頁巖氣碳同位素倒轉(zhuǎn)：機(jī)理與應(yīng)用分析

　　節(jié)能：頁巖氣是指主要以吸附和游離狀態(tài)賦存于富有機(jī)質(zhì)頁巖地層中的非常規(guī)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，可采儲量將超過187.40x1012m3，相當(dāng)于常規(guī)天然氣已探明儲量。2007-2012年，美國天然氣產(chǎn)量以平均每月5％的速率增長，其主要是致密砂巖氣和頁巖氣的貢獻(xiàn)。2011年，美國頁巖氣的產(chǎn)量達(dá)到1760x1012m3，占美國天然氣總量的27％，預(yù)測到2035年，頁巖氣產(chǎn)量將會占到美國天然氣總量的50％。自2008年以來，由于頁巖氣的大量開采，石油與天然氣的價格差越來越大，當(dāng)今世界的能源格局正在改變。

　　北美頁巖氣的成功開發(fā)及產(chǎn)量的快速增加，引起了全球?qū)搸r氣勘探開發(fā)的高度重視。2005年以來，在借鑒北美成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國實(shí)際地質(zhì)背景，我國學(xué)者開展了中國陸上頁巖氣形成地質(zhì)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(zhì)資源潛力為134.12 x 1012m3，可采資源潛力25.08 x 1012m3(不含青藏區(qū))。

　　國內(nèi)學(xué)者對頁巖氣的形成條件”、成藏機(jī)理和資源潛力‘“等方面均有大量文獻(xiàn)報道，但對頁巖氣地球化學(xué)特征，尤其是氣體成分及同位素特征研究很少，缺乏相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)，而這方面對于認(rèn)識頁巖氣的成因，評價其開發(fā)潛力等都有重要意義。

　　因此，筆者通過重點(diǎn)介紹北美頁巖氣的同位素特征，總結(jié)頁巖氣碳同位素倒轉(zhuǎn)機(jī)理并進(jìn)行實(shí)例分析，為我國開展相關(guān)研究及頁巖氣勘探開發(fā)提供借鑒。

　　1、頁巖氣成分與同位素特征

　　與常規(guī)天然氣或其他非常規(guī)天然氣不同，頁巖氣可以形成于有機(jī)質(zhì)演化的各個階段，包括生物成因氣和熱成因氣。由于頁巖孔隙度和滲透率很低，排烴效率非常低，頁巖內(nèi)僅僅發(fā)生了初次運(yùn)移(頁巖內(nèi))和非常有限的二次運(yùn)移(砂質(zhì)巖類夾層內(nèi))，頁巖中滯留的殘余烴類大量裂解成天然氣對頁巖氣的產(chǎn)量有重要貢獻(xiàn)。頁巖氣賦存相態(tài)多樣，吸附氣含量變化大是其另一主要特征，且吸附氣含量往往與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

　　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征與常規(guī)天然氣相比存在一定的特殊性。從目前國外已開采的頁巖氣井?dāng)?shù)據(jù)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(guān)，頁巖氣井產(chǎn)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，頁巖氣一般為干氣，氣體濕度小于5％。

　　與常規(guī)天然氣不同的是，同位素倒轉(zhuǎn)成為北美某些頁巖氣的典型特征，并倍受關(guān)注，一個重要的原因就是往往同位素倒轉(zhuǎn)的氣井產(chǎn)氣量都很高。筆者總結(jié)了近年有關(guān)頁巖氣碳同位素倒轉(zhuǎn)的最新數(shù)據(jù)(WCSB盆地為碎屑巖一碳酸鹽巖混合儲層，氣體來自于封閉頁巖系統(tǒng)的熱解成因，這里用來對比分析)。同一地層或盆地，發(fā)生同位素倒轉(zhuǎn)的氣井比未倒轉(zhuǎn)氣井的濕度明顯要低，多在5．0％以下，似乎濕度下降到一定程度是同位素倒轉(zhuǎn)的一個必要條件。圖1(a)中，當(dāng)濕度降低到一定程度時，乙烷同位素值開始偏負(fù)；圖1(b)中，隨著濕度的逐漸降低，δ13C1一δ13C2值逐漸減小，直至發(fā)生倒轉(zhuǎn)。