四川盆地东南部页岩气同位素分馏特征及对产能的指示意义

高玉巧, 高和群, 何希鹏, 丁安徐, 张培先, 何贵松

(中国石化 华东油气分公司 勘探开发研究院，南京 210011)

甲烷碳同位素主要用于气体成因类型判定、演化程度的确定、油气运移及气源对比等研究，前人从烷烃碳同位素值及其排序上确定天然气类型，建立了有机成因气与无机成因气、油型气与煤成气的划分标准，认为油型气碳同位素明显轻于煤成气，随着成熟度的增加碳同位素逐渐变重，且针对不同类型、不同区块的天然气提出了甲烷碳同位素与成熟度的拟合公式，解决了天然气成因及气源类型判定等重大理论问题[1-5]。戴金星等[1, 3]在总结前人资料成果的基础上，认为甲烷碳同位素(δ13C1)是区分相同母质不同成熟度天然气的有效指标，而非区分无机成因气与有机成因气、油型气与煤成气的有效指标，即仅依据δ13C1大小不能有效确定天然气成因类型，需结合其他参数(乙烷碳同位素、烷烃气碳同位素序列等)进一步确定[6-7]。但甲烷碳同位素分馏特征普遍存在，这一特征在非常规油气资源领域进行了初步应用[8-19]。这些理论成果和应用对于页岩气同位素分馏特征具有借鉴意义。目前对于岩心现场解吸气甲烷同位素分馏特征以及通过这一特征，对页岩气产能进行系统的评价研究相对较少。选取四川盆地东南部及盆缘转换带(渝东南盆缘转换带)6大区块10口页岩气井，通过现场含气量测试过程中页岩气甲烷碳同位素变化，研究不同压力系统、不同小层下甲烷碳同位素分馏特征，并将这一特征与页岩气实际排采相结合，对页岩气产能进行评价，为页岩气资源评价提供一种新方法。

1 地质概况与研究方法

1.1 地质概况

渝东南盆缘转换带位于重庆市与贵州省交界处，包含南川、彭水、武隆、道真等县市，勘探开发主要目的层为上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩，钻井揭示该区页岩气处于常压与超压过渡带，且以常压为主[20-23]。为研究不同压力系统下页岩气同位素分馏特征，以压力系数为指标，选取3种类型页岩气区块。常压区块位于盆缘外部，以桑柘坪向斜、武隆向斜为代表，压力系数小于1.1；过渡类型区块位于盆缘附近，以金佛断坡为代表，压力系数介于1.1～1.2；超压页岩气区块位于盆缘内部，主要包括平桥背斜、东胜背斜、南川向斜，压力系数大于1.3(图1)[20-22]。龙马溪组页岩可以分为3段，从上至下依次为龙三段、龙二段、龙一段，其下部为五峰组，目前勘探开发主力层位在龙一段和五峰组。根据岩矿、地化、电性、古生物等特征，何希鹏等[22]又将五峰组—龙马溪组页岩划分为9个岩石相，自上至下依次为9小层至1小层。考虑到页岩气井主力开采层，也为使研究更具代表性，本文以1～5小层为研究重点[23]。

图1 渝东南盆缘转换带构造位置[17]

1.2 研究方法

先后采集一系列同一口井岩心现场解吸气气样及压裂排采后气样，在MAT-253型同位素质谱仪上进行气样同位素测试，测试方法为GB/T18340.2-2010《地质样品有机地球化学分析方法第2部分：有机质稳定碳同位素测定同位素质谱法》。现场解吸气测试仪器为自主研发设备NCM-Ⅲ型含气量全自动测试仪，测试方法为二阶温度解吸法，遵循SY/T 6940-2013《页岩含气量测定方法》。在页岩气探井现场，岩心装罐密封开始测试解吸气的同时，使用气体收集装置，每间隔一段时间(0.5，1，2，3 h)连续取气样，直至解吸终止没有气体逸出为止，分析每个样品中甲烷碳同位素值，建立甲烷碳同位素变化图版。采样井压裂排采后，间隔一段时间(3～6个月)取气样，分析排采气碳同位素值，并将其值投图到甲烷碳同位素变化图版上，对照图版，判定目前页岩气井排采阶段。

以页岩气甲烷碳同位素为指标，根据解吸过程中页岩气同位素分馏特征，建立现场解吸气同位素变化曲线图版，通过压裂排采气同位素值，实现排采阶段判定，确定页岩气井生产年限。通过排采产量与甲烷碳同位素关系，进一步确定页岩气采收率。

2 页岩气同位素分馏特征

渝东南盆缘转换带页岩气甲烷同位素变化趋势一致，δ13C1初期最小，随解吸时间的推移，该值急剧升高，解吸6 h后趋于稳定，随后进入稳定上升阶段，同位素分馏现象明显；甲烷碳同位素变化曲线表现出对数函数的规律，且随着压力系数的升高，整体变轻(图2)。各种压力系统下，甲烷同位素分馏各具特征。以1小层页岩气同位素变化特征为例，常压区块武隆向斜解吸初期δ13C1为-32.4‰，解吸后期，δ13C1为-21.3‰，整个阶段甲烷碳同位素变重11.1‰；过渡类型区块金佛断坡页岩气δ13C1由初期的-30.8‰增加至-21.8‰，整体变重9.0‰；超压区块平桥背斜页岩气δ13C1由初期的-30.9‰增加至-24.8‰，整体变重6.1‰；东胜背斜页岩气δ13C1由初期的-32.9‰增加至-28.3‰，整体变重4.6‰；南川区块δ13C1由初期的-29.7‰增加至-23.1‰，整体变重6.6‰。由此可知，甲烷碳同位素分馏程度与压力系数密切相关，压力系数越高，δ13C1变化值越小，甲烷碳同位素分馏程度越低。

图2 渝东南盆缘转换带页岩气同位素分馏特征

以第一次采集气样的甲烷碳同位素值为代表，常压页岩气δ13C1介于-27.8‰～-32.4‰，平均-30.2‰，过渡类型页岩气δ13C1介于-29.3‰～-33.3‰，平均-31.4‰，超压页岩气δ13C1介于-28.4‰～-38.8‰，平均-32.4‰。从常压页岩气到超压页岩气，页岩气甲烷碳同位素逐渐变轻；纵向上，随着深度的增加，即同一口页岩气井向下至1小层，甲烷碳同位素整体变轻。以东胜背斜S井为例，从龙二段至1小层，δ13C1从-29.9‰减小至-34.0‰，变轻4.1‰(图3)。

甲烷碳同位素变化曲线与岩心解吸曲线变化趋势一致(图4)。岩心装罐密封后的解吸初期，解吸气量急剧增大，释放的气体中甲烷碳同位素也急剧升高变重，同位素分馏现象明显；随着解吸时间的推移，气量逐渐减小直至解吸终止，此时页岩气中甲烷碳同位素分馏程度逐渐减弱；二阶温度下，岩心装罐密封后，持续解吸时间一般为16～20 h。

3 分析与讨论

页岩气解吸过程中，甲烷同位素分馏现象与原子质量、分子间吸附力关系密切。相同元素下原子质量越大，吸附能量越强，致使各种元素之间的分配比例不同。原子质量越大，吸附能力越强，解吸就相对滞后。13C的原子质量大于12C，优先释放的气体中所占比例较少，因此，在页岩解吸过程中，原子质量较小的12C等质量较轻同位素先从页岩中解吸出来，滞留下来的13C等重同位素所占比例整体较高，使得甲烷碳同位素整体变重[5, 9-12]，出现了甲烷碳同位素分馏现象。

图3 渝东南盆缘转换带东胜背斜S井纵向同位素变化

图4 渝东南盆缘转换带武隆向斜L井累积解吸曲线与甲烷同位素变化曲线叠合

不同压力系统、不同层位下页岩气同位素分馏特征的差异，与其保存条件、孔隙结构关系密切[24]。以岩心装罐密封后第一次采集气样甲烷碳同位素为代表，对渝东南盆缘转换带6大区块10口井甲烷碳同位素与页岩比表面积、含气量、压力系数进行了相关性分析(图5)，岩心解吸初期甲烷碳同位素随压力系数、含气量、页岩比表面积的升高具有逐渐降低变轻的趋势。页岩比表面积越高、孔径越发育、压力系数越大、含气性越好，说明页岩气保存条件越好，甲烷中吸附能力较弱的12C等轻同位素保存的可能性就越大。所以超压页岩气甲烷同位素整体轻于常压页岩气，且含气性较好、游离气越大的层位中δ13C1就越低，其页岩气同位素就越轻。

4 应用

结合现场含气量测试结果，通过与岩心解吸过程中甲烷同位素分馏特征与排采气同位素对比，实现对页岩气井产能的初步评价。以武隆向斜L井为例，该井2015年7月进行岩心现场含气量测试的同时，系列采集了解吸气气样；2015年12月进行压裂试气，随后投产，主力产层为1小层，同时按照一定间隔连续采集排采气气样，进行甲烷碳同位素分析。

通过现场含气量测试所取气样，建立1小层岩心解吸气甲烷碳同位素变化图版(图6)。依据甲烷碳同位素曲线变化规律，该井可划分为3个阶段：早期，δ13C1<-27‰，甲烷同位素整体较轻，且整体变化较小，同位素分馏特征不太明显，此时解吸气气体以质量较轻、吸附性能较差的12C等轻同位素为主，岩心释放的气体多为游离气；中期，δ13C1=-27‰～-22‰，甲烷碳同位素快速增加，同位素分馏特征明显，甲烷中13C等重同位素开始解吸，气体解吸逐渐向深层进行，游离气与吸附气共存；晚期，δ13C1>-22‰，吸附性较好的13C等重同位素大量解吸，岩心解吸结束，吸附气占据主要部分[10, 25]。将压裂排采后页岩气甲烷碳同位素分析结果投到该图版上，2018年6月该井排采气δ13C1为-30.3‰，对应现场解吸前0.9 h甲烷同位素值，排采两年半(2015年底—2018年7月)变重0.8‰，因此，该井开采尚处于早期阶段；此时对应累积解吸气量为0.295 cm3/g(图4b)，岩心总解吸气量为1.189cm3/g，所以可以估算该井2018年6月采收率为24.8%。

图5 渝东南盆缘转换带页岩气甲烷碳同位素与含气量、比表面积关系

图6 渝东南盆缘转换带武隆向斜L井压裂排采气与岩心现场解吸气同位素对比

5 结论

(1)不同压力系统、不同小层下页岩气同位素分馏特征各异。从常压页岩气到超压页岩气，页岩气甲烷碳同位素逐渐变轻。甲烷同位素分馏程度与压力系数密切相关，压力系数越高，δ13C1变化值越小，甲烷碳同位素分馏程度越低。纵向上，随着深度的增加，即同一口页岩气井向下至1小层，甲烷碳同位素整体变轻。

(2)页岩气同位素变化曲线与岩心累积解吸气量曲线图叠合，两者变化趋势一致。页岩气解吸过程中，解吸气量先快速升高，随后逐渐变缓，二阶温度下，解吸时间约在16～20 h左右，其气样同位素与之具有类似变化趋势，随着解吸时间的进行，δ13C1变重，页岩气同位素出现明显分馏现象。

(3)不同压力系统、不同层位下页岩气同位素分馏特征的差异，与其保存条件、孔隙结构关系密切。页岩比表面积越高、孔径越发育、压力系数越大、含气性越好，说明页岩保存条件越好，12C等轻碳同位素保存的可能性就越大，所以超压页岩气区块含气性较好的层位中δ13C1整体就越低，页岩气同位素就越轻。

(4)以武隆向斜L井为例，建立了岩心解吸气甲烷碳同位素变化图版，以δ13C1为指标，将甲烷碳同位素变化分为3个阶段，依据开发阶段所采气样同位素值，判断该井开采尚处于早期阶段，计算2018年6月采收率为24.8%。