吐哈盆地勝北洼陷中侏羅統儲層流體包裹體特征與油氣成藏期次

陳淑鵬， 蔡蘇陽， 梁云， 胡前澤， 程甜， 佘家朝， 張勇剛

(1.長江大學資源與環境學院， 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室， 武漢 430100； 2.中國石油吐哈油田分公司， 鄯善 838202； 3.中國石油杭州地質研究院， 杭州 310023)

近年來，有關流體包裹體的研究越來越廣泛，在油氣成藏期次的確定中發揮著至關重要的作用[1]。明確油氣成藏時間及期次也是厘清研究區油氣成藏過程與分布規律的關鍵問題之一，是尋找新的油氣富集帶，實現增儲上產亟待解決的基礎性科學問題[2-6]。

茍紅光等[7]指出，隨著對魯克沁油田的攻關，以往油氣資源分布及評價已不能有效地指導勘探開發進程，亟待歸納油氣成藏主控因素及建立成藏模式；李延鈞等[3]認為，吐哈盆地侏羅系吐哈盆地勝北凹陷淺層油氣顯示具有良好前景，探究淺層油氣源及成藏規律對實現淺層油氣開發具有重要意義。此外，針對油氣藏分布及油氣生排烴分析，通常可根據圈閉形成時間、烴源巖主要排烴時間和油藏飽和壓力等方法確定油氣成藏時間[8-13]，也可通過對儲層自生伊利石同位素測定與流體包裹體鏡下實驗等大致確定油氣成藏時間[14-19]。Zhu等[8]研究表明，流體包裹體分析結合儲層的埋藏歷史和熱歷史可以提供關于油氣充注階段最直接的證據。Liu等[9]利用顯微鏡下流體包裹體溫度學及同位素分析發現孔隙流體壓力增加和圍壓降低都有助于蘆草溝組致密油藏天然裂縫的形成。尹偉等[11]綜合利用圈閉形成時間法、自生礦物同位素測年法和流體包裹體法等技術揭示了準噶爾盆地中部油藏的成藏期次與時間，并指出各期次油藏的勘探方向。曾治平等[16]研究發現，基于熱效應的盈余，補償地層溫度和形成包裹體的溫度差，結合理藏史，可完善有機包裹體方法確定油氣藏的成藏期次及其充注歷史等研究及應用。隨著勝北洼陷油氣勘探程度不斷提高，勘探目的層逐漸由淺部第三系和白堊系常規砂巖儲層逐漸向深部侏羅系致密砂巖等非常規儲層轉移。有關勝北洼陷的研究主要集中于成藏條件[3]、油氣藏類型及分布規律[5]、致密儲層特征[20-21]等；但針對該區油氣成藏期次及時期的研究較少，多種包裹體研究實驗手段的綜合應用也有待加強。

為此，運用流體包裹體測試技術，對來自勝北洼陷6口井的中侏羅統24塊流體包裹體片進行系統顯微觀測，同時結合圈閉形成時間和烴源巖主生排烴時間等方法，進一步明確研究區油氣成藏期次與時間，以期為吐哈盆地勝北洼陷中侏羅統致密油氣“甜點區”優選提供科學理論依據。

1 地質概況

勝北洼陷是吐哈盆地臺北洼陷以西的三級構造帶如圖1(根據文獻[22]修改)所示，面積約3 500 km2，洼陷內發育多套烴源巖，形成多套儲-蓋組合，擁有良好的油氣勘探前景[23]。

如圖2所示，研究區內有效烴源巖有三套，主要包括二疊系桃東溝群湖相泥巖、中-下侏羅統水西溝群煤系源巖和中侏羅統上部七克臺組湖相泥巖。就上含油氣系統侏羅系地層而言，儲-蓋組合為研究區提供了較為良好的前提條件。具體體現為：西山窯組煤系泥巖(J2x1+2)、J1s和J1b中-上段泥巖為其下段(J2x1+2)、三工河組(J1s)和八道灣組(J1b)砂巖形成了有效的蓋層；西山窯組上段(J2x3+4)砂巖與三間房組(J2s)下部紅色薄層泥巖構成了“儲-蓋”一體；齊古組(J3q)和J2q上部巨厚湖相泥巖較為致密，為七克臺組(J2q)下部和J2s砂巖這套儲層油氣的富集和保存起到了重要作用；喀拉扎組(J3k)下部砂巖聚集的油氣在該段上部(J3k)的泥巖封閉層中得到了較好保存。可見，研究區縱向上多套源巖并存，多套儲-蓋組合互層疊置，形成了得天獨厚的生、儲、蓋體系，這不僅對研究區油氣藏的富集與保存起到了重要作用，另一方面也使得油氣成藏過程更為復雜[7]。

2 有機流體包裹體熒光特征

流體包裹體是在不同因素的作用下，礦物在形成過程中(或形成后)產生各種缺陷，圈閉了某些介質并長久的保存下來，流體包裹體可形成于油氣生成、運移和聚集等各個階段，提供了大量的油氣成藏依據[24-25]。流體包裹體大致可分為油包裹體、氣包裹體和鹽水包裹體三類。其中，油包裹體內成分含有環狀化合物，故在紫外光激發下發熒光，氣包裹體和鹽水包裹體大部分不發熒光，該方法能夠迅速有效地識別油包裹體，同時根據包裹體內熒光顏色可以進一步判斷其內原油組分及其演化程度[26-27]。

采集勝北洼陷6口井中侏羅統儲層砂巖樣品24塊。其中，七克臺組樣品2塊，三間房組樣品17塊，西山窯組樣品5塊，對制備好的流體包裹體片利用德國ZEISS Imager.A2電子顯微鏡進行了系統顯微觀測。如圖3所示，通過透射光與熒光下的包裹體顯微觀察，證實勝北洼陷中侏羅統儲層發育有大量包裹體，其類型多樣，既有單一液相烴類包裹體、氣-液兩相烴類包裹體、單一液相鹽水包裹體、氣-液兩相鹽水包裹體以及純氣相包裹體。宿主礦物多為石英，包裹體普遍較小，多介于2～4 μm。形狀有圓狀、橢圓狀、三角形、四邊形和不規則狀，多呈串珠狀成帶或成群賦存于石英顆粒愈合裂紋與穿石英顆粒裂紋內。

圖1 吐哈盆地含油氣區帶分布及勝北洼陷井位分布(據文獻[22]修改)Fig.1 Distribution of oil and gas regions and studied wells in Shengbei Sag, Tuha Basin (modified by the ref.[22])

圖2 吐哈盆地地層綜合柱狀圖(據文獻[22]修改)Fig.2 Generalized stratigraphic column of Turpan-Hami Basin(modified by the ref.[22])

油包裹體熒光主要呈藍綠色[圖3(a)和圖3(b)]和淺黃色[圖3(c)]，透射光下可見大量鹽水包裹體與發藍綠色熒光的油包裹體共生氣相包裹體，且顆粒內發育有大量氣相包裹體，它們多呈現褐色與黑褐色，不發熒光[圖3(d)和圖3(e)]。呈藍綠色熒光的油包裹體大多呈條帶狀成群賦存于穿石英顆粒裂紋內或呈串珠狀沿穿石英顆粒裂紋分布[圖3(a)和圖3(b)]，發淡黃色熒光的烴類包裹體多呈條帶狀分布于石英顆粒內部愈合裂紋[圖3(c)]。一般油包裹體熒光顏色可以反映包裹體內原油的成熟度及密度，熒光顏色呈紅色與黃色，表明原油成熟度較低，當熒光顏色為綠色和藍色時，指示其成熟度較高[28-30]。此外，包裹體內原油熒光顏色與其內原油API度(American Petroleum Institute，API)具有密切聯系[31]，即隨著原油成熟度增高，原油密度降低，品質變好，油包裹體的熒光顏色會逐漸“藍移”，即高API度和高成熟度的石油烴類包裹體，在可見光譜的藍色端發出熒光，而低API度和低成熟度的石油烴類包裹體則在可見光譜的紅色端發出熒光[32-33]，研究區流體包裹體鏡下顯示中侏羅統砂巖儲層內發育淺黃色和藍綠色熒光色的油包裹體，這表明了研究區至少存在兩期不同性質的流體運移注入到中侏羅統儲層內。其中，包裹體內呈藍綠色熒光的原油成熟度和API度應比呈淺黃色熒光的原油要高。大體上，前者可能處于中-高成熟階段，后者處于成熟階段。

圖3 勝北洼陷中侏羅統儲層流體包裹體熒光鏡下特征和透射光鏡下特征Fig.3 Fluorescence and transmitted light features of fluid inclusions in the Middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag

3 流體包裹體顯微測溫

與有機包裹體共生的鹽水包裹體均一溫度在劃分油氣充注幕次等方面有著重要作用[34]。因此選擇具有相同產狀、相似氣/液比且形狀較為規則的烴類包裹體以及與之相伴生的氣-液兩相鹽水包裹體，通過測定不同類型包裹體均一溫度值，并大致以15℃為一間隔，對油氣充注幕次進行詳盡劃分[35-36]。勝北洼陷中侏羅統24個致密砂巖儲層樣品包裹體均一溫度測試結果如圖4～圖6所示。

研究區中侏羅統致密砂巖儲層內均檢測到多幕次油包裹體、與油包裹體伴生的鹽水包裹體和與氣包裹體伴生的鹽水包裹體，證實勝北洼陷地質歷史時期流體活動較為頻繁。具體而言，七克臺組共檢測到2幕次油包裹體以及與之相伴生的鹽水包裹體和6幕次與氣包裹體伴生的鹽水包裹體[圖4(a)、圖5(a)、圖6(a)]。油包裹體均一溫度分布在53.7～95.5 ℃，2個幕次所對應的均一溫度分別為53.7～58.4 ℃和86.5～95.5 ℃(圖4)；與油包裹體伴生的含烴鹽水包裹體均一溫度介于90.2～111.4 ℃，2個幕次所對應的均一溫度分別為90.2～102.8 ℃和111.4 ℃(圖5)，結合烴源巖熱史和生烴史模擬結果(圖7)，推測應為早期成熟油和晚期中-高成熟油充注；與氣包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度介于81.1～158.0 ℃，6個幕次所對應的均一溫度分別為81.1～94.6、99.6～105.5、112.9～114.8、131.1～135.5、146、158.0 ℃(圖6)。其中，第1幕次指示了早期成熟油伴生氣充注，第2、3幕次指示了晚期中-高成熟原油油伴生氣充注，第4～6幕次高溫流體包裹體可能指示下伏中侏羅統煤系源巖和二疊系桃東溝群生成的成熟-高熟天然氣充注。

三間房組共檢測到4幕次油包裹體、5幕次與油包裹體伴生的鹽水包裹體以及9幕次與氣包裹體伴生的鹽水包裹體[圖4(b)、圖5(b)、圖6(b)]。油包裹體均一溫度介于45.6～105.4 ℃，4個幕次所對應的均一溫度分別為45.6～60.6、61.2～75.6、75.8～89.5、92.1～105.4 ℃(圖4)；與油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度介于74.7～180.0 ℃，5個幕次所對應的均一溫度分別為 74.7～89.7、90.5～103.5、106.7～118.3、159.3、174.1～180.0 ℃(圖5)，結合烴源巖熱史和生烴史模擬結果(圖7)，第1、2幕次指示了早期成熟油充注，第3幕次指示了晚期中-高成熟油充注，第4、5幕高溫鹽水包裹體很可能指示來自二疊系高-過成熟凝析油充注。

圖4 油包裹體均一溫度分布Fig.4 Homogeneous temperature distribution of oil inclusions in the Middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag

圖5 油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度分布Fig.5 Homogeneous temperature distribution of oil inclusions associated with brine inclusions in the Middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag

與油包裹體伴生的鹽水包裹體相比較，氣伴生鹽水包裹體均一溫度分布范圍更廣，其主要在65.5～180.7 ℃，9個幕次所對應的均一溫度分別為 65.5～80.1、81.4～95.6、95.7～110.4、111.2～125.2、130.1～140.5、142.2～152.4、156.3～163.7、180.7、185.1～195.1 ℃(圖6)。其中，第1、2幕次指示了早期成熟油伴生氣充注，第3、4幕次指示了晚期成熟-高熟天然氣充注，與七克臺組類似，第5～9幕次可能指示來自下伏中-下侏羅統煤系源巖和二疊系桃東溝群湖相泥巖成熟-高熟天然氣充注。

西山窯組共檢測到3幕次油包裹體、5幕次與油包裹體伴生的鹽水包裹體以及4幕次與氣包裹體伴生的鹽水包裹體[圖4(c)、圖5(c)、圖6(c)]。油包裹體均一溫度介于55.3～85.9 ℃，3個幕次所對應的均一溫度分別為55.3～69.7、71.8～81.1、85.5～85.9 ℃(圖4)；與油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度介于79.7～174.1 ℃，5個幕次所對應的均一溫度分別為79.7～89.2、95.7～109.3、111.6～120.1、159.3、174.1 ℃(圖5)。其中，第1～3幕次指示了早期天然氣充注，第4、5幕次的伴生鹽水包裹體很可能為下伏地層中-高成熟油充注所形成。與氣包裹體伴生的含烴鹽水包裹體其均一溫度在85.5～139.5 ℃，4個幕次所對應的均一溫度分別為85.5～100.1、101.2～115.2、116.1～130.4、133.1～139.4 ℃(圖6)。同樣的，第1、2幕次指示了早期成熟氣充注，第3、4幕次指示了晚期中-高成熟天然氣充注。

圖6 氣包裹體伴生的含烴鹽水包裹體均一溫度分布Fig.6 Homogeneous temperature distribution of hydrocarbon- bearing brine inclusions associated with gas inclusions in the Middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag

4 油氣成藏期次和成藏時間

4.1 根據流體包裹體均一溫度確定油氣成藏期次和成藏時間

一般來講，烴類包裹體在捕獲后隨著上覆地層埋深加大，其化學成分通常會發生變化，這可能導致均一溫度發生改變，但鹽水包裹體受此影響相對較小，均一溫度相對穩定。因此，與油氣包裹體同時期的鹽水包裹體能較好的反演古流體被捕獲時的溫度[37]。通過將烴包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度投影到埋藏歷史圖上，獲得了該幕次烴包裹體的充注時間；再在同一時間軸上標出各充注年齡，以消除埋深的影響，并進一步確定不同井或同一井不同深度的油氣成藏期和時間[38]。

如圖7所示，基于勝北洼陷6口井鉆井、錄井和測井等資料，運用BasinMod盆地模擬軟件，恢復了沉積地層埋藏史、熱史與烴源巖熱演化史，并將與烴類包裹體相伴生的同期鹽水包裹體的均一溫度投點，獲得了各井不同層位油氣充注時間，然后將不同層位標定的油氣充注時間標注到同一時間軸上，如圖8所示。勝北洼陷中侏羅統儲層油氣成藏可劃分為兩期。其中，七克臺組第一期油氣充注時間發生在140～100 Ma，第二期油氣充注時間在35～2 Ma；三間房組第一期油氣充注在150～90 Ma，第二期油氣充注發生在30～2 Ma；西山窯組第一期油氣充注在160～140 Ma；第二期油氣充注時間對應時間距今20～5 Ma。不難看出，勝北洼陷中侏羅統油氣成藏主要有兩期，早期成藏主要發生在晚侏羅-早白堊世(160～90 Ma)，晚期成藏主要發生在古近紀晚期至第四紀早期(30～2 Ma)。

4.2 成藏要素組合法確定成藏期次和成藏時間

在研究區單井烴源巖生烴史模擬的基礎上(圖7)，結合研究區構造演化和基礎石油地質資料，從主力烴源巖生排烴時間和圈閉形成時間等成藏要素相互配置關系角度，構建了研究區含油氣系統事件圖，初步明確了油氣成藏時間和期次，如圖9所示。

勝北洼陷烴源巖熱演化史模擬表明，在海西運動晚期至燕山運動早期，上覆地層快速持續深埋，二疊系桃東溝群湖相源巖在晚三疊世即開始生烴，中侏羅世達到生排烴高峰；受燕山運動影響，研究區地層緩慢沉積，生排烴活動在早白堊世期間趨于停滯，現今烴源巖成熟度Ro多介于1.5%～2.0%，處于高成熟階段[圖7(b)]。

J為侏羅紀；K為白堊紀；Pal為古近紀；N為新近紀；Perm為二疊紀；t=0為模擬沉積的初始時間圖7 勝北洼陷基于熱史恢復利用流體包裹體均一溫度確定油氣充注時間Fig.7 The timing of hydrocarbon filling by using homogenization temperatures of fluid inclusions and thermal history modeling in Shengbei Sag

水西溝群煤系源巖在中侏羅世中期三間房組沉積期開始生烴，由于上覆地層快速持續沉積，在晚侏羅世末達到生排烴高峰，與二疊系桃東溝群烴源巖類似，受燕山期褶皺隆升影響，上覆地層沉降緩慢，晚白堊世至第三紀早期生排烴活動幾近停滯，受喜馬拉雅運動影響，第三紀晚期至今，上覆地層快速沉積，生排烴活動逐漸恢復，現今烴源巖成熟度Ro多介于0.7%～1.3%，處于成熟階段。同樣地，七克臺組湖相泥巖在晚侏羅世開始生烴，晚白堊世至第三紀早期生排烴活動逐漸減弱，第三紀晚期至今，生排烴活動逐漸恢復，現今烴源巖成熟度Ro多介于0.5%～0.8%，處于成熟階段(圖7)。

研究區發育多套儲-蓋組合，圈閉形成大致可分為4個階段(圖9)。第一階段位于海西運動晚期，此時二疊系桃東溝群烴源巖剛沉積下來，處于未熟階段，無法生烴，因此不能形成油氣藏；第二階段位于燕山運動早期，此時二疊系桃東溝群湖相泥巖和中-下侏羅統煤系地層正處于生排烴高峰，可形成油氣藏；第三階段位于燕山運動晚期，此時三套主力烴源巖均處于生烴停滯期，沒有大規模油氣生成，因此也不能形成油氣藏；第四階段位于喜馬拉雅運動期，由于上覆地層持續沉積，中侏羅統水西溝群煤系源巖與七克臺組湖相泥巖生排烴活動逐漸恢復，可形成油氣藏。

圖8 流體包裹體法確定勝北洼陷中侏羅統油氣充注期次和成藏時期Fig.8 The timing of oil and gas filling by using homogenization temperatures of fluid inclusions in the Middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag

綜上，研究區二疊系桃東溝群湖相泥巖為生排烴期位于晚三疊-早白堊世。水西溝群煤系源巖生排烴期分別在晚侏羅-早白堊世和第三紀以來，七克臺組湖相泥巖生排烴主要在第三紀以來。燕山運動與喜山運動時期，在三套主力烴源巖的生排烴到來之前，研究區已具備良好的圈閉條件，可以捕獲油氣，并聚集成藏。因此，研究區油氣有兩個主成藏期，第一期與桃東溝群和水西溝群烴源巖第一次生排烴高峰期對應，位于中侏羅世晚期至早白堊世，第二期與水西溝群烴源巖第二次生排烴高峰和七克臺組主生排烴期對應，位于古近紀晚期以來，這與上述流體包裹體測試技術厘定的油氣成藏期次和成藏時間大體一致(圖8)。

5 結論

以吐哈盆地勝北洼陷6口井中侏羅統致密砂巖儲層巖芯樣品為主要研究對象，運用流體包裹體測試技術，同時結合圈閉形成時間和烴源巖主生排烴時間等方法，綜合厘定了研究區油氣成藏期次與時間，得出如下主要結論。

(1)勝北洼陷中侏羅統致密砂巖儲層發育有大量烴類包裹體及次生鹽水包裹體，其類型多樣，多為2～7 μm，呈串珠狀成帶或成群賦存于石英顆粒愈合裂紋與穿石英顆粒裂紋內，油包裹體熒光下主要呈現淺黃色和藍綠色兩種顏色，分別代表早期成熟原油和晚期高熟原油充注。

(2)流體包裹體均一溫度測試結果證實研究區中侏羅統致密砂巖儲層內地質歷史時期曾發生了多幕次油氣充注。其中，七克臺組有2幕次油氣充注、6幕次氣充注，三間房組有5幕次油充注、9幕次氣充注；西山窯組分別發生了5幕次油充注、4幕次氣充注。

(3)流體包裹體測試技術和成藏要素組合法均顯示勝北洼陷中侏羅統致密砂巖儲層內存在早晚兩個主成藏期，早期成藏主要發生在晚侏羅至早白堊世，晚期成藏主要發生在晚第三紀以來。

圖9 成藏要素組合法確定勝北洼陷中侏羅統油氣充注期次和成藏時期Fig.9 The timing of oil and gas filling determined by the development of petroleum system elements in the middle Jurassic reservoirs of Shengbei Sag