延安氣田下二疊統(tǒng)山西組流體包裹體特征及其地質(zhì)意義

周進(jìn)松 喬向陽 王若谷 銀 曉 劉 鵬

陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院

0 引言

目前，流體包裹體綜合分析技術(shù)已經(jīng)成為儲層油氣充注和成巖流體活動歷史研究的重要手段，被廣泛應(yīng)用于地層溫度和壓力歷史恢復(fù)[1-4]、儲層烴類充注年代厘定[5-10]及成巖流體環(huán)境演化[11-13]等研究中。在油氣運(yùn)移和成巖過程中，烴類包裹體和鹽水包裹體往往能被寄主礦物同時捕獲，二者具有相同的捕獲溫度和壓力。因此，通過流體包裹體的巖相學(xué)研究，利用與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度（飽和甲烷條件下），結(jié)合埋藏（熱）史模擬，可以判斷儲層油氣充注的期次和時代。

前人對鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏已經(jīng)做過不少的研究，并且取得了一系列的認(rèn)識[14-16]。趙桂萍[14]通過對該盆地北部杭錦旗地區(qū)上古生界下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)下石盒子組流體包裹體研究，確定主成藏期為始新世至今和早侏羅世晚期—晚侏羅世中期次成藏期；曹青等[15]通過對該盆地西南部山西組和石盒子組8段流體包裹體研究，認(rèn)為天然氣大量富集期在早白堊世（距今155～100 Ma）；郭振華等[16]通過該盆地北部塔巴廟地區(qū)下二疊統(tǒng)太原組2段至下石盒子組流體包裹體研究，認(rèn)為該區(qū)上古生界發(fā)生6期流體活動，中侏羅世晚期至早白堊世末期為天然氣的主要成藏時期。從前人的研究成果可以看出，對于該盆地不同區(qū)域天然氣成藏期次的認(rèn)識目前仍存在著較大的差異。

近年來，鄂爾多斯盆地東南部上古生界天然氣勘探取得了重大突破[17]。為了弄清其天然氣成藏過程并認(rèn)識盆地不同區(qū)域上古生界天然氣成藏期次的差異性，筆者以該區(qū)延安氣田上古生界氣藏主力產(chǎn)層——山西組為例，通過對儲層流體包裹體顏色、形態(tài)、成分、均一溫度等特征的分析，結(jié)合埋藏史、熱史模擬，確定包裹體形成期次和厘定烴類充注的地質(zhì)年代，并結(jié)合埋藏史、熱史，分析成巖演化與烴類充注的耦合關(guān)系，以期為深化該盆地上古生界天然氣成藏過程研究提供幫助。

1 流體包裹體巖相學(xué)特征

選取山西組27塊富石英砂巖樣品，其中山西組2段（以下簡稱山2段）17塊，山西組1段（以下簡稱山1段）10塊，在透射光和紫外熒光下，對流體包裹體的形態(tài)、顏色、宿主礦物、產(chǎn)出特征等進(jìn)行了系統(tǒng)描述和分析。筆者使用Nikon 80Ⅰ顯微鏡觀察流體包裹體，紫外發(fā)射波長大于420 nm，在包裹體組合鑒定的基礎(chǔ)上，使用Linkam THMSG-600冷熱臺，測試鹽水包裹體的均一溫度和冰點(diǎn)溫度，精度為±0.1 ℃。在測試過程中，通過從低至高記錄均一溫度，避免包裹體過度加熱或伸縮變形。所有樣品均在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所深層油氣成藏動力學(xué)實驗室測試完成。

樣品測試觀察發(fā)現(xiàn)流體包裹體主要賦存于自生石英、碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒愈合縫中，根據(jù)室溫下包裹體的相態(tài)和成分差異將包裹體分為3類：CO2包裹體、烴類包裹體和鹽水包裹體，其中烴類包裹體進(jìn)一步細(xì)分為液態(tài)烴包裹體和氣態(tài)烴包裹體。

1.1 CO2包裹體

CO2包裹體呈三相，由氣體CO2、液態(tài)CO2和鹽水溶液組成，或兩相，由氣體CO2、液態(tài) CO2組成。體積較大，多大于5 μm，分布在碎屑石英顆粒（圖1-a、b）中，極少見于石英加大邊（圖1-c），呈孤立狀。透射光下，CO2包裹體常具有特殊的三相結(jié)構(gòu)特征，最中間為二氧化碳?xì)庀啵驓庀郈O2折射率很小，氣泡呈黑色或紫色，其次為二氧化碳液相、最外為水相，呈現(xiàn)出一種“氣泡”中有氣泡的現(xiàn)象。此外，在冷熱臺上對CO2包裹體加溫，31 ℃左右CO2氣泡消失，均一為液相。

1.2 液態(tài)烴包裹體

液態(tài)烴包裹體形態(tài)不規(guī)則，一般介于3～5 μm；透射光下為無色、淡褐色為主，紫外熒光下呈黃色和藍(lán)白色，主要分布在石英顆粒愈合縫中（圖1-d），少量在石英加大邊（圖1-e）和碳酸鹽礦物中（圖1-f），呈串珠狀或孤立狀。在紫外熒光下，隨著烴類成分成熟度由低到高，包裹體呈紅色、橙色、黃色、綠色、藍(lán)色、藍(lán)白色的熒光。

1.3 氣態(tài)烴包裹體

氣態(tài)烴包裹體數(shù)量豐富，形態(tài)多樣，包括圓狀、橢圓狀、三角狀、扁長狀及不規(guī)則狀，一般介于2～20 μm；在透射光下呈褐色、深褐色，包裹體中心有一亮點(diǎn)，主要分布在石英顆粒愈合縫（圖1-g）和石英加大邊中，少量分布在鐵白云石和方解石膠結(jié)物中（圖 1-h、i）。

1.4 鹽水包裹體

鹽水包裹體數(shù)量豐富，形態(tài)各異，包括圓狀、橢圓狀、三角狀、扁長狀及不規(guī)則狀，大小介于2～10 μm；以氣液兩相為主，氣液比小于30%，少見純液相包裹體和含石鹽子晶包裹體。透射光下顯示無色或顏色淺，無熒光。在成巖膠結(jié)物（圖1-j、k）和石英顆粒愈合縫中均有發(fā)育（圖1-l），呈孤立狀、面狀及串珠狀。

圖1 延安氣田山西組流體包裹體顯微特征照片

2 包裹體均一溫度特征

選擇石英、鐵白云石及方解石膠結(jié)物和穿石英顆粒或石英顆粒內(nèi)愈合縫中包裹體進(jìn)行觀察和測試，與烴類包裹體同期相伴生的鹽水包裹體也作為主要測試對象。在進(jìn)行均一溫度測試過程中，遵循以下兩點(diǎn)原則：①巖相學(xué)上，對流體包裹體進(jìn)行系統(tǒng)觀察，識別并確認(rèn)流體包裹體組合；②對所確認(rèn)的流體包裹體組合進(jìn)行測溫，如果一個流體包裹體組合內(nèi)不同大小和形態(tài)的包裹體的均一溫度相差10～15 ℃內(nèi)，那么該流體包裹體組合可被認(rèn)為具有一致的均一溫度，測溫數(shù)據(jù)有效。

山2段石英加大邊內(nèi)鹽水包裹體均一溫度介于86.5～171.0 ℃，呈雙峰式，峰值分別介于90～120℃和120～160 ℃（圖2-a）；山1段石英加大邊內(nèi)鹽水包裹體均一溫度介于85.9～175.0 ℃，呈單峰式，峰值介于130～170 ℃（圖2-b）。

山2段鐵白云石膠結(jié)物中鹽水包裹體均一溫度介于106.6～161.0 ℃，呈單峰式，峰值介于130～160 ℃（圖3-a）；山1段方解石膠結(jié)物中鹽水包裹體均一溫度介于95～145 ℃，也呈單峰式，峰值介于110～150 ℃（圖3-b）。

圖2 石英加大邊內(nèi)鹽水包裹體均一溫度分布直方圖

圖3 鐵白云石和方解石內(nèi)鹽水包裹體均一溫度分布直方圖

圖4 愈合縫內(nèi)鹽水包裹體均一溫度分布直方圖

山2段石英顆粒愈合縫中鹽水包裹體是與烴類包裹體同期的，均一溫度介于85～180 ℃，呈雙峰式， 主峰介于130～180 ℃，次峰介于80～110℃（圖4-a）。山1段石英顆粒愈合縫中與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度介于90.3～173.5℃，呈單峰式，峰值介于100～150 ℃（圖4-b）。少量包裹體均一溫度大于180 ℃，究其原因可能有3個方面：①所測包裹體為代表母巖性質(zhì)的原生包裹體，反映了物源區(qū)母巖礦物形成時的溫度；②包裹體形成后發(fā)生再平衡作用導(dǎo)致其體積增大，密度減少，均一溫度增加；③可能與來自深部熱流體的影響有關(guān)。

3 烴類充注期次

選擇與烴類包裹體同期相伴生的鹽水包裹體進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，山2段與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度介于85～180 ℃，呈雙峰式，峰值溫度分別為90～120 ℃和120～170 ℃（圖5-a）。山1段與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度為85.9～173.5 ℃，呈單峰式，峰值溫度為120～160℃（圖5-b）。這里需要說明的是，因為液態(tài)包裹體數(shù)量極少，所以所測試和統(tǒng)計的鹽水包裹體主要與氣態(tài)烴包裹體同期。筆者本次僅測試5個與液體烴包裹體同期的鹽水包裹體溫度數(shù)據(jù)，3個與黃色熒光液態(tài)烴包裹體同期，分別為103.0 ℃、105.0 ℃和146.5℃；2個與藍(lán)色熒光液態(tài)包裹體同期，分別為135.0 ℃、152.0 ℃。顯然，與藍(lán)色液態(tài)烴包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度相對高。

分析結(jié)果認(rèn)為，研究區(qū)山西組烴類包裹體形成主要有兩期：第一期烴類包裹體主要發(fā)育在石英次生加大邊和石英顆粒愈合縫中，均一溫度介于90～110 ℃，包裹體烴類的成熟度低—中等，氣態(tài)烴包裹體氣態(tài)烴組分以富CO2和CH4為主（圖6-a、b），少量的液態(tài)烴包裹體熒光顏色為黃色；第二期烴類包裹體主要發(fā)育在石英加大邊、碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒愈合縫中，均一溫度介于130～160 ℃，包裹體裹體烴類的成熟度較高，氣態(tài)烴包裹體氣態(tài)烴組分以富CH4為主（圖6-c），少量的液態(tài)烴包裹體呈藍(lán)白色。

圖5 與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度分布直方圖

4 成巖礦物與烴類充注時間

在測定成巖礦物內(nèi)鹽水包裹體、與烴類包裹體同期鹽水包裹體均一溫度的基礎(chǔ)上，結(jié)合埋藏史—熱史曲線，可以確定儲層內(nèi)成巖礦物形成和烴類充注的地質(zhì)年代（圖7）。

山2段石英膠結(jié)物形成時間介于距今103～213 Ma，主要有兩期：第一期發(fā)生在晚三疊世—早、中侏羅世（距今170～220 Ma）；第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma）。山1段石英膠結(jié)物形成年代介于距今100～190 Ma，主要發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100 ～ 160 Ma）。

山2段鐵白云石膠結(jié)物形成時間介于距今84～211 Ma，主要有3期：第一期發(fā)生在晚三疊世（距今200～220 Ma）；第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma）；第三期發(fā)生在晚白堊世（距今80～100 Ma）。山1段方解石形成時間介于距今80～211 Ma，主要有3期：第一期發(fā)生在晚三疊世—早侏羅世（距今190～210 Ma）；第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今120～160 Ma）；第三期發(fā)生在晚白堊世（距今80 Ma）。

山2段愈合縫形成時間介于距今100～213 Ma，主要有兩期：第一期發(fā)生在晚三疊世（距今200～220 Ma）；第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma）。山1段愈合縫形成時間介于距今102～211 Ma，主要有兩期：第一期發(fā)生晚三疊世—早侏羅世（距今180～220 Ma），第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma）。

圖6 不同類型氣態(tài)烴包裹體激光拉曼光譜特征圖

綜合來看，山西組烴類充注時間介于距今100～220 Ma， 主要有兩期：第一期發(fā)生在晚三疊世—早、中侏羅世（距今170～220 Ma），第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma），其中，山2段表現(xiàn)為兩期充注均存在，山1段主要為第二期充注。

5 油氣充注與成巖演化過程

致密儲層在埋藏過程中往往經(jīng)歷了多期次的油氣充注，成巖作用與烴類充注交替發(fā)生，二者相互作用或影響[18]。因此，通過對儲層中油氣充注與成巖作用時空關(guān)系的分析[19-21]，深入理解砂巖在成巖過程中發(fā)生的流體—巖石相互作用過程，對研究有效儲層形成機(jī)理及甜點(diǎn)分析預(yù)測具有重要意義。

圖7 山西組成巖礦物形成時間和烴類充注時間耦合關(guān)系圖

山2段為延安氣田主力產(chǎn)層，筆者以山2段為例，依據(jù)主要成巖礦物形成特征、烴類充注期次及埋藏—熱演化模擬，結(jié)合鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖熱演化研究成果[22-23]，分析山2段儲層成巖演化與烴類充注過程（圖8）。

二疊紀(jì)—早、中三疊世，該時期盆地穩(wěn)定沉降，隨著上覆載荷的增加，壓實作用使原生粒間孔隙逐漸減小。近地表條件下大氣淡水淋濾作用和煤系有機(jī)質(zhì)泥炭化過程產(chǎn)生大量CO2導(dǎo)致地層水呈酸性，不穩(wěn)定的硅酸鹽礦物組分如長石、巖屑等溶蝕，形成次生孔隙，同時沉淀高嶺石。隨著早成巖作用進(jìn)行，砂巖進(jìn)入早成巖B階段，煤系有機(jī)質(zhì)由泥炭轉(zhuǎn)化為褐煤過程中，腐殖酸轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，泥炭酸度減弱，孔隙水呈中性—弱堿性。少量的伊蒙混層黏土在該階段開始發(fā)育。

晚三疊世—早、中侏羅世，盆地快速沉降，烴源巖進(jìn)入生烴門限并逐漸成熟，第一次烴類充注開始。有機(jī)質(zhì)熱演化向烴類轉(zhuǎn)化過程中釋放大量CO2和有機(jī)酸，孔隙水pH值降低，呈弱酸性。長石和巖屑繼續(xù)溶蝕形成次生孔隙，沉淀高嶺石。在該階段，石英顆粒間化學(xué)壓溶作用開始發(fā)生，少量的石英加大邊形成。此外，在高的CO2分壓條件下，少量的鐵白云石析出。

中、晚侏羅世，盆地緩慢沉降，烴源巖進(jìn)入成熟階段，開始大量生、排烴，發(fā)生第二次烴類充注。有機(jī)質(zhì)脫羧基作用形成大量有機(jī)酸進(jìn)入孔隙水，使pH值繼續(xù)降低。化學(xué)壓溶作用繼續(xù)發(fā)生且加強(qiáng)，石英膠結(jié)大量發(fā)育。其中一些富鐵、鎂的巖屑溶蝕，可為綠泥石提供鎂和鐵來源，少量的綠泥石形成。伊蒙轉(zhuǎn)化形成伊利石也發(fā)生在該階段。至早白堊世，受燕山期構(gòu)造熱事件的影響，烴源巖熱演化迅速達(dá)到高—過成熟階段，大量生氣。進(jìn)入中成巖B階段，石英膠結(jié)繼續(xù)發(fā)育。此時，有機(jī)質(zhì)脫羧基作用減弱，孔隙水pH值開始升高，由弱酸性向中—堿性過渡，鐵白云石發(fā)生沉淀。

早白堊世末至現(xiàn)今，區(qū)域性構(gòu)造抬升，地層遭受剝蝕，烴源巖溫度和壓力降低，烴源巖生烴作用降低并趨于停止。

6 結(jié)論

1）延安氣田山西組儲層流體包裹體主要賦存于自生石英、碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒愈合縫中，包含有CO2包裹體、烴類包裹體及鹽水包裹體3種類型；烴類包裹體形成主要有兩期：第一期主要發(fā)育在石英次生加大邊和石英顆粒愈合縫中，均一溫度介于90～110 ℃，氣態(tài)烴組分以富CO2和CH4為主；第二期主要發(fā)育在石英加大邊、碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒愈合縫中，均一溫度介于130～160 ℃，氣態(tài)烴組分以富CH4為主。

2）山西組烴類充注時間介于距今100～220 Ma，主要有兩期，第一期發(fā)生在晚三疊世—早、中侏羅世（距今170～220 Ma），第二期發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世（距今100～160 Ma）。

3）晚三疊世—早、中侏羅世，盆地快速沉降，煤系有機(jī)質(zhì)開始生排烴并充注，大量CO2和有機(jī)酸開始形成，長石和巖屑溶蝕形成次生孔隙，石英顆粒間化學(xué)壓溶作用開始發(fā)生，形成少量的石英加大邊；中、晚侏羅世，盆地緩慢沉降，烴源巖進(jìn)入成熟階段，開始大量生、排烴，發(fā)生第二次烴類充注，大量有機(jī)酸進(jìn)入孔隙水，化學(xué)壓溶作用繼續(xù)加強(qiáng)，石英膠結(jié)大量發(fā)育；至早白堊世，烴源巖熱演化達(dá)到高—過成熟階段，大量生氣，石英膠結(jié)繼續(xù)發(fā)育，鐵白云石發(fā)生沉淀；早白堊世末至現(xiàn)今，受區(qū)域性構(gòu)造抬升影響，烴源巖生烴逐漸停止。

圖8 山2段儲層成巖演化與烴源巖熱演化圖