低渗透天然气储层开发过程中普遍存在气水两相流。水相占据有效孔隙空间并产生传质阻力，会显著改变气体运移行为；与此同时，甲烷碳同位素组成在运移和产出过程中会发生动态分馏，记录着储层物性、气体赋存状态及运移机制等信息。现有甲烷碳同位素分馏模型主要针对单一气相体系，尚难刻画水相参与条件下气体运移与同位素演化的耦合过程。针对这一问题，本研究首次建立适用于低渗储层气水两相流的甲烷碳同位素分馏模型（GWF-CIF），将气水两相流、有效应力演化、真实气体效应、多机制气体传输以及12CH4和13CH4差异扩散与竞争吸附/解吸过程统一纳入耦合偏微分方程体系，实现气水产出动态与甲烷碳同位素分馏的同步预测。
研究选取鄂尔多斯盆地大吉地区两口深层煤层气直井G1和G2开展模型验证。模型同时拟合累计产气量、累计产水量和甲烷碳同位素组成（δ13C1）三类独立观测数据，从而降低仅依赖单一生产指标拟合所导致的参数多解性。历史拟合结果表明，模型能够较好再现两口井的累计产气、累计产水以及δ13C1动态变化：在当前生产阶段，G1井δ13C1由约−23.2‰下降至约−29.5‰后回升至约−27.5‰，G2井则由约−23.5‰下降至约−29.8‰后回升至约−28.5‰，总体表现为先变轻、后变重的演化趋势，说明该模型能够同时捕捉生产动态与地球化学响应。
图1. GWF-CIF模型对G1、G2井累计产气量、累计产水量及甲烷碳同位素组成的历史拟合结果
数值模拟进一步揭示了深层煤层气开发中“先排水、后产气”的典型两相流特征，以及甲烷碳同位素“初期稳定—中期变轻—后期变重”的三阶段演化规律。第Ⅰ阶段主要产出裂缝/割理中的游离气，12CH4和13CH4迁移近似同步，因此同位素值整体稳定；第Ⅱ阶段裂缝气与基质气共同产出，基质来源仍以游离气为主，产出气δ13C1逐渐降低；第Ⅲ阶段基质游离气大幅消耗后，吸附气解吸成为主要供气机制，δ13C1随之逐步升高。初始含水饱和度对这一过程具有显著控制作用：含水饱和度越高，气相有效孔隙空间和相对渗透率越低，同位素分馏幅度越小，各阶段转折点出现越晚。
20年预测结果显示，G1和G2井累计产气量分别可达1229.5×104 m3和992.8×104 m3，其中游离气贡献分别为28.4%和34.0%。两口井δ13C1分别在约2.5年和2.7年达到最低值；游离气日产贡献降至50%的时间分别约为2.5年和3.5年。总体上，第Ⅰ、Ⅱ阶段以游离气产出为主，进入第Ⅲ阶段后吸附气贡献逐渐超过游离气。由此，甲烷碳同位素分馏转折点可作为识别气体产出机制转换的重要地球化学指标，为判断增产措施实施时机提供依据。研究还指出，相关认识可为CO2注入、降低套压和二次压裂等开发优化措施提供定量支撑，并可进一步推广至致密砂岩气、页岩气等非常规低渗储层。
图2. G1、G2井20年累计产气、甲烷碳同位素演化及游离气/吸附气产出比例预测结果
研究成果近期被国际重要期刊《Petroleum Science》接收并在线发表。论文第一作者为Beat365中文官方网站（华东）博士生王峻，通讯作者为东北石油大学三亚海洋油气研究院卢双舫教授和李文镖教授。合作者包括煤层气开发利用国家工程研究中心李永洲高级工程师、王峰高级工程师，Beat365中文官方网站（华东）陈方文教授，东北石油大学三亚海洋油气研究院张鹏飞教授、陈国辉教授、王子轶副教授和硕士生李攀学，以及浙江大学海南研究院陆钊副研究员。该研究得到了油气重大专项、国家自然科学基金等项目的资助。
论文信息：Wang J,Li Y,Wang F,Chen F, Lu S, Zhang P, et al., 2026.A coupled model for methane carbon isotope fractionation during gas-water two-phase flow in low-permeability reservoirs. Petroleum Science. https://doi.org/10.1016/j.petsci.2026.08.021.
