流体包裹体在油气地质地球化学中的应用 (1)

注:本文为国家自然科学基金项目(编号40072048)资助成果。

收稿日期:2003-06-10;改回日期:2003-12-18;责任编辑:周健。

作者简介:张铭杰,男,1965年生,博士,教授。

主要从事气体地球化学方面的研究。

Email:mjzh ang@ 。

流体包裹体在油气地质地球化学中的应用张铭杰1,2)　唐俊红2)　张同伟2)　吕宗刚3)　杨荣生2)1)兰州大学资源环境学院地质学系,7300012)中国科学院兰州地质研究所气体地球化学国家重点实验室,7300003)中国石油西南油气分公司蜀南气矿,四川,648000内容提要 流体包裹体研究是油气形成和成藏定量化研究的重要手段。

本文总结了油气藏中流体包裹体的地质地球化学意义及其在石油、天然气研究中的应用,探讨了烃源岩和储层流体包裹体在确定源岩演化、沉积环境、有机母质类型、成熟度、油气运移充填期次等方面的应用,指出目前流体包裹体油气地球化学研究应关注的几个前沿方向:¹在流体包裹体分析实验技术中,单个包裹体分析技术在油气地质定量化研究中具有重要的作用;º通过有机包裹体自然剖面与模拟实验对比研究烃类流体运移分馏,为建立油气成藏过程地球化学示踪指标提供基础参数;»通过储层中不同期次有机包裹体的化学组成、同位素组成、生物标志化合物与圈闭中已经聚集成藏的油气地球化学特征的对比研究,确定圈闭中油气的成因、来源和充填过程;¼有机包裹体成烃作用研究为碳酸盐岩生烃和深层油气成因理论提供依据;这些方向的研究成果为深化油气理论、提高勘探水平具有重要意义。

关键词 流体包裹体　油气成藏　示踪　油气地质学 在油气藏中广泛存在的流体包裹体是埋藏有机质演化、油气运移、成藏过程中被捕获在源岩或储层矿物晶体缺陷、空穴、位错及微裂隙中的流体组分,是有机质不同演化阶段、油气运移、盆地热流体乃至古油气的最直接样品,是油气生成、运移和聚集的直接标志(施继锡等,1987;Karlsen ,1993;刘德汉,1995;潘长春等,1996)。

流体包裹体的显微学特征、化学成分、同位素组成、生物标志化合物组成等特征及时空变化可提供烃源岩演化、有机质类型、成熟度、生烃潜力、烃类流体运移、聚集、油气成藏期次等方面的信息,对推断成岩作用历史,确定含烃流体运移、油气充填和成藏作用物理化学条件,估算油气藏成藏时间具有重要作用(施继锡等,1987;Jensenius et al.,1990;麦碧娴等,1991;Karlsen,1993;Parnell et al .,1998;Isaken et al .,1998;Xu et al .,1999;卢焕章等,2000),是当今石油、天然气研究领域的前沿方向,为定量描述油气的形成机制提供基础依据。

油气藏中的流体包裹体主要为有机包裹体和同成因的盐水包裹体,不同类型的流体包裹体的形成机制有所不同(Nedkvinte et al.,1993;潘长春等,1996)。

根据有机包裹体中烃类的含量及常温下的相态可分为气相烃有机包裹体、液相烃有机包裹体、固体沥青包裹体、多相烃有机包裹体、烃-盐水有机包裹体等几类。

不同类型的有机包裹体在颜色、形态、荧光性质、化学成分、同位素组成及生物标志化合物等物理性质、化学组成、有机地球化学特征方面具有明显的差异,反映油气藏成因、演化过程和充填历史,对油气评价具有重要意义。

而同成因盐水包裹体在确定油气充填环境物理条件等方面具有重要的研究价值。

1　流体包裹体的物理特征、热学性质及其示踪意义1.1　可供流体包裹体研究的矿物和岩石用于石油天然气地质学研究中的流体包裹体的主要寄主矿物有碳酸盐矿物,蒸发岩建造中的石盐、钾盐、石膏、重晶石等盐类矿物,碎屑岩中碳酸盐和石英胶结物及各类脉石矿物等几类。

在碳酸盐矿物形成过程中,流体介质环境的离子浓度、pH 值、CO 2含量、温度、压力等物理化学条件的变化都会引起碳的溶解、迁移,碳酸盐矿物结晶快速、密封性好、流体包裹体比较丰富,特别是重结第50卷　第4期2004年7月 地　质　论　评 GEOLOGICAL REVIEW Vol.50　No.4July 2004晶碳酸盐和充填在碳酸盐岩地层晶洞、孔隙、裂隙中的方解石、白云石等碳酸盐矿物中流体包裹体较多、个体较大,是进行流体包裹体研究的理想矿物(储同庆等,1991,陶士振等,1998)。

蒸发岩建造中的石盐、钾盐、石膏、重晶石等盐类矿物中保存了各种含盐卤水蒸发过程中的流体组分是进行流体包裹体研究的重要寄主矿物(郭宏莉等,1991;Grishina etal.,1998)。

碎屑岩中的孔隙是盆地中流体运移的通道和赋存空间,在碎屑岩颗粒间的碳酸盐胶结物、自生石英或石英颗粒加大边中保存了丰富的流体包裹体,其中的流体组分是盆地油气、水、储层流体的直接样品。

另外,盆地内的各类脉石矿物中含有丰富的流体包裹体,是不同成因的异常热流体及构造岩浆活动影响注入其他矿化热液流体形成的,是研究盆地异常热流体的重要依据(刘德汉,1995;柳益群等,1997;Chen et al.,1997;McNeil et al.,1998;Parnell et al.,1998;Tseng et al.,1999)。

1.2　有机包裹体的显微学示踪特征沉积盆地中油气的生成、运移、聚集受流体温度、性质等多种地质地球化学条件的制约,同时受有机质演化阶段的约束,研究表明油气演化不同阶段、不同母质形成的有机包裹体的类型、相组分以及均一温度各具特征(Shi et al.,1994;刘德汉,1995;郑荣才,1997;陶士振等,1998),如表1所示。

表1　有机包裹体气体组成成因类型综合判识Table1　Diagenesis for the genetic type of gas compositions of or ga nic inclusions类型成烃作用R o(%)均一温度(℃)包裹体类型C1/C1～5D13C1(‰)D D CH4(‰)C2/C340Ar/36Ar其 他无机气幔源脱气无机反应非烃为主甲烷为主>-20-15～-25350～200003He/4He>1.4×10-6C1/3He=(5～50)×10-6D13C1>D13C2>D13C3腐泥型母质生物作用热催化热裂解高温裂解<0.60.6～1.31.3～2.0>2.080100～140140～180160～180气烃包裹体液烃、气烃气烃、液烃气烃、沥青0.95～1.00.5～0.90.6～0.90.95～1.0<-55-40～-55-40～-36>-36-255～-150-300～-200-300～-200>-200>2.00.9～3.50.9～3.01.0～3.0295.5>300>300D13C1<D13C2<D13C3D13C2<-28‰D13C CO2<-10‰3He/4He=10-6～10-7D13C1=15.8lg R o-42.2腐殖型母质生物作用生物催化热裂解高温裂解<0.30.3～0.61.3～2.0>2.08050～100100～180160～180气烃包裹体气烃、液烃气烃、液烃气烃、沥青0.95～1.00.6～0.990.7～0.950.95～1.0<-60-46～-60-30～-46>-30-280～-210-300～-180-230～-150>-150>2.00.8～3.00.8～3.01.5～7.0295.5>300>300>800D13C1<D13C2<D13C3D13C2>-28‰D13C1=8.6lg R o-32.8(1)有机包裹体的颜色及荧光特征:有机包裹体的颜色由各组分的折光率决定,从无色、灰色、黄色、褐色至黑色变化较大。

气态烃组成的有机包裹体多为灰黑色,液态烃组成的流体包裹体多数为灰色、浅黄、黄到褐黄色,沥青包裹体为黑色。

有机包裹体的颜色反映了有机质的演化程度,随演化程度的增高而加深,我们在四川威远气田震旦系碳酸盐岩储层中观察到灰色和黑色的有机包裹体,反映有机质演化程度较高。

高分子碳氢化合物和原油(特别是芳香结构化合物)在紫外光下发荧光的性质可用来研究有机包裹体,不同期次油气运移形成的有机包裹体的荧光性质明显不同,有机包裹体的荧光特征反映了其内有机质的成分特征及热演化程度,荧光颜色反映可溶有机质的组分,荧光的强度反映有机质的含量,可作为有机质或油气演化指标。

一般地,随有机包裹体中重烃成分的增加,其中有机质芳烃成分越高时,荧光光谱主峰向长波方向偏移,荧光色由黄色变为褐黄、褐红色,Q值和K max增大,即“红移”。

随热演化程度增高,石油裂解导致芳烃成分减少,低分子量成分增加,荧光光谱向短波方向偏移,即“蓝移”,Q值和K max减小。

油藏和天然气藏中的有机包裹体的荧光特征也有显著的区别,一般油储中的有机包裹体发黄、绿或蓝色荧光,而含气层有机包裹体不发荧光(Sellwood et al.,1993;刘德汉,1995;Stasiuk et al.,1997;Parnell et al.,1998;李荣西,2000;周凤英等,2001),如胜利油田义东礁丘相碳酸盐矿物中有机包裹体中的液烃为褐黄—黄色,荧光色为亮黄色,表明有机质处于成熟阶段(R o=0.65%～0.75%);而川中侏罗系油藏烃源岩有机质处于高成熟阶段,产凝析油,有机包裹体中液烃为浅黄色(个别为灰黑色),蓝白荧光色(储同庆等,1991)。

(2)相组分特征:有机包裹体的相组分特征反映398地　质　论　评2004年了有机质成熟度及油气的演化程度。

在成熟度较低或成熟的地区常出现由一相或多相液态烃组成的有机包裹体,不同相的液态烃常呈现不同的颜色和不同强度的荧光,如任丘油田、塔里木盆地、广西十万大山。

低成熟到高成熟原油阶段的地区常见液相烃-盐水包裹体,如江汉油田。

高成熟度的原油地区多见气相烃、液相烃乃至沥青组成的多相烃有机包裹体,一般当气相烃、液相烃、盐水共存时,气相烃呈黑色位于包裹体的中央,液相烃呈灰—浅灰色分布于包裹体的中间地段,盐水溶液无色透明,位于包裹体的边缘,气态烃的含量随成熟度的增加而增高,如华北油田的气-液相烃包裹体中液相烃无色透明,苏北油田中气-液相烃包裹体的液相烃为褐黄色。

在最终甲烷气阶段主要为气态烃组成的有机包裹体。

在高演化地区常出现主要由气相烃组成(面积>40%)的有机包裹体,常见外表与盐水包裹体相似的气相烃-盐水有机包裹体,为气水两相非均一捕获的产物,如四川盆地;在热演化程度很高的盆地可见气相烃-轻质油-沥青、气相烃-沥青或无定形黑色沥青共存的包裹体,是由液相烃包裹体热裂解形成的(施继锡, 1987;潘长春等,1996),如贵州古生代地层中的固体沥青包裹体。