碳同位素录井技术在古龙青山口组页岩油中的应用——以GY 3井为例

肖光武 杨世亮

（中国石油大庆钻探工程公司地质录井一公司）

0 引言

页岩油是继页岩气之后非常规油气资源勘探开发的又一新热点。页岩油在北美取得了巨大成功，形成了美国原油产量的第二次增长高峰，极大地缓解了美国能源压力，使美国能源独立成为现实[1-7]。松辽盆地作为世界陆相十大超级盆地之一，蕴含着丰富的页岩油气资源，主要分布于大庆长垣以西的古龙地区白垩系上统嫩江组二段（K2n2）、姚家组二三段（K2y2+3）、青山口组（K2qn）地层中，而青山口组中高成熟度页岩油是目前勘探的主攻方向，烃源岩成熟度大于0.75%的区域面积为1.46×104km2，勘探潜力巨大[8-11]。本文以GY 3 井为例，通过随钻碳同位素检测手段，分析了松辽盆地古龙地区青山口组页岩油油气成因、来源及充注特征。

1 碳同位素录井技术原理及分析流程

1.1 技术原理

GY 3 井碳同位素录井采用的是美国加州能源与环境研究院开发的碳同位素分析仪（GRAND 3）。应用最广泛的同位素质谱仪是利用带电粒子在磁场中的偏转来实现同位素的测量，而GRAND 3 碳同位素分析仪的工作原理则与之完全不同，是利用分子键对相应波长光的吸收来实现测量同位素的目的（图1）。先通过快速色谱将混合的烃类气体按组分分离，并依次进入氧化池使其燃烧成为CO2，之后进入中红外激光光谱测量腔室，利用12C-O、13C-O 分子键对激光的吸收特征峰不同的特性，实现同位素的测量。

图1 GRAND 3碳同位素分析仪工作原理

1.2 分析流程

碳同位素录井检测样品为两类：钻井液气、岩屑罐顶气。钻井液气是钻头破碎地层所释放出来的气体，通过钻井液循环返上地面，反映了钻遇地层流体信息最为直观的同位素信息。钻井液气通过采气袋采集，手动注样测量气体中烃类的碳同位素值及气体组分数据。岩屑罐顶气是岩屑解析出来的气体，采样过程中在振动筛处将随钻井液上返的岩屑采集装入岩屑罐，加水倒置密封，以固定时间序列（一般是1 d、3 d、7 d）测定岩屑罐顶部气体中烃类的碳同位素值及气体组分数据。岩屑罐顶气的测量分析是基于气体在纳米孔隙中逸散所产生的同位素分馏特性，通过同位素分馏的程度与速率来反映页岩含气量与纳米孔隙发育程度等地质甜点信息。碳同位素现场采集检测工作流程如图2所示。

图2 碳同位素现场采集检测工作流程

2 钻井液气碳同位素特征及油气地化分析

2.1 钻井液气碳同位素特征

地层中钻井液气以钻头破碎气为主，近似于岩石当中赋存天然气的真实同位素值，因此可以用来分析原地赋存天然气的碳同位素特征。GY 3 井钻井液气甲烷、乙烷、丙烷碳同位素特征自青三段到青一段可划分为4段，其变化特征如表1所示。钻井液气甲烷、乙烷、丙烷碳同位素为正序演化序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3，未发生倒转，表明该地层中油气为典型有机气中油型气特征，无外来油气的充注混合。

表1 GY 3井青山口组钻井液气δ13C1-δ13C3统计

GY 3 井钻井液气乙烷、丙烷碳同位素纵向随深度变化不明显，略微呈现变重的特征；甲烷碳同位素纵向随深度变化明显，呈现逐渐变重的特征（图3）。青二段下部2 368.0～2 433.0 m 井段钻井液气甲烷碳同位素值δ13C1明显变轻，分析认为该段甲烷气体由青一段含轻的12C 稳定同位素的甲烷气注入，造成该段甲烷碳同位素明显变轻。青一段为主要的生烃层段，有机质生烃演化过程中向上排烃，甲烷轻，易于扩散，同时12C 甲烷比13C 甲烷质量轻，扩散速度快，因此青二段下部2368.0～2433.0 m井段注入了较多轻的12C甲烷气，而青一段残留的甲烷气富含重的13C 甲烷气。烃类的排出和充注过程伴有两种碳同位素分馏：动力学分馏和热力学分馏。根据动力学及热力学分馏原理，烃类排出区域同位素值偏重（源岩），接受排烃区域同位素值偏轻（储层）。因此，青二段为外来补给型的夹层页岩油层；青一上半段为原地生烃滞留型页岩油层，且具有一定外排特征；青一下半段排烃特征较弱。

图3 GY 3井钻井液气碳同位素特征

2.2 油气成因

基于气体碳同位素特征判断油气成因方面，戴金星对其判别方法和图板做了系统的研究[11]。本井青三段-青一段δ13C1范围为-51.46‰～-41.56‰，平均为-46.28‰，δ13C2范围为-40.55‰～-30.96‰，平均为-36.43‰，δ13C3范围为-34.97‰～-27.17‰，平均为-30.29‰，甲烷、乙烷、丙烷碳同位素为正序演化序列，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3，根据天然气成因类型碳同位素鉴别表（表2），表明青三段-青一段为典型有机油型气特征，无外来油气的充注混合，其δ13C1-δ13C2-δ13C3有机不同成因烷烃气鉴别图（图4），均落在Ⅱ油型气区；青三段和青二段δ13C1-C1/C2+3数据相似，青一段δ13C1-C1/C2+3数据与青三段、青二段δ13C1-C1/C2+3数据存在差异，主要表现在轻烃含量降低，甲烷碳同位素变重（图5），说明青一段有机质演化程度高于青三段和青二段，青三段和青二段有机质演化程度相当。

图4 δ13C1-δ13C2-δ13C3有机不同成因烷烃气的鉴别[11]

图5 各类甲烷δ13C1-C1/C2+3的鉴别[11]

表2 天然气成因类型碳同位素鉴别表[11]

2.3 油气成熟度

青一段及青二、三段烃源岩Ⅰ型干酪根类型以Ⅱ1型为主，基于本地偏腐泥型有机质类型生烃特征采用全数据作图，从C1-C2-C3碳同位素的成熟度分析（图6）表明，青三段-青一段油气成熟度逐渐增加，根据碳同位素特征值δ13C1在-45‰左右，δ13C2在-35‰左右，δ13C3在-29‰左右。模拟计算结果表明（图7），青三段和青二段成熟度自上而下为0.9%～1.5%左右，差异表现在青三段C2+＜17%，青二段下部C2+为17%～22%，重烃组分增加，青一段成熟度较均一，在1.3%～1.5%左右，属于高成熟阶段，C2+＞25%，重烃组分明显高于青三段-青二段，说明青一段有机质演化液态生烃量高，演化程度高、油质轻，是最优的页岩油勘探开发段。

图6 基于C1-C2-C3碳同位素的成熟度分析

图7 钻井液气碳同位素演化结果和实测数据

3 岩屑罐顶气碳同位素特征

青山口组不同段的岩屑放气碳同位素分馏特征存在差异（表3），根据其同位素分馏及放气量特征，参考钻井液气碳同位素和组分特征，不同时间的岩屑罐顶气碳同位素分馏程度以及相对钻井液气碳同位素分馏程度，自青三段-青一段可划分为5 段（图8），其特征如下：

图8 GY 3井直井碳同位素剖面和页岩油层段划分

表3 不同时间岩屑罐顶气δ13C1分馏情况统计

Ⅰ段：该段分馏率中等，岩屑放气量中等，岩屑罐顶气7 d碳同位素值转而变轻接近钻井液气碳同位素值，反映其致密且含油气压力较低，钻井液气碳同位素及组分显示为本段地层生成的气。

Ⅱ段：该段同位素分馏程度较小，岩屑罐顶气碳同位素后续变化较小，放气量较大，说明该段具有一定含油气压力，但相对致密，气测也较低。钻井液气碳同位素及组分显示为本段地层生成的气。

Ⅲ段：该段岩屑罐顶气3 d 碳同位素相对1 d 偏轻，7 d 又普遍大幅度偏重，且放气量在7 d 增加明显。出现该特征为外来气与自身生成气复合结果：该段存在外来充注的烃类气体，表现初期同位素偏重又变轻的特征；自身页岩含油气压力较低，放气过程缓慢，表现出后期放气量加大且同位素急剧变重的特征。

Ⅳ段：该段钻井液气碳同位素及组分显示为本段地层生成的气，且有排烃特征。岩屑罐顶气碳同位素初期分馏小，说明本段部分区域已经经过排烃过程，存在生烃微裂缝，含油气压力降低。岩屑罐顶气7 d的碳同位素值急剧变重，说明尚有部分区域未充分排烃，尚维持部分含油气压力。

Ⅴ段：该段岩屑罐顶气碳同位素分馏最为明显，且放气量稳定，认为该段整体含气压力较好。结合钻井液气碳同位素及组分特征可以将该段进一步细分：上部未发生过排烃过程，气体组分偏湿，也未发育大规模生烃微裂缝，气测偏低；下部钻井液气碳同位素表明其未发生大规模排烃现象，且岩屑罐顶气碳同位素分馏表明其尚保持较好的含油气压力，气体组分和气测特征则显示，该区域已经形成了生烃微裂缝。

通过岩屑罐顶气碳同位素分馏特征计算页岩原始含油气相对压力，结果显示（图9）：青一下半段（2 490.0～2 503.0 m）含油气压力最高，其次为青一上半段（2 434.0～2 450.0 m），青三段底部也具有较好的含油气压力。

图9 GY 3井直井含油气相对压力特征

4 结论

（1）钻井液气碳同位素及组分特征表明古龙页岩油属于高成熟有机质Ⅱ油型油气，其中青二段及青一上半段发生过烃类运移过程，青一下半段排烃作用不显著。就青一段，上半段烃类资源有所损失，但生烃微裂缝导致物性较好；下半段烃类资源保留较好，但产出相对困难。

（2）根据岩屑罐顶气碳同位素分馏特征，青三段-青一段可划分为5 段，其中位于青一下半段的第Ⅴ段含油气压力相对较好。

（3）碳同位素现场检测技术能够快速提供大量连续的立体碳同位素数据，不仅可以用来研究油气来源与成因，还可以分析致密储层背景情况下的油气充注特征，为油气勘探开发部署提供依据。