莺歌海盆地乐东10-1区黄流组储层流体包裹体特征及油气成藏期次分析

马剑, 赵静, 郭娟, 马新慧

(1.核工业北京地质研究院, 北京 100029; 2.中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249)

流体包裹体作为地质流体研究的重要手段,在沉积盆地油气成藏条件分析中起着不可替代的作用。通过流体包裹体岩相学、偏光-荧光特征、显微测温等,结合盆地构造、地层埋藏史、热演化史等资料,能够探讨流体性质、来源、期次、流体运/聚时空及油气成藏演化等[1]。流体包裹体技术是确定流体活动期次、温压信息和时间的常用方法,同时也是研究油气藏形成期次和过程的一个有效手段[2-4]。

莺歌海盆地具有高温高压的地质背景,地温梯度为4.0～4.5 ℃/100 m,中深层最大压力系数可达2.3[5]。盆地具有强烈沉降、快速充填、高温超压、底辟发育等显著特征[6]。乐东区中新统气藏具有“三低一高”(低孔、低渗、低含气饱和度及异常高压)和流度低的特点,类似于高温高压的致密砂岩气藏[7]。乐东10-1区古流体活动强烈,前人研究认为该区发育早期烃类流体充注,晚期富CO2的热液流体充注[8]。深部热流体主要为CO2热流体,储层天然气中高含量CO2主要与深部无机热流体活动密切相关[9]。前人对乐东斜坡区流体充注期次的分析多依据包裹体的实验数据及气藏地化特征[10-11],但多数未观察到可靠的甲烷包裹体或含烃盐水包裹体,这就造成数据可信度不高;而且,以往研究对流体包裹体显微岩相学重视不够,包裹体显微岩相学是划分流体包裹体期次并将其应用于成矿流体性质、来源、活动期次和油气成藏运/聚期次的基础。在对莺歌海盆地乐东10-1区地质背景综合分析基础上,现充分利用流体包裹体显微岩相学观察结果和均一温度测试数据、激光拉曼成分分析等,对黄流组油气成藏期次和成藏特征进行分析。

1 区域地质背景

莺歌海盆地是一个在前古近纪基底上发育起来的新生代大型走滑-伸展盆地,面积约11.3×104km2,古近纪以断陷为主,新近纪至今以坳陷为主,一级构造单元可划分为莺东斜坡、中央坳陷、莺西斜坡(图1)。其中,中央坳陷发育多排近南北走向、呈雁行式排列的大型底辟构造,这些底辟构造分布的区域也称为中央底辟构造带,在盆地中央底辟构造带至莺东斜坡之间的过渡区域被称为坳陷斜坡带。该盆地地层自上而下依次为第四系乐东组(Ql)、上新统莺歌海组(N2y)、中新统黄流组(N1h)、梅山组(N1m)和三亚组(N1s)、渐新统陵水组(E2l)和崖城组(E2y)(图1)。乐东区位于坳陷斜坡带,目的层黄流组为峡谷水道重力流沉积[12],物源来自海南岛方向。乐东10-1区黄流组气藏为水道砂岩岩性气藏,以粉细砂岩和中砂岩为主。乐东区具有高温(>180 ℃)超压(压力系数大于2.2)的地质背景,晚期受热流体活动影响明显,深层高温热流体的充注促使深部地层位于高温环境[13]。

图1 莺歌海盆地构造单元划分、研究区位置及地层综合柱状图[7]Fig.1 Tectonic division, location of the study area and stratigraphic column of the Yinggehai Basin[7]

2 样品分布及实验方法

研究选取乐东10-1区5口井共13块岩心和6块岩屑样品进行了镜下显微岩相学观察、均一温度测定及激光拉曼成分分析。研究区岩心样品较少,为了研究的全面性和系统性,采集了重点井的岩屑样品,并对岩屑样品进行了程序复杂的清洗、挑样工作。具体操作步骤为:首先,将岩屑置于水中浸泡1～2 h,轻轻揉搓将泥质物去除;然后,将水倒出后置于纸上晾干,挑选晾干后的样品,从中选取砂岩岩屑5～10 g;最后,从中选取3～5 g进行固结,并进行包裹体薄片制备。

流体包裹体研究的方法与步骤可以概括为:首先,确定研究样品中成岩矿物种类以及各种成岩矿物形成的先后顺序;然后,鉴定每种成岩矿物内油气包裹体的发育特征,包括油气包裹体的大小、气液比(油气相态组成)、丰度、产状(原生、次生、与各种成岩矿物之间的穿插关系)以及单偏光、荧光特征、烃类流体包裹体丰度(grains containing oil inclusions,GOI)等,同时,圈定与油气包裹体伴生的含烃盐水包裹体,用于均一化温度和盐度的测定;最后,在显微岩相学观察的基础上,划分油气充注期次,判断各个期次的油气类型以及充注规模。

流体包裹体均一化温度和盐度的测定是在Linkam THMS-G600型冷热台(温度分辨率0.1 ℃)上进行的,均一法测温误差控制在±1 ℃,测试与分析方法依据中华人民共和国核行业标准《矿物流体包裹体温度的测定》(EJ/T 1105—1999)。利用法国JOBIN YVON公司生产的LabRAM HR800型激光拉曼探针对样品中的含烃盐水包裹体及气烃包裹体进行单个流体包裹体成分的测定,使用Yag晶体倍频固体激光器,实验过程中选用532 nm波长的激光进行测试,样品扫描范围为100～4 200 cm-1,所测光谱的计数时间为6 s,扫描次数为5次/s,激光束斑大小为±1 μm,光谱分辨率为2 cm-1。所有实验均在核工业北京地质研究院分析测试中心完成。

3 流体包裹体特征

3.1 显微岩相学特征

包裹体显微岩相学是划分流体包裹体期次并将其应用于成矿流体性质、来源、活动期次和油气成藏运/聚期次的基础,包括成岩矿物世代划分或矿物先后关系研究,以及同一世代矿物中流体包裹体赋存状态(原生、次生成因)和包裹体组合[1]。LD10-1区砂岩颗粒主要为点-线接触或凹凸-线接触,压实作用不强烈,压实程度随埋深增加而逐渐增强。观察发现,砂岩中少部分石英颗粒具有典型次生加大特征[图2(a)、图2(b)],加大边内普遍较干净,反映了成岩期流体活动相对较弱。LD10-1区砂岩主要的成岩作用是胶结作用,普遍发育碳酸盐胶结,胶结物以方解石为主[图2(c)～图2(f)、图2(j)],其次是白云石,胶结物连片分布,多数在UV激发荧光下显示碳酸盐矿物的荧光特征[图2(g)～图2(i)]。通过对成岩先后顺序的观测,LD10-1区砂岩的成岩先后顺序依次为:次生加大石英、方解石(白云石)胶结物[图2(k)、图2(l)]。另外,个别视域可观察到方解石交代石英现象。

图2 LD10-1-A井黄流组砂岩成岩特征Fig.2 Diagenetic characteristics of the Huangliu Formation sandstone of well LD10-1-A

从岩相学上来看,LD10-1区砂岩储层中发育的天然气包裹体主要形成于砂岩成岩期后,发育丰度普遍较低(GOI为±1%或<±1%),天然气包裹体呈深灰色、无荧光显示,不发育油包裹体,包裹体主要沿切穿砂岩石英颗粒及加大边的成岩期后微裂隙成带状分布[图3(a)～图3(d)]、方解石胶结物中分布[图3(e)、图3(f)]或沿石英颗粒加大边微裂隙分布。含烃盐水包裹体呈透明无色-灰色,主要沿切穿石英颗粒成岩期后微裂隙-微裂隙面分布或沿石英颗粒加大边微裂隙分布(图4)。包裹体形态多为圆形、椭圆形、不规则状等,石英微裂隙中包裹体大小多为2～20 μm,加大边或胶结物中包裹体普遍较小。

3.2 均一温度分布

流体包裹体均一温度是指气-液两相流体变为单一均匀相流体时所需的温度,用来评价初始的单相流体被捕获时流体包裹体的温度[14-15]。包裹体测温的原理是:大多数矿物是从具有一定温度、压力和组分的单相均一流体中结晶出来的,矿物结晶时由于晶体缺陷而捕获的成矿流体成为包裹体保存在矿物中,随温度降低发生气-液分离,当加热这些矿物时,包裹体流体中的气-液相随温度增加气相(或液相)缩小(或扩大),至某一温度时包裹体中气-液相重新转变成均一相,此时的温度即是均一温度(Th)。利用冷热台降温至包裹体完全冻结,然后使温度逐步回升,记录包裹体中最后一块冰晶消失时的温度,即冰点温度。可以利用冰点温度进行古盐度计算。

通过包裹体显微岩相学观察,LD10-1-A井黄流组砂岩中的天然气包裹体主要沿切穿石英颗粒成岩期后微裂隙成带分布或方解石胶结物中分布或沿石英颗粒加大边的微裂隙分布,对包裹体样品中与气烃包裹体伴生的含烃盐水包裹体进行均一温度和盐度测试,含烃盐水包裹体均一温度主峰范围为160～165 ℃和高于175 ℃,对应的包裹体盐度范围为0.35%～11.22%[图5(a)、图5(b)]。

图5 LD10-1区黄流组砂岩包裹体均一温度与盐度分布直方图Fig.5 Histograms of inclusion homogenization temperature and salinity of the Huangliu Formation sandstone in the LD10-1 area

LD10-1-B井黄流组砂岩中天然气包裹体主要为沿切穿石英颗粒成岩期后微裂隙或沿石英颗粒成岩期后微裂隙成带分布,通过对包裹体样品中与气烃包裹体伴生的含烃盐水包裹体进行均一温度和盐度测试,发现均一温度主峰范围150～165 ℃,对应的包裹体盐度范围为0.71%～16.43%[图5(c)、图5(d)]。

LD10-1-C井黄流组砂岩中天然气包裹体主要为沿切穿石英颗粒成岩期后微裂隙或沿石英颗粒成岩期后微裂隙成带分布,通过对包裹体样品中与气烃包裹体伴生的含烃盐水包裹体进行均一温度和盐度测试,均一温度主峰范围分别为160～165 ℃和高于175 ℃,对应的包裹体盐度范围为0.35%～6.74%[图5(e)、图5(f)]。

3.3 激光拉曼成分特征

在流体包裹体观察的基础上进行激光拉曼检测,可有效地鉴别样品中各种无荧光包裹体,包裹体中的气体成分以及主矿物在显微激光拉曼光谱图中都有特征明显的拉曼散射峰[16]。根据流体包裹体激光拉曼光谱图中各种组分的特征峰和强度,可以对流体包裹体组分进行半定量分析[17]。主要选用形态比较规则和保存完好的流体包裹体进行激光拉曼测定,研究发现,LD10-1区黄流组中纯气体包裹体很难打出拉曼峰,仅有个别同时显示较强的CO2拉曼散射特征峰和CH4拉曼散射特征峰,其他比较明显的拉曼峰为宿主矿物石英的拉曼散射峰[图6(a)]。沿切穿石英颗粒微裂隙分布的多数气液两相包裹体中气相成分具有明显的CH4拉曼散射特征峰,除了宿主矿物外,没有其他比较明显的激光拉曼散射特征峰[图6(b)～图6(d)]。以上包裹体拉曼成分特征说明LD10-1区黄流组砂岩中主要发育CH4气液两相包裹体及CH4、CO2气液两相/纯气相包裹体。CH4在高温高压环境下主要以水溶相和混相运移,这可能是该区多发育甲烷气液两相包裹体,少见纯甲烷气相包裹体的主要原因。

图6 LD10-1区石英颗粒微裂隙中气液两相包裹体及天然气包裹体拉曼谱图Fig.6 Raman spectra of gas-liquid inclusions and gas inclusions in the quartz fractures, LD10-1 area

值得提出的是本区多数纯气相包裹体和部分含烃盐水包裹体,拉曼测试不出气体成分,主要受样品中碳酸盐岩胶结物荧光干扰等因素影响,达不到测试要求,导致可用于激光拉曼测试的包裹体极少。

4 油气成藏期次

利用流体包裹体地球化学研究油气成藏已经得到了广泛的应用,综合分析油气包裹体丰度、包裹体岩相学、包裹体激光拉成分曼和包裹体显微测温等,研究油气成藏史及油气成藏机理具有较大的优势[18]。与烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度更接近被捕获时的古地温,适合用来进行油气成藏期的研究。根据盐水包裹体均一温度以及盆地古地温史、埋藏史信息可确定盐水包裹体的形成时间,即气藏形成时间[19-22]。

在构造演化和生烃演化史方面,前人做了大量工作,能够为本次成藏期次研究提供参考。莺歌海盆地右旋走滑运动发生在2.4～0.5 Ma[23],右旋走滑断层派生的局部张性作用是底辟活动的诱导作用力[24],而流体充注过程与底辟活动息息相关,晚期流体活动不仅改造储层还促使天然气运聚成藏。有人研究认为乐东区中新统高成熟烃源岩生成的天然气在距今1.2～0.4 Ma,通过增压开启的微裂缝运移至黄流组储层中并聚集成藏[25]。也有人研究发现乐东区烃源岩早期热演化程度相对较低,2.5 Ma左右开始进入生气阶段,在2.0 Ma之后大量生气[26]。

在成藏期次方面,郭潇潇等[27]和李伟等[13]认为LD10区气藏充注时间在1.8 Ma之后,姜平等[28]识别出3期不同成分天然气充注,税蕾蕾等[10]认为乐东地区黄流组储层经历了至少两期富CO2的热液流体活动,范彩伟等[26]认为乐东10区黄流组储层存在两期CO2充注和两期烃类气体充注,但均在2 Ma之后。研究以LD10-1-A井为例,黄流组砂岩储层成岩期后主要有2期油气活动过程,均一温度相差不大(160～165 ℃和高于175 ℃),应该与该区生烃时间较晚、晚期流体持续充注以及晚期底辟幕式活动有关系。晚期热流体活动较强,烃类运移伴随有热液流体充注,流体以纯CH4、CH4和CO2的混合成分为主。结合LD10-1-A井埋藏史、烃源岩生烃史以及构造演化史分析,黄流组储层成岩期后主要有2期油气成藏过程,时间分别为±1.4 Ma和0.9 Ma至今(图7)。郭潇潇等[27]认为邻区东方区早期天然气充注以烃类气体为主,在3.0～2.0 Ma,晚期以烃类气体和少量CO2为主,约0.8 Ma之后。乐东区油气充注较东方区晚,这与东方区烃源岩生气时间较早、持续时间较长,而乐东区烃源岩生气时间相对较晚有关系,但二者天然气的成藏机制有共同之处,即均处于高温高压带,天然气成藏均受控于底辟活动[29]。

图7 LD10-1-A井黄流组砂岩储层油气充注时间Fig.7 Periods of hydrocarbon accumulation of the Huangliu Formation sandstone in well LD10-1-A

5 结论

(1)LD10-1区黄流组砂岩粒间孔隙普遍被方解石致密胶结,局部发育白云石胶结物,部分石英颗粒发育典型的成岩次生加大边,成岩先后顺序为次生加大石英、方解石(白云石)胶结物。

(2)流体包裹体记录了油气充注时的古流体信息,LD10-1区黄流组砂岩储层中包裹体比较发育,主要沿切穿石英颗粒及加大边微裂隙成带状分布、或碳酸岩胶结物中成带状分布/成群分布,包裹体中气相成分以纯CH4、CH4和CO2的混合成分为主。

(3)砂岩成岩期后主要有两期天然气充注过程,其中,LD10-1-A井黄流组包裹体均一温度分布在160～165 ℃和高于175 ℃,结合构造演化史、埋藏史及生烃史等地质条件综合分析,LD10-1-A井黄流组油气成藏时间较晚,主要为±1.4 Ma和0.9 Ma至今,这与该区生烃时间较晚、晚期流体持续充注以及晚期底辟幕式活动有关系。