单个油包裹体组分研究进展

王爱国，衣丽萍，石 磊，王奕松

(1. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室,西安 710069； 2. 西北大学 地质学系，西安 710069；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 4.克拉玛依红山油田有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

单个油包裹体组分研究进展

王爱国1,2，衣丽萍3，石 磊4，王奕松1,2

(1. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室,西安 710069； 2. 西北大学 地质学系，西安 710069；3.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 4.克拉玛依红山油田有限责任公司，新疆 克拉玛依 834000)

单个油包裹体组分对油气运移成藏研究意义重大，但如何准确获取它却是一个世界性难题。通过文献调研，梳理并分析了目前单个油包裹体组分研究的方法技术，可归纳为破坏性测试法、组分预测法和原位无损分析法。每种方法均有其优势和局限性，因此单个油包裹体的组分分析问题目前还没有完全解决，急需在仪器升级和开发新的分析方法上进一步研究。

单个油包裹体；组分；研究进展

油包裹体分析是油气运移成藏研究中的一种重要手段，能够提供油包裹体形成时岩石中流体的众多信息，如温度、压力、组分、性质等。这些信息对于认识古流体性质，确定油气运移期次、方向、通道、相态，识别古油层并确定油水界面变迁史，研究油气成藏机理等至关重要[1-8]。其中油包裹体的组分信息非常重要，它不但能完整地再现地质历史上某期油气的组分以及油气的演化[9]，而且还制约着包裹体其他方面的研究，比如油包裹体捕获压力的准确恢复[1-2,10-12]。因此，组分一直是油包裹体研究的热点。

1 单个油包裹体组分的研究意义

油包裹体组分分析主要有群体包裹体组分分析和单个包裹体组分分析。群体包裹体组分分析能够获取较多的包裹体中的流体，以满足分析仪器的检测限要求。但由于盆地普遍存在油气多源、多期成藏的现象，群体包裹体组分分析不能排除期次干扰，使得分析结果的代表性差，不能满足油气运移成藏过程研究的需要，因而迫切需要对单个油包裹体的组分进行分析。

2 研究现状与存在问题

单个油包裹体个体非常小，在绝大多数情况下，仪器难以对其组分进行定量测试分析。为此，国内外学者开展了大量的研究工作并提出了一些方法，总体上可归纳为破坏性测试法[13-14]、组分预测法[2,10-12,15]和原位无损分析法[16-21]。这些方法从各自的角度获得了单个油包裹体的组分信息，但也不同程度地存在一些问题，还不能完全满足目前人们对单个油包裹体组分研究的需要。

2.1 破坏性测试法

若直接检测单个油包裹体的组分，必须破坏寄主矿物，以实现“打开”油包裹体并提取其原油组分的目的。激光剥蚀测试技术(如LA-ICP-MS)很早便应用于单个包裹体研究，但当时的分析结果均为元素信息[22-23]。直到近几年，随着在线激光剥蚀色谱—质谱方法[13-14]的提出，才真正实现了对单个油包裹体中有机成分的无裂解提取与检测。

在线激光剥蚀色谱—质谱分析系统主要由193 nm准分子激光器、冷阱富集进样系统以及色谱(GC)—质谱(MS)联用仪构成(图1)[22]。其工作原理为：193 nm准分子激光通过显微镜聚焦到单个油包裹体上并剥蚀寄主矿物，释放的油气组分被载气带入冷阱富集，富集完成后快速加热冷阱，组分被载气带入GC-MS进行成分检测。

由于准分子激光属紫外冷激光，剥蚀过程为“冷剥蚀”，不会引起强烈的热效应而使有机物裂解，检测结果反映了其原始组成。目前在线激光剥蚀色谱—质谱方法已能检测出C4-C30的化合物，包括轻烃、正构烷烃、异构烷烃、环烷烃以及单环、双环、甚至三环芳烃化合物[14]。

在线激光剥蚀色谱—质谱方法实现了对单个油包裹体组分的测试分析，增强了人们攻克单个包裹体组分难题的信心，因而具有里程碑的意义。但该方法仍然存在一些问题需进一步研究，其中最为重要的问题是单个油包裹体往往太小，所含有机质量达不到GC-MS分析的检测底限。目前，只有大于50 μm的单个油包裹体才能够得到可靠的信号[13-14]，而常见的油包裹体通常小于10 μm[13]，从而制约了该技术的广泛应用。此外，该方法的检测范围目前仍较局限，对气态烃和高分子量烃类还不能检测[2,13-14]。

图1 在线激光剥蚀色谱—质谱分析系统结构示意[22]

2.2 组分预测法

相对于组分，单个油包裹体的一些物理属性(如均一温度、气液比等)比较容易获得。于是，一些学者试图通过对单个油包裹体物理属性的研究去预测其组分。前人已提出了2种组分预测方法：热动力学模拟法[10-12]和标准Thoil-Fv图版法[2,15]。

热动力学模拟法从单个油包裹体的物理属性出发，利用热动力学状态方程和迭代计算方法，对单个油包裹体的组分进行热动力学模拟。如Aplin等[10]通过限定均一温度和室温下的气液比，利用PVTsim软件模拟出在均一温度和室温下气液比两个方面与被包裹的原油一致的石油组分。这种石油组分被看作油包裹体的“等效组分”。Thiéry等[11]根据油包裹体气相充填度与温度的相关关系，利用PIT软件计算了所有满足该相关曲线的原油组分(以α，β表示)。这些(α，β)值形成一条β-α曲线，并与自然界中原油(α，β)值分布范围相交，相交的曲线段便限定了油包裹体组分的范围(图2)[11]。相交曲线段上的任意一点(如图2中的a，b，c)均可作为这个油包裹体的等效组分。

标准Thoil-Fv图版法根据油包裹体热动力学原理，利用已知组分的不同类型的原油，建立了捕获不同组分原油的包裹体均一温度(Thoil)与其在室温下(20 ℃)气泡充填度(Fv)关系的标准图版，将实测的单个油包裹体的Thoil、室温下Fv投影于标准Thoil-Fv图版中(图3)，便可预测出该油包裹体的近似组分[2,15]。

组分预测方法为单个油包裹体组分研究提供了新的思路，其预测的组分与单个油包裹体的组分在一些物理属性上是等效的，因而被广泛用于包裹体最小捕获压力的计算，并取得了良好的应用效果[10-12]。但该方法仍然存在一些需要解决的问题：(1)用于预测的油包裹体必须为气液两相，对于纯液相油包裹体该方法无能为力；(2)预测结果受气液比影响较大。虽然学者们在提高气液比计算准确度方面作了大量工作[10,24-25]，但目前气液比计算的准确度并不高；(3)PVTsim软件中，模拟出的组分对初始组分具有较大的依赖性；(4)PIT软件只能限定油包裹体组分的范围，不能给出油包裹体的具体组分；(5)Thoil-Fv图版法准确度较低，只能以图版中的组分近似代表油包裹体的组分；(6)预测的组分主要是对油包裹体物理属性影响明显的轻烃，对于重烃特别是生物标志化合物还不能预测。

图2 PIT软件计算的β-α曲线与自然界中 原油的(α，β)值分布范围[11]

图3 单个油包裹体实测Thoil、室温下Fv在标准Thoil-Fv图版中的投影[2]

2.3 原位无损分析法

目前用于单个包裹体原位无损分析的方法有很多，如显微荧光光谱、显微拉曼光谱、显微傅立叶变换红外光谱(FTIR)、同步辐射X射线荧光光谱(SXRF)、质子诱导X射线荧光(PIXE)等[26]。由于显微拉曼光谱易受油包裹体的荧光干扰[27]，而同步辐射X射线荧光光谱和质子诱导X射线荧光主要用于元素分析，因此能够用于单个油包裹体组分分析的主要是显微荧光光谱和显微傅立叶变换红外光谱。

显微荧光光谱空间分辨率高，可对小至2 μm的油包裹体进行测试[28]。随着有机质从低成熟向高成熟演化，其荧光颜色呈现火红色→黄色→橙色→蓝色→蓝白色的演化序列[14,16]，在荧光光谱上表现为主峰波长(λmax)蓝移。通过对荧光光谱特征及其衍生光谱参数(λmax、Q650/500等)的研究，可迅速判断单个油包裹体的成熟度，因而在油气运移与成藏研究中应用非常广泛[16-20]。在组分方面，杨爱玲等[21]通过对比单个油包裹体与标准芳香烃的荧光光谱，定性分析了油包裹体中芳香烃的组成，并依此划分了油包裹体的成熟度。

显微傅立叶变换红外光谱是通过油包裹体中有机官能团对红外光产生的特征吸收峰来检测有机质的化学结构。由于受衍射极限的限制，其空间分辨率较差，一般只能分析大于5 μm的包裹体[26]，且受红外光穿过的矿物和空气成分的吸收峰影响[26,29-32]。Pironon等[33]和曹剑等[34]利用显微傅立叶变换红外光谱技术，在油包裹体中检测出了人眼无法识别的水分，成功地解释了油包裹体均一温度的成因，并为油包裹体的形成机制研究提供了参考。

原位无损分析法具有高空间分辨率、操作简单、无损、廉价、重复性好的优势，在单个油包裹体组分定性研究中应用广泛。但迄今为止，由于人们还不清楚显微荧光光谱和显微傅立叶变换红外光谱的光谱特征与原油组分的定量关系，因而还不能给出单个油包裹体的具体组分信息。

3 单个油包裹体组分研究设想

在上述方法技术中，显微荧光光谱测试具有高空间分辨率、简单快捷、无损的优势，可对常见的油包裹体进行快速测试，应用前景广阔。荧光光谱对组分不同的原油具有明显的光谱特征响应，但目前却不能用来分析原油组分，其主要原因是荧光光谱特征与原油组分的定量关系目前研究还比较薄弱，从而制约了显微荧光光谱在单个油包裹体组分分析上的应用。

Hagemann等[35]通过研究原油的荧光光谱特征与原油密度和黏度的关系，建立了荧光光谱参数与原油密度、黏度的标准曲线(图4)。利用该标准曲线可对单个油包裹体和微区沥青的密度和黏度进行定量预测。受此启发，笔者认为利用显微光谱应该也可以定量分析单个油包裹体的组分。为达到此目的，可能需要建立大量的原油光谱参数与原油组分的标准曲线。但存在的问题是，现有荧光光谱参数多基于人们对荧光颜色的认知,并非建立在重要荧光组分科学测试的基础上，参数少且地球化学特征不明确。因此，对原油中重要荧光物质(包括N、O、S等杂环化合物)的荧光光谱特征进行研究，构建具有地化意义的新的荧光光谱参数体系，已成为解决这一问题的有效途径。

图4 原油荧光光谱参数λmax、Q650/500与原油密度、黏度的关系[35]

4 结束语

近年来逐渐发展起来的单个油包裹体测试分析方法各有特色，从不同角度提供了获取单个油包裹体组分信息的技术途径，并开始应用于最小捕获压力计算、油气充注期次划分等油气运移成藏研究中。但这些测试方法均存在一定的局限性，还不能实现单个油包裹体全组分(特别是生物标志化合物)分析，急需进一步开展研究工作，改进测试技术或研发新的组分分析方法，以突破目前单个油包裹体组分研究的困境。

(1)激光剥蚀技术实现了对单个油包裹体组分的无裂解提取，但遗憾的是，目前还没有仪器能对提取的痕量原油进行全组分分析。因此，对现今的色谱质谱联用仪改进升级或研发新的原油组分分析仪器成为破坏性测试法未来的发展方向。

(2)油包裹体物理属性的准确测量对组分预测方法十分重要。目前，均一温度的测试精度和准确度均较高，但气液比计算的准确度还比较低，直接影响着单个油包裹体组分预测的准确度，因而需在此方面开展进一步研究。此外，针对实际需要，开发一些新的组分预测方法研究也是非常必要的。

(3)原位无损分析法均为显微光谱分析，主要用于单个油包裹体组分的定性分析。构建具有地化意义的荧光光谱参数体系，并建立它们与原油组分的标准关系曲线，或许成为一种预测单个油包裹体组分的新方法。

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(编辑 韩 彧)

Research progress on composition of individual oil inclusion

Wang Aiguo1,2, Yi Liping3, Shi Lei4, Wang Yisong1,2

(1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China;2.SchoolofGeosciences,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China;3.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,Beijing100083,China;4.HongshanOilfieldCompanyLimited,Karamay,Xinjiang834000,China)

The composition of individual oil inclusion is significant to the studies of hydrocarbon migration and accumulation; however, how to obtain it accurately is a global problem. Research methods and technologies of individual oil inclusion are reviewed and analyzed through literature research. On the whole, these methods can be summarized as a crushing test, composition estimation and in situ nondestructive analysis. Each method has its advantages and limitations, thus the problem of the composition of an individual oil inclusion has not been resolved completely. Further research is demanded in developing new analytical methods and upgrading research equipment.

individual oil inclusion; composition; research progress

1001-6112(2015)02-0226-05

10.11781/sysydz201502226

2013-11-20；

2015-01-16。

王爱国( 1984—) ，男，博士，讲师，从事成岩作用与油气成藏研究。E-mail: wag@ nwu．edu．cn。

国家自然科学基金(41402115)、大陆动力学国家重点实验室开放基金(BJ08133-5)和西北大学科研启动基金( PR12103)联合资助。

TE19

A