同位素錄井是油氣鑽探過程中所實施的實時同位素檢測技術，目前以碳同位素為主，檢測的樣品主要包括泥漿氣、岩屑灌頂氣、壓裂反排氣等。通過大量、連續、立體的同位素數據，不僅能夠分析油氣成因與成熟度、油氣藏的後期改造和次生變化等地質成藏特徵，在非常規油氣方面還能指導頁岩氣及緻密甜點區的選擇，為非常規資源儲量的評估提供依據。
基本介紹
技術起源和發展,原理,1 同位素分餾,2 同位素分析技術,套用,在非常規油氣勘探開發中的套用,在常規油氣勘探中的套用,
技術起源和發展
在傳統的油氣勘探開發中，碳同位素在地質事件分析、油源對比、成熟度研究、沉積環境分析和古環境分析中具有重要作用，早期的質譜單體同位素測量儀器GC-MS價格昂貴，維護複雜，對環境穩定性要求很高，以往碳同位素研究只在大的盆地的源產儲分析模擬才會用到，極大地限制和延誤了同位素在勘探開發中的套用。
上世紀九十年代北美油氣工作者開始嘗試在鑽井現場批量採集泥漿氣，送回實驗室分析，針對研究天然氣成因、判斷儲層封閉性及識別斷層構造等做了許多工作。1999年Ellis提出“Mud gas isotope logging while drilling”的概念，同位素錄井概念正式誕生。
原理
1 同位素分餾
同位素的分餾主要為物理分餾和分子動力學分餾。
1）物理分餾是同位素分子質量差異導致的密度、熔點、沸點、平均自由呈等物理性質的差異，從而在蒸發、凝聚、升華、擴散過程發生輕重同位素的分異。
2）分子動力學分餾是化學反應中的分餾，含有兩種核素的分子振動頻率和化學鍵強度存在差異，輕同位素的分子比重同位素的分子更易破裂，具有更高反應速率，通常活動相中富輕同位素。
在油氣藏形成和演化的過程中，包括有機物的沉積埋藏、烴源岩的形成和演化、圈閉的的形成和油氣藏的改造及次生變化等階段，有機物的運移和富集過程中同位素特徵不斷變化，並伴有同位素分餾。有機物的同位素值對母質具有繼承性，對一些次生變化如油氣充注、斷層有一定的指示性，可以根據同位素值和同位素分餾特徵對油氣藏的形成和演化過程進行揭示，從而指導油氣勘探。
2 同位素分析技術
1）光譜法，光譜儀的誕生早於質譜儀，早期由於精度原因光譜儀器僅能對物質組分進行定性定量分析，傳統GC-FITR由於光吞吐量和光吸收路徑的限制，作為同位素測量的檢測器效果一直不甚理想。直到1994年貝爾實驗室的Jerome Faist等人首次演示量子級聯雷射器（QCL），單個電子在穿過QCL結構時產生多個光子的發射過程，這一過程產生了級聯效應，具有比傳統半導體雷射二極體更高的光學輸出功率。1998年Fabry-Perot型量子級聯雷射器成功商業化，較小的元器件體積、高光學功率的輸出、較大的可調諧範圍和可在室溫下運行的特性使其在氣體檢測上具有廣闊的套用前景。2008年Sheng將量子級聯雷射器與用於紅外雷射的空心波導組成光學吸收感測器，並與氣相色譜聯用，實現了碳同位素的高精度測量，達到實驗室同位素質譜儀的同等精度水平，這極大地拓寬了同位素測量的套用場景。
2）質譜法，自1919年英國的湯姆孫和阿斯頓研發出了第一台質譜儀，一百年來同位素質譜儀的發展已經十分成熟，套用廣泛。質譜同位素分析技術具有發展成熟、測量精度高的優點。
由於鑽井現場環境複雜，溫度、濕度和電力等條件的限制，實驗室常見的同位素測量儀器如氣相同位素質譜儀GC-MS無法適應現場的工作環境。於是北美油氣工作者開始嘗試用同位素光譜儀在鑽井現場進行同位素測試，在缺乏其他測井手段的情況下，現場獲得的同位素數據對儲層物性的判識起到了重要作用。此後同位素錄井儀器不斷發展，基於量子級聯雷射技術（QCL)與空心波導技術(HWG)的同位素錄井儀實現了氣相色譜與光譜的聯用，在性能、體積和穩定性上取得了較好的平衡。北美主要的頁岩氣產區開始接受同位素錄井作為一種常規錄井手段。
套用
近幾年環渤海地區和南方海相頁岩氣區域相繼嘗試開展同位素錄井工作，均取得了不錯的效果。
在非常規油氣勘探開發中的套用
（1）頁岩氣
1）分析頁岩氣成因
通過連續大量立體的碳同位素數據，分析頁岩氣的來源、成因及成藏富集規律；結合烴源岩產物碳同位素演化特徵，分析頁岩演化過程中的殘餘烴和排出烴比例,評估頁岩區勘探潛力與資源量。
2）判斷頁岩氣地質甜點
根據頁岩氣從納米孔喉釋放過程中所發生的同位素分餾特徵，分析頁岩孔隙介質的物性情況以及頁岩氣的原地賦存狀態，判斷鑽遇頁岩層的孔隙發育程度和相對含氣量，識別地質甜點。
3）產量預測
頁岩氣及緻密氣田在開採過程中會發生同位素的分餾，通過連續檢測產出氣同位素的變化，可以判斷非常規氣目前所處的放氣階段，預估氣井的產量，同位素數據為產量預測提供了除早期生產曲線外的另一維度的參考數據。
4）重複壓裂方案建議
通過頁岩氣井先期生產過程中的碳同位素變化特徵，判斷產量下滑的井是否有重複壓裂的價值，為重複壓裂方案的選擇提供參考。
5）用於水平井隨鑽導向
在地層垂向上同位素值變化明顯的區域，同位素現場測試可以用來進行水平井地質導向，可以對常用的GR、R等波形導向指標進行有效補充與校正。
（2）緻密油（頁岩油）
1）識別隱性甜點
緻密儲層孔滲率低，油氣釋放緩慢，氣測值不明顯；並且很多情況下油質較輕易揮發，岩石熱解分析時測不到明顯的S1、S2異常，容易錯過重要產油層。同位素錄井手段的套用可以分析隱形油藏初始含油氣狀態，幫助識別緻密油氣甜點。
2）判斷深層油氣的充注情況
原生天然氣的碳同位素隨埋深規律性變化，當某一地層的氣碳同位素值異常偏重，則意味著該區域很可能發生了深層油氣的充注。深層油氣的充注增加了油氣資源量也提高了氣油比。單井數據可以分析充注發生的層位，多井數據則可以分析充注範圍。
3）計算氣油比（GOR）
氣油比是重要的頁岩油、緻密油開發指標之一。高氣油比預示了高地層能量，往往對應較高的採收率。依據當地烴源岩演化特徵，同位素測量結果可以通過計算得到氣油比，幫助在鑽井過程中得到氣油比這一關鍵數據。
在常規油氣勘探中的套用
1）分析天然氣來源、成熟度及富集規律。
天然氣組分與同位素值是天然氣成因判識的基礎。通過同位素錄井獲得大量連續的同位素數據，可以更加精細的判斷每一層天然氣的成因類型和成熟度，藉以分析不同層位氣藏的來源和富集規律。
2）判斷連通性
油氣在連通的層位中在漫長的地質年代裡會充分混合，同位素值趨向一致。如果在某一水平井或某相鄰井區出現同一層位同位素不一致的情況，可認為其中有封閉性斷層或隔斷阻礙了烴類氣體的混合。
