頁巖氣碳同位素倒轉:機理與應用分析

2020-12-08 OFweek環保網

　　頁巖氣是指主要以吸附和游離狀態賦存於富有機質頁巖地層中的非常規天然氣。世界頁巖氣資源豐富，全球頁巖氣資源量約為456.24 x 1012m3，可採儲量將超過187.40x1012m3，相當於常規天然氣已探明儲量。2007-2012年，美國天然氣產量以平均每月5％的速率增長，其主要是緻密砂巖氣和頁巖氣的貢獻。2011年，美國頁巖氣的產量達到1760x1012m3，佔美國天然氣總量的27％，預測到2035年，頁巖氣產量將會佔到美國天然氣總量的50％。自2008年以來，由於頁巖氣的大量開採，石油與天然氣的價格差越來越大，當今世界的能源格局正在改變。

　　北美頁巖氣的成功開發及產量的快速增加，引起了全球對頁巖氣勘探開發的高度重視。2005年以來，在借鑑北美成功經驗的基礎上，結合中國實際地質背景，我國學者開展了中國陸上頁巖氣形成地質條件和資源潛力的初步評價。2012年3月，國土資源部公布全國頁巖氣資源評估報告，中國陸域頁巖氣地質資源潛力為134.12 x 1012m3，可採資源潛力25.08 x 1012m3(不含青藏區)。

　　國內學者對頁巖氣的形成條件」、成藏機理和資源潛力『「等方面均有大量文獻報導，但對頁巖氣地球化學特徵，尤其是氣體成分及同位素特徵研究很少，缺乏相關文獻總結，而這方面對於認識頁巖氣的成因，評價其開發潛力等都有重要意義。

　　因此，筆者通過重點介紹北美頁巖氣的同位素特徵，總結頁巖氣碳同位素倒轉機理並進行實例分析，為我國開展相關研究及頁巖氣勘探開發提供借鑑。

　　1、頁巖氣成分與同位素特徵

　　與常規天然氣或其他非常規天然氣不同，頁巖氣可以形成於有機質演化的各個階段，包括生物成因氣和熱成因氣。由於頁巖孔隙度和滲透率很低，排烴效率非常低，頁巖內僅僅發生了初次運移(頁巖內)和非常有限的二次運移(砂質巖類夾層內)，頁巖中滯留的殘餘烴類大量裂解成天然氣對頁巖氣的產量有重要貢獻。頁巖氣賦存相態多樣，吸附氣含量變化大是其另一主要特徵，且吸附氣含量往往與有機質含量密切相關。

　　因頁巖氣形成及聚集的特殊性，使得其成分組成及同位素特徵與常規天然氣相比存在一定的特殊性。從目前國外已開採的頁巖氣井數據來看，頁巖氣成分主要為甲烷，含有一定量的乙烷和少量的丙烷，其他非烴氣體較少。烴類氣體的組成及相對含量與頁巖氣的成熟度密切相關，頁巖氣井產出的氣體組分和／或氣油比可指示頁巖氣的成熟度。在高一過成熟頁巖中，頁巖氣一般為幹氣，氣體溼度小於5％。

　　與常規天然氣不同的是，同位素倒轉成為北美某些頁巖氣的典型特徵，並倍受關注，一個重要的原因就是往往同位素倒轉的氣井產氣量都很高。筆者總結了近年有關頁巖氣碳同位素倒轉的最新數據(WCSB盆地為碎屑巖一碳酸鹽巖混合儲層，氣體來自於封閉頁巖系統的熱解成因，這裡用來對比分析)。同一地層或盆地，發生同位素倒轉的氣井比未倒轉氣井的溼度明顯要低，多在5．0％以下，似乎溼度下降到一定程度是同位素倒轉的一個必要條件。圖1(a)中，當溼度降低到一定程度時，乙烷同位素值開始偏負；圖1(b)中，隨著溼度的逐漸降低，δ13C1一δ13C2值逐漸減小，直至發生倒轉。

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