含烴鹽水包裹體PVTsim模擬的一種簡(jiǎn)化方法及應(yīng)用

王瑀輝，袁玉松

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院）

1 研究背景

應(yīng)用沉積盆地地層古壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)可以分析油氣運(yùn)聚過程、確定油氣充注和成藏時(shí)間、評(píng)價(jià)油氣保存條件、優(yōu)選有利勘探區(qū)帶[1]。流體包裹體形成于礦物結(jié)晶時(shí)期，可以反映成礦時(shí)期地層溫壓條件及古流體信息，且可以作為等容體系進(jìn)行 PVT計(jì)算。根據(jù)與主礦物形成時(shí)間關(guān)系，流體包裹體分為原生、次生包裹體，分別提供了主礦形成時(shí)期和后期改造事件中的流體環(huán)境變化和構(gòu)造特征[2]。

流體包裹體分析法是重要的地層流體壓力演化模擬方法，通過獲取均一溫度并進(jìn)行鹽度測(cè)試、成分測(cè)試等，恢復(fù)捕獲時(shí)期的地層壓力，獲得捕獲時(shí)期的地層條件。利用流體包裹體恢復(fù)古地層流體壓力包括多種方法，早期方法包括操作較復(fù)雜的鹽水包裹體密度式法、等容線圖解法[3]等，較新的PVT數(shù)值模擬法有更好的模擬效果。PVTsim軟件可以對(duì)單個(gè)包裹體進(jìn)行模擬，最早Aplin[4]使用的方法采用并改進(jìn)了 Soave–Redich–Kwong 狀態(tài)方程[5–7]，使通過迭代計(jì)算獲得的包裹體的氣液比與室溫條件下的情況相符，結(jié)合激光共聚焦掃描顯微鏡確定的包裹體成分，模擬包裹體等容線方程，最終求得相對(duì)準(zhǔn)確的包裹體捕獲壓力。

Aplin主要進(jìn)行了原油包裹體的壓力模擬，但是由于含烴鹽水包裹體成分復(fù)雜，無(wú)法直接利用軟件計(jì)算均一溫度下的飽和壓力和室溫下的氣液比。含烴鹽水包裹體的P–T相圖比原油包裹體復(fù)雜很多，含烴鹽水包裹體的模擬不能使用傳統(tǒng)方法。在古老的海相沉積盆地中，地層通常經(jīng)歷過高溫高壓條件，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，發(fā)生油氣轉(zhuǎn)化，原油包裹體一般被破壞，導(dǎo)致古老地層中很少發(fā)現(xiàn)原油包裹體，但成熟的含油氣盆地中含烴鹽水包裹體廣泛存在，尤其在頁(yè)巖氣藏中較為突出。

含烴鹽水包裹體在凝固過程中，形成水與氣體結(jié)合而成的固體結(jié)晶[8]，可將其當(dāng)做穩(wěn)定的氣體水合物，其擁有固定的平衡溫度Tm（冰點(diǎn)溫度）。王存武等[9]利用包裹體此特點(diǎn)提出的方法是：利用實(shí)驗(yàn)室激光掃描共聚焦顯微鏡層切包裹體，獲得室溫條件下氣液體積比數(shù)據(jù)；在PVTsim軟件中輸入由激光拉曼測(cè)試得到的包裹體成分及含量數(shù)據(jù)；在軟件的無(wú)水模塊中輸入氣體含量為零，控制其處于氣水合物平衡狀態(tài)，求得此條件下捕獲壓力并記錄包裹體摩爾體積；通過不斷調(diào)整成分，使利用包裹體摩爾體積計(jì)算出的室溫條件下氣液體積比與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相符。

包裹體在均一溫度下存在飽和壓力P，使包裹體為均一相態(tài)，據(jù)此，米敬奎[10]提出利用PVTsim的“multi–flash”模塊進(jìn)行均一態(tài)的最小壓力模擬，通過聯(lián)立多組包裹體等容線方程計(jì)算包裹體捕獲壓力；張俊武[11]使用PVTsim中的含水模塊，通過調(diào)整輸入的捕獲壓力的值使包裹體達(dá)到氣體消失的均一態(tài)，從而獲得此條件下的捕獲壓力與包裹體摩爾體積，其余步驟與王存武等的相同。前人在使用PVTsim軟件對(duì)含烴鹽水包裹體捕獲壓力的模擬過程中，在校正初始包裹體成分時(shí)的操作皆為重新輸入不同的成分，并需要多次重復(fù)模擬步驟，對(duì)成分的改變方法并無(wú)具體說(shuō)明，且重復(fù)操作的過程較復(fù)雜。

2 包裹體PVTsim模擬方法

王存武與張俊武[11]的方法分別使用包裹體在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的冰點(diǎn)溫度和均一溫度，具體操作存在差別，但均模擬包裹體到單一相態(tài)，利用其體積一定的特點(diǎn)驗(yàn)證氣液比，并進(jìn)行PVT模擬。實(shí)驗(yàn)操作中可以使用均一溫度模擬捕獲壓力并結(jié)合冰點(diǎn)溫度氣水合物模擬進(jìn)行驗(yàn)證。以張俊武的模擬方法為例，在獲取包裹體成分和包裹體室溫下氣液比數(shù)據(jù)后，①在軟件的“Flash”中的“PT–agueous”模塊輸入均一溫度Th，通過不斷調(diào)整輸入壓力P，使結(jié)果中的“Vapor”含量的體積剛好減小為零，記錄此時(shí)的總體積Vt；②使用“V–T”模塊輸入Vt，計(jì)算室溫條件下的氣液含量體積比，并與真實(shí)結(jié)果對(duì)比，通過不斷調(diào)整氣體成分含量并重復(fù)之前步驟，使氣液比準(zhǔn)確。由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的氣相成分已知，相對(duì)準(zhǔn)確的成分調(diào)整方法為控制各成分比例不變，增加或減少氣體總物質(zhì)量與水的比例（即氣液摩爾比），初始比例設(shè)定為甲烷在水中的溶解度 0.21%；③計(jì)算此條件下最小捕獲壓力。

步驟②中在調(diào)整氣體成分時(shí)需要重新在軟件中輸入不同成分?jǐn)?shù)值，并重復(fù)壓力調(diào)整和氣液比計(jì)算的過程，操作較繁瑣，如果成分調(diào)整的方向與幅度不確定，則調(diào)整更加困難。

3 PVTsim模擬方法的簡(jiǎn)化

在以上模擬過程實(shí)際操作時(shí)發(fā)現(xiàn)，在成分調(diào)整的多個(gè)結(jié)果中，輸入的氣液摩爾比與模擬出的包裹體捕獲壓力皆表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系（圖1），而室溫條件下的氣液比與最大壓力為一次函數(shù)負(fù)相關(guān)（圖2），系數(shù)與均一溫度及包裹體各成分含量相關(guān)，且這種規(guī)律不受樣品原始數(shù)據(jù)條件的影響。據(jù)此規(guī)律，利用 PVTsim模擬至少兩組不同氣體物質(zhì)含量的包裹體在室溫條件下的氣液比和相應(yīng)的最大捕獲壓力，并據(jù)此求出二者的一次函數(shù)，再將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的室溫條件下氣液比的值代入到一次函數(shù)中，即可求得包裹體的最大捕獲壓力。軟件中最大捕獲壓力的模擬需要精確到0.1 bar，從而提高一次函數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖1 輸入的氣液摩爾比與捕獲壓力關(guān)系

圖2 室溫下氣液體積比與捕獲壓力關(guān)系

使用模擬得到的氣液體積比與捕獲壓力關(guān)系的方法可以快速地模擬包裹體的捕獲壓力，輸入至少兩組不同的成分并進(jìn)行捕獲壓力和氣液比模擬，即可獲得真實(shí)氣液比條件下的包裹體捕獲壓力。利用這種方法在對(duì)大量包裹體捕獲壓力模擬時(shí)，可以顯著減少工作量。利用氣液摩爾比與捕獲壓力關(guān)系圖反映出的不同成分下的捕獲壓力變化趨勢(shì)，可以為包裹體成分的校正提供參考。

4 PVTsim簡(jiǎn)化方法的應(yīng)用

4.1 區(qū)域地質(zhì)背景及樣品概況

包裹體樣品均取自林–1井鉆井巖心，為震旦系燈影組、志留系龍馬溪組和石牛欄組巖心樣品中的方解石或白云石脈體。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)均一溫度過高的包裹體，認(rèn)為是非均相捕獲，為消除影響將樣品進(jìn)行篩選，最終獲取符合實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)并獲得測(cè)試結(jié)果的包裹體樣品共11份，1～6號(hào)樣品屬志留系石牛欄組，7號(hào)為志留系龍馬溪組，皆為灰?guī)r裂縫方解石包裹體，深度為469.28～759.91 m；8～11號(hào)樣品屬震旦系燈影組地層，皆為白云巖中包裹體，深度為2 619.28～2 767.45 m。總體上包裹體形狀較規(guī)則，粒徑10～40 μm，氣液比3.6%～17.4%，包裹體壁薄，透明度較高；隨取樣深度增加，包裹體均一溫度有增大趨勢(shì)（圖3）[12–14]。

圖3 林–1井包裹體顯微鏡下樣品特征

包裹體捕獲溫度是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的均一溫度間的規(guī)律推算獲得的[15]，通過將包裹體的捕獲溫度投影在林–1井埋藏史、熱演化史圖上，獲得相應(yīng)層位包裹體的埋藏深度和時(shí)間，還原過程需要結(jié)合包裹體的期次性進(jìn)行調(diào)整。樣品主要為裂縫中次生包裹體，形成于晚中生界之后地層構(gòu)造抬升期的裂縫中（表1）。

4.2 模擬結(jié)果

采用PVTsim模擬方法[16]，每個(gè)樣品模擬兩組不同的成分下的捕獲壓力和室溫氣液體積比，擬合獲得現(xiàn)今氣液比–捕獲壓力關(guān)系式，然后代入室溫下測(cè)得的所有包裹體氣液比數(shù)據(jù)，即可得到包裹體捕獲壓力，模擬結(jié)果如表2。

包裹體捕獲壓力模擬的結(jié)果與林–1井盆地模擬做出的地層壓力演化結(jié)果有較好的吻合性。結(jié)合區(qū)域埋藏史、熱史及以上模擬結(jié)果，認(rèn)為林–1井地區(qū)地層流體古壓力演化符合盆地整體演化特征，埋藏較深的燈影組地層壓力普遍高于石牛欄組。在105～45 Ma期間，構(gòu)造抬升導(dǎo)致地層壓力快速下降，同時(shí)期燈影組、石牛欄組壓力系數(shù)總體下降，但仍穩(wěn)定在 2.0以上且存在短暫升高，證明地層始終處于超壓狀態(tài)，未發(fā)生破裂泄壓，且構(gòu)造抬升程度在后期有所減緩，三疊系之后龍馬溪組高成熟度干酪根大量生氣對(duì)下伏石牛欄組的增壓有一定影響[16]；45 Ma至今古流體壓力進(jìn)一步下降直至現(xiàn)今的常壓狀態(tài)，認(rèn)為主要原因仍是構(gòu)造抬升作用、盆地中生代和新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，導(dǎo)致地層產(chǎn)生斷裂，使地下應(yīng)力釋放。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

（1）簡(jiǎn)化的PVTsim模擬方法為包裹體成分的校正及捕獲壓力結(jié)果的調(diào)整提供了方向，相對(duì)原始的方法，該方法縮減了復(fù)雜的校正調(diào)整過程，在實(shí)際應(yīng)用的操作中效果較好，每個(gè)樣品的模擬過程只需輸入至少兩組不同成分含量的初始?xì)怏w數(shù)據(jù)，作出現(xiàn)今氣液比–捕獲壓力方程，即可計(jì)算獲知真實(shí)室溫氣液比矯正的包裹體捕獲壓力。

（2）林–1井古地層流體壓力演化結(jié)果表明，105～45 Ma期間構(gòu)造抬升導(dǎo)致地層壓力迅速下降，壓力系數(shù)緩慢下降，燈影組和石牛欄組皆保持在2.0以上，45 Ma之后地層壓力系數(shù)迅速下降。

（3）包裹體對(duì)時(shí)間點(diǎn)下的地層壓力模擬更具有參考價(jià)值，但通常由于多井取樣復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試成本高，包裹體樣品在數(shù)量和區(qū)域分布上存在局限性，將盆地模擬得出的壓力演化結(jié)果作為包裹體捕獲壓力模擬結(jié)果的參考，既有利于壓力演化趨勢(shì)的判斷，又可以相互驗(yàn)證。

表1 林–1井下古生界實(shí)測(cè)流體包裹體數(shù)據(jù)

表2 流體包裹體古地層壓力模擬結(jié)果