambrian wells range from 310^-8 to > 810^-8 (R/Ra = 0.02-0.06) - values typical of radiogenically produced crustal He. The highest ⁴He concentrations and ³He/⁴He ratios are consistently found in the Cambrian and Ordovician wells located close to the Precambrian basement. An observed correlation between ⁴He concentrations and ³He/⁴He ratios may reflect a mixing trend between in situ gas and a deeper end-member enriched in both ⁴He and ³He/⁴He. At present, it is not possible to determine whether this end-member originates in the underlying Precambrian basement, or like the hydrocarbon component, originates in the Appalachian Basin and has migrated into southwestern Ontario following pathways controlled by Cambrian strata and the Algonquin Arch.

RESUME

Des echantillons de gaz naturel provenant de puits fores dans des couches de l'Ordovicien et du Cambrien du sud-ouest de l'Ontario ont ete caracterises du point de vue des isotopes et de la composition. Couples aux donnees provenant des puits de gaz naturel du Silurien (Barker et Pollack, 1984), ces resultats fournissent des contraintes importantes sur la formation du gaz et sa migration a l'interieur des strates du Paleozoique inferieur du sud-ouest de l'Ontario. Du point de vue composition, ces gaz sont "humides", etant constitues principalement de CH₄ (57-92% au volume), avec d'importantes concentrations d'hydrocarbures plus lourds (C2⁺ = 5-33%) et de N₂ (1-16%). Notamment, des gaz provenants des strates de l'Ordovicien (groupe Black River) et du Cambrien qui forment le contact rocheux avec le socle precambrien montrent des concentrations tres elevees d'He (jusqu' a 1,2% au volume) a comparer a des concentrations de <0,15% dans les strates sus-jacentes.

Les resultats d'analyse d'isotopes indiquent que les gaz sont de nature thermogenique, avec une composante bacterienne importante (10-45%) dans plusieurs reservoirs du Silurien. Les indicateurs isotopiques et de composition de la maturite thermique soutiennent les conclusions qui affirment que les gaz proviennent de roches mere matures a surmatures. Or, de tels niveaux de maturation eleves sont inconsistants avec une production in situ du gaz dans les strates immatures a marginalement matures du sud-ouest de l'Ontario, et suggerent que les gaz migrerent dans le sud-ouest de l'Ontario a partir de roches mere plus matures situees en-dehors de la region. La distribution des estimations de temperatures de formation des gaz (etablie sur des geothermometres a base d'isotope de carbone) indique une source dans le bassin des Appalaches situe au sud-est de la region etudiee. Les voies de migration sur plusieurs centaines de kilometres semblent etre controlees par les strates cambriennes et leur contact avec l'arche Algonquin.

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Les rapports ³He/⁴He pour les gaz des puits cambriens vont de 310^-8 a > 810^-8 (R/Ra = 0,02-0,06) - des valeurs typiques pour l'helium crustal produit par decomposition radioactive. Les concentrations de ⁴He et les rapports ³He/⁴He les plus eleves sont trouves immanquablement dans les puits cambriens et ordoviciens situes pres du socle precambrien. Une correlation observee entre les concentrations de ⁴He et les rapports ³He/⁴He pourrait refleter une tendance de melange entre le gaz in situ et une composante plus profonde enrichie en ⁴He et en ³He/⁴He. En ce moment il est impossible de dire si cette composante plus profonde a son origine dans le socle precambrien sous-jacent ou, comme la composante hydrocarbure, provient du bassin des Appalaches et migra dans le sud-ouest de l'Ontario en suivant des voies controlees par les strates cambriennes et l'arche Algonquin.

Traduit par Marc Charest.