碳同位素錄井技術(shù)在古龍青山口組頁(yè)巖油中的應(yīng)用
——以GY 3井為例

肖光武 楊世亮

（中國(guó)石油大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司）

0 引言

頁(yè)巖油是繼頁(yè)巖氣之后非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的又一新熱點(diǎn)。頁(yè)巖油在北美取得了巨大成功，形成了美國(guó)原油產(chǎn)量的第二次增長(zhǎng)高峰，極大地緩解了美國(guó)能源壓力，使美國(guó)能源獨(dú)立成為現(xiàn)實(shí)[1-7]。松遼盆地作為世界陸相十大超級(jí)盆地之一，蘊(yùn)含著豐富的頁(yè)巖油氣資源，主要分布于大慶長(zhǎng)垣以西的古龍地區(qū)白堊系上統(tǒng)嫩江組二段（K2n2）、姚家組二三段（K2y2+3）、青山口組（K2qn）地層中，而青山口組中高成熟度頁(yè)巖油是目前勘探的主攻方向，烴源巖成熟度大于0.75%的區(qū)域面積為1.46×104km2，勘探潛力巨大[8-11]。本文以GY 3 井為例，通過(guò)隨鉆碳同位素檢測(cè)手段，分析了松遼盆地古龍地區(qū)青山口組頁(yè)巖油油氣成因、來(lái)源及充注特征。

1 碳同位素錄井技術(shù)原理及分析流程

1.1 技術(shù)原理

GY 3 井碳同位素錄井采用的是美國(guó)加州能源與環(huán)境研究院開(kāi)發(fā)的碳同位素分析儀（GRAND 3）。應(yīng)用最廣泛的同位素質(zhì)譜儀是利用帶電粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)同位素的測(cè)量，而GRAND 3 碳同位素分析儀的工作原理則與之完全不同，是利用分子鍵對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)光的吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量同位素的目的（圖1）。先通過(guò)快速色譜將混合的烴類(lèi)氣體按組分分離，并依次進(jìn)入氧化池使其燃燒成為CO2，之后進(jìn)入中紅外激光光譜測(cè)量腔室，利用12C-O、13C-O 分子鍵對(duì)激光的吸收特征峰不同的特性，實(shí)現(xiàn)同位素的測(cè)量。

圖1 GRAND 3碳同位素分析儀工作原理

1.2 分析流程

碳同位素錄井檢測(cè)樣品為兩類(lèi)：鉆井液氣、巖屑罐頂氣。鉆井液氣是鉆頭破碎地層所釋放出來(lái)的氣體，通過(guò)鉆井液循環(huán)返上地面，反映了鉆遇地層流體信息最為直觀的同位素信息。鉆井液氣通過(guò)采氣袋采集，手動(dòng)注樣測(cè)量氣體中烴類(lèi)的碳同位素值及氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)。巖屑罐頂氣是巖屑解析出來(lái)的氣體，采樣過(guò)程中在振動(dòng)篩處將隨鉆井液上返的巖屑采集裝入巖屑罐，加水倒置密封，以固定時(shí)間序列（一般是1 d、3 d、7 d）測(cè)定巖屑罐頂部氣體中烴類(lèi)的碳同位素值及氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)。巖屑罐頂氣的測(cè)量分析是基于氣體在納米孔隙中逸散所產(chǎn)生的同位素分餾特性，通過(guò)同位素分餾的程度與速率來(lái)反映頁(yè)巖含氣量與納米孔隙發(fā)育程度等地質(zhì)甜點(diǎn)信息。碳同位素現(xiàn)場(chǎng)采集檢測(cè)工作流程如圖2所示。

圖2 碳同位素現(xiàn)場(chǎng)采集檢測(cè)工作流程

2 鉆井液氣碳同位素特征及油氣地化分析

2.1 鉆井液氣碳同位素特征

地層中鉆井液氣以鉆頭破碎氣為主，近似于巖石當(dāng)中賦存天然氣的真實(shí)同位素值，因此可以用來(lái)分析原地賦存天然氣的碳同位素特征。GY 3 井鉆井液氣甲烷、乙烷、丙烷碳同位素特征自青三段到青一段可劃分為4段，其變化特征如表1所示。鉆井液氣甲烷、乙烷、丙烷碳同位素為正序演化序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3，未發(fā)生倒轉(zhuǎn)，表明該地層中油氣為典型有機(jī)氣中油型氣特征，無(wú)外來(lái)油氣的充注混合。

表1 GY 3井青山口組鉆井液氣δ13C1-δ13C3統(tǒng)計(jì)

GY 3 井鉆井液氣乙烷、丙烷碳同位素縱向隨深度變化不明顯，略微呈現(xiàn)變重的特征；甲烷碳同位素縱向隨深度變化明顯，呈現(xiàn)逐漸變重的特征（圖3）。青二段下部2 368.0～2 433.0 m 井段鉆井液氣甲烷碳同位素值δ13C1明顯變輕，分析認(rèn)為該段甲烷氣體由青一段含輕的12C 穩(wěn)定同位素的甲烷氣注入，造成該段甲烷碳同位素明顯變輕。青一段為主要的生烴層段，有機(jī)質(zhì)生烴演化過(guò)程中向上排烴，甲烷輕，易于擴(kuò)散，同時(shí)12C 甲烷比13C 甲烷質(zhì)量輕，擴(kuò)散速度快，因此青二段下部2368.0～2433.0 m井段注入了較多輕的12C甲烷氣，而青一段殘留的甲烷氣富含重的13C 甲烷氣。烴類(lèi)的排出和充注過(guò)程伴有兩種碳同位素分餾：動(dòng)力學(xué)分餾和熱力學(xué)分餾。根據(jù)動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)分餾原理，烴類(lèi)排出區(qū)域同位素值偏重（源巖），接受排烴區(qū)域同位素值偏輕（儲(chǔ)層）。因此，青二段為外來(lái)補(bǔ)給型的夾層頁(yè)巖油層；青一上半段為原地生烴滯留型頁(yè)巖油層，且具有一定外排特征；青一下半段排烴特征較弱。

圖3 GY 3井鉆井液氣碳同位素特征

2.2 油氣成因

基于氣體碳同位素特征判斷油氣成因方面，戴金星對(duì)其判別方法和圖板做了系統(tǒng)的研究[11]。本井青三段-青一段δ13C1范圍為-51.46‰～-41.56‰，平均為-46.28‰，δ13C2范圍為-40.55‰～-30.96‰，平均為-36.43‰，δ13C3范圍為-34.97‰～-27.17‰，平均為-30.29‰，甲烷、乙烷、丙烷碳同位素為正序演化序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3，根據(jù)天然氣成因類(lèi)型碳同位素鑒別表（表2），表明青三段-青一段為典型有機(jī)油型氣特征，無(wú)外來(lái)油氣的充注混合，其δ13C1-δ13C2-δ13C3有機(jī)不同成因烷烴氣鑒別圖（圖4），均落在Ⅱ油型氣區(qū)；青三段和青二段δ13C1-C1/C2+3數(shù)據(jù)相似，青一段δ13C1-C1/C2+3數(shù)據(jù)與青三段、青二段δ13C1-C1/C2+3數(shù)據(jù)存在差異，主要表現(xiàn)在輕烴含量降低，甲烷碳同位素變重（圖5），說(shuō)明青一段有機(jī)質(zhì)演化程度高于青三段和青二段，青三段和青二段有機(jī)質(zhì)演化程度相當(dāng)。

圖4 δ13C1-δ13C2-δ13C3有機(jī)不同成因烷烴氣的鑒別[11]

圖5 各類(lèi)甲烷δ13C1-C1/C2+3的鑒別[11]

表2 天然氣成因類(lèi)型碳同位素鑒別表[11]

2.3 油氣成熟度

青一段及青二、三段烴源巖Ⅰ型干酪根類(lèi)型以Ⅱ1型為主，基于本地偏腐泥型有機(jī)質(zhì)類(lèi)型生烴特征采用全數(shù)據(jù)作圖，從C1-C2-C3碳同位素的成熟度分析（圖6）表明，青三段-青一段油氣成熟度逐漸增加，根據(jù)碳同位素特征值δ13C1在-45‰左右，δ13C2在-35‰左右，δ13C3在-29‰左右。模擬計(jì)算結(jié)果表明（圖7），青三段和青二段成熟度自上而下為0.9%～1.5%左右，差異表現(xiàn)在青三段C2+＜17%，青二段下部C2+為17%～22%，重?zé)N組分增加，青一段成熟度較均一，在1.3%～1.5%左右，屬于高成熟階段，C2+＞25%，重?zé)N組分明顯高于青三段-青二段，說(shuō)明青一段有機(jī)質(zhì)演化液態(tài)生烴量高，演化程度高、油質(zhì)輕，是最優(yōu)的頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)段。

圖6 基于C1-C2-C3碳同位素的成熟度分析

圖7 鉆井液氣碳同位素演化結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 巖屑罐頂氣碳同位素特征

青山口組不同段的巖屑放氣碳同位素分餾特征存在差異（表3），根據(jù)其同位素分餾及放氣量特征，參考鉆井液氣碳同位素和組分特征，不同時(shí)間的巖屑罐頂氣碳同位素分餾程度以及相對(duì)鉆井液氣碳同位素分餾程度，自青三段-青一段可劃分為5 段（圖8），其特征如下：

圖8 GY 3井直井碳同位素剖面和頁(yè)巖油層段劃分

表3 不同時(shí)間巖屑罐頂氣δ13C1分餾情況統(tǒng)計(jì)

Ⅰ段：該段分餾率中等，巖屑放氣量中等，巖屑罐頂氣7 d碳同位素值轉(zhuǎn)而變輕接近鉆井液氣碳同位素值，反映其致密且含油氣壓力較低，鉆井液氣碳同位素及組分顯示為本段地層生成的氣。

Ⅱ段：該段同位素分餾程度較小，巖屑罐頂氣碳同位素后續(xù)變化較小，放氣量較大，說(shuō)明該段具有一定含油氣壓力，但相對(duì)致密，氣測(cè)也較低。鉆井液氣碳同位素及組分顯示為本段地層生成的氣。

Ⅲ段：該段巖屑罐頂氣3 d 碳同位素相對(duì)1 d 偏輕，7 d 又普遍大幅度偏重，且放氣量在7 d 增加明顯。出現(xiàn)該特征為外來(lái)氣與自身生成氣復(fù)合結(jié)果：該段存在外來(lái)充注的烴類(lèi)氣體，表現(xiàn)初期同位素偏重又變輕的特征；自身頁(yè)巖含油氣壓力較低，放氣過(guò)程緩慢，表現(xiàn)出后期放氣量加大且同位素急劇變重的特征。

Ⅳ段：該段鉆井液氣碳同位素及組分顯示為本段地層生成的氣，且有排烴特征。巖屑罐頂氣碳同位素初期分餾小，說(shuō)明本段部分區(qū)域已經(jīng)經(jīng)過(guò)排烴過(guò)程，存在生烴微裂縫，含油氣壓力降低。巖屑罐頂氣7 d的碳同位素值急劇變重，說(shuō)明尚有部分區(qū)域未充分排烴，尚維持部分含油氣壓力。

Ⅴ段：該段巖屑罐頂氣碳同位素分餾最為明顯，且放氣量穩(wěn)定，認(rèn)為該段整體含氣壓力較好。結(jié)合鉆井液氣碳同位素及組分特征可以將該段進(jìn)一步細(xì)分：上部未發(fā)生過(guò)排烴過(guò)程，氣體組分偏濕，也未發(fā)育大規(guī)模生烴微裂縫，氣測(cè)偏低；下部鉆井液氣碳同位素表明其未發(fā)生大規(guī)模排烴現(xiàn)象，且?guī)r屑罐頂氣碳同位素分餾表明其尚保持較好的含油氣壓力，氣體組分和氣測(cè)特征則顯示，該區(qū)域已經(jīng)形成了生烴微裂縫。

通過(guò)巖屑罐頂氣碳同位素分餾特征計(jì)算頁(yè)巖原始含油氣相對(duì)壓力，結(jié)果顯示（圖9）：青一下半段（2 490.0～2 503.0 m）含油氣壓力最高，其次為青一上半段（2 434.0～2 450.0 m），青三段底部也具有較好的含油氣壓力。

圖9 GY 3井直井含油氣相對(duì)壓力特征

4 結(jié)論

（1）鉆井液氣碳同位素及組分特征表明古龍頁(yè)巖油屬于高成熟有機(jī)質(zhì)Ⅱ油型油氣，其中青二段及青一上半段發(fā)生過(guò)烴類(lèi)運(yùn)移過(guò)程，青一下半段排烴作用不顯著。就青一段，上半段烴類(lèi)資源有所損失，但生烴微裂縫導(dǎo)致物性較好；下半段烴類(lèi)資源保留較好，但產(chǎn)出相對(duì)困難。

（2）根據(jù)巖屑罐頂氣碳同位素分餾特征，青三段-青一段可劃分為5 段，其中位于青一下半段的第Ⅴ段含油氣壓力相對(duì)較好。

（3）碳同位素現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)能夠快速提供大量連續(xù)的立體碳同位素?cái)?shù)據(jù)，不僅可以用來(lái)研究油氣來(lái)源與成因，還可以分析致密儲(chǔ)層背景情況下的油氣充注特征，為油氣勘探開(kāi)發(fā)部署提供依據(jù)。