川南地区泸州区块五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体中甲烷包裹体分析及古温压恢复

潘占昆，刘冬冬*，黄治鑫，姜振学，宋岩，郭靖，李灿星

0 引言

川南地区泸州区块是四川盆地页岩气勘探开发的主要目标之一，该区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组下段为主要页岩气产层，这一层段含有丰富的页岩气资源，勘探开发远景十分可观[1-4]。现有资料表明，川南地区泸州区块五峰组—龙马溪组页岩储层在经历过漫长的地质演变过程之后，逐渐演化成为超压储层，而这种深层高温超压环境有利于页岩气聚集和保存，因此现在评价页岩气藏是否具有开发远景时往往会先恢复其古温压环境，并将其作为一个重要的评价依据[5]。

流体包裹体是矿物晶格缺陷中保存的流体物质，其中保存了流体捕获时各种原始流体环境信息，借助这些信息可以恢复地层古温压状态、追踪成脉流体来源、明确其裂缝形成机制[6-8]。前人对页岩气藏古温压状态的恢复，多是先通过甲烷包裹体均一温度(Th)求取高密度甲烷包裹体密度(ρ)，再进行甲烷包裹体捕获压力的恢复[9-10]；也可采用纯气相包裹体(Ⅱ型)的等容线与气—液两相包裹体(Ⅰ型)均一温度最低值交点的方法求解[9-10]，但两种方法都存在计算结果不准确的缺点，无法反映真实的页岩气藏古温压状态。

因此本文针对五峰组—龙马溪组页岩储层的裂缝脉体样品，开展裂缝脉体显微观察，明确了脉体的矿物组成与胶结序列；结合包裹体显微观察与测温、激光拉曼光谱分析，发现其中发育大量高密度纯甲烷包裹体；再根据甲烷拉曼散射峰v1位移与密度关系式[11-12]，计算得到甲烷包裹体的密度，随后利用甲烷体系状态方程恢复了甲烷包裹体捕获压力，并讨论了泸州区块页岩裂缝成因及地质意义。

1 地质背景

泸州区块位于四川盆地南部，范围包括了齐岳山断裂带以西、华蓥山断裂带以东之间的区域。研究区内褶皱构造发育，常以直线或弧型带状展布，主要集中在中心至南部区域，北部区域较少，向斜地带平缓宽阔，背斜地带两翼陡峭角度低，总体上断层发育较少，以逆断层为主，局部伴有地层隆升[13](图1A)。

研究区先后经历了多期构造演化旋回，在海西期东吴运动的作用下，川东南地区隆起成陆，导致泥盆系、石炭系和一部分志留系上统地层普遍缺失；而由于喜山期构造抬升作用，研究区也缺失古近系和新近系地层，因此研究区地层以寒武系—白垩系地层为主，偶尔可见第四系地层(图1B)。上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组岩性主要为黑色、灰黑色页岩和灰黑色粉砂质页岩，富有机质页岩厚度可达95～140 m，优质页岩气层段厚度约40～52 m，其有机碳(TOC)含量大于3.5%、龙马溪组微裂缝自下向上部逐渐减少、测井总含气量达到5.2～7.1 m3/t。该层段现今埋深为3540～3625 m，地质历史时期最大埋深可能超过6500 m[14]，现今地温梯度为2.6～3.0 ℃/hm，压力系数为1.80～2.30[15]。页岩气组分以甲烷为主，含量为86.93%～97.35%，同时含少量的氮气组分(2.4%～16.23%)以及极少量的乙烷组分[13]。

图1 四川盆地泸州区块页岩气田地质构造图及H202井五峰组—龙马溪组底部地层综合柱状图Fig. 1 Schematic geological map of the Luzhou area, southern Sichuan Basin, and stratigraphic column of the Wufeng-Longmaxi Formation in the Well H202

2 样品信息与测试方法

研究样品采于川南地区泸州区块的L201井和H202井。采样信息如表1所示。

表1 页岩样品信息Table 1 Sampling information of the analyzed shales

裂缝脉体偏光显微镜观察在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，镀膜操作、能谱电镜及阴极发光扫描电镜观察在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。采用双面抛光薄片，在Leica-35偏光显微镜下进行普通光学显微镜观察，然后采用Sputter Coaters and SEM/TEM Carbon Coaters (Q150T ES)镀膜系统下进行镀铬操作，再采用QUANTA FEG 650热场发射扫描电镜，进行二次电子显微镜、能谱电镜和阴极发光扫描电镜(CL-SEM)观察，能谱电镜工作条件：高真空模式，工作距离(WD)：10～11 mm； 电 压：10 kV；SPOT：5；APE：5。CL-SEM工作条件：高真空模式，工作距离(WD)：11.7 mm；电压：10 kV；SPOT：6；APE：3。

流体包裹体和激光拉曼光谱分析工作均在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行。流体包裹体观察使用双面抛光包裹体薄片，测试所用仪器为LEICA公司生产的DM4500P型偏光/荧光显微镜以及LINKAM-THMS600型冷热台，测温的误差为±0.1 ℃，实验条件：温度25 ℃、湿度40%。在测温初始阶段，盐水包裹体的升温速率为5 ℃/min，相态交界线消失之前，升温速率减小为0.5 ℃/min，随后观察并记录下包裹体内物质达到完全均一时的温度，继续恒温加热2 min；然后进行降温，并仔细观察并记录气泡出现时的温度，再升温加热并重复测试，确定最准确的均一温度数值，并检查核对和记录确定均一温度。

激光拉曼光谱分析实验，使用的仪器为LabRAMHR800研究级显微激光拉曼光谱仪，仪器实验条件为：环境温度为25 ℃，湿度控制在50%，使用Nd：YAG晶体倍频固体激光器，波长532 nm，扫描范围100～4200 cm-1，功率为14 mW，线宽控制在＜0.1 nm，激光照射在样品的表面时，功率范围为2～10 mW，光谱仪的共焦效果一般可达到横向0.1 μm、深度0.3 μm精度的分辨率。一般用拉曼峰值位移为520.7 cm-1的硅标样来进行仪器校正，数据收集时间为 10～100 s。

3 分析测试结果与讨论

3.1 页岩样品特征

研究区五峰组和龙马溪组底部优质页岩层段裂缝类型以构造缝、层间页理缝和层面滑移缝(图2)为主，局部可见少量的擦痕面和断层面。其中，构造缝多数被方解石、石英充填，长度变化在几厘米到十几厘米不等，宽度3 mm～2 cm，普遍倾角较大，甚至与层面近于垂直，其充填的脉体宽度为5 mm～3 cm。

图2 研究区五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体特征Fig. 2 Characteristics of fractures in the Wufeng-Longmaxi Formation shales in the Luzhou area, southern Sichuan Basin

研究区龙马溪组微裂缝密度相对高于五峰组，其中龙马溪组下部龙一段微裂缝密度最高，构成了空间型微裂缝网，提高了该层段渗透率，向上地层微裂缝总数逐步减少，微裂缝密度降低，地层渗透能力减弱。

3.2 裂缝脉体特征

岩心观察与显微镜下观察发现，研究区页岩裂缝脉体主要由方解石和/或石英组成。若两种矿物同时存在，石英会早于方解石胶结，石英矿物一般分布在裂缝的边缘，方解石矿物则分布在裂缝中间，这种现象是多期次裂缝开启—愈合的直接证据。

二次电子显微镜、背散射扫描电镜、能谱电镜和阴极发光扫描电镜观察显示(图3)，脉体中胶结物以方解石为主，分布在裂缝中间，形态完整呈鲜红色—橘红色，能谱显示C、O、Ca含量偏高。石英主要分布在方解石脉两侧，位于裂缝两壁，形态较为破碎，边缘出现侵蚀现象呈现蓝色—蓝紫色，能谱显示O、Si含量偏高。该裂缝脉体的形成至少经历了两期裂缝开启—愈合过程，第一期裂缝张开流体注入后，石英脉体胶结，第二期裂缝开启流体注入，将先期形成的石英脉体破坏、溶蚀，在石英脉体边缘又发生了方解石胶结，形成了第二期方解石脉体。

图3 研究区五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体二次电子显微镜和阴极发光特征图Fig. 3 Secondary electrons microscope and cathodoluminescence-SEM images of the fracture cements in the Wufeng-Longmaxi Formation shales in Luzhou area, southern Sichuan Basin

3.3 裂缝流体包裹体特征

镜下观察显示，研究区6块样品中均观察到有丰富的包裹体发育，主要为单相态甲烷包裹体以及气—液两相盐水包裹体。其中单相态甲烷包裹体多存在于石英脉及较大清晰的方解石颗粒中，形态多以圆形、次圆形、不规则多边形为主，长轴为6～20 μm不等，呈带状或孤立状分布，深灰色、透明度低[10]。盐水包裹体的存在较为广泛，可聚集成群或带状存在，也可与甲烷包裹体伴生，在偏光显微镜下呈透明无色，中间或边缘小气泡会发生“气跳”现象，形态大小多样不规则(图4B-D，F)。沥青包裹体在镜下以黑色不透明、条状或片状的形式存在，热演化程度较高的焦沥青会充填在甲烷包裹体大量出现的页岩储层中(图4B，E)。相比于方解石脉中形态多样不规则、数量少、规格小的甲烷包裹体(图4B，F)，产于石英脉中的甲烷包裹体形态规则、数量较多、尺寸较大、保存条件好(图 4A，D，E)。

图4 研究区页岩裂缝石英和方解石脉中甲烷包裹体形态特征(单偏光)Fig. 4 Characteristics of methane inclusions in quartz and calcite veins in the Wufeng-Longmaxi Formation shales in Luzhou area, southern Sichuan Basin (plane-polarized)

3.4 流体包裹体测温

本次实验测定了方解石与石英矿物中，与甲烷包裹体共生的气—液两相盐水包裹体的均一温度和盐度[10]。测定中发现，在H202井和L201井石英脉样品中气—液两相盐水包裹体的周围，大量发育纯气相甲烷包裹体，该现象表明包裹体的形成环境为饱和甲烷状态下、两相不混容系统，因此，所测气—液两相盐水包裹体的均一温度可以代表甲烷包裹体的捕获温度[10,16-17]。

通过对H202井和L201井，裂缝脉石英和方解石矿物中盐水包裹体进行显微测温(图5)，发现石英中的盐水包裹体均一温度范围集中在160 ℃～220 ℃(H202 井)、240 ℃～260 ℃(L201井)， 方 解 石 中 包裹体的均一温度范围为 150 ℃～260 ℃(H202井)、140 ℃～170 ℃(L201井)，表明五峰组—龙马溪组页岩在埋藏过程中，石英脉先期胶结，方解石脉体后期胶结，这与岩相学观察的结果相符，石英多分布在裂缝边缘且形态不完整，方解石多分布在裂缝中间且颗粒较大。

图5 研究区(A)H202井和(B)L201井页岩裂缝脉石英和方解石矿物中气—液两相盐水包裹体的均一温度分布直方图Fig. 5 Frequency histogram of two-phase fluid inclusions homogenization temperatures in quartz and calcite cements from H202(A) and L201(B) in Luzhou area, southern Sichuan Basin

3.5 甲烷包裹体激光拉曼分析结果

激光拉曼光谱是研究宿主矿物及流体包裹体成分的可靠手段，因此在流体包裹体岩相学观察的基础上进行显微激光拉曼检测，可有效地检测出样品中各种不同的流体包裹体成分，进一步根据所测得石英脉中的高密度甲烷包裹体甲烷拉曼散射峰v1，计算得到甲烷包裹体的密度和捕获压力[10-12,18]。

图6为测定的石英脉样品(4079.50 m，H202；3622.94 m，L201)中甲烷包裹体的激光拉曼光谱图。在激光拉曼光谱图中，除过高强度甲烷散射峰以外，甲烷包裹体寄主矿物石英也出现了强度较高的拉曼散射峰值(463.31 cm-1、464.73 cm-1)，且并无其他成分显示出明显的高强度峰值，说明包裹体的流体成分较为单一，为纯甲烷包裹体[10]。川南地区五峰组—龙马溪组海相页岩裂缝石英脉中甲烷包裹体的拉曼散射峰值 为 2909.97～2914.41 cm-1(表2)， 在 100～4200 cm-1扫描范围的光谱图中，甲烷散射峰值为2914.23 cm-1、2909.97 cm-1。

图6 研究区(A)H202井和(B)L201井井页岩裂缝石英脉中包裹体激光拉曼图谱Fig. 6 Laser Raman spectra of fluid inclusions in quartz cements from Wells H202(A) and L201(B) in the Luzhou area, southern Sichuan Basin

表2 研究区H202井和L201井页岩裂缝石英脉中甲烷包裹体拉曼散射峰v1和密度计算结果Table 2 Measured Raman scatter peak v1 positions, calculated densities of methane inclusions in quartz cements from wells H202 and L201 in the Luzhou shale gas field, Sichuan Basin

3.6 甲烷包裹体密度计算

根据所测甲烷拉曼散射峰v1位移量，可以计算出甲烷包裹体的密度[10]。前人在不同压力条件下测定了甲烷拉曼散射峰v1位移，从而发现了甲烷包裹体密度和甲烷拉曼散射峰v1位移之间的关系，并结合实验结果建立了甲烷拉曼散射峰v1位移与甲烷包裹体密度ρ的关系公式(1)[10-12,19-22]，此公式适用于甲烷饱和度大于90%的甲烷包裹体密度计算：

式中，ρ表示甲烷包裹体的密度，g/cm3；ρ和D之间的相关系数值为0.9987；D=v1-v0；v1表示使用氖灯校正后，实测获得的甲烷拉曼散射峰值；v0表示当压力约为0时的甲烷拉曼散射峰值，不同实验室的校准条件不同，导致了v0取值差异，本文采用核工业北京地质研究院分析测试研究中心激光拉曼实验室标定值。依据公式(1)，计算得到川南泸州地区上奥陶统五峰组和下志留统龙马溪组黑色页岩石英脉中纯甲烷包裹体密度为 0.277～0.305 g/cm-3。

3.7 高密度甲烷包裹体古压力恢复

流体包裹体中包含大量地质信息，利用它们能够恢复包裹体捕获时的环境温压状态，是重建古流体温压条件的有效手段[5,10,23]，可是包裹体组分越复杂，对其各组分进行精确测定就会越难，导致用多组分包裹体模拟获得的捕获压力值精度就会偏低[10,24]，因此需要采用高纯度单组分包裹体来进行捕获压力恢复。于是，研究区五峰组—龙马溪组黑色页岩样品中存在大量单相态高密度甲烷包裹体的情况，成为了能够准确模拟甲烷包裹体捕获压力的可靠条件。

本文借助适用于超临界CH4体系的状态方程[10,25-26]，计算了石英脉中高密度甲烷包裹体的捕获压力：

式中，P代表压力，bar；T代表温度，K；R表示气体常数，R=0.083 144 67 bar·dm3·K-1·mol-1；V表 示 摩 尔体积，dm3/mol，通过甲烷包裹体的密度与摩尔质量计算得到；Z表示压缩因子；Pr、Tr代表对比压力和对比温度，量纲均是1；Pc、Tc表示临界压力(46 bar)、临界温度(190.4 K)，与P、T单位相同；a1=0.087 255 392 8；a2=-0.752 599 476；a3=0.375 419 887；a4=0.010 729 134 2；a5=0.005 496 263 6；a6=-0.018 477 280 2；a7=0.000 318 993 183；a8=0.000 211 079 375；a9=0.000 020 168 280 1；a10=-0.000 016 560 618 9；a11=0.000 119 614 546；a12=-0.000 108 087 289；α=0.044 826 229 5；β=0.753 97；γ=0.077 167[10,25-26]。

通过公式(1)计算了研究区H202井和L201井页岩石英脉中甲烷包裹体密度，再结合甲烷包裹体同期共生的气—液两相盐水包裹体的均一温度最小值(甲烷包裹体捕获温度)，通过公式(2)模拟恢复了高密度甲烷包裹体的捕获压力，研究区H202井和L201井页岩裂缝石英脉中甲烷包裹体的捕获压力为127.58～168.68 MPa(表 3，图 7)。

表3 研究区H202井和L201井石英脉中两相盐水包裹体均一温度、甲烷包裹体密度及捕获压力计算结果Table 3 Homogenized temperatures of two-phase fluid inclusions, calculated densities and trapping pressures of methane inclusions in quartz cements from wells H202 and L201 in Luzhou area, southern Sichuan Basin

图7 研究区页岩石英脉体甲烷包裹体捕获压力变化范围及捕获深度图Fig. 7 Variation range of trapping pressures and burial depth of methane inclusions in the Luzhou area, southern Sichuan Basin

4 地质意义

研究区L201井龙马溪组页岩裂缝石英脉中与甲烷包裹体共生的两相盐水包裹体均一温度较高，为242 ℃～258 ℃左右，表明该井龙马溪组页岩裂缝中石英脉形成的深度大。前人研究表明L201井五峰组—龙马溪组页岩最大古埋深为6500 m左右[14]，根据古埋深计算得到地层压力为163.48～168.67 MPa，同时期静水压力为63.7 MPa，剩余压力约为100 MPa，压力系数为2.57～2.65。H202井石英脉中包裹体均一温度相对较低，为175 ℃～206 ℃左右。前人研究表明该井龙马溪组最大古埋深在7000 m左右[14]，该时期页岩地层压力为127.58～156.47 MPa，同时期静水压力为68.6 MPa，剩余压力为58.98～87.87 MPa，压力系数为1.86～2.28。由此可见，川南地区泸州区块页岩气藏处于强超压状态。

现今川南地区泸州区块五峰组—龙马溪组页岩储层埋深大于3500 m[14]，地层压力约为77.18～90.41 MPa，压力系数约为 1.8～2.3[15]，剩余压力约为42.88～50.23 MPa。泸州地区的页岩成熟度约为2.8%～3.2%，该地区五峰组—龙马溪组页岩石英脉中与高密度甲烷包裹体共生的气—液两相盐水包裹体均一温度与页岩主生气期温度相近，说明了黑色页岩中含高密度甲烷包裹体的石英脉的形成过程与页岩裂解生气过程具有时空一致性，推测裂缝的形成可能与页岩气的生成阶段导致的孔隙流体压力上升相关，而非达到最大埋深之后的构造抬升运动相关。

通过对五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体的阴极发光扫描电镜和能谱分析，石英脉体主要分布在裂缝两壁，而方解石脉体主要分布在裂缝中部(图3)。前人研究表明，在较深的地层中，石英会作为主要的裂缝胶结物先期胶结，而在较浅的地层方解石会在裂缝中优先胶结，在石英和方解石都存在的地方，石英会早于方解石胶结[27]。川南地区泸州区块五峰组—龙马溪组页岩裂缝方解石脉体的流体包裹体捕获温度一般低于石英脉体(图5)，说明方解石胶结深度比石英浅，其胶结时间较石英要晚，裂缝中的方解石脉体是在储层最大埋藏深度之后和早期抬升过程中形成的。如H202井方解石脉气—液两相盐水包裹体均一温度的分布范围在150 ℃～260 ℃，反映了H202井中五峰组—龙马溪组页岩裂缝方解石脉体在石英脉体胶结之后，是在页岩最大埋深之后的构造抬升阶段产生的，期间可能不断发生裂缝开启—愈合的过程。而石英脉体中富甲烷包裹体的存在证明了裂缝的形成及石英脉体的胶结是发生在最大埋藏深度之前，即五峰组—龙马溪组页岩产气阶段。

利用甲烷包裹体密度和与其共生的气—液两相盐水包裹体均一温度计算得到的页岩古压力为127.58～168.67 MPa，压力系数为 1.86～2.65，推测五峰组—龙马溪组页岩在达到最大埋深之前就已经处于异常高压状态，也就是说在后期构造抬升过程中泸州区块五峰组—龙马溪组页岩储层超压演化的起点为强超压状态。泸州区块页岩气田中高密度甲烷包裹体的发现及其形成时的异常高压证据，为进一步开展裂缝形成机制对页岩气的保存和富集的影响研究提供了重要的地质依据。

5 结论

1)通过对川南地区泸州区块五峰组—龙马溪组页岩裂缝脉体的岩相学研究，发现研究区五峰组—龙马溪组页岩裂缝主要被石英和方解石充填，且石英脉普遍早于方解石脉胶结。石英脉体中发现大量富甲烷包裹体存在，证明裂缝的开启以及石英脉体的胶结发生在五峰组—龙马溪组页岩产气阶段，裂缝形成的原因可能与生气阶段造成的孔隙流体压力上升相关。

2)根据流体包裹体激光拉曼光谱和显微测温分析，在泸州区块页岩气田五峰组—龙马溪组页岩储层中发现了高密度甲烷包裹体，甲烷包裹体的甲烷拉曼散射峰v1分布在2909.97～2914.23 cm-1，利用甲烷包裹体的甲烷拉曼散射峰v1位移计算了甲烷包裹体的密度，其密度范围为0.277～0.305 g/cm-3，具有高密度特征。

3)根据泸州区块页岩气田L201井和H202井五峰组—龙马溪组裂缝充填的脉体中甲烷包裹体的密度，以及与其共生的气—液两相盐水包裹体的均一温度(242 ℃～258 ℃，L201 井；175 ℃～206 ℃，H202 井)，利用CH4体系的状态方程模拟计算出高密度纯甲烷包裹体的捕获压力为127.58～168.67 MPa，对应的压力系数达到 1.86～2.65。

4)泸州区块页岩气田五峰组—龙马溪组页岩中的高密度甲烷包裹体形成时的捕获压力为强超压状态，剩余压力为58.98～100 MPa，均一温度集中范围在175 ℃～206 ℃(H202 井)和 242 ℃～258 ℃(L201 井)，这指示五峰组—龙马溪组页岩在达到最大埋深之前，构造抬升之前或构造抬升初期就已经处于异常高压状态。该区页岩中高密度甲烷包裹体的发现及其捕获的温压条件和超压证据，为进一步开展泸州区块五峰组—龙马溪组页岩裂缝形成机制对页岩气的保存和富集的影响研究提供了重要的地质依据。