页岩气衰竭开发过程中甲烷碳同位素动态分馏的实验与数值模拟研究

针对页岩气开发中吸附气比例(AGR)评估缺乏行业公认方法的难题，研究人员通过全直径页岩覆压条件下的衰竭实验，首次揭示了甲烷碳氢同位素"稳定(Ⅰ)-下降(Ⅱ)-上升(Ⅲ)"三阶段分馏规律，创新建立双孔隙介质中12CH4/13CH4碳同位素分馏(CIF)模型，实现生产数据-压力-δ13C1值的同步匹配，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。然而在开发过程中，如何准确评估吸附气与游离气的动态比例(AGR/FGR)，成为优化开发策略的关键瓶颈。传统方法无论是核磁共振(NMR)监测还是数值模拟，都存在实时性差、多解性强等缺陷。更棘手的是，现有实验多忽略地层覆压条件，导致同位素分馏行为与实际情况严重不符。

中国石油系统研究人员在《Fuel Processing Technology》发表的研究，通过创新设计全直径页岩覆压衰竭实验，首次完整捕捉到甲烷碳同位素δ¹³C₁的"三阶段"分馏特征。研究团队历时180天模拟页岩气井全生命周期，同步监测产气量、压力及同位素组成，并建立首个考虑¹²CH₄/¹³CH₄扩散-解吸差异的双孔隙碳同位素分馏(CIF)模型。该模型通过耦合真实气体效应与同位素竞争吸附理论，成功将传统数值模型的多解性降低67%。

关键技术包括：全直径岩心覆压实验系统模拟原位条件；在线质谱实时监测δ¹³C₁动态变化；COMSOL多物理场耦合建模；以及基于Klinkenberg渗透率的物质平衡验证。实验样本取自鄂尔多斯盆地临兴区块山西组陆相页岩，采用氦膨胀法测定孔隙度，稳态法计算渗透率。

【全直径岩心衰竭开发】
通过覆压条件下长达半年的持续监测，发现δ¹³C₁呈现明显三阶段演化：Ⅰ阶段(-28.5‰至-28.8‰)以裂缝气为主；Ⅱ阶段快速下降至-30.2‰反映基质游离气主导；Ⅲ阶段回升至-29.5‰标志吸附气开始主导。转折点P₂对应的日产量AGR达48.30%，但吸附气采出程度仅18.84%。

【物质平衡方法】
建立考虑吸附气影响的扩展物质平衡方程，验证了CIF模型的可靠性。当游离气采出程度达75%时，吸附气补给使压力下降速率减缓41%，证实吸附气在稳产期的关键作用。

【模型验证】
CIF模型对产气量、压力、δ¹³C₁的同步拟合误差<5%。敏感性分析显示，吸附相中¹³CH₄的吸附能比¹²CH₄高0.8 kJ/mol是导致Ⅲ阶段同位素反转的主因。

这项研究不仅揭示了复杂孔隙-裂缝系统中同位素分子的运移机制，更建立了首个能定量评价AGR的动态分馏模型。其创新性体现在：首次实现覆压条件下全生命周期同位素监测；突破传统模型仅匹配生产数据的局限；发现P₂转折点可作为压裂干预的关键指标。该成果为页岩气开发中CO₂注入时机选择提供了理论依据，对实现"双碳"目标下的天然气资源高效开发具有重要实践意义。