主要

降低当前温室气体排放率的一种可能方法是碳捕获和储存(CCS)。长期二氧化碳(CO2)圈闭机制包括在稳定地质构造中的构造或地层圈闭，溶解到孔隙流体中(溶解度圈闭)。4碳酸盐岩矿化(沉淀和矿物圈闭)5或者吸附(例如，吸附在煤上)6．通常，在CO期间2提高采收率(CO2-EOR)，即注入CO的比例2注入后残留在储层内3.，为CCS站点在十年时间尺度上的调查和量化过程提供了模拟。

这里我们研究CO的行为2在美国路易斯安那州的Olla油田内(图。1)，即CO2-EOR在20世纪80年代被淹，并将其(生物)地球化学成分与邻近的Nebo-Hemphill油田进行了比较，后者从未受到CO的影响2三次采油(方法)。大约9 × 107米3.(标准温度和压力(STP))注入CO2在注入后仍保留在Olla储层中7．注入的CO2是来自黑湖油田，该油田位于Sabine岛复合体附近，是一个地下室高，可能是地幔衍生流体的管道8．虽然以前的几项研究已经对欧拉油田进行了地球化学特征研究9，10，11(方法)，本研究将稀有气体和块状同位素数据与稳定同位素和微生物数据相结合，研究注入CO的命运2．先前的研究表明，在Olla和Nebo-Hemphill油田都可能发生微生物烃降解和甲烷生成9，10，11．微生物产甲烷需要乙酸、甲基化化合物或氢和CO2(氢营养化产甲烷，方程(1))为起点;后一种机制与本研究最为相关。富氢甲烷作用的结果是13C富集残余CO2甲烷(CH4)最初13与源CO相比，C消耗殆尽2，这增加到消耗的CO的价值2．

$ $ {{\ rm{有限公司}}}_ {2}+ 4 {{\ rm {H}}} _ {2} \ {{\ rm {CH}}} _ {4} + 2 {{\ rm {H}}} _ {2} {\ rm {O}} $ $
(1）
图1:研究区域地图，显示了Olla和Nebo-Hemphill油田以及Black Lake油田的位置，从这些油田注入CO2是采购。
图1

只有Olla油田含有注入CO2．右边的插图显示了单个样本位置的扩展视图(附近的城市区域用星星表示)和显示相关岩性单位的地层柱9．

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考虑到它们的邻近性和相似的地质历史(包括来自相似油藏的油气生产;方法)，我们假设Nebo-Hemphill油田和Olla油田最初具有类似的地球化学成分，在CO之前2- Olla的eor。例如，Olla和Nebo-Hemphill油田的pH值、温度、盐度和离子化学性质广泛重叠1)．尽管公司21986年停止注入CO2在Olla油田内，所有储层的浓度(18±12 mol% (STP))均高于突破浓度限值(10%)。7显著高于Nebo-Hemphill(1.02±0.69 mol% (STP))。我们观察到更高的δ13CVPDB的有限公司2(13.5±3.4‰)高于Nebo-Hemphill(4.8±4.9‰)和注入CO2(0.85±0.92‰)10(扩展数据表2)，其中δ13c = [(13C /12C)样本/ (13C /12C)标准−1,VPDB为Vienna PeeDee Belemnite。单独注入不能解释较高的δ13一氧化碳碳2Olla值;因此，需要整合互补数据集来评估额外的现场过程。

惰性气体由于其惰性性质，为追踪和量化与CO相关的物理化学过程提供了强有力的工具2注射4，8，12，13，14，15，16，17，18，19．平均空气校正氦同位素(3.他/4He)相对于大气比(R/R一个,在那里R=3.他/4他样本而且R一个=3.他/4他空气)的值为1.76±0.31R一个0.46±0.12R一个(扩展数据图。1，扩展数据表2)．Olla油田He同位素值的升高需要地幔源惰性气体贡献的增加，这得到了额外惰性气体数据的支持(扩展数据图)。1，方法)，与注入CO有关2这些油都来自黑湖油田。

除了流体来源的特征，一种结合惰性气体和CO2同位素方法可以深入了解与CO有关的过程2捕获(例如，引用。4)或注入后甲烷生成。3.它是惰性和不溶性的，在地壳内没有重要的来源。因此，CO的变化2/3.注射后的变化直接归因于CO的加入或去除2系统内部4，20.．虽然在Olla的两个样品(样品O5和O6)含有CO2/3.他在地幔范围(2±1 × 109），与注入幔源流体一致，大多数比值较低，表明CO含量较高2删除(图。2，扩展数据表2)．最高CO值的差值2/3.He (O5，被认为是最原始的样品)和其余样品提供了注射后CO的保守估计2捕获/消耗39%至89%。

图2:δ13一氧化碳碳2在罗拉(CO2注射场)样品。
图2

一个， δ13一氧化碳碳2作为CO的函数2/3.他比。虚线表示端元甲烷生成和溶解(pH值7)分馏轨迹。勾号代表一氧化碳的总量2相对于O5样品，在系统内捕获。阴影区为微生物产甲烷作用和溶解作用共同作用的圈闭区。上产甲烷:溶解比(M:D)为0.33，下产甲烷:溶解比(D: M:D)为0.19，表明溶解作用约占CO的3倍2除甲烷作用(M:D = 0.26)优于微生物产甲烷作用。标记为“消耗”的线显示了原始注入CO的部分2这已经被净微生物甲烷作用除去了。b， δ13一氧化碳碳2作为δ的函数13C (CH)4．阴影部分代表CO2黑湖油田注入Olla系原油的同位素组成。Olla数据与储层温度(实线)和微生物甲烷生成(虚线)的热再平衡相一致。1σ不确定程度在符号大小之内。

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CO的减少2/3.他不断增加4他和20.在Olla油田观察到Ne的浓度(扩展数据图。2、方法)。在地下，4它是通过铀和钍的放射性衰变产生的，并积聚在地层水中12，其中也包含大气衍生20.不。CO之间的反相关关系2/3.他和4他和20.Ne在全球范围内的天然CCS类似物中都有发现4，表明与水接触的程度控制着CO的大小2通过溶解或析出CO捕获2(参考文献。4，15)．在罗拉观测到的pH值范围(7.0±0.5)内，溶解将以CO的形式主导降水2捕获机制4，10．然而，如上所述，δ13一氧化碳碳2在Olla气体中的富集程度比仅用这些过程所能解释的要高(图。2)．

与注入CO的来源无关2，这样的正δ13C值表明在初始成分上有显著的变化，不太可能超过2‰(参考文献。21，22)．特别是对煤的吸附，碳氢化合物对CO的生物降解2，随后的消耗和混合过程可能导致δ的增加13一氧化碳碳2(方法)。然而，即使是最原始的样品(O5)，这些过程中的任何一个都不太可能产生同位素富集CO浓度升高的流体2在Olla观察到的。

相关CH的分子平均和团块同位素组成进一步限制了影响这些气体的起源和过程4．我们观察到相对较高的δ13一氧化碳碳2(13.6±3.2‰)4(−47.7±1.7‰)，而Nebo-Hemphill(3.5±3.6‰)和- 56.4±3.6‰2和CH4)(图;2 b扩展数据图3，扩展数据表2)．高δ13C (CH)4而Nebo-Hemphill油田则含有较多的微生物气或较低成熟度的热成因气。利用我们的多同位素方法，我们提出了一个与观测到的高δ相一致的模型13CH的C值4δ也增加了13残余CO碳2．在这个模型中，假设罗拉有一个前co2-EOR成分类似Nebo-Hemphill，但遵循CO2-提高采收率，微生物活性转化了大量的注入CO2对CH4(扩展数据图。4)．我们根据以下观察得出这一结论。

首先，我们报告δ之间的差异13C (CH)4而δ13一氧化碳碳2罗拉油田为53.7‰~ 64.4‰，Nebo-Hemphill油田为50.8‰~ 68.1‰。2 b)．共存CO的碳同位素分馏2和CH4在Olla的44.6°C ~ 76.3°C和Nebo-Hemphill的29.8°C ~ 85.3°C之间符合热力学同位素平衡23，与当前储层温度(分别为29.2 ~ 50.7℃和29.7 ~ 57.1℃)重叠，表明在当前储层条件下，体系正接近同位素平衡(方法)。在储层条件下，同位素接近平衡似乎是碳的微生物循环的结果(即甲烷发生和甲烷厌氧氧化(AOM);AOM的证据在块状同位素中很明显，见下文)。储层条件在δ13一氧化碳碳2而δ13C (CH)4以前在类似的地质条件下观察到过吗24．

其次，我们观察到CH的两个可测量的聚集同位素的范围4,Δ13CH3.D和Δ12CH2D2， Olla分别为3.45‰~ 5.62‰和9.13‰~ 12.4‰。3.，扩展数据表2)，分别对应的视温度范围\ ({29} _ {-12} ^ {+ 14} \)°C到\ ({128} _ {-16} ^ {+ 17} \)°C和\ ({87} _ {-11} ^ {+ 13} \)°C到\ ({132} _ {-23} ^ {+ 30} \)与当前储层条件相比，两者正接近平衡。块状同位素组成为CH的来源提供了独立的约束条件4在石油系统中25，26，27，28，29，30.．产热的CH4似乎主要是在内部同位素平衡下形成的26，30.而微生物CH4它的块状同位素组成变化很大，两者都是非平衡的28，29和表观平衡特征24，26，28，29，31，32，33，34．对于Olla，我们期望热生ch4-世代温度超过163±18°C，由生物标志物提供的独立成熟度约束35．来自Olla的两个样品(O4和O6)似乎处于内部同位素平衡(约125°C和约95°C)，但其表观温度低于纯热源CH的预期4．这些温度与微生物CH的一个组成部分一致4形成于或接近于当前储层条件的平衡状态。其余的示例有Δ13CH3.D视温度\ ({28.7} _ {-12.3} ^ {+ 13.6} \)°C到\ ({74.0} _ {-15.0} ^ {+ 16.8} \)°C，在这些流体的当前储层温度(方法)的误差范围内，与原位微生物甲烷生成作用和AOM一致。此外，这些样本在Δ中表现出缺陷12CH2D2，与以微生物CH为主的流体相一致428，29，34通过活跃的甲烷生成和AOM使系统接近平衡。相比之下，Δ13CH3.d基温度\ ({77.9} _ {-12.3} ^ {+ 13.5} \)°C到\ ({166} _ {-29} ^ {+ 34} \)Nebo-Hemphill的°C表明这些流体以产热CH为主4虽然，类似于Olla， Δ12CH2D2簇状同位素也表明存在微生物CH4的贡献。

图3:Δ12CH2D2与Δ13CH3.测量的Olla和Nebo-Hemphill样品的D。
图3

聚集的同位素空间说明是否测量CH4是否处于内部热力学平衡(黑线)热力学平衡曲线计算如下参考。41．阴影十字表示每个同位素中当前储层温度的热平衡。箭头表示甲烷生成(深灰色)和AOM(浅灰色)的理论趋势29．1σ不确定度水平显示在被测样品上。

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第三，我们在Olla和Nebo-Hemphill油田生产的石油的分子地球化学中确定了碳氢化合物生物降解的证据(方法)。在Olla的情况下，我们也报告了一个升高的δ13丙烷C(扩展数据图。3 b)．在这些储层中，油与丙烷共存，排除了高温裂解导致正δ的可能性13C值，表明丙烷已被生物降解36，与田间低温微生物活动相一致。

第四，微生物群落的小亚单位(SSU)核糖体RNA基因测序确定了氢化产甲烷菌、甲醇和甲基化产甲烷菌以及厌氧甲烷菌(ANME)指定序列的存在(扩展数据图)。5)．这些样本来自每个油田的两口井的地层水，以及之前对这些油田的微生物学分析37．产甲烷古生菌和产甲烷古生菌的共存显示了CO转化的潜力2对CH4反之亦然，与分子内和分子间平衡的同位素特征一致。然而，平衡可能受到AOM的限制，因为产甲烷菌的丰度比ANME高100倍，而AOM可能以更低的速率进行每个细胞。

综合独立的地球化学和微生物数据支持我们的断言，油田微生物转化注入的CO2对CH4什锦菜。本研究确定了与CO注入相关的微生物过程2深入地下操作，以年代际为时间尺度进行加工。

为了量化这些微生物过程对Olla油田的影响，我们构建了一个同时考虑溶解和微生物甲烷生成的模型(图2)。2、方法)。从我们最原始的样品(O5，最高的CO2/3.He)，我们发现这与CO的同位素组成相匹配2连同相应的产地来源证2/3.他认为，溶解的CO含量为3.1±1.1倍2去除比氢营养性甲烷作用。根据该模型，估计净微生物产甲烷作用至少消耗了注入后CO的13% - 19%2，这取决于样品的位置，而溶解则要多去除74%的CO2．当CO2浓度与δ相比较13一氧化碳碳2值(扩展数据图。6)．在δ升高的基础上13一氧化碳碳2，我们认识到，我们最原始的样品可能也经历了很大程度的修改，这与我们的估计是保守的一致，而CO2注射后的浓度可能更高，并且在整个油田中变化不定。

我们结合惰性气体和稳定同位素的方法可以估算自然系统内的原位净微生物甲烷生成速率。通过推断从停止注射(1986年)到取样(2015年)之间29年的结果，并假设CO的微生物消耗量为13-19%2从混合产甲烷-溶解模型，图;2)注入剩余的一氧化碳2体积，我们计算出最小为1.15 × 107-1.72 × 107米3.(STP)微生物CH4在最低73-109 mmol CH4米−3(STP)年−1．CO的先前估计2在类似温度下，在实验室微观培养条件下，氢营养产甲烷菌降解产甲烷油后的还原显著降低(约0.01-0.15 mmol CH4米−3(STP)年−1）38相比之下。

本鉴定和定量CO2-与提高采收率相关的微生物甲烷生成具有重要意义，值得重新考虑全球类似地点的储层过程。注入CO的命运2在其他油田(如美国加州Lost Hills油田Belridge硅藻土组)17，39)从未使用这种综合方法系统地探索过。与Olla相似，Lost Hills油田也有升高的δ13溶解无机碳(DIC) C(20.16-23.61‰)40与注入δ相比较13一氧化碳碳2(−30.1‰)39．δ之间的分馏13C (DIC)和CH4表明Lost Hills体系与现有储层条件及δ δ之间的负相关关系正趋于平衡13C为注射后残余CO2浓度与微生物产甲烷相一致。此外，来自Nebo-Hemphill的数据，以及自然CO2匈牙利Pannonian盆地富含CO的烃系统也与基于CO的显著微生物甲烷生成相一致2/3.他和δ13一氧化碳碳2(扩展数据图。7、方法)。这些实例表明，当储层具有良好的物理化学条件时，自然体系和注入扰动体系都可能发生加氢甲烷生成。

我们认为，虽然甲烷作用不是主要的CO2汇，它可以代表自然和扰动CO内部的一个实质性过程2场和可能比以前认为的要普遍得多。即使用最保守的CO估计2研究发现，目前为止，在奥拉油田中，沉积CO的含量可达13% ~ 19%2在该领域的采样部分已被产甲烷菌消耗。这比CO的量要少2它已经溶解在水中，但在工程时间尺度上同样以显著的速度发生。CH4比CO更不易溶解，但流动性更强2因此，与CH相关的气体损失风险会增加4微生物产甲烷。贫烃储层含有第二大CO2存储潜力1，3.经过深层盐水含水层。如果这些储层内的物理化学和环境条件(例如低温、低盐度和高底物有效性)有利于微生物甲烷生成，我们建议将这些微生物过程作为未来CCS选址的标准，以确保低风险的长期存储。此外，像这样的综合研究可能对有效监测CO至关重要2储存和由此产生的生物地球化学过程。

方法

造型

这里我们提供了δ的额外细节13C-CO2甲烷生成与溶解的分馏模拟。在我们的模型中(图;2扩展数据图6)时，我们使用CO测量值最高的样品2/3.He(最原始样品，O5)作为计算CO变化的参考点2/3.他和δ13C-CO2与公司2加工(即产甲烷和溶解)。我们假设没有3.由于溶解或甲烷作用，CO从气相中流失，因此CO的分数发生了变化2导致CO的变化2/3.他。

溶解模拟为开放体系瑞利分馏4．

$ ${\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}} 2} ={\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}}我}{f} \倍^{(\α1)},$ $
（2）

在哪里f是原始CO的分数2留在储层中的δ13C二氧化碳和δ13CCO2iCO的碳同位素组成是什么2适用于解散后及在初始产地来源证内2分别为,α是分馏因子。溶解的分馏因子(αd= 1.0038±0.0012)10．降水曲线(图;2)可以用分馏因子(αp= 1.0086±0.0012)21．

考虑到碳同位素在当前储层条件下趋于平衡，净甲烷生成被模拟为一个封闭系统的平衡过程(式(2),无花果。2)．这个循环产生的分馏，α米，为0.9363±0.003，与当前储层温度下的热平衡相一致23．

$ ${\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}} 2} ={\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}}我}\ mbox{-}({\α}_ {m} 1)(行进)\ * \ mathrm {1000} $ $
（3）

在Olla油田内，很可能存在微生物循环和溶解的结合。因此，微生物产甲烷和溶解的净效应可以用公式(3.)．

$ ${\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}} 2} ={\三角洲}^ {13}{C} _ {{\ rm {C}} {\ rm {O}}我}{f} \倍^{α1)(\}\ mbox{-}({\α}_ {m} 1)(行进)\ * \ mathrm {1000} $ $
（4）

在哪里fCO的分数是多少2捕获/消耗后剩余α一个是系统的表观分馏因子。α一个与甲烷作用相比，取决于溶解程度，并被描述为42：

$ ${\α}_{一}= {F} _ {d}{\α}_ {d} + (1 - {F} _ {d}){\α}_ {m} $ $
（5）

在哪里FdCO的分数是多少2CO总量的2由于溶解而被困/消耗。

样本采集与分析

根据参考文献的方法，使用标准技术直接从井口采集了大宗气体成分、稳定同位素、惰性气体和块状同位素分析样品。8，17，18，24．稀有气体同位素测定是在牛津大学的稀有实验室进行的，碳氢化合物气体的分析在这里已经很成熟了8，17，18，43，44，45．为了进行体积成分和C和H稳定同位素分析，气瓶被运往美国伊利诺伊州香槟市的Isotech公司。参考文献中描述了这些的标准程序。46．CH4在加州理工学院按照参考文献中描述的程序测定了块状同位素。46．

微生物分析是在埃克森美孚研究和工程公司的内部设施进行的。采出水样从O1、O4、NHH3和NHH6井中采集并立即过滤。水通过0.22-μm SVGPL10 RC Sterivex GP过滤器(EMD millipore)，直到过滤器堵塞如下量:o1,1,350 ml;O4 1,350 ml;NHH3, 1,750 ml;NHH4, 300毫升。过滤器立即保存在冰上，并保存在−80°C，直到提取DNA。使用DNeasy PowerWater Sterivex Kit (Qiagen)从Sterivex过滤器中提取DNA。用V4V5特异性引物扩增SSU rRNA基因(https://vamps2.mbl.edu/)以细菌为目标。采用针对细菌的特异性引物扩增SSU rRNA基因:正向引物(967F) CTAACCGANGAACCTYACC、CNACGCGAAGAACCTTANC、CAACGCGMARAACCTTACC和ATACGCGARGAACCTTACC;反向引物(1064R) CGACRRCCATGCANCACCT。第二组扩增使用针对古菌的特定引物:(Arch2A519F) CAGCMGCCGCGGTAA和(Arch1017R) GGCCATGCACCWCCTCTC。Illumina MiSeq 2x300bp对端测序由Mr. DNA进行。采用QIIME 2 2017.4对微生物组进行生物信息学分析47．使用q2-demux插件对原始序列数据进行解复用和质量过滤，然后使用DADA2去噪48．扩增子序列变异与mafft比对，用fasttre2构建系统发育49，50．使用q2‐feature‐分类器对扩增子序列变体进行分类51classification‐sklearn Naïve贝叶斯分类器针对Greengenes 13_8 99%操作分类单元(OTU)参考序列52．

地质与生产历史

Olla油田位于墨西哥湾北部的路易斯安那州的La Salle教区21983年至1986年为提高采收率注入CO2三次采油)。Nebo-Hemphill油田位于Olla油田东南20公里处，为本研究提供了对照油田，该油田未含CO2注射(图。1)．这两个油田都产自古新世-始新世Wilcox组，该组位于路易斯安那州北部，由600 - 1500米浅海碎屑沉积物、河流三角洲沉积和6米厚的煤层组成53，54．该群两侧为古新世中途群和始新世Clairborne群限制单元54．通常，Wilcox组被细分为下部(含煤层的砂岩)、中层(砂岩、褐煤和粘土)和上部(三角洲沉积)，中间和上部由“大页岩”单元分隔53，55．路易斯安那州北部、密西西比州中西部和阿肯色州东南部的晚白垩世侵入火成岩体被认为影响了区域热流，这可能导致Wilcox群在古新世早期的热成熟度增加56，57．

气油比在油田内是可变的，似乎与靠近已知气顶无关，较高的气油比可能反映了随着井底压力降低，气体从溶液中流出。

有限公司2在Nebo-Hemphill油田中存在低浓度(1.02±0.69 mol%)的CO2同时出现在两个领域。1983年3月至1986年4月期间，在Olla油田的2,800英尺砂岩(Wilcox Group中部)进行了CO的试点项目2洪水。的有限公司2注入场不混相，注入气相(即不超临界)。假设CH的量可以忽略不计4是和一氧化碳一起注射的2．以往对Olla油田的研究认为，所有注入CO2被保留在2800英尺的砂岩中9，10．然而，最初的CO2注入的报告7指出“摩尔百分比超过10%可能表明注入的CO产生了2”。在2800英尺的砂岩之外，只有一个样本含有CO2浓度低于10%(即所有其他CO2浓度大于10%)。值得注意的是，此前有报道称，在其他产层中，其浓度超过10%10．这些特征与注射一氧化碳一致2在不同的储层中运移，并在采样时留在地层中。如果CO浓度如此之高2CO2不是从黑湖油田提取和运输的，而是从CO的生产液中提取的2欧拉地区富含流体。此外，我们还看到了清晰的地幔衍生惰性气体特征(见下文)，这在He和氖(Ne)同位素中最为明显(扩展数据图。1)，表明注入CO明显侵入2进入近端岩性。

共2.2 × 108米3.的有限公司2被注入Olla油田，来自路易斯安那州Natchitoches教区附近的Black Lake油田(由Petit组的下白垩世碳酸盐岩生产)。1)．大约是注入CO的三分之一2在EOR项目停止后，仍留在储层内7．重要的是要注意，鉴于这个CO的年龄2在eor项目中，我们无法获得CO注入比例等约束条件2有时引用储层孔隙体积来量化EOR项目的规模及其在地下的分布。此外，我们预计注入CO2由于提高采收率和气循环阶段的不同，罗拉油田孔隙体积内分布不均匀。

1984年，油田内部也开始注水。相比之下，Nebo-Hemphill从未经历过任何类型的提高采收率。

分子地球化学

采用全油-气相色谱法(WOGC)提供每种油的烃指纹图谱，并使用开柱液相色谱法分离并定量每种油的饱和、芳香族、树脂和沥青质馏分。总的来说，我们在两个油田之间看到了相似的流体成分。WOGC显示了来自海洋的油的平滑分布的证据n-烷烃，原始/植烷比约为2，蜡含量低。显着的差异可能是由于生物降解的不同水平，说明损失n一些样品中的-烷烃和美国石油学会(API)的重力范围在21到42之间。这些石油在地球化学特征上的相似性为Nebo-Hemphill油田作为任何可能因注入CO而产生的生物地球化学差异的对照点提供了基础2什锦菜。

源相

利用气相色谱-质谱(GC/MS)分析了饱和馏分和芳香族馏分，以提供每种油的生物标志物分布。以海洋为主要来源的解释是基于以下证据:(1)三环萜烷与C23与延伸的hopanes (C31- c35)依次递减是典型的海洋源签名;(2) C30.hopane与C比较29藿烷为海相碎屑岩来源;(3) C含量较高28双诺藿烷与齐烷相比，表明与上述来源相比，海洋输入量更高58；(4) C26三环萜烷与C25三环萜烷提供了一些陆源输入的证据。与之前的解释一致，我们认为这个来源是威尔科克斯集团油的一部分，更具体地说，威尔科克斯集团I最初由参考文献描述。59，60．

热成熟度

我们采用标准的饱和和芳香族生物标志物比值，对所分析的每个油样进行表观热成熟度估计。我们在表观热成熟度的背景下讨论这些，因为我们认识到这些估计是基于流体的整体加权平均组成。12种油的GC/MS分析结果表明，热成熟度范围为Ro相当于0.9-1.25%，属于主后期油。这一热成熟度范围的解释基于以下因素:(1)高分子量三芳甾体的浓度高于低分子量三芳甾体，描述为% ΔTAS (20-57%);(2) C的异构化29ααα−相对于C的20S29ααα−20R甾烷(0.45-0.48)61；(3) 1,2,5-三甲基萘与1,3,7-三甲基萘的异构化反应，用参考文献定义的比值TMNr(0.48-0.67)表示。62；(4) C23三环萜烯到C30.藿烷，计算为T23/(T23 + H30)(0.10-0.37)，其中C23三环代表更高的成熟度。

变更

使用WOGC和GC/MS分析有助于提供这些油的蚀变历史。浅层Nebo-Hemphill NHH3流体是测试样品中生物降解程度最高的端元，因为明显缺乏NHH3n-烷烃，API比重为21和去甲基藿烷的存在。根据参考文献的分类，该样品将被归类为严重生物降解。63．其余的Nebo-Hemphill样品的api为32-41，被归类为未生物降解到非常轻微的生物降解63．欧拉油田的流体显示出光线减少的迹象n-烷烃，显示相似n-烷烃与类异戊二烯的比值，api为33至37，表明流体之间的生物降解水平相似。因此，Olla流体可被归类为具有非常轻微的生物降解作用63．

以往研究结果摘要

地层水地球化学、分子油组成和采出气组成(包括δ13C)在Olla和Nebo-Hemphill油田的分布特征9，10，11．基于欧拉油田富集的δ，首次提出了微生物甲烷生成假说13一氧化碳碳2(ref。9)．然而，由于2800英尺的砂岩和其他生产地层中注入物质的同位素组成的差异，他们得出结论，注入的CO2不存在于生产区域10因此，任何微生物的甲烷生成都与注入无关，可能与烃类的微生物氧化有关。与Wilcox组的其他油田相比，Olla油田的甲烷生成作用增强被认为是由于理想的地球化学条件(即合适的pH、温度和盐度范围，以及缺乏替代电子受体)。10．他们得出结论，注入CO2很可能被溶解并困在气相中10．进一步对微生物产甲烷进行研究发现，原油生物降解与微生物产甲烷相关性不大;而原油的生物降解程度与样品的温度、盐度和深度有关11．此外，还对奥拉储层内的微生物群落组成进行了调查37该研究发现，系统中存在产甲烷菌，2800英尺的砂岩与其他产层之间的微生物群落没有显著差异37．随着惰性惰性气体同位素和团块同位素的加入，我们能够重新研究CO的命运2在Olla水库内。

欧拉油田地层水化学特征

罗拉油田地层水的pH值和碱度在6.5 ~ 7.5之间，在16.3 meq kg之间−157.7 meq kg−1分别10．最主要的阴离子是Cl−(1,122-1,621 mmol l−1)，最主要的阳离子是Na2 +(1,108-1,630 mmol l−1(扩展数据表1)，这是典型的盆地卤水64与之前的测量结果一致10．其他阳离子包括:Mg2 +(119-329 ppm)， Ca2 +(80 - 500ppm)， K+(223-524 ppm)， Ba2 +(95-165 ppm)， Si4 +(10.1-12.5 ppm)和Sr2 +(77 - 215 ppm)。测得的铁浓度小于0.1 ppm。除了O1样本中的SO42−浓度是62 ppm，所以42−浓度低于百万分之二。铁和SO42−浓度与先前报道的一致10．

注射材料的识别

有限公司2注入的Olla油田的浓度(18±12mol%)显著高于Nebo-Hemphill油田的浓度(1.02±0.69 mol%)。CH4与Nebo-Hemphill的92.6±8.2 mol% (STP)相比，Olla的浓度为77±13 mol% (STP)。然而，δ13一氧化碳碳2(0.85±0.91‰)与δ同位素明显不同13一氧化碳碳2(13.6±3.2‰)。2 b)．注入的CO2来自黑湖油田，该油田位于Sabine岛综合体附近。Sabine岛复合体是Sabine隆起基底高地的一部分，被认为是地幔衍生流体的管道8．然而，测得的δ13一氧化碳碳2(0.85±0.91‰)10相对于地幔CO升高2(−2‰~−5‰;参考文献。21，22)，可能反映了在储层较浅和温度有利于微生物活动时，发生了一定程度的生物改造。δ升高的另一种解释13一氧化碳碳2它是地幔源性CO和地壳源性CO的混合物2；然而，这会增加CO2/3.他高于地幔中预期的水平，这在Olla样品中没有观察到。

由于碳的稳定同位素经常被化学或生物过程所修饰，惰性气体的惰性性质意味着它们是注入CO的理想示踪剂2在这种情况下。由于CO时未收集注射样品2在提高采收率方面，我们无法获得注入Olla油田的稀有气体成分。然而，惰性气体记录了附近Nebo-Hemphill油田的注入前条件，随后在Olla油田通过CO过程中注入物质的混合进行了修改，这是合理的2注入。

的4他/20.两田Ne比值均在3210 ~ 20900之间，显著大于大气值0.32，大气对样品的贡献不显著。空气校正氦同位素比(3.他/4He)，报告相对于大气比率(RC/R一个其中空气为1R一个)，为1.84±0.10R一个0.46±0.08R一个在Nebo-Hemphill(扩展数据表2)．这些都高于典型的碳氢化合物系统，在典型的碳氢化合物系统中，大部分He来自地壳辐射产生(3.他/4He = 0.02R一个；ref。12)，高于墨西哥湾地区的其他油田8，18，43．的升高3.他/4这些值是可解析的地幔贡献的结果。使用简单的两端元混合模型，含次大陆岩石圈地幔(3.他/4他= 6.1;ref。65)和地壳端元，计算出Nebo-Hemphill油田地幔He的平均地幔贡献率为7.8%。地幔流体的贡献很可能来自于位于两场之间的Little Creek塌陷构造66．在Olla，平均地幔的贡献3.他是30%，这表明该油田有一个额外的地幔流体来源，来自黑湖油田的注入可以合理地解释这一点。Ne同位素比值在Olla (20.不/22Ne 10.3±0.2和21不/22Ne 0.0399±0.002)，而Nebo-Hemphill(分别为9.85±0.09和0.0335±0.001)和air(9.8和0.029)(扩展数据图;1，扩展数据表3.）67，68，69，再次表明注入的物质中含有地幔衍生流体。

的40基于“增大化现实”技术/36Nebo-Hemphill的Ar值显著大于大气值(298.56;ref。70)，测量比值为370±3 ~ 604±5。欧拉油田具有较高的采收率40基于“增大化现实”技术/36Ar(1476±13 ~ 2766±24)(扩展数据表3.)．升高40基于“增大化现实”技术/36Ar比值可能是过量放射成因的结果40氩和地幔源性流体12，71．区别在于40基于“增大化现实”技术/36Ar比值可能是由于两个油田之间与地层水接触程度的根本差异。然而，由于所有取样井都在同一地质地层内，两个油田相对较近，难以区分4他集中注意力，这似乎不太可能是原因。因此，这种差异可能是注入CO的结果2，这可能有地幔衍生40基于“增大化现实”技术/36Ar过剩，与观测到的地幔衍生He和Ne同位素一致。最后，Nebo-Hemphill的氙(Xe)同位素比值与空气难以区分，而Olla油田的某些Xe同位素比值却高于空气。例如，129Xe /130Xe比值为6.59±0.01，大气值为6.49(扩展数据表)3.）;这种过剩129Xe相对于130Xe与具有端元的地幔流体的贡献相一致129Xe /130Xe值为8.2(参考。71)．因此，Olla油田显示出Nebo-Hemphill控制区内不存在的明显地幔成分。

使用保守惰性气体示踪剂对Olla油田注入流体的检测与以往使用δ示踪剂的研究结果不同13一氧化碳碳2得出注射CO2不再或从未出现在大多数取样井中(例如，参考。10)．注入CO的地下行为2因此，可以使用惰性气体和稳定同位素的组合对系统内部进行重新检查。

罗拉油田内的溶解作用

有限公司2在储层条件下极易溶于水。自由相地下CO最可能的俘获机制2碳酸盐矿物的溶解或沉淀是由溶解介导的吗4，21．CO的减少2/3.他与增长有关4他和20.Olla油田内Ne的浓度(扩展数据图。2)．20.Ne(并且经常)4他)4均来自地层水，表明CO2Olla油田的圈闭也与地层水的接触和脱气量成正比，与油田内的溶解程度一致4．溶解(溶解度俘获)之前已被发现是CO的主要汇2(ref。4)，并对轻同位素组成给予轻微的ph依赖分馏21．然而，这种分馏效应与CO的量相比是微不足道的2甲烷产气- aom循环过程中可以得到的分馏(图2)。2)．

鉴于威尔科克斯群中存在不连续煤层57，72，有可能是一些注入CO2可能以CO的形式被吸收到这些煤层上2对煤的亲和力比CH大得多4(ref。9)．这一过程所产生的同位素分馏仍然没有得到很好的约束，一些研究表明变化大于5‰73，74而其他人则认为影响可以忽略不计75，76，77在δ上13一氧化碳碳2．煤的吸附会引起CH的反方向分馏4同位素签名。考虑到较重的δ13一氧化碳碳2和δ13C (CH)4从注入的奥拉油田的同位素特征来看，不太可能是CO2对煤的吸附是主要的CO2与之前的发现一致，在该领域下沉10．

碳在Olla的地下行为

Olla样品在δ和δ中均富集13一氧化碳碳2而δ13C (CH)4与Nebo-Hemphill和注射CO相比2值。δ之间的偏移13C (CH)4而δ13一氧化碳碳2观测温度与热驱动同位素交换平衡下的预期值接近(图2)。2 b)．CO的碳同位素2和CH4在目前的储层条件下，油气系统已经接近平衡状态24．然而，CO的热平衡2和CH4在当前的温度(29.2-50.7°C)下，在Olla储层的动力学上是有限的，如果没有提高反应速率的过程，就不会在注入的时间尺度上发生78．微生物产甲烷作用和油田内活跃的AOM相结合，将使系统在当前储层内的热条件下接近平衡。下面详细的进一步观察为这一结论提供了证据，并允许对净微生物产甲烷进行量化。

CH的块状同位素4(Δ13CH3.D和Δ12CH2D2)可以为其在含油气系统中的来源提供独立的约束条件25，26，27，28，29．产热的CH4预计其组成与烃源岩成熟温度一致，通常在157℃或以上(参考文献)。25)．在Olla，我们期待CH4代发生在163±18°C(基于生物标记物成熟度估计参考。35)．微生物CH4它的块状同位素组成在非平衡状态下是可变的吗28，29从深地下获得的样品报告了明显的平衡特征26，29．微生物产甲烷形成CH4特点是低Δ13CH3.D和极低Δ12CH2D2(参考文献。28，29)，而AOM倾向于驱动CH的同位素组成4趋于平衡，预计在Δ以更快的速度达到平衡13CH3.D与Δ相比12CH2D2(参考文献。29，30.，34，79，80，81)．在Olla油田，我们看到Δ13CH3.D为3.45‰~ 5.62‰\ ({29} _ {-12} ^ {+ 14} \)°C到\ ({128} _ {-16} ^ {+ 17} \)°C)和Δ12CH2D2的表观温度为9.13-12.4‰\ ({87} _ {-11} ^ {+ 13} \)- - - - - -\ ({132} _ {-23} ^ {+ 30} \)°C)(图3.，扩展数据表2）;这些温度排除了CH的生热起源4而是与微生物的贡献相一致。O4和O6样品处于内部块状同位素平衡，温度低于生热CH的预期温度4在当前的储层条件下，似乎正在接近平衡。Olla区剩余样品已与Δ区现有储层条件达到明显平衡13CH3.D，但在Δ中尚未达到明显的平衡12CH2D2可能是由于动力学效应。在储层温度下，Olla地区的块状同位素正在接近平衡状态，这可能是由于Olla油田内活跃的AOM造成的。这支持了在当前热条件下，罗拉储层存在活跃的微生物甲烷生成作用和AOM驱动碳同位素接近平衡的结论。

有微生物降解的高烷烃气体(扩展数据图。3.)。丙烷在微生物降解过程中优先被消耗，因此在生物降解气体中，丙烷将看到最明显的δ13C浓缩36．这个δ13在Olla气体中C富集明显(扩展数据表3.)，并支持油田内活跃的微生物烃降解。

以前曾有人提出在Olla储层中存在产甲烷活动和产甲烷“热点”的想法9，10．产甲烷作用发生的环境条件是相对明确的。在石油储层或煤层等营养不良的环境中，产甲烷菌可以在高达80°C的温度下生存，在40°C至50°C之间生长速度最快，因此产甲烷活性最大(参考文献)。36，82，83，84)．产甲烷活性在接近中性pH时最强，在pH <4和>9时被抑制(参考文献)。84)．地层水矿化度对Cl以上的甲烷生成也有抑制作用−浓度为1500 mM，在200 ~ 600 mM之间生长最快(参考文献)。82，83，85)．浓度大于1mm的铁和硫酸盐的存在也会限制甲烷的发生(这是其他细菌占优势的结果)。86，87，88，89．值得一提的是，就pH值(6.5-7.5)而言，Olla油田具有理想的甲烷生成环境条件。10，温度(29.2-50.7°C)，盐度(1094 - 1622 mM)，硫酸盐(<0.6 mM l−1）10铁浓度(≤0.1 mM l−1)(方法)。

此外，与富有机质环境下微生物甲烷生成相关的地球化学和同位素参数也已得到很好的确定10，11，83，88，90．传统上，CH的碳同位素4已被用于确定生物源性CH4(一般小于- 60‰)91，92，93(扩展数据图。3)．然而，甲烷作用可导致大量生物源性CH4作为剩余CO2与Olla的观测结果一致(图2)。2 b)．此外，发生甲烷生成的地层水碱度大于10 meq kg−1其中，乙酸浓度小于1 mM, Ca/Mg比值小于1.5，δ13C-DIC大于+20‰。87，88，90)．在Olla油田，碱度在21.4 meq kg之间−157.7 meq kg−1，平均Ca/Mg比值为0.2，δ13C-DIC值为14.2‰~ 28.7‰，再次表明矿区内发生了甲烷生成。

对Olla油田微生物群落(O1和O4样品)的SSU rRNA基因测序分析表明，在古菌序列中，存在氢化产甲烷菌、甲醇和甲基化产甲烷菌以及ANME指定序列(扩展数据图)。5)．该微生物阵列将促进野外微生物甲烷生成和AOM。

在甲烷生成和AOM之间的碳循环过程中，我们不期望氢同位素组成发生变化。可能是由于微生物活动或反应动力学的结果，细胞外氢被添加到系统中。氢可以来自水，游离氢可以来自高级碳氢化合物气体的降解或石油。因此，我们无法确定在当前储层温度下，系统内的氢同位素是否也接近平衡状态。

有可能CO2和CH4Olla系的同位素纯粹反映了甲烷生成的动力学过程。δ的差值13一氧化碳碳2而δ13C (CH)4(53.7 ~ 64.4‰)与微生物产甲烷预测值(58‰左右;ref。94)．在这种情况下，所有的CH4在Olla可能是微生物起源，因此需要任何产热CH4组件原本在系统中被淹没。CH的高浓度和混合生热-微生物组成4在Nebo-Hemphill油田(图。3.，方法)与此场景不一致。此外，Olla地区的聚集同位素表明该地区对AOM有明显的需求，16S rRNA基因测序显示活跃的甲烷养菌，这与纯微生物甲烷生成主导系统的情景不相容。因此，未来的研究将研究影响CO的过程2潜在的CCS储存目标将受益于现场研究地点的完整地质、地球化学和微生物特征。

Nebo-Hemphill油田碳的地下行为

CO的碳同位素组成2和CH4与Olla油田相比，Nebo-Hemphill油田的油气资源已经枯竭。2 b)．尽管如此，δ的差异13一氧化碳碳2而δ13C (CH)4Nebo-Hemphill与Olla的高度重叠(分别为50.8 ~ 68.1‰和53.7 ~ 64.4‰)。Nebo-Hemphill的同位素分馏程度与29.8 ~ 85.3℃的热平衡一致，与现今的储层温度(29.7 ~ 57.1℃)一致。另外，δ13一氧化碳碳2与地壳或地幔来源的CO相比，Nebo-Hemphill的CO富集程度更高2(小于2‰)21，22，与现场少量微生物产甲烷相一致。我们认为也有微生物产甲烷作用(与以前的研究一致)10)和Nebo-Hemphill油田内的AOM;然而，与Olla不同的是，该油田并没有通过任何注入来提高产量。

对NHH3和NHH6的微生物分析表明，Nebo-Hemphill中存在氢化产甲烷菌、甲醇和甲基化产甲烷菌，以及ANME指定的序列，与田间的活性产甲烷菌和AOM一致(扩展数据图)。5)．CH的聚集同位素4Nebo-Hemphill油田内的视温度为Δ13CH3.D\ ({78} _ {-12} ^ {+ 14} \)- - - - - -\ ({166} _ {-29} ^ {+ 34} \)°C和表观温度Δ12CH2D2比预期的产热CH含量高4(163±18°C，图;3.)．他们认为CH4可能主要是产热的，有一些微生物的贡献。样品NHH1, NHH2和NHH8的表观温度低于预期的产热CH4并且似乎在Δ中接近低温平衡13CH3.D，与气田内活跃甲烷生成作用和AOM循环相一致。

潘诺尼亚盆地的模拟

一氧化碳的明确鉴别和定量2与此相关的微生物甲烷生成作用在全球范围内具有重要意义，并值得重新考虑世界其他地区的储层过程。重新检查之前发表的数据集，可以阐明不同储层环境中甲烷生成的重要性，特别是在具有或具有天然高CO的系统中2如潘诺尼亚盆地。CO的很大一部分2在潘诺尼亚盆地的天然气田中发现的是地幔成因20.．首字母CO2/3.塞格霍尔姆北、塞格霍尔姆南、埃贝斯和Hajduszoboszlo气田的He估计为7.9±5.4 × 109，与欧洲次大陆岩石圈地幔范围(0.6 ~ 40 × 10)一致9洋中脊玄武岩地幔范围(2±1 × 10)9）95，96，97(扩展数据图。7一个)．自就位以来，CO显著2从较低的CO观测中发现了许多领域的捕集现象2/3.他比(例如，塞格霍尔姆北和南，埃贝斯和Hajduszoboszlo气田)和推测一些CO2可能已经转化为CH4(ref。20.)，但没有发现可行的机制。

利用45°C km的平均地温梯度−1这些区域内的温度预计在40°C至105°C之间(CO时温度可低至20°C)2侵位)98，因此在微生物驱动的甲烷发生范围内。此外，生热烃的存在也将确保H2与Olla和Nebo-Hemphill油田类似。根据我们在Olla盆地的研究，我们推测Pannonian盆地可能与Olla盆地类似，而活跃于该盆地的氢遗传微生物产甲烷作用可能提供了缺失的CO生成机制2这种机制是一种重要的地下过程，作用于自然富集CO的系统2以及人为CO2注入油气田。

在缺乏簇状同位素数据支持的情况下，如果我们假设该系统是由甲烷作用驱动的，我们仍然可以使用来自Szegholm South气田的已发表数据构建类似的甲烷生成-溶解模型2同位素数据可用)。通过比较观测到的CO2/3.他与CO的比率2浓度，明显的相关性出现(扩展数据图。7一个)．将这归因于溶解作用(微生物甲烷生成的先决条件)，可以推断出最初的CO2/3.端元值为13.3 × 109这与之前的估计一致。

我们的模型假设地幔衍生CO2在野外具有典型的δ同位素组成13一氧化碳碳2=−5‰(扩展数据图7 b)．以此为起点，在塞格霍尔姆南气田，产生测量的δ所需的溶解作用是甲烷作用的16.4±0.8倍13一氧化碳碳2．因此，相对于Olla油田，预计这里的甲烷生成比例较小，因为气田不会不断受到注水的干扰，因此营养物质的可用性可能会受到更大的限制。生物源性CH的存在4(通过公司2)也可以从测量到的C1/ CN(0.946±0.004)，高于纯生热系统的预测值(0.909)。使用多余的C1/ CN比例，我们确定41±5%的CH4目前存在于塞格霍尔姆南部气田的部分盆地是生物成因的。类似C1/ CNPannonian盆地的其他气田也出现了过剩现象99．此外，其他领域如塞格霍尔姆北20.，99,海尔哥哥20.，99, Hajduszoboszlo20.，99, Kismarja20.，99, RepcelakOne hundred.和MihalyOne hundred.苏北(潘诺尼亚盆地)101(中国)和JM布朗巴塞特95(二叠纪盆地)也显示出与甲烷作用发生一致的地球化学特征。因此，我们得出结论，虽然甲烷作用不是主要的CO2损失机制，它可能发挥的重要作用，以前没有考虑到许多自然系统。