页岩气开发中吸附气动态比例的碳同位素分馏模型构建与应用

针对页岩气开发中吸附气比例(AGR)评估缺乏行业标准方法的难题，研究人员通过全直径岩心衰竭实验结合创新性碳同位素分馏(CIF)模型，首次揭示了12CH4/13CH4在双孔隙介质中的三阶段分馏规律，建立同时匹配产量-压力-δ13C1的多参数反演方法，为开发方案优化提供关键技术支撑。

　　

在全球能源转型背景下，页岩气作为低碳化石能源备受关注，但其开发过程中吸附气与游离气的动态比例评估始终是行业痛点。传统核磁共振(NMR)和数值模拟方法存在监测盲区或多解性难题，而井口气体同位素数据又受制于取心损失和地面暴露干扰。这些技术瓶颈导致无法精准判断产气阶段特征，直接影响压裂干预时机选择和开发方案优化。

针对这一挑战，来自中国石油天然气集团公司的Jun Wang团队创新性地将同位素地球化学与油气开发工程相结合。研究人员选取鄂尔多斯盆地临兴区块山西组全直径页岩岩心，在覆压条件下开展180天衰竭开发模拟实验，实时监测产气量、压力及δ¹³C₁值变化。通过建立首个考虑¹²CH₄/¹³CH₄扩散-解吸差异的双孔隙介质碳同位素分馏(CIF)模型，实现了产量-压力-同位素三参数同步反演，相关成果发表在《Fuel Communications》上。

关键技术包括：(1)采用PoroPerm-200仪器测定岩心孔隙度和Klinkenberg渗透率；(2)设计覆压条件下全直径岩心衰竭实验系统；(3)建立耦合真实气体状态方程和Langmuir竞争吸附理论的CIF数学模型；(4)通过COMSOL多物理场软件实现压力场-同位素场的耦合求解。

Full-diameter core depletion development
实验发现碳氢同位素呈现"稳定(Ⅰ)-下降(Ⅱ)-上升(Ⅲ)"三阶段分馏特征。阶段Ⅰ以裂缝气为主导，阶段Ⅱ基质气贡献显著增加但游离气仍占优势(P₂点对应AGR=48.30%)，阶段Ⅲ吸附气逐步成为主导。同位素分馏拐点P₂对应吸附气采收率仅18.84%，揭示大量吸附气尚未有效动用。

Material balance method (MBM)
传统物质平衡法仅考虑游离气会导致压力预测偏差，而CIF模型通过引入吸附相密度修正项，使压力预测误差从12.7%降至1.3%。同位素数据约束显著降低了传统数值模型的多解性。

Model validation
模型成功再现实验观测的三阶段分馏行为：阶段Ⅰ同位素分馏主要由裂缝系统压力敏感扩散控制；阶段Ⅱ反映基质中游离气与吸附气的竞争释放；阶段Ⅲ同位素反转标志着吸附气主导传输机制的转变。

Conclusions
该研究首次阐明了页岩气全生命周期开发中同位素分馏的动态机制，建立的CIF模型通过同位素指纹约束使传统数值模型的多解性问题降低83%。特别值得注意的是，转折点P₂对应的吸附气采收率预警了现有开发技术对吸附气资源的低效动用，为CO₂压裂等提高采收率技术应用提供了关键决策依据。这项跨学科研究不仅革新了页岩气动态评价方法，更为复杂孔隙-裂缝系统中分子传输机制研究开辟了新范式。