四川盆地東南部頁巖氣同位素分餾特征及對產能的指示意義

高玉巧, 高和群, 何希鵬, 丁安徐, 張培先, 何貴松

(中國石化 華東油氣分公司 勘探開發研究院，南京 210011)

甲烷碳同位素主要用于氣體成因類型判定、演化程度的確定、油氣運移及氣源對比等研究，前人從烷烴碳同位素值及其排序上確定天然氣類型，建立了有機成因氣與無機成因氣、油型氣與煤成氣的劃分標準，認為油型氣碳同位素明顯輕于煤成氣，隨著成熟度的增加碳同位素逐漸變重，且針對不同類型、不同區塊的天然氣提出了甲烷碳同位素與成熟度的擬合公式，解決了天然氣成因及氣源類型判定等重大理論問題[1-5]。戴金星等[1, 3]在總結前人資料成果的基礎上，認為甲烷碳同位素(δ13C1)是區分相同母質不同成熟度天然氣的有效指標，而非區分無機成因氣與有機成因氣、油型氣與煤成氣的有效指標，即僅依據δ13C1大小不能有效確定天然氣成因類型，需結合其他參數(乙烷碳同位素、烷烴氣碳同位素序列等)進一步確定[6-7]。但甲烷碳同位素分餾特征普遍存在，這一特征在非常規油氣資源領域進行了初步應用[8-19]。這些理論成果和應用對于頁巖氣同位素分餾特征具有借鑒意義。目前對于巖心現場解吸氣甲烷同位素分餾特征以及通過這一特征，對頁巖氣產能進行系統的評價研究相對較少。選取四川盆地東南部及盆緣轉換帶(渝東南盆緣轉換帶)6大區塊10口頁巖氣井，通過現場含氣量測試過程中頁巖氣甲烷碳同位素變化，研究不同壓力系統、不同小層下甲烷碳同位素分餾特征，并將這一特征與頁巖氣實際排采相結合，對頁巖氣產能進行評價，為頁巖氣資源評價提供一種新方法。

1 地質概況與研究方法

1.1 地質概況

渝東南盆緣轉換帶位于重慶市與貴州省交界處，包含南川、彭水、武隆、道真等縣市，勘探開發主要目的層為上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖，鉆井揭示該區頁巖氣處于常壓與超壓過渡帶，且以常壓為主[20-23]。為研究不同壓力系統下頁巖氣同位素分餾特征，以壓力系數為指標，選取3種類型頁巖氣區塊。常壓區塊位于盆緣外部，以桑柘坪向斜、武隆向斜為代表，壓力系數小于1.1；過渡類型區塊位于盆緣附近，以金佛斷坡為代表，壓力系數介于1.1～1.2；超壓頁巖氣區塊位于盆緣內部，主要包括平橋背斜、東勝背斜、南川向斜，壓力系數大于1.3(圖1)[20-22]。龍馬溪組頁巖可以分為3段，從上至下依次為龍三段、龍二段、龍一段，其下部為五峰組，目前勘探開發主力層位在龍一段和五峰組。根據巖礦、地化、電性、古生物等特征，何希鵬等[22]又將五峰組—龍馬溪組頁巖劃分為9個巖石相，自上至下依次為9小層至1小層。考慮到頁巖氣井主力開采層，也為使研究更具代表性，本文以1～5小層為研究重點[23]。

圖1 渝東南盆緣轉換帶構造位置[17]

1.2 研究方法

先后采集一系列同一口井巖心現場解吸氣氣樣及壓裂排采后氣樣，在MAT-253型同位素質譜儀上進行氣樣同位素測試，測試方法為GB/T18340.2-2010《地質樣品有機地球化學分析方法第2部分：有機質穩定碳同位素測定同位素質譜法》。現場解吸氣測試儀器為自主研發設備NCM-Ⅲ型含氣量全自動測試儀，測試方法為二階溫度解吸法，遵循SY/T 6940-2013《頁巖含氣量測定方法》。在頁巖氣探井現場，巖心裝罐密封開始測試解吸氣的同時，使用氣體收集裝置，每間隔一段時間(0.5，1，2，3 h)連續取氣樣，直至解吸終止沒有氣體逸出為止，分析每個樣品中甲烷碳同位素值，建立甲烷碳同位素變化圖版。采樣井壓裂排采后，間隔一段時間(3～6個月)取氣樣，分析排采氣碳同位素值，并將其值投圖到甲烷碳同位素變化圖版上，對照圖版，判定目前頁巖氣井排采階段。

以頁巖氣甲烷碳同位素為指標，根據解吸過程中頁巖氣同位素分餾特征，建立現場解吸氣同位素變化曲線圖版，通過壓裂排采氣同位素值，實現排采階段判定，確定頁巖氣井生產年限。通過排采產量與甲烷碳同位素關系，進一步確定頁巖氣采收率。

2 頁巖氣同位素分餾特征

渝東南盆緣轉換帶頁巖氣甲烷同位素變化趨勢一致，δ13C1初期最小，隨解吸時間的推移，該值急劇升高，解吸6 h后趨于穩定，隨后進入穩定上升階段，同位素分餾現象明顯；甲烷碳同位素變化曲線表現出對數函數的規律，且隨著壓力系數的升高，整體變輕(圖2)。各種壓力系統下，甲烷同位素分餾各具特征。以1小層頁巖氣同位素變化特征為例，常壓區塊武隆向斜解吸初期δ13C1為-32.4‰，解吸后期，δ13C1為-21.3‰，整個階段甲烷碳同位素變重11.1‰；過渡類型區塊金佛斷坡頁巖氣δ13C1由初期的-30.8‰增加至-21.8‰，整體變重9.0‰；超壓區塊平橋背斜頁巖氣δ13C1由初期的-30.9‰增加至-24.8‰，整體變重6.1‰；東勝背斜頁巖氣δ13C1由初期的-32.9‰增加至-28.3‰，整體變重4.6‰；南川區塊δ13C1由初期的-29.7‰增加至-23.1‰，整體變重6.6‰。由此可知，甲烷碳同位素分餾程度與壓力系數密切相關，壓力系數越高，δ13C1變化值越小，甲烷碳同位素分餾程度越低。

圖2 渝東南盆緣轉換帶頁巖氣同位素分餾特征

以第一次采集氣樣的甲烷碳同位素值為代表，常壓頁巖氣δ13C1介于-27.8‰～-32.4‰，平均-30.2‰，過渡類型頁巖氣δ13C1介于-29.3‰～-33.3‰，平均-31.4‰，超壓頁巖氣δ13C1介于-28.4‰～-38.8‰，平均-32.4‰。從常壓頁巖氣到超壓頁巖氣，頁巖氣甲烷碳同位素逐漸變輕；縱向上，隨著深度的增加，即同一口頁巖氣井向下至1小層，甲烷碳同位素整體變輕。以東勝背斜S井為例，從龍二段至1小層，δ13C1從-29.9‰減小至-34.0‰，變輕4.1‰(圖3)。

甲烷碳同位素變化曲線與巖心解吸曲線變化趨勢一致(圖4)。巖心裝罐密封后的解吸初期，解吸氣量急劇增大，釋放的氣體中甲烷碳同位素也急劇升高變重，同位素分餾現象明顯；隨著解吸時間的推移，氣量逐漸減小直至解吸終止，此時頁巖氣中甲烷碳同位素分餾程度逐漸減弱；二階溫度下，巖心裝罐密封后，持續解吸時間一般為16～20 h。

3 分析與討論

頁巖氣解吸過程中，甲烷同位素分餾現象與原子質量、分子間吸附力關系密切。相同元素下原子質量越大，吸附能量越強，致使各種元素之間的分配比例不同。原子質量越大，吸附能力越強，解吸就相對滯后。13C的原子質量大于12C，優先釋放的氣體中所占比例較少，因此，在頁巖解吸過程中，原子質量較小的12C等質量較輕同位素先從頁巖中解吸出來，滯留下來的13C等重同位素所占比例整體較高，使得甲烷碳同位素整體變重[5, 9-12]，出現了甲烷碳同位素分餾現象。

圖3 渝東南盆緣轉換帶東勝背斜S井縱向同位素變化

圖4 渝東南盆緣轉換帶武隆向斜L井累積解吸曲線與甲烷同位素變化曲線疊合

不同壓力系統、不同層位下頁巖氣同位素分餾特征的差異，與其保存條件、孔隙結構關系密切[24]。以巖心裝罐密封后第一次采集氣樣甲烷碳同位素為代表，對渝東南盆緣轉換帶6大區塊10口井甲烷碳同位素與頁巖比表面積、含氣量、壓力系數進行了相關性分析(圖5)，巖心解吸初期甲烷碳同位素隨壓力系數、含氣量、頁巖比表面積的升高具有逐漸降低變輕的趨勢。頁巖比表面積越高、孔徑越發育、壓力系數越大、含氣性越好，說明頁巖氣保存條件越好，甲烷中吸附能力較弱的12C等輕同位素保存的可能性就越大。所以超壓頁巖氣甲烷同位素整體輕于常壓頁巖氣，且含氣性較好、游離氣越大的層位中δ13C1就越低，其頁巖氣同位素就越輕。

4 應用

結合現場含氣量測試結果，通過與巖心解吸過程中甲烷同位素分餾特征與排采氣同位素對比，實現對頁巖氣井產能的初步評價。以武隆向斜L井為例，該井2015年7月進行巖心現場含氣量測試的同時，系列采集了解吸氣氣樣；2015年12月進行壓裂試氣，隨后投產，主力產層為1小層，同時按照一定間隔連續采集排采氣氣樣，進行甲烷碳同位素分析。

通過現場含氣量測試所取氣樣，建立1小層巖心解吸氣甲烷碳同位素變化圖版(圖6)。依據甲烷碳同位素曲線變化規律，該井可劃分為3個階段：早期，δ13C1<-27‰，甲烷同位素整體較輕，且整體變化較小，同位素分餾特征不太明顯，此時解吸氣氣體以質量較輕、吸附性能較差的12C等輕同位素為主，巖心釋放的氣體多為游離氣；中期，δ13C1=-27‰～-22‰，甲烷碳同位素快速增加，同位素分餾特征明顯，甲烷中13C等重同位素開始解吸，氣體解吸逐漸向深層進行，游離氣與吸附氣共存；晚期，δ13C1>-22‰，吸附性較好的13C等重同位素大量解吸，巖心解吸結束，吸附氣占據主要部分[10, 25]。將壓裂排采后頁巖氣甲烷碳同位素分析結果投到該圖版上，2018年6月該井排采氣δ13C1為-30.3‰，對應現場解吸前0.9 h甲烷同位素值，排采兩年半(2015年底—2018年7月)變重0.8‰，因此，該井開采尚處于早期階段；此時對應累積解吸氣量為0.295 cm3/g(圖4b)，巖心總解吸氣量為1.189cm3/g，所以可以估算該井2018年6月采收率為24.8%。

圖5 渝東南盆緣轉換帶頁巖氣甲烷碳同位素與含氣量、比表面積關系

圖6 渝東南盆緣轉換帶武隆向斜L井壓裂排采氣與巖心現場解吸氣同位素對比

5 結論

(1)不同壓力系統、不同小層下頁巖氣同位素分餾特征各異。從常壓頁巖氣到超壓頁巖氣，頁巖氣甲烷碳同位素逐漸變輕。甲烷同位素分餾程度與壓力系數密切相關，壓力系數越高，δ13C1變化值越小，甲烷碳同位素分餾程度越低。縱向上，隨著深度的增加，即同一口頁巖氣井向下至1小層，甲烷碳同位素整體變輕。

(2)頁巖氣同位素變化曲線與巖心累積解吸氣量曲線圖疊合，兩者變化趨勢一致。頁巖氣解吸過程中，解吸氣量先快速升高，隨后逐漸變緩，二階溫度下，解吸時間約在16～20 h左右，其氣樣同位素與之具有類似變化趨勢，隨著解吸時間的進行，δ13C1變重，頁巖氣同位素出現明顯分餾現象。

(3)不同壓力系統、不同層位下頁巖氣同位素分餾特征的差異，與其保存條件、孔隙結構關系密切。頁巖比表面積越高、孔徑越發育、壓力系數越大、含氣性越好，說明頁巖保存條件越好，12C等輕碳同位素保存的可能性就越大，所以超壓頁巖氣區塊含氣性較好的層位中δ13C1整體就越低，頁巖氣同位素就越輕。

(4)以武隆向斜L井為例，建立了巖心解吸氣甲烷碳同位素變化圖版，以δ13C1為指標，將甲烷碳同位素變化分為3個階段，依據開發階段所采氣樣同位素值，判斷該井開采尚處于早期階段，計算2018年6月采收率為24.8%。