鶯歌海盆地樂東10-1區黃流組儲層流體包裹體特征及油氣成藏期次分析

馬劍, 趙靜, 郭娟, 馬新慧

(1.核工業北京地質研究院, 北京 100029; 2.中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249)

流體包裹體作為地質流體研究的重要手段,在沉積盆地油氣成藏條件分析中起著不可替代的作用。通過流體包裹體巖相學、偏光-熒光特征、顯微測溫等,結合盆地構造、地層埋藏史、熱演化史等資料,能夠探討流體性質、來源、期次、流體運/聚時空及油氣成藏演化等[1]。流體包裹體技術是確定流體活動期次、溫壓信息和時間的常用方法,同時也是研究油氣藏形成期次和過程的一個有效手段[2-4]。

鶯歌海盆地具有高溫高壓的地質背景,地溫梯度為4.0～4.5 ℃/100 m,中深層最大壓力系數可達2.3[5]。盆地具有強烈沉降、快速充填、高溫超壓、底辟發育等顯著特征[6]。樂東區中新統氣藏具有“三低一高”(低孔、低滲、低含氣飽和度及異常高壓)和流度低的特點,類似于高溫高壓的致密砂巖氣藏[7]。樂東10-1區古流體活動強烈,前人研究認為該區發育早期烴類流體充注,晚期富CO2的熱液流體充注[8]。深部熱流體主要為CO2熱流體,儲層天然氣中高含量CO2主要與深部無機熱流體活動密切相關[9]。前人對樂東斜坡區流體充注期次的分析多依據包裹體的實驗數據及氣藏地化特征[10-11],但多數未觀察到可靠的甲烷包裹體或含烴鹽水包裹體,這就造成數據可信度不高;而且,以往研究對流體包裹體顯微巖相學重視不夠,包裹體顯微巖相學是劃分流體包裹體期次并將其應用于成礦流體性質、來源、活動期次和油氣成藏運/聚期次的基礎。在對鶯歌海盆地樂東10-1區地質背景綜合分析基礎上,現充分利用流體包裹體顯微巖相學觀察結果和均一溫度測試數據、激光拉曼成分分析等,對黃流組油氣成藏期次和成藏特征進行分析。

1 區域地質背景

鶯歌海盆地是一個在前古近紀基底上發育起來的新生代大型走滑-伸展盆地,面積約11.3×104km2,古近紀以斷陷為主,新近紀至今以坳陷為主,一級構造單元可劃分為鶯東斜坡、中央坳陷、鶯西斜坡(圖1)。其中,中央坳陷發育多排近南北走向、呈雁行式排列的大型底辟構造,這些底辟構造分布的區域也稱為中央底辟構造帶,在盆地中央底辟構造帶至鶯東斜坡之間的過渡區域被稱為坳陷斜坡帶。該盆地地層自上而下依次為第四系樂東組(Ql)、上新統鶯歌海組(N2y)、中新統黃流組(N1h)、梅山組(N1m)和三亞組(N1s)、漸新統陵水組(E2l)和崖城組(E2y)(圖1)。樂東區位于坳陷斜坡帶,目的層黃流組為峽谷水道重力流沉積[12],物源來自海南島方向。樂東10-1區黃流組氣藏為水道砂巖巖性氣藏,以粉細砂巖和中砂巖為主。樂東區具有高溫(>180 ℃)超壓(壓力系數大于2.2)的地質背景,晚期受熱流體活動影響明顯,深層高溫熱流體的充注促使深部地層位于高溫環境[13]。

圖1 鶯歌海盆地構造單元劃分、研究區位置及地層綜合柱狀圖[7]Fig.1 Tectonic division, location of the study area and stratigraphic column of the Yinggehai Basin[7]

2 樣品分布及實驗方法

研究選取樂東10-1區5口井共13塊巖心和6塊巖屑樣品進行了鏡下顯微巖相學觀察、均一溫度測定及激光拉曼成分分析。研究區巖心樣品較少,為了研究的全面性和系統性,采集了重點井的巖屑樣品,并對巖屑樣品進行了程序復雜的清洗、挑樣工作。具體操作步驟為:首先,將巖屑置于水中浸泡1～2 h,輕輕揉搓將泥質物去除;然后,將水倒出后置于紙上晾干,挑選晾干后的樣品,從中選取砂巖巖屑5～10 g;最后,從中選取3～5 g進行固結,并進行包裹體薄片制備。

流體包裹體研究的方法與步驟可以概括為:首先,確定研究樣品中成巖礦物種類以及各種成巖礦物形成的先后順序;然后,鑒定每種成巖礦物內油氣包裹體的發育特征,包括油氣包裹體的大小、氣液比(油氣相態組成)、豐度、產狀(原生、次生、與各種成巖礦物之間的穿插關系)以及單偏光、熒光特征、烴類流體包裹體豐度(grains containing oil inclusions,GOI)等,同時,圈定與油氣包裹體伴生的含烴鹽水包裹體,用于均一化溫度和鹽度的測定;最后,在顯微巖相學觀察的基礎上,劃分油氣充注期次,判斷各個期次的油氣類型以及充注規模。

流體包裹體均一化溫度和鹽度的測定是在Linkam THMS-G600型冷熱臺(溫度分辨率0.1 ℃)上進行的,均一法測溫誤差控制在±1 ℃,測試與分析方法依據中華人民共和國核行業標準《礦物流體包裹體溫度的測定》(EJ/T 1105—1999)。利用法國JOBIN YVON公司生產的LabRAM HR800型激光拉曼探針對樣品中的含烴鹽水包裹體及氣烴包裹體進行單個流體包裹體成分的測定,使用Yag晶體倍頻固體激光器,實驗過程中選用532 nm波長的激光進行測試,樣品掃描范圍為100～4 200 cm-1,所測光譜的計數時間為6 s,掃描次數為5次/s,激光束斑大小為±1 μm,光譜分辨率為2 cm-1。所有實驗均在核工業北京地質研究院分析測試中心完成。

3 流體包裹體特征

3.1 顯微巖相學特征

包裹體顯微巖相學是劃分流體包裹體期次并將其應用于成礦流體性質、來源、活動期次和油氣成藏運/聚期次的基礎,包括成巖礦物世代劃分或礦物先后關系研究,以及同一世代礦物中流體包裹體賦存狀態(原生、次生成因)和包裹體組合[1]。LD10-1區砂巖顆粒主要為點-線接觸或凹凸-線接觸,壓實作用不強烈,壓實程度隨埋深增加而逐漸增強。觀察發現,砂巖中少部分石英顆粒具有典型次生加大特征[圖2(a)、圖2(b)],加大邊內普遍較干凈,反映了成巖期流體活動相對較弱。LD10-1區砂巖主要的成巖作用是膠結作用,普遍發育碳酸鹽膠結,膠結物以方解石為主[圖2(c)～圖2(f)、圖2(j)],其次是白云石,膠結物連片分布,多數在UV激發熒光下顯示碳酸鹽礦物的熒光特征[圖2(g)～圖2(i)]。通過對成巖先后順序的觀測,LD10-1區砂巖的成巖先后順序依次為:次生加大石英、方解石(白云石)膠結物[圖2(k)、圖2(l)]。另外,個別視域可觀察到方解石交代石英現象。

圖2 LD10-1-A井黃流組砂巖成巖特征Fig.2 Diagenetic characteristics of the Huangliu Formation sandstone of well LD10-1-A

從巖相學上來看,LD10-1區砂巖儲層中發育的天然氣包裹體主要形成于砂巖成巖期后,發育豐度普遍較低(GOI為±1%或<±1%),天然氣包裹體呈深灰色、無熒光顯示,不發育油包裹體,包裹體主要沿切穿砂巖石英顆粒及加大邊的成巖期后微裂隙成帶狀分布[圖3(a)～圖3(d)]、方解石膠結物中分布[圖3(e)、圖3(f)]或沿石英顆粒加大邊微裂隙分布。含烴鹽水包裹體呈透明無色-灰色,主要沿切穿石英顆粒成巖期后微裂隙-微裂隙面分布或沿石英顆粒加大邊微裂隙分布(圖4)。包裹體形態多為圓形、橢圓形、不規則狀等,石英微裂隙中包裹體大小多為2～20 μm,加大邊或膠結物中包裹體普遍較小。

3.2 均一溫度分布

流體包裹體均一溫度是指氣-液兩相流體變為單一均勻相流體時所需的溫度,用來評價初始的單相流體被捕獲時流體包裹體的溫度[14-15]。包裹體測溫的原理是:大多數礦物是從具有一定溫度、壓力和組分的單相均一流體中結晶出來的,礦物結晶時由于晶體缺陷而捕獲的成礦流體成為包裹體保存在礦物中,隨溫度降低發生氣-液分離,當加熱這些礦物時,包裹體流體中的氣-液相隨溫度增加氣相(或液相)縮小(或擴大),至某一溫度時包裹體中氣-液相重新轉變成均一相,此時的溫度即是均一溫度(Th)。利用冷熱臺降溫至包裹體完全凍結,然后使溫度逐步回升,記錄包裹體中最后一塊冰晶消失時的溫度,即冰點溫度?？梢岳帽c溫度進行古鹽度計算。

通過包裹體顯微巖相學觀察,LD10-1-A井黃流組砂巖中的天然氣包裹體主要沿切穿石英顆粒成巖期后微裂隙成帶分布或方解石膠結物中分布或沿石英顆粒加大邊的微裂隙分布,對包裹體樣品中與氣烴包裹體伴生的含烴鹽水包裹體進行均一溫度和鹽度測試,含烴鹽水包裹體均一溫度主峰范圍為160～165 ℃和高于175 ℃,對應的包裹體鹽度范圍為0.35%～11.22%[圖5(a)、圖5(b)]。

圖5 LD10-1區黃流組砂巖包裹體均一溫度與鹽度分布直方圖Fig.5 Histograms of inclusion homogenization temperature and salinity of the Huangliu Formation sandstone in the LD10-1 area

LD10-1-B井黃流組砂巖中天然氣包裹體主要為沿切穿石英顆粒成巖期后微裂隙或沿石英顆粒成巖期后微裂隙成帶分布,通過對包裹體樣品中與氣烴包裹體伴生的含烴鹽水包裹體進行均一溫度和鹽度測試,發現均一溫度主峰范圍150～165 ℃,對應的包裹體鹽度范圍為0.71%～16.43%[圖5(c)、圖5(d)]。

LD10-1-C井黃流組砂巖中天然氣包裹體主要為沿切穿石英顆粒成巖期后微裂隙或沿石英顆粒成巖期后微裂隙成帶分布,通過對包裹體樣品中與氣烴包裹體伴生的含烴鹽水包裹體進行均一溫度和鹽度測試,均一溫度主峰范圍分別為160～165 ℃和高于175 ℃,對應的包裹體鹽度范圍為0.35%～6.74%[圖5(e)、圖5(f)]。

3.3 激光拉曼成分特征

在流體包裹體觀察的基礎上進行激光拉曼檢測,可有效地鑒別樣品中各種無熒光包裹體,包裹體中的氣體成分以及主礦物在顯微激光拉曼光譜圖中都有特征明顯的拉曼散射峰[16]。根據流體包裹體激光拉曼光譜圖中各種組分的特征峰和強度,可以對流體包裹體組分進行半定量分析[17]。主要選用形態比較規則和保存完好的流體包裹體進行激光拉曼測定,研究發現,LD10-1區黃流組中純氣體包裹體很難打出拉曼峰,僅有個別同時顯示較強的CO2拉曼散射特征峰和CH4拉曼散射特征峰,其他比較明顯的拉曼峰為宿主礦物石英的拉曼散射峰[圖6(a)]。沿切穿石英顆粒微裂隙分布的多數氣液兩相包裹體中氣相成分具有明顯的CH4拉曼散射特征峰,除了宿主礦物外,沒有其他比較明顯的激光拉曼散射特征峰[圖6(b)～圖6(d)]。以上包裹體拉曼成分特征說明LD10-1區黃流組砂巖中主要發育CH4氣液兩相包裹體及CH4、CO2氣液兩相/純氣相包裹體。CH4在高溫高壓環境下主要以水溶相和混相運移,這可能是該區多發育甲烷氣液兩相包裹體,少見純甲烷氣相包裹體的主要原因。

圖6 LD10-1區石英顆粒微裂隙中氣液兩相包裹體及天然氣包裹體拉曼譜圖Fig.6 Raman spectra of gas-liquid inclusions and gas inclusions in the quartz fractures, LD10-1 area

值得提出的是本區多數純氣相包裹體和部分含烴鹽水包裹體,拉曼測試不出氣體成分,主要受樣品中碳酸鹽巖膠結物熒光干擾等因素影響,達不到測試要求,導致可用于激光拉曼測試的包裹體極少。

4 油氣成藏期次

利用流體包裹體地球化學研究油氣成藏已經得到了廣泛的應用,綜合分析油氣包裹體豐度、包裹體巖相學、包裹體激光拉成分曼和包裹體顯微測溫等,研究油氣成藏史及油氣成藏機理具有較大的優勢[18]。與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度更接近被捕獲時的古地溫,適合用來進行油氣成藏期的研究。根據鹽水包裹體均一溫度以及盆地古地溫史、埋藏史信息可確定鹽水包裹體的形成時間,即氣藏形成時間[19-22]。

在構造演化和生烴演化史方面,前人做了大量工作,能夠為本次成藏期次研究提供參考。鶯歌海盆地右旋走滑運動發生在2.4～0.5 Ma[23],右旋走滑斷層派生的局部張性作用是底辟活動的誘導作用力[24],而流體充注過程與底辟活動息息相關,晚期流體活動不僅改造儲層還促使天然氣運聚成藏。有人研究認為樂東區中新統高成熟烴源巖生成的天然氣在距今1.2～0.4 Ma,通過增壓開啟的微裂縫運移至黃流組儲層中并聚集成藏[25]。也有人研究發現樂東區烴源巖早期熱演化程度相對較低,2.5 Ma左右開始進入生氣階段,在2.0 Ma之后大量生氣[26]。

在成藏期次方面,郭瀟瀟等[27]和李偉等[13]認為LD10區氣藏充注時間在1.8 Ma之后,姜平等[28]識別出3期不同成分天然氣充注,稅蕾蕾等[10]認為樂東地區黃流組儲層經歷了至少兩期富CO2的熱液流體活動,范彩偉等[26]認為樂東10區黃流組儲層存在兩期CO2充注和兩期烴類氣體充注,但均在2 Ma之后。研究以LD10-1-A井為例,黃流組砂巖儲層成巖期后主要有2期油氣活動過程,均一溫度相差不大(160～165 ℃和高于175 ℃),應該與該區生烴時間較晚、晚期流體持續充注以及晚期底辟幕式活動有關系。晚期熱流體活動較強,烴類運移伴隨有熱液流體充注,流體以純CH4、CH4和CO2的混合成分為主。結合LD10-1-A井埋藏史、烴源巖生烴史以及構造演化史分析,黃流組儲層成巖期后主要有2期油氣成藏過程,時間分別為±1.4 Ma和0.9 Ma至今(圖7)。郭瀟瀟等[27]認為鄰區東方區早期天然氣充注以烴類氣體為主,在3.0～2.0 Ma,晚期以烴類氣體和少量CO2為主,約0.8 Ma之后。樂東區油氣充注較東方區晚,這與東方區烴源巖生氣時間較早、持續時間較長,而樂東區烴源巖生氣時間相對較晚有關系,但二者天然氣的成藏機制有共同之處,即均處于高溫高壓帶,天然氣成藏均受控于底辟活動[29]。

圖7 LD10-1-A井黃流組砂巖儲層油氣充注時間Fig.7 Periods of hydrocarbon accumulation of the Huangliu Formation sandstone in well LD10-1-A

5 結論

(1)LD10-1區黃流組砂巖粒間孔隙普遍被方解石致密膠結,局部發育白云石膠結物,部分石英顆粒發育典型的成巖次生加大邊,成巖先后順序為次生加大石英、方解石(白云石)膠結物。

(2)流體包裹體記錄了油氣充注時的古流體信息,LD10-1區黃流組砂巖儲層中包裹體比較發育,主要沿切穿石英顆粒及加大邊微裂隙成帶狀分布、或碳酸巖膠結物中成帶狀分布/成群分布,包裹體中氣相成分以純CH4、CH4和CO2的混合成分為主。

(3)砂巖成巖期后主要有兩期天然氣充注過程,其中,LD10-1-A井黃流組包裹體均一溫度分布在160～165 ℃和高于175 ℃,結合構造演化史、埋藏史及生烴史等地質條件綜合分析,LD10-1-A井黃流組油氣成藏時間較晚,主要為±1.4 Ma和0.9 Ma至今,這與該區生烴時間較晚、晚期流體持續充注以及晚期底辟幕式活動有關系。