页岩气运移过程中甲烷碳同位素分馏的“一般模式”及其应用

近十年来，气体运移过程中的碳同位素分馏效应受到了国内外研究人员的广泛关注。页岩气运移过程中的碳同位素分馏特征与岩石物质组成、孔隙结构、总含气量、吸附气比例和解析进程等参数密切相关，这也为利用碳同位素分馏效应评价上述关键参数提供了可能。

我们对页岩气运移过程中甲烷碳同位素分馏效应进行了系统的实验室模拟研究，尝试将同位素方法应用于评估页岩气关键参数。本次研究揭示了页岩气运移过程中甲烷碳同位素分馏的四阶段性，建立了同位素分馏的“一般模式”；结合针对性的单一过程解耦实验，阐明了同位素分馏的主控因素及机理[1-2]。研究结果表明：一个连续且完整的生产过程中甲烷运移引起的碳同位素分馏通常存在4个阶段：游离气压差渗流阶段(I)、吸附-游离转换阶段(II)、吸附气解吸阶段(III)和浓度差扩散阶段(IV)。

图1  页岩气运移过程中甲烷碳同位素分馏的一般模式[1]

通过甲烷碳同位素分馏效应研究，我们成功实现了将同位素方法拓展应用于确定页岩原位含气量和吸附气/游离气比例，同时也展示了利用碳同位素分馏效应定性判识页岩气井生产阶段、优化生产策略方面的巨大潜力。

结合前人报道的国内外典型盆地多口页岩气井井口生产和现场解析的甲烷碳同位素数据，以验证碳同位素分馏一般模式在真实地质条件下的适用性。结果显示，Fort Worth盆地的一口Barnett页岩气井自水力压裂不久后甲烷碳同位素值表现出与碳同位素分馏一般模式相似的多阶段特征。在“一般模式”的指导下，不仅可以近似恢复生产初期缺失的δ13C1值，还可以很好解释生产约300天后因封井措施导致的同位素反转现象（图3a）。四川长宁地区3口页岩气井同样表现出相似的分馏特征（图3b）：第一年δ13C1值不发生显著分馏（对应裂缝游离气压差渗流阶段），第二年δ13C1值快速变轻（对应吸附-游离转换阶段），第三年δ13C1值开始逐渐变重（对应吸附气解吸阶段）。现场解析过程可看作小尺度生产过程的后期，由于提芯过程中大量游离气的损失，装罐解析后的产出气体以吸附气为主，δ13C1值随解析时间持续变重，通常对应一般模式的第III阶段，只有在损失气量相对较少时才会同时存在第II阶段（图3c）。

图2  井口生产与岩芯现场解析的甲烷碳同位素分馏规律[1]

参考文献：

[1] 李文镖，卢双舫*，李俊乾**，张鹏飞，王思远，冯文俊，魏永波. 页岩气运移过程中的碳同位素分馏: 机理、表征及意义. 中国科学: 地球科学，2020，50(4): 553–569. https://doi.org/10.1360/N072019-0156

[2] Li W, Lu S*, Li J**, Zhang P, Wang S, Feng W, Wei Y. Carbon isotope fractionation during shale gas transport: Mechanism, characterization and significance. Science China Earth Sciences, 2020, 63(5)：674–689.  https://link.springer.com/article/10.1007/s11430-019-9553-5