特定化合物同位素分析（Compound-specific isotope analysis，CSIA）是地球化学领域的一项技术，包括在油气行业中，用于确定有机化合物的同位素组成。它提供了有关这些化合物起源、历史和形成过程的宝贵信息。在理解油气储层中烃类的来源、迁移和变化方面，CSIA尤其有用。

以下是CSIA工作原理：

1. 采样和制备： 过程始于从油气储层中采集烃类样本。这些样本可以包括原油、天然气和相关液体。然后对收集的样本进行处理，以分离烃类化合物。
   

2. 气相色谱法（Gas Chromatography，GC）： 使用气相色谱法来从样本混合物中分离单独的烃类化合物。该技术基于化合物的挥发性和其他物理性质进行分离。

3. 同位素比质谱法（Isotope Ratio Mass Spectrometry，IRMS）： 在使用气相色谱法分离后，将烃类化合物引入同位素比质谱仪。这种仪器测量化合物中存在的元素的同位素比率，通常是氢（H）、碳（C）和氮（N）同位素。

4. 同位素比分析： 测量特定元素（如碳δ¹³C和氢δD）的同位素比率，并将其表示为δ值。这些δ值表示样本同位素组成与标准参考材料之间的偏差。通过比较这些值，科学家可以推断有关烃类化合物起源和经历的信息。

   
   

   

    图1. 特定化合物同位素分析流程和原理（Elsner,  2012）
   

   
   

5. 解释和应用： CSIA为油气储层的各个方面提供了洞察：

1. 来源识别： 通过比较不同来源化合物的同位素比率，CSIA可以帮助确定烃类的起源。不同来源（例如不同类型的有机物）具有独特的同位素标志。

2. 迁移途径： CSIA可用于跟踪烃类在岩石层中的迁移，从而让研究人员了解储层内流体的运动。

3. 生物降解和变化： 同位素比率可能会因微生物过程而改变，这可以提供有关烃类生物降解和变化程度的信息。

4. 热演化： CSIA还可用于评估烃类的热演化程度，这对于了解油气生成潜力很重要。

   在油气行业中，CSIA在储层表征、勘探和生产优化方面起着关键作用。它帮助地质科学家和储层工程师就储层的行为和潜力做出知情决策，有助于更有效地管理资源。

图1.  在油气组分丙烷-甲苯范围内，分析约19种组分的碳同位素

（来源：https://www.isolab.com/stable_isotopes_oil.html）

参考资料：

1. Elsner, M., Jochmann, M. A., Hofstetter, T. B., Hunkeler, D., Bernstein, A., Schmidt, T. C., & Schimmelmann, A. (2012). Current challenges in compound-specific stable isotope analysis of environmental organic contaminants. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 403, 2471-2491. https://doi.org/10.1007/s00216-012-5874-2

2. Schmidt, T. C., Zwank, L., Elsner, M., Berg, M., Meckenstock, R. U., & Haderlein, S. B. (2004). Compound-specific stable isotope analysis of organic contaminants in natural environments: a critical review of the state of the art, prospects, and future challenges. Analytical and bioanalytical chemistry, 378, 283-300.

3. Rooney, M. A., Vuletich, A. K., & Griffith, C. E. (1998). Compound-specific isotope analysis as a tool for characterizing mixed oils: an example from the West of Shetlands area. Organic Geochemistry, 29(1-3), 241-254.

4. Moldowan, J. M., Dahl, J., Zinniker, D., & Barbanti, S. M. (2015). Underutilized advanced geochemical technologies for oil and gas exploration and production-1. The diamondoids. Journal of Petroleum Science and Engineering, 126, 87-96.