頁巖氣運移過程中碳同位素分餾:機理、表徵及其意義

2020-12-05 騰訊網

頁巖原位含氣量和吸附氣/游離氣比例是頁巖氣資源潛力評估和可採儲量計算中涉及的關鍵地質參數。如何獲取這兩個參數，是我國石油公司及勘探家們非常關注、但迄今為止沒有滿意方案的關鍵難題。前人業已提出並應用的評價方法（直接法、間接法）大多存在一定的局限性，目前還沒有公認的有效解決方法。同位素分餾法作為地球化學最重要的基礎研究工具之一，為解決上述關鍵問題提供了全新的方法和途徑。

在頁巖氣開採和現場解析過程中，甲烷碳同位素值（δ13C1）隨開採/解析時間表現出不同程度的同位素分餾現象。近年來，這一現象逐漸受到關注和重視，但不同學者對導致這種分餾效應的成因及其機理仍存在很大爭議。

近日，中國石油大學（華東）地球科學與技術學院的李文鏢博士及其導師盧雙舫教授、李俊乾副教授，對頁巖氣運移過程中的甲烷碳同位素分餾效應進行了系統的實驗模擬研究。首次報導了頁巖氣運移過程中甲烷碳同位素分餾的四階段性，建立了同位素分餾一般模式，闡明了同位素分餾的主控因素及機理，並拓展應用於原位含氣量和吸附氣/游離氣比例關鍵參數的評價。該研究以「頁巖氣運移過程中碳同位素分餾：機理、表徵及其意義」為題發表在《中國科學：地球科學》中文版第4期、英文版第5期。

文章研究發現，頁巖氣解析過程中甲烷碳同位素分餾均表現為四個階段的變化規律（圖1），碳同位素分餾特徵（分餾幅度和持續時間）主要受頁巖總有機碳（TOC）和黏土礦物含量控制。隨TOC含量增加，同位素分餾幅度增加，各階段持續時間增大；隨黏土礦物含量增加，同位素分餾幅度降低，各階段持續時間減小。

圖1頁巖物質組成和解析過程碳同位素分餾特徵

研究者進一步提出了碳同位素分餾的一般模式，認為在一個連續完整的頁巖氣生產過程中，由氣體運移引起的碳同位素分餾存在四個階段（圖2）：游離氣壓差滲流階段（I）、吸附-游離轉換階段（II）、吸附氣解吸階段（III）和濃度差擴散階段（IV）。壓差滲流過程中12CH4和13CH4同步運移，不產生顯著的同位素分餾；濃度差擴散過程12CH4佔據優勢，δ13C1值先變輕後趨於穩定；吸附-解吸作用對頁巖氣生產具有重要的意義，解吸初期12CH4優先補給，隨後13CH4逐漸富集，δ13C1值從較輕值開始持續變重。

圖2頁巖氣生產過程中同位素分餾的一般模式及機理

最後，作者結合Amoco曲線擬合法與同位素分餾的認識，提出了一種評價頁巖原位含氣量的新方法——ACF-CIF方法。結果表明，ACF-CIF法計算值與實測結果具有很好的相關性（圖3a~c），展現了該方法在頁巖含氣性評價方面的應用潛力。此外，該方法可進一步計算解析全過程中吸附氣/游離氣比例的動態變化（圖3d~f），為監測頁巖氣井生產狀態、優化生產方案提供了全新的思路和途徑。

圖3ACF-CIF法計算結果

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