前端气路控制单元气路如图1所示, 由微型抽气泵提供动力抽取综合录井仪排出的地层气。以连接海上常规气测录井仪Reserval^[15]为例, 其末端出口流量为480 mL/min, 需要指出的是, 排出的气体已经过氯化钙和脱脂棉净化, 未流经Reserval录井仪内色谱柱和检测器。由于抽气泵抽力较大, 为避免干扰到综合录井仪工作, 需要在抽气泵后端添加节流阀控制抽力进而控制流量, 此时可控制抽气流量为200 mL/min, 同时Reserval录井仪末端使用三通接口将多余的气体排至室外大气环境, 既可以保障碳同位素分析仪有充足的气源, 又可以保持Reserval录井仪末端出口为正压, 使整体气路顺畅, 不出现憋气或负压现象。进入碳同位素分析仪色谱模块内的地层气需要精确控制其流量和压力, 通过抽气泵抽取200 mL/min气体再次经过三通, 一端使用背压阀维持设定压力, 另一端流向气体质量流量计并设置一定数值, 通常取40 mL/min, 当地层气浓度过高时可以降低气体质量流量计设定值。经过严格气路控制, 可得到流量连续恒定、实时更新的地层气。

图1

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	图1 气路控制单元气路图

地层气经气体质量流量计进入样品稀释单元, 可实时进1%~100%的地层气稀释, 确保被测气体在碳同位素分析仪最佳检测区间内, 一般为2 000× 10^-6~10 000× 10^-6。碳同位素分析仪读取综合录井仪发送的迟到井深和烷烃数据, 主要是甲烷、乙烷、丙烷数值, 如果单体烃类浓度低于1%则不需要进行稀释操作, 反之控制装置会向管路中注入适量的零空气进行自动稀释。稀释零空气由另一路气体质量流量计进行控制, 碳同位素分析软件内置稀释算法判断是否进行稀释以及稀释量大小。地层气与稀释零空气组成混合样品气进入色谱气路的定量环内, 准备下一步向色谱单元注样。

自动进样单元有一套独特的气路设计, 特点在于有一个可以使用程序进行控制的六通阀。混合样品气首先进入六通阀的定量环内（图2）, 通过设置程序方法, 经过一定时间后切换六通阀状态（图3）, 以零空气为载气推动定量环内混合样气进入后续碳同位素分析仪色谱单元, 甲烷、乙烷、丙烷经过色谱柱完成彻底分离。碳同位素色谱内集成高温催化系统, 其作用是将分离完成的各烷烃组分经高温催化氧化分别转变为对应的二氧化碳, 从而被光谱单元检测, 即得到甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值数据。

图2

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	图2 六通阀位置A气路图

图3

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	图3 六通阀位置B气路图

碳同位素自动进样系统与综合录井仪需要利用WITS进行实时数据通信。为了与前端气测录井仪Reserval进行实时通信, 开发了一款WITS通信软件, 界面如图4所示, 采用标准的WITS通信协议来满足碳同位素自动进样系统的通信需求^[16], 使得系统适配整个录井行业, 实现简易、高效的操作。根据调查, 目前市面上需要进行WITS的录井设备均内置通信模块, 但是使用效果不佳, 原因在于市面上存在多种综合录井仪及系统软件, 其软件数据接口设置各具特色, 数据输出格式并不统一, 造成新开发的一些录井设备和软件很难进行适配。以碳同位素自动进样系统为依托, 开发的新款WITS通信软件经过测试, 能和市面上大部分综合录井系统（Advantage^[17]、雪狼系统、ZY-KQⅡ ^[18]、ALS^[19]和DataLog^[20]）进行通信, 其作为一款独立的软件, 起到了媒介和桥梁的作用, 实现了综合录井系统和单独录井设备的解耦, 有望成为一款通用的WITS链接软件, 方便更多录井设备的快速通信应用。

图4

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	图4 碳同位素分析仪WITS通信软件界面

图5为陆地西南A井泥浆气碳同位素剖面特征图, 使用集气袋取样并现场手动注样的方式进行碳同位素录井。设计每5 m取一个气袋, 遇到高气测层段适当加密取样的工作模式。进入目的层后, 在2 800 m开始进行碳同位素录井工作, 进尺450 m, 共使用集气袋102只, 整段录井过程平均4.5 m得到一组碳同位素数据, 全部气袋检测出甲烷碳同位素（δ ¹³C₁）数据, 部分气袋检测到乙烷碳同位素（δ ¹³C₂）数据, 丙烷气测过低没有测得数据。通过图5甲烷碳同位素分布点可见, 甲烷碳同位素值较为分散, 由浅至深能够看到大致的数据分布特征曲线, 仅能依据这些较为离散的数据进行地质解释分析, 同时在集气袋存放和手动注样测量过程中无法避免地存在漏气的情况, 因此数据可靠性大为降低。其中在井深3 180 m附近, 由于甲烷碳同位素数值δ ¹³C₁从-27.5‰ 到-30.5‰ 发生偏移, 很难分辨是地层本身真实的变化还是气袋手动测量不准确造成的偏差, 给碳同位素解释工作带来很大的干扰。

图5

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	图5 陆地西南A井泥浆气碳同位素剖面特征

以海上琼东南B井为例, 进行了碳同位素自动进样系统的应用测试, 采取碳同位素分析仪实时在线检测的模式, 结果如图6所示。经统计, 整口井自三开开始进行碳同位素录井至完钻, 钻进超过2 000 m, 共获得甲烷碳同位素数据2 100多组, 4 090~4 140 m井段测得乙烷碳同位素数据, 平均不到1 m即得到一组甲烷和乙烷碳同位素数据, 样品密度大增, 丙烷气测过低未测得碳同位素数据。从图6甲烷碳同位素分布点可见, 大量且连续的甲烷碳同位素数据形成清晰的分布特征曲线, 整体连续性高且分散性低, 能更好地分析出地层连续的碳同位素分布状态。该井在4 000 m以上属生物成因气, 4 000~4 100 m井段为气层扩散段, 4 100 m以下进入储层, 在梅山组见深层来源高熟气, 碳同位素值较重段主要集中于4 090~4 120 m砂岩层, 为充注核心段。

图6

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	图6 海上琼东南B井泥浆气碳同位素剖面特征