利用天然氣包裹體方法劃分天然氣成藏期次——以鄂爾多斯盆地東南部上古生界儲(chǔ)層為例

翁 凱 張 雪 李榮西 李繼宏

(1.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院 西安 7100554;2.國(guó)土資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安地質(zhì)調(diào)查中心 西安 710054;3.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田勘探開(kāi)發(fā)研究院 西安 710021)

儲(chǔ)層天然氣包裹體是在儲(chǔ)集巖裂縫、孔、洞充填物和膠結(jié)物等結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中捕獲儲(chǔ)層中天然氣而形成的包裹體［1～3］。天然氣包裹體是天然氣運(yùn)移和聚集成藏過(guò)程中保存在成巖礦物中的遺跡和記錄，能夠很好的反映天然氣成藏期次，是天然氣勘探中的一種重要研究手段［4～8］。

鄂爾多斯盆地上古生界有著豐富的天然氣資源，經(jīng)過(guò)多年的努力，先后發(fā)現(xiàn)了榆林、蘇里格、烏審旗及米脂等大型天然氣田［9～12］。這些天然氣田多集中在盆地的中北部地區(qū)，為了尋找新的天然氣接替區(qū)，人們開(kāi)始對(duì)勘探程度較低的盆地東南部上古生界進(jìn)行研究。多年的勘探成果表明鄂爾多斯盆地東南部有著巨大的天然氣開(kāi)發(fā)潛力［13～16］。前人曾利用流體包裹體手段對(duì)盆地上古生界天然氣成藏期次進(jìn)行過(guò)劃分。劉建章等在盆地東部劃分出6期天然氣成藏，南部和中部劃分出5期，西部只劃分出3期［17］;樊愛(ài)萍等在盆地上古生界儲(chǔ)層中劃分出兩期天然氣成藏［18］;薛會(huì)等在杭錦旗地區(qū)劃分出兩期天然氣成藏［19］。以上研究主要依據(jù)流體包裹體測(cè)溫結(jié)果，缺少對(duì)儲(chǔ)層巖相學(xué)和成巖作用的研究。本文以鄂爾多斯盆地東南部上古生界天然氣藏為例，在對(duì)其儲(chǔ)層巖相學(xué)和成巖作用研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合儲(chǔ)層天然氣包裹體技術(shù)，分析該區(qū)上古生界天然氣藏的天然氣運(yùn)移與成藏期次。

1 樣品的地質(zhì)特征

鄂爾多斯盆地是華北板塊內(nèi)一個(gè)大型的殘延克拉通盆地，是一個(gè)經(jīng)歷了多次構(gòu)造變動(dòng)、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地質(zhì)構(gòu)造演化而成的一個(gè)大型疊合盆地。盆地基底為太古界、古元古界的一套古老的變質(zhì)結(jié)晶巖系，蓋層由陸內(nèi)裂谷型的新元古界、下古生界海相地層、上古生界海陸過(guò)渡相地層和中生界陸相沉積地層組成，沉積巖厚度5 000～7 000 m。盆地東南部上古生界砂巖儲(chǔ)層主要為太原組、山西組、下石盒子組和上石盒子組，巖性以石英砂巖為主。本次研究采集了鄂爾多斯盆地東南部10口鉆井的巖芯樣品，在對(duì)巖芯觀察描述的基礎(chǔ)上，有代表性的采集了上古生界天然氣藏儲(chǔ)層樣品24塊進(jìn)行包裹體薄片的磨制。在顯微鏡下首先觀察包裹體薄片，其中一些樣品中沒(méi)有見(jiàn)到任何包裹體，在挑選過(guò)程中被剔除，最終選擇了19個(gè)砂巖樣品進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。首先在顯微鏡下通過(guò)巖石薄片和包裹體薄片觀察研究，在巖相學(xué)研究基礎(chǔ)上劃分成巖期次，確定成巖作用類型。其次在偏光顯微鏡和熒光顯微鏡下觀察研究天然氣包裹體巖相學(xué)特征，確定天然氣包裹體分布、相態(tài)、類型、豐度、熒光及包裹體與成巖礦物之間的相互關(guān)系等，分析天然氣包裹體反映的天然氣運(yùn)移與成藏期次。

圖1 鄂爾多斯盆地東南部上古生界天然氣儲(chǔ)層成巖礦物及流體包裹體特征Fig.1 The characteristics of upper Paleozoic natural gas reservoir diagenetic mineral and fluid inclusion in the southeast of the Ordos Basin

2 成巖階段與成巖作用

2.1 主要的成巖階段

顯微鏡下巖相學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)本區(qū)上古生界砂巖儲(chǔ)層基本上可以識(shí)別出四個(gè)大的成巖階段，分別對(duì)應(yīng)早成巖階段的早期(未成熟階段)和晚期(半成熟階段)、晚成巖階段的早期(成熟階段)和晚期(高成熟階段)。第一階段為早成巖階段早期淺埋藏成巖作用，表現(xiàn)為碎屑顆粒多呈點(diǎn)—線接觸關(guān)系，大量硅質(zhì)膠結(jié)物形成。第二階段為裂隙作用和溶蝕作用，這是本區(qū)較強(qiáng)的一次成巖作用，石英、長(zhǎng)石普遍受影響而形成大量的裂隙，同時(shí)出現(xiàn)大量溶蝕孔隙。第三階段是晚期深埋藏成巖作用，表現(xiàn)為在石英碎屑顆粒溶蝕和早期裂隙基礎(chǔ)上發(fā)生重結(jié)晶作用，使溶蝕孔隙和裂隙愈合，并形成多個(gè)生長(zhǎng)加大邊，也出現(xiàn)大量的硅質(zhì)膠結(jié)物。第四階段為晚期構(gòu)造應(yīng)力裂隙發(fā)育和晚期碳酸鹽巖和石膏等鹽類礦物的形成。

2.2 主要的成巖作用類型

(1)壓實(shí)和壓溶作用 在早成巖階段由于受上覆沉積物壓載作用，在砂巖中表現(xiàn)為碎屑顆粒趨于最緊密堆積。壓實(shí)作用主要表現(xiàn)為石英等剛性碎屑顆粒壓裂破碎，同時(shí)發(fā)生壓溶現(xiàn)象，在顆粒接觸處出現(xiàn)了溶解作用，顆粒接觸關(guān)系由點(diǎn)接觸變?yōu)榫€接觸到凸凹接觸，甚至出現(xiàn)鑲嵌、縫合線狀接觸關(guān)系。

(2)早期膠結(jié)作用 早成巖階段早期膠結(jié)作用主要為硅質(zhì)、鈣質(zhì)和黏土膠結(jié)，表現(xiàn)為石英顆粒邊緣形成的黏土礦物(高齡石和伊利石)襯墊、碎屑顆粒之間充填不規(guī)則狀形態(tài)的早期泥晶方解石和硅質(zhì)成分形成自生石英或燧石。

(3)交代作用 砂巖交代強(qiáng)烈，常見(jiàn)交代蝕變產(chǎn)物，使碎屑和雜基中不穩(wěn)定組分(主要為云母、長(zhǎng)石、火山碎屑等)發(fā)生變化，不穩(wěn)定組分常見(jiàn)的變化有黏土化、高嶺石化和絹云母化等。碳酸鹽礦物交代石英、巖屑、長(zhǎng)石和雜基等發(fā)生在晚期成巖作用期間，形成的方解石呈片狀連晶結(jié)構(gòu)，其中見(jiàn)包含著這些組分的殘骸。

(4)裂隙作用 上古生界分出兩期裂隙，分別形成于晚成巖階段的早期和晚期。早期裂隙一般伴隨有不同程度的溶蝕作用(圖1-a)，發(fā)育局限于碎屑顆粒內(nèi)部，多個(gè)方向縱橫交叉，但沒(méi)有完全切穿整個(gè)顆粒邊界和加大邊。晚期裂隙明顯切穿了顆粒邊界和加大邊，“切割”痕跡很清晰，顯微鏡下可以看到同一個(gè)裂隙橫向切穿不同顆粒，而且主要為一組裂隙，成雁行狀分布，其中充填有大量有機(jī)流體包裹體，包裹體呈長(zhǎng)軸狀沿裂隙方向延伸分布，或呈橢圓形沿裂隙呈串珠狀定向分布(圖1-b)。

(5)溶蝕作用 是石英砂巖比較明顯一次成巖作用，它是伴隨早期裂隙作用出現(xiàn)的，主要表現(xiàn)為石英顆粒出現(xiàn)港灣狀凸凹彎曲的邊緣，溶蝕孔隙形態(tài)多樣，極不規(guī)則，個(gè)體一般較大。而長(zhǎng)石顆粒中大量溶蝕孔隙沿其解理或在解理交叉處形成，多成伸長(zhǎng)狀的縫隙或孔隙(圖1-c)。

(6)石英次生加大作用和硅質(zhì)膠結(jié)作用 石英碎屑顆粒邊緣次生加大邊發(fā)育，主要表現(xiàn)為在具有溶蝕邊緣的石英顆粒的基礎(chǔ)上發(fā)生重結(jié)晶作用，形成了多個(gè)明顯的生長(zhǎng)邊環(huán)帶，即晚期石英次生加大邊(圖1-d，e)，從而使部分溶蝕作用形成的孔隙和早期裂隙愈合封閉，同時(shí)形成大量的硅質(zhì)膠結(jié)物，在石英加大邊中偶爾可見(jiàn)包裹體(圖1-d)。

(7)晚期膠結(jié)作用 主要為晚期方解石和硅質(zhì)膠結(jié)作用，特點(diǎn)是方解石呈亮晶連晶存在，其次為早期泥晶方解石重結(jié)晶形成亮晶顆粒方解石，硅質(zhì)膠結(jié)作用主要為重結(jié)晶的石英，干凈，無(wú)雜質(zhì)。

3 天然氣包裹體期次與特征

根據(jù)成巖作用、成巖階段、天然氣包裹體分布和相態(tài)特征的研究，發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地上古生界普遍見(jiàn)有兩期天然氣包裹體，分別形成于早成巖期的晚期和晚成巖期的晚期。

第一期天然氣包裹體分布在早期裂隙及與其相關(guān)的溶蝕孔隙中，早期裂隙沒(méi)有切穿碎屑顆粒加大邊(圖1-c、d、e)，沿裂隙分布的天然氣包裹體呈串珠狀定向分布，單個(gè)包裹體呈近圓形或橢圓形，充填在裂隙中的包裹體一般較大，而且包裹體長(zhǎng)軸方向與裂隙延伸方向一致。充填在溶蝕孔隙中的包裹體形態(tài)不規(guī)則(圖1-f)，有些溶蝕孔隙處于不同方向裂隙交叉處(圖1-c)。天然氣包裹體較大，一般在10～30 μm，相態(tài)復(fù)雜，普遍含鹽水成分，鹽水分布在包裹體邊緣和角落部位，無(wú)色透明，有機(jī)烴類分布在包裹體中間部位，多為淺褐黃色，與鹽水邊界截然，其中可見(jiàn)呈灰黑色的氣泡，但是氣泡與有機(jī)烴類界限不明顯，氣泡和液態(tài)烴折射率高，故其頂部具有一個(gè)亮點(diǎn)。本期包裹體氣/液比較高，一般為20%左右，偶爾可見(jiàn)包裹體發(fā)熒光。

第二期天然氣包裹體分布在晚期裂隙中和晚期亮晶方解石和石英膠結(jié)物中，晚期裂隙切穿了碎屑顆粒，裂隙較寬，主要為一組裂隙，裂隙成雁行狀分布，而且有彎曲變形現(xiàn)象，天然氣包裹體分布排列方式與裂隙一致，包裹體也有變形現(xiàn)象，沿裂隙方向呈一向延長(zhǎng)狀分布，或呈橢圓形沿裂隙呈串珠狀定向分布。晚期亮晶方解石和石英膠結(jié)物中的有機(jī)包裹體較多，而且呈面狀分布，分布在方解石或斜長(zhǎng)石解理面中，以氣態(tài)烴包裹體為主(圖1-f)。本期包裹體氣/液比小，一般小于10%，大部分為有機(jī)氣態(tài)和鹽水組成的氣液二相有機(jī)包裹體，包裹體壁薄，顏色淺。

4 天然氣包裹體形成條件和流體特征

圖2 上古生界包裹體均一溫度分布圖Fig.2 Homogenization temperature of inclusion in the upper Paleozoic

通過(guò)包裹體均一溫度的測(cè)試分析，可以了解在某個(gè)地質(zhì)時(shí)期天然氣包裹體形成時(shí)的古地溫［20，21］。由于只有均一相的流體包裹體的均一溫度才能反映其形成溫度，因此本次進(jìn)行均一溫度和冰點(diǎn)溫度測(cè)試的包裹體主要選擇與天然氣流體包裹體伴生的同期鹽水包裹體進(jìn)行測(cè)量。首先通過(guò)巖相學(xué)觀察區(qū)分清楚要分析的包裹體的期次和類型，然后分別測(cè)量不同期次包裹體的均一溫度，統(tǒng)計(jì)不同期次包裹體均一溫度的峰值。圖2為均一溫度測(cè)試結(jié)果。可以看出，第一期包裹體的均一溫度的峰值溫度在130℃～140℃，第二期包裹體的均一溫度的峰值溫度在160℃～170℃。

通過(guò)冰點(diǎn)溫度測(cè)量結(jié)果，利用Hall等1988年提出的NaCl—H2O體系鹽度—冰點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流體包裹體鹽度，由于鹽水包裹體的冰點(diǎn)受含溶解輕烴在冷凍過(guò)程形成天然氣水合物的影響，本次研究利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)理論值進(jìn)行了校正，結(jié)果表明上古生界包裹體鹽度數(shù)值分布范圍較寬，分布在 0.2wt%～18.0wt%之間，而且有兩個(gè)峰值區(qū)間:1.0wt%～2.0wt%之間(第一期包裹體的鹽度)和3.0wt%～4.0wt%之間(第二期包裹體的鹽度)。

5 天然氣成藏期次

天然氣包裹體代表了同期的天然氣運(yùn)移或聚集活動(dòng)，因此，通過(guò)對(duì)天然氣包裹體的研究可以確定相應(yīng)的天然氣的形成期次。本次重點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)層巖相學(xué)進(jìn)行了研究，在綜合研究成巖作用和成巖期次基礎(chǔ)上，查明天然氣包裹體寄主的自生成巖礦物及天然氣包裹體特征，結(jié)合天然氣包裹體均一溫度、冰點(diǎn)或鹽度和熒光特征等確定天然氣包裹體的期次，進(jìn)而確定天然氣的運(yùn)移和聚集成藏期次。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，第一期天然氣包裹體的分布受早期裂縫和溶蝕孔隙的嚴(yán)格控制，普遍分布在顆粒內(nèi)部的裂隙和溶蝕孔隙中，偶爾見(jiàn)有熒光，此類裂隙沒(méi)有切穿顆粒邊緣的加大邊(圖1-c、d、e)。包裹體形成溫度為 130℃～140℃ 之間，鹽度在 1.0wt%～2.0wt%之間，為上古生界天然氣大量形成初次運(yùn)移進(jìn)入儲(chǔ)層期間形成的包裹體。第二期天然氣包裹體以純氣態(tài)烴包裹體為主(圖1-f)，分布在晚期裂隙中和晚期亮晶方解石膠結(jié)物中，呈長(zhǎng)軸狀沿裂隙一向延長(zhǎng)分布，或呈橢圓形沿裂隙呈串珠狀定向分布，包裹體形成溫度為 160℃～170℃，鹽度在 3.0wt%～4.0wt%之間，為上古生界天然氣大規(guī)模二次運(yùn)移成藏階段形成的包裹體(表1)。

6 結(jié)論

鄂爾多斯盆地東南部上古生界砂巖儲(chǔ)層具有兩期天然氣包裹體，代表了兩期天然氣成藏事件。其中第一期天然氣包裹體形成于早成巖階段的晚期，分布在早期裂隙及其有關(guān)的溶蝕孔隙中，包裹體形成溫度為130℃～140℃之間，鹽度在1.0～2.0wt%之間，代表了本區(qū)早期天然氣初次運(yùn)移和注入儲(chǔ)層事件。第二期天然氣包裹體形成于晚成巖階段晚期，分布在晚期裂隙中和晚期亮晶方解石膠結(jié)物中，包裹體形成溫度為160℃～170℃，鹽度在3.0～4.0wt%之間，代表了本區(qū)天然氣大規(guī)模二次運(yùn)移聚集成藏事件。

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