运用方解石脉包裹体和碳氧同位素评价页岩气保存条件<br/>——以中扬子地区寒武系为例

运用方解石脉包裹体和碳氧同位素评价页岩气保存条件
——以中扬子地区寒武系为例

2021-03-20陈孝红蔡全升苗凤彬彭中勤黄惠兰

天然气工业 2021年2期

刘安周鹏,2 陈孝红蔡全升李海苗凤彬彭中勤黄惠兰

1.中国地质调查局武汉地质调查中心 2.古生物与地质环境演化湖北省重点实验室

0 引言

中国南方普遍发育多套海相富有机质页岩，下震旦统陡山沱组、下寒武统牛蹄塘组（水井沱组）和上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组是区内广泛分布的黑色页岩[1-2]，但是除了四川盆地及其周缘以外，其他地区的页岩气勘探效果整体不佳。

诸多学者都认为，构造保存条件的好坏是决定页岩气能否富集成藏的关键因素，断层和剥蚀是页岩气散失的根本原因[1,3-4]。保存条件历来都是中国南方海相油气研究的重点之一，前人通过断裂、剥蚀、大气水下渗、岩浆侵入等油气藏破坏机理分析，建立了中国南方海相油气保存条件评价体系[5-6]。页岩的自封闭性和渗透率方向性特征使得其与常规油气的保存条件具有差异性，水文条件、盖层条件要求较常规油气低，而构造运动的早晚、强度造成的构造变形程度、剥蚀强度及断层等则成为重要的因素。研究认为，压力系数是保存条件的综合判别指标[7]。也有学者从顶/底板、构造形态、断裂、地层变形强度等条件评价页岩气宏观保存条件[8-9]。就目前的页岩气保存条件研究而言，更偏向于对宏观规律的认识，而对于单井评价的适用性不强，缺少对保存条件破坏过程的分析；依据钻井的含气性、地层压力等测试结果来评价保存条件的预测能力不强。

裂缝脉体的碳/氧同位素和包裹体对于研究油气保存条件有着重要的指示意义，广泛用于区分大气水、地层卤水、地幔等不同来源的流体活动，记录温度、盐度等古流体性质参数，反演储层流体活动期次和过程，评价断层、目的层的封闭性[5-6,10-12]。目前对页岩中方解石脉的研究相对较少，前人的研究主要集中在方解石脉的成岩及生烃指示意义[13-15]。牛蹄塘组页岩段见钙质泥岩或者碳酸盐岩夹层[16]，页岩段裂缝充填矿物中见大量的方解石[17]，具备碳酸盐矿物同位素和包裹体研究的物质基础。笔者通过对中扬子地区不同构造环境具有代表性的井较为系统采样测试，获得了水井沱组/牛蹄塘组碳酸盐岩及裂缝充填方解石脉的碳氧同位素数据，并对部分包裹体发育的脉体样品做了包裹体岩相学、均一温度、盐度及激光拉曼测试分析；通过对比分析，初步建立了以碳/氧同位素和流体包裹体为基础的页岩气保存条件判别指标，依据判别结果指出了中扬子地区寒武系下一步的页岩气勘探方向。

1 地质背景

研究区在寒武纪属于中扬子台地及其东南被动大陆边缘，整体而言，该区由北向南，水井沱组/牛蹄塘组由台地—斜坡—盆地页岩的厚度由数十米增大至400 m。水井沱组/牛蹄塘组底部页岩的总有机碳含量（TOC）普遍大于2%，盆地地区TOC 最大值近20%；水井沱组/牛蹄塘组下部以碳质泥岩为主，上部为含碳质钙质泥岩、石灰岩[16]，页岩过成熟热演化，成熟度（Ro）普遍大于3%。黄陵隆起和江南—雪峰隆起周缘页岩热演化程度相对较低，Ro值一般介于2%～3%[18-19]。

中扬子地区自基底形成以来，经历了加里东期—海西期稳定的扬子克拉通沉降阶段，区域上沉积了一套以碳酸盐岩及碎屑岩为主的海相地层；印支期以来为全区构造变形、变位发展阶段；早燕山期则奠定了本区中—古生界的基本构造格局，为现今构造定型期；晚燕山期为局部改造期；喜马拉雅期以来相对稳定[20]，印支—燕山期由南向北的陆内递进变形是影响油气保存的重要因素[21]。

图1 研究区地质图及采样位置图

2015 年以来，中国地质调查局在中扬子地区以寒武系页岩为目的层实施了数口地质调查井和参数井（图1）。其中YY1 井位于黄陵隆起东南缘的斜坡带，该区域构造变形弱，地层倾向南东，倾角一般小于10°，断裂不发育，YY1 井实现了中扬子地区寒武系页岩气的重大发现，含气量大于2 m3/t 的厚度为35 m[22]。YD4 井位于宜都—鹤峰复背斜东北缘，印支期以来陆内递进变形及黄陵隆起的砥柱作用使得该区域NEE 向和NNW 向断裂发育，YD4 井裂缝密度明显高于YY1 井，以裂缝气显示为主，页岩浸水气显示弱[17]。ZD1 井位于江南—雪峰隆起北缘，该区靠近中扬子印支期以来陆内递进变形的“发动机”，断裂及滑脱构造发育，ZD1 井页岩含气性普遍偏低，以裂缝气显示为主，岩心浸水实验见少量气泡沿裂缝溢出[19]。

2 样品及分析方法

笔者选择具有代表性的YY1 井、YD4 井、ZD1井为采样对象，3 口井从北向南分布，代表了构造变形逐渐增强的环境。对水井沱组/牛蹄塘组页岩及上覆、下伏岩层的方解石脉及围岩用牙钻做了较为系统采样，对较宽的脉体采集样品磨制了两面光薄片。

碳/氧同位素分析在自然资源部中南测试中心完成，将样品研磨至200 目加热去除吸附水后，置于真空反应器中与磷酸25 ℃恒温反应24 h，纯化、收集生成的CO2气体，在MAT253 上测定碳和氧同位素组成，结果以相对碳稳定同位素标准物质（V-PDB）的值给出，分析过程采用标样GBW04417 和NBS19进行质量监控，分析误差±0.2‰。包裹体激光拉曼分析和包裹体测温分别在自然资源部中南测试中心和核工业北京地质研究院完成。包裹体激光拉曼光谱分析测试仪器为Renishaw 公司的MKI-1000 Micro-Raman 光谱仪，利用514.5 nm 氩离子激光源，狭缝宽度为12.5 µm，激光输出功率为7.5 mw，扫描时间为30 s，叠加3 次。包裹体在测温前先做详细的岩相学观测，部分甲烷包裹体与盐水包裹体不易区分，主要通过甲烷包裹体与水溶液包裹体的冰点差异来确定，包裹体均一温度和盐度测试采用Linkam THMS600 型冷热台，测试方法参考前人相关文献[15]。

3 流体包裹体特征

3.1 包裹体类型及分布

研究区寒武系裂缝脉体包裹体主要有液烃包裹体、甲烷包裹体、气液两相包裹体、盐水包裹体4 种类型（图2）。液烃包裹体透射光下为褐黄色、棕色（图2-a），不发荧光，表明包裹体内液烃热演化程度高，液烃包裹体发育的样品中未发现共生的盐水包裹体。甲烷包裹体见椭圆状、不规则状，部分见明显的石英负晶形，透射光下包裹体见灰黑色、灰白色，部分中间见明显的亮线为高密度甲烷包裹体（图2-b）。气液两相包裹体自由分布或定向分布，大小介于5 ～20 µm，多为长条状、矩形或椭圆形（图2-c），两相包裹体中气相组分也为甲烷。盐水包裹体定向分布或小群分布，透射光下无色，四边形、不规则状或米粒状，沿微裂缝尤为发育（图2-d）。

统计结果发现，3 口井包裹体类型差别非常大，YY1 井包裹体类型以液烃包裹体和甲烷包裹体为主，部分样品未见明显的其他类性包裹体，盐水包裹体占比非常低，普遍低于10%。YD4 井以甲烷包裹体为主，部分样品盐水包裹体比例高达40%。ZD1井以盐水包裹体和气液两相包裹体为主，部分样品90%以上为盐水包裹体，甲烷包裹体的比例普遍小于5%。流体包裹体类型的纵向变化可以分为两种：YY1 井水井沱组上部气液两相包裹体和盐水包裹体有向上增加的趋势（图3-a）；YD4 井和ZD1 井水井沱组/牛蹄塘组页岩向下盐水包裹体具有增加的趋势（图3-b、c）。

3.2 包裹体均一温度和盐度特征

图3 寒武系裂缝方解石脉及围岩碳/氧同位素、包裹体类型分布图

表1 寒武系脉体包裹体均一温度和盐度表

YY1 井、YD4 井、ZD1 井脉体气液两相包裹体的测温结果见表1。YY1 井样品两相包裹体稀少，测得的均一温度介于102 ～220 ℃，主要峰值介于170 ～180 ℃、210 ～220 ℃；包裹体盐度整体较高，盐度峰值介于17.0%～20.0%。YD4 井两相包裹体均一温度介于95 ～215 ℃，但是均一温度的峰值较YY1 井普遍偏低，主要峰值介于110 ～140 ℃；包裹体的盐度介于3.4%～14.8%，盐度峰值较为分散。ZD1 井两相包裹体非常发育，测得两相包裹体的均一温度介于122 ～256 ℃，均一温度有多个峰值，其中最高为240 ～250 ℃；包裹体的盐度介于7.8%～21.4%，盐度峰值介于15%～22%，整体盐度较高。

3.3 包裹体拉曼特征

3 口井样品激光拉曼揭示了纯气相包裹体和气液两相包裹体中的气相均为甲烷（图4）。纯甲烷包裹体的甲烷拉曼散射峰位移范围较大，主要介于2 910.20 ～2 915.5 cm-1；气液两相包裹体的气相甲烷拉曼散射峰位移范围相对较小，大都介于 2 915.13 ～2 917.98 cm-1。研究结果证实，纯甲烷拉曼散射峰与包裹体内压关系密切，甲烷拉曼散射峰位偏向2 910.00 cm-1一端往往指示超临界状态高密度包裹体，偏向2 918.00 cm-1一端则通常指示低压气相甲烷[23]，一般小于2 912.00 cm-1为高密度甲烷包裹体[24]。YY1 井甲烷包裹体发育，拉曼散射峰位偏移的范围较大，以小于2 912.00 cm-1为主（图4-a）；与甲烷包裹体共生的两相包裹体均一温度变化大，表明页岩地史中长期高含气；YD4 井测点少，也发现高密度甲烷包裹体，ZD1 井只检测到两相中气相为甲烷（图4-b）。

图4 包裹体激光拉曼特征图

3.4 包裹体对页岩气保存条件的指示意义

3.4.1 裂缝及古流体的形成时间

前人研究成果表明，四川盆地盆内与盆外裂缝发育具有较大的差异，盆内以沉积成岩裂缝为主，而盆外则主要发育构造裂缝[25]。笔者本次研究并没有采集成岩裂缝脉体，所采集的样品均为典型的构造裂缝。中扬子地区加里东期江南—雪峰隆起带北缘主要形成了宽缓的背斜，自中、晚三叠世之交的印支运动开始，才被褶皱和断裂构造所改造[26]。脉体的形成与构造裂缝密切相关，因此寒武系裂缝古流体记录的主要是印支运动以来的构造活动信息，在一定程度叠加了晚燕山—喜马拉雅期的构造运动。

3.4.2 古流体来源

YY1 井水井沱组页岩脉体样品的两相包裹体和盐水包裹体的占比非常低，与裂缝形成时页岩的低含水饱和度相关。烃源岩的低含水饱和度主要是生烃排水和汽化携液造成的[27]。焦石坝区块龙马溪组超压页岩气藏具有高含气饱和度，其脉体包裹体也是以高密度甲烷包裹体为主[28]。YY1 井激光拉曼特征揭示脉体气相包裹体也为高密度甲烷包裹体，表明其形成阶段封闭性非常强，地层处于超压状态，流体性质为页岩层内流体。ZD1 井甲烷包裹体不发育，气液两相包裹体和纯水溶液包裹体占比非常高，表明其形成阶段页岩处于高含水饱和度。盆地的水文地质旋回往往经历了沉积压实阶段的离心流和抬升剥蚀阶段的向心流[29-30]，离心流与压实排水和烃源岩排烃相关；向心流则与地层水和大气水的倒灌有关，渗透层、断层、裂缝则是通道。页岩在经历了生烃排液之后处于高含气饱和度状态，因此大量水的出现则主要来源于其他层位。上述分析将页岩裂缝的古流体主要分为了页岩层内流体和页岩层外流体，页岩层外流体来源主要是地层水和古大气降水，YD4井包裹体盐度虽然大于3%，但是盐度最小值明显低于YY1 井和ZD1 井。因此不排除有大气水混入地层水的可能。

3.4.3 包裹体对保存条件的指示意义

YY1 井包裹体类型以高演化的液烃包裹体和高密度甲烷包裹体为主，表明YY1 井裂缝形成于页岩最大埋深阶段；YY1 井页岩段烃类包裹体非常发育，而两相包裹体非常稀少，低温两相包裹体也少，表明晚期的流体活动不强烈，特别是水井沱组底部受到外来流体的影响非常弱，包裹体类型的纵向变化也表明了水溶液主要从上部岩层沿着裂缝侵入。

ZD1 井没有发现大量烃类包裹体，表明高含气阶段流体包裹体不发育，在抬升剥蚀阶段则流体包裹体发育，两相包裹体的最高均一温度介于240 ～250 ℃，然而烃类包裹体的比例非常低，可能代表了最早水溶液侵入地层的流体事件，表明该期次流体侵入深度非常大，接近最大埋深，或者是深部流体沿着裂缝侵入页岩，流体包裹体均一温度多个峰值揭示了后续产生了多次构造裂缝及流体侵入。ZD1 井地史中以盐水包裹体为主，表明地史中页岩气的散失程度已经非常高，要达到在现阶段还残留页岩气就更难，这是在江南—雪峰隆起周缘一系列调查井没有发现页岩气的主要原因。流体包裹体特征与雪峰山北缘靠近中扬子地区在印支期以来陆内递进变形发动机的位置、构造活动时间早、强度大[21]的特点相吻合，构造对江南—雪峰隆起页岩的破坏最强。YD4 井和ZD1 井水井沱组/牛蹄塘组页岩脉体纯液相包裹体的比例呈向下具有增加的趋势，表明其他层位水溶液是从水井沱组/牛蹄塘组底部向上侵入页岩的，同时，页岩气应该是从底部逃逸的。

因此，页岩中包裹体类型比例与油包裹体丰度（Grains Containing Oil Inclusions，GOI）具有类似的作用。GOI 可用于油气藏和运移途径的识别[31]；页岩既是烃源岩又是页岩气的储集层，海相页岩普遍热演化程度高，因此抬升剥蚀前的初始状态应该就是高含气型，后期的改造致使含水饱和度增高，包裹体类型成为其封闭性的重要参数。

YY1 井、YD4 井、ZD1 井代表了中扬子地区中生代从相对稳定区—构造变形最强区域不同的构造保存条件。3 口井的流体包裹体类型指示了在中扬子地区由黄陵隆起向南至江南—雪峰隆起页岩气的保存条件具有逐渐变差的趋势，这与区域构造变形的强度是相一致的。

4 碳/氧同位素特征

4.1 方解石脉及围岩同位素组成特征

水井沱组/牛蹄塘组方解石脉及围岩（钙质泥岩或者石灰岩）的碳氧同位素特征参数如表2 所示。横向上（从YY1 井、YD4 井到ZD1 井），水井沱组/ 牛蹄塘组围岩δ13C 偏负的程度增大，δ13O 值与δ13C值具有类似的变化规律；方解石脉的δ13C 值、δ18O值与围岩具有类似的变化规律，表明脉体与围岩的同位素具有高度的相关性。YY1 井、YD4 井Δ13C 值（Δ13C=δ13C围岩-δ13C方解石）、Δ18O 值（Δ18O=δ18O围岩-δ18O方解石）变化范围具有一定的相似性，均远小于ZD1 井的变化范围。

各井Δ13C 值、Δ18O 值纵向变化具有较为明显的规律性（图3）。YY1 井水井沱组页岩的Δ18C 值变化范围非常小，表明碳来源于同层位石灰岩的溶解；水井沱组下部的方解石氧同位素也与围岩接近，表明二者的相关性；但是上部Δ13O 值是全井段最大的，且向上具有逐渐增加的趋势。下寒武统岩家河组顶部Δ13C 值变化较为剧烈，可能与地层本身的碳同位素变化剧烈相关。

YD4 井样品较少，整体看水井沱组上部Δ13C 值、Δ18O 值变化范围小，方解石脉与围岩具有密切的相关性，水井沱组下部（井段1 250 m 以深）地层方解石δ13C 值、δ18O 值出现较大的异常值（δ13C=-4.11‰，δ18O=-14.94‰），且自上而下至岩家河组Δ18O 值明显增大。

ZD1 井牛蹄塘组底部（井段1 945 ～1 985 m）Δ18O 值变化剧烈，井段1 945 ～1 963 m 石灰岩δ13C值普遍小于-9.00‰，而该段方解石脉δ13C 值远大于该值，表明二者不具有相关性。石灰岩与方解石脉δ18O 值差值在牛蹄塘组中上部趋近于0，牛蹄塘组下部具有向下差值变大的趋势。

4.2 碳/氧同位素对页岩封闭性的指示意义

前人成果研究表明，蚀变岩石和热液的氧同位素取决于温度和水/岩比值，在相同水岩比例条件下，封闭体系比开放体系中岩石的氧同位素降低幅度要低[32]。因此氧同位素可以作为流体环境封闭性判别指标。牛蹄塘组页岩方解石脉δ18O 值多数与同层位的石灰岩非常接近，指示裂缝形成阶段地层含水饱和度低，页岩裂缝与外界的沟通性差，在封闭的、低水/岩比环境中氧同位素分馏弱，这种情况下温度不是影响同位素分馏的主要因素，脉体的同位素与围岩具有高度的一致性。碳酸盐岩的碳同位素一般非常稳定，一般条件下不会发生改变，只有在有机来源CO2混入才会导致改变，例如烃类氧化形成的CO2参与了方解石沉淀，会导致方解石脉的δ13C 值可达-25‰～-41‰[10]；笔者本次研究的方解石脉δ13C 值分布范围与围岩接近，因此没有明显的与有机质氧化成因相关的方解石脉。

YY1 井水井沱组上部岩层方解石脉的δ18O 值不仅比围岩低，而且低于水井沱组下部石灰岩夹层的δ18O 值（图3-a）。因此，该段δ18O 值较低的方解石脉不是来源于下部石灰岩溶解后古流体沿着裂缝向上运移的产物。流体包裹体显示该段裂缝脉体自下而上两相包裹体和盐水包裹体比例具有增加的趋势。因此方解石脉的δ18O 值的变化主要是受到水/岩比例的影响，向上水/岩比例增高，氧同位素分馏增强。水井沱组下部岩心裂缝不发育，上部裂缝较发育，且以垂直缝为主（图5-a），部分半充填，垂直裂缝致使上覆岩层的地层水下渗，增加了裂缝的水/岩比例，是方解石脉δ18O 值降低的主要原因。YD4 井水井沱组下部方解石脉较上部Δ18O 值增大，且方解石脉δ18O 值小于下部石灰岩的δ18O 值，表明是水/岩比增高，同位素分馏所致；井深1 295 m 方解石脉δ13C值也明显小于同层段的石灰岩，与井深1 317 m 之下的石灰岩δ13C 值相同（图3-b），表明垂直裂缝将下部石灰岩段流体带到了上部。YD4 井下部裂缝较上部发育，局部见明显的破碎带（图5-b），是地层水向上运移的通道，同位素分析与流体包裹体类型相一致。ZD1 井牛蹄塘组下部方解石脉δ13C 值明显大于围岩段，而与井深1 963 m 之下的石灰岩段相似（图3-c），表明流体来源于下部石灰岩的溶解；同时该段方解石脉δ18O 值的变化范围也非常大（图3-c），一种可能是和碳同位素一样，是不同层位石灰岩溶解后古流体沿着裂缝垂向运移的产物，另外一种可能是高角度裂缝致使地层水沿着裂缝渗入页岩导致氧同位素分馏，结合包裹体类型分析，后者的可能性更大。岩心也指示ZD1 井下部较上部高角度裂缝发育（图5-c），具有古流体纵向运移的通道。

表2 水井沱组/牛蹄塘组页岩方解石脉及围岩碳/氧同位素特征表

碳/氧同位素显示寒武系页岩与外界流体沟通有两种不同的方式，即YY1 井下部裂缝不发育，上部裂缝发育，水溶液从上向下渗入页岩层，下部高TOC 的优质页岩段被外来流体的改造非常弱。YD4井和ZD1 井则上部裂缝不发育，下部高TOC 优质页岩段裂缝发育，水溶液顺着裂缝向上渗入页岩。裂缝是外来流体进入页岩的通道，同时也是页岩气向外逸散的通道。

图5 岩心裂缝特征照片

5 页岩气保存条件评价及判别指标

以碳/氧同位素和流体包裹体为主要手段，对3口典型井分析表明由黄陵隆起向南至江南—雪峰隆起页岩气的保存条件具有逐渐变差的趋势。因此，围绕黄陵隆起周缘是下一步寒武系页岩气勘探的重点区域。这与“古隆起边缘控藏模式”[33]的认识相一致。在该区域的页岩气调查保存条件依然是关键，以古流体分析为主要手段，就露头和钻探岩心的脉体进行分析，进一步优选保存条件有利区，须建立相关评价指标。

笔者建立了以脉体包裹体和方解石脉碳氧同位素为主要手段的保存条件判别指标（表3）；包裹体的盐度、氮气组分指标参考了前人研究的成果[12]。同时，笔者本次研究采集的样品属于中扬子地区成熟度较低的页岩，本判别标准主要适用于构造保存条件的研究，对于构造保存条件较好、但页岩经历了深埋藏、高演化、有机孔塌陷地区页岩气保存条件的封闭性评价须另做研究。