鶯歌海盆地樂東10區(qū)CO2包裹體特征及其流體充注史

稅蕾蕾，郭來源，徐新德，黃向勝，黃合庭，陳書偉，宋修章

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術公司 中海油實驗中心，天津 300452； 2.浙江一龍環(huán)保科技有限公司，杭州 310051； 3.中海石油(中國)有限公司 海南分公司，海口 570312)

鶯歌海盆地是我國南海北部大陸架重要的新生代富氣盆地，盆地主要探區(qū)為東方區(qū)和樂東區(qū)，近年來東方區(qū)中深層D11、D131、D132等地區(qū)大中型油氣田的發(fā)現(xiàn)，揭示了底辟帶高溫超壓領域良好的勘探前景。位于中央底辟帶東南部的樂東區(qū)中深層勘探程度較低，對該區(qū)成藏特征方面的研究較少[1]。近期在鶯歌海盆地坳陷斜坡帶南段(即中央底辟構造帶至鶯東斜坡帶之間的過渡區(qū)域[2])，樂東10區(qū)中的L1、L2、L3等氣田及鄰區(qū)的L11含氣構造、L16圈閉部署的鉆井中，均在中新統(tǒng)黃流組高溫高壓段發(fā)現(xiàn)了厚層氣層。以往研究認為，鶯歌海盆地天然氣主要是沿底辟垂向運移，由于骨架砂體欠發(fā)育，向斜坡帶中深層側向運移路徑不通暢，斜坡帶缺乏明顯的通源斷裂等垂向運移通道，導致供烴有限[2]。樂東10區(qū)氣田的發(fā)現(xiàn)，引起了對鶯歌海盆地非底辟構造的中深層巖性氣藏天然氣運移成藏問題的重大關注。本文綜合運用拉曼成分定量分析技術、包裹體顯微測溫技術，對樂東10區(qū)包裹體的均一溫度、密度、捕獲條件進行研究，并結合同位素分析結果，對二氧化碳流體包裹體的充注期次和埋藏史等參數(shù)進行了分析，以期為拓展鶯歌海盆地中深層天然氣運移方向、成藏機制和勘探開發(fā)提供更多依據(jù)。

1 區(qū)域地質特征

鶯歌海盆地屬于南海西北部大陸邊緣新生代沉積盆地，可劃分為中央坳陷、鶯東斜坡和鶯西斜坡3個一級構造單元；而中央坳陷又包含了多個與斷裂活動有關的次級構造單元(圖1a)。盆地經(jīng)歷了早期斷陷和后期拗陷2個演化階段。鶯歌海盆地在斷陷階段沉積了古近系始新統(tǒng)湖相地層、漸新統(tǒng)崖城組以及陵水組海陸過渡相和海相地層；拗陷階段沉積了新近系三亞組、梅山組、黃流組和鶯歌海組海相地層和第四系[1-2]。新近紀的快速充填導致盆地發(fā)育大規(guī)模熱流體底辟和超高壓，形成了鶯歌海盆地獨特而復雜的底辟成藏系統(tǒng)。盆地東方區(qū)、樂東區(qū)都處于中央底辟發(fā)育帶，此前在盆地中淺層已取得油氣勘探突破[3-4]。

根據(jù)鉆井及地球化學研究成果，鶯歌海盆地存在四套烴源巖：始新統(tǒng)中—深湖相泥巖、漸新統(tǒng)崖城組海岸平原沼澤相煤系地層、下—中中新統(tǒng)海相泥巖(三亞組、梅山組)和上中新統(tǒng)—上新統(tǒng)海相泥巖(黃流組、鶯歌海組)。其中，下—中中新統(tǒng)海相泥巖(三亞組、梅山組)主要分布于盆地中央坳陷區(qū)，是一套半封閉淺海及半深海砂泥巖地層，厚4 000～6 000 m，泥巖占70%，是該區(qū)主要烴源巖。

樂東10區(qū)的氣田發(fā)育在坳陷斜坡帶南段近凹處(圖1b)，目的層為斜坡近凹陷處限制性水道內發(fā)育的濁積砂體，各氣組構造形態(tài)受凹陷斜坡背景及黃流組水道構造控制，整體表現(xiàn)為斜坡上東支水道自北東向南西方向下傾，在水道交匯區(qū)向西北、東南方向兩翼下傾的構造特征。樂東10區(qū)黃流組儲層由區(qū)域上發(fā)育的厚層淺海相泥巖和儲層內部發(fā)育的超壓泥巖蓋層共同封蓋。

圖1 鶯歌海盆地構造單元劃分(a)及研究區(qū)位置示意(b)Fig.1 Structural units (a) and location of study area (b) in Yinggehai Basin

樂東區(qū)塊黃流組—梅山組是重要的砂巖儲層，以細—中砂巖為主；天然氣藏中CO2占絕對優(yōu)勢，含量在60%～88%之間，最高超過90%。因此，查明CO2在天然氣藏中的運移規(guī)律和期次顯得非常必要。目前該儲層的成巖期主要處于中成巖階段，而研究區(qū)域存在超壓作用，可以抑制黏土礦物的轉化，減少膠結物生成的物質來源；同時通過增大碳酸鹽在流體介質中的溶解度，抑制碳酸鹽膠結物的生成，因此膠結物含量較少[5]，僅見少量的石英加大邊和碳酸鹽膠結物。通過對薄片的巖相學觀察和分析，膠結物中并沒有發(fā)現(xiàn)包裹體，包裹體主要集中在石英愈合裂隙中。

2 分析方法

采集了樂東10區(qū)9口井(L1區(qū)塊的2、3、5、6、12、13等6口井，L2區(qū)塊的1、2d 等2口井，L3區(qū)塊的1井)黃流組和梅山組儲層106塊原生粒間孔發(fā)育、鑄磨孔較發(fā)育的極細—細砂巖樣品，用于流體包裹體顯微測溫、激光拉曼光譜等分析。

以成巖序列為基礎，選擇不同期次石英裂隙內的包裹體劃分出包裹體組合(FIA)，并對不同包裹體組合內的單一包裹體分別進行編號，然后選擇每個包裹體組合內5個不同大小和形狀的包裹體進行顯微測溫。連續(xù)測兩遍，若前后誤差在2 ℃以內則取平均值作為實驗結果，誤差超過5 ℃則棄用該數(shù)據(jù)，誤差在2～5 ℃的則重新測溫，比較三次實驗數(shù)據(jù)，求取平均值作為最終數(shù)據(jù)。

包裹體顯微測溫分析實驗條件為：英國Linkam THMSG600型冷熱臺，配套Leica DM4500P顯微鏡。均一溫度測試時控制升溫速度在3～10 ℃/min，當包裹體接近均一溫度時，升溫速度小于2 ℃/min。冰點溫度測試過程為：先以10～20 ℃/min的速率快速降溫到-100～-90 ℃，并在此溫度下恒溫1 min，使包裹體充分冰凍；待包裹體完全結冰后，逐步升溫，在接近最后一塊冰晶消失前，降低升溫速率至0.5～1.0 ℃/min。

包裹體激光拉曼成分分析實驗條件：雷尼紹inVia Qontor激光拉曼光譜儀，激發(fā)波長為532 nm，光柵為1 800 gr/mm，曝光時間為1 s，激光功率100%(50 mW)，測試范圍為1 000～4 000 cm-1。

CO2包裹體激光拉曼密度測試條件：使用1 800 gr/mm格柵和50 μm狹縫的LabRAM HR光譜儀(Horiba Jobin Yvon)獲得拉曼光譜，光譜的分辨率為0.65 cm-1，拉曼光譜的采集范圍為1 250～1 650 cm-1，并采用氖管所發(fā)射的兩條光譜626.56 nm(1 447.07 cm-1)和633.36 nm(1 566.71 cm-1)進行校準。CO2的密度根據(jù)CO2的費米雙峰與密度之間的關系式計算[6-8]。

樣品的流體包裹體巖相學分析、測溫分析和激光拉曼成分分析在中海油湛江實驗中心廣東省海上高溫高壓油氣藏勘探開發(fā)企業(yè)重點實驗室完成；CO2包裹體密度定量分析在中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室測試完成。

3 實驗結果

3.1 包裹體巖石學特征

包裹體主要賦存于以細—中粒為主的石英顆粒中，石英顆粒普遍發(fā)育1～3組愈合裂隙，裂隙基本貫穿石英顆?；蛘哐仡w粒邊緣向內尖滅。石英顆粒愈合裂隙內的包裹體均為次生包裹體，通常為氣液兩相鹽水包裹體；包裹體大小為1～15 μm，圓形、橢圓形、長條形與不規(guī)則形并存，氣液比5%～20%不等。選擇包裹體組合時，盡可能沿同一裂隙附近選取主軸方向一致的包裹體(圖2)。

圖2 鶯歌海盆地樂東10區(qū)中新統(tǒng)黃流組石英裂隙內包裹體組合Fig.2 Inclusion assemblage in quartz fractures of MioceneHuangliu Formation, Ledong 10 area,Yinggehai Basin

3.2 包裹體分類

包裹體類型多樣，包括鹽水包裹體、烴類包裹體、二氧化碳包裹體。參考張鼐[9]總結的包裹體分類方案，依據(jù)成分特征，將成巖包裹體劃分為五類：鹽水包裹體、二氧化碳包裹體、氣相甲烷包裹體、混合氣包裹體和含混合氣的鹽水溶液包裹體(表1)。

表1 鶯歌海盆地樂東10區(qū)構造流體包裹體分類特征

(1)鹽水包裹體：此類包裹體發(fā)育豐富，分布于各個層位和深度，多呈氣液兩相存在，通常伴生其他類型的包裹體，無熒光特征(圖3a)。

(2)二氧化碳包裹體：該類包裹體在樂東10區(qū)儲層砂巖的薄片中可見，呈單一氣相或氣液兩相。其中單一氣相包裹體既見到賦存于石英顆粒裂隙內部，常溫下為黑色或者灰黑色，大小通常為9～12 μm，也可以見到位于微裂隙內，大小為2～5 μm的次生純CO2包裹體；氣液兩相則為透明無色。二氧化碳三相包裹體包括氣、液兩相CO2和鹽水溶液，包裹體中間可見白色亮點，無熒光特征(圖3b)。拉曼光譜圖上具有明顯的二氧化碳費米雙峰(1 380 cm-1和1 285 cm-1)(圖4a)，升溫至均一狀態(tài)下的氣、液兩相二氧化碳包裹體可見有水的拉曼位移峰(3 645 cm-1)，為CO2-H2O型包裹體(圖4b)。

圖3 鶯歌海盆地樂東10區(qū)流體包裹體顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographic pictures of fluid inclusions in Ledong 10 area, Yinggehai Basin

(3)氣相甲烷包裹體：該類包裹體在L1-12、L1-13井中均有分布，發(fā)育程度低于氣相二氧化碳包裹體，呈單一氣相，常溫下為黑色或者灰黑色，包裹體多呈圓形、橢圓形，直徑通常為3～8 μm；拉曼光譜可以見到明顯的甲烷峰位(2 917 cm-1)(圖4c)。

(4)混合氣包裹體：該類包裹體成分表現(xiàn)為二元特征，包括甲烷和二氧化碳的混合、氮氣和二氧化碳的混合、甲烷和氮氣的混合?；旌蠚獍w室溫下呈氣相，數(shù)量發(fā)育較少，形態(tài)多呈橢圓形、方形或不規(guī)則形狀，尺寸多分布于5～13 μm；拉曼光譜圖像顯示多種特征，包括甲烷峰(2 918 cm-1)和二氧化碳費米雙峰(1 385 cm-1和1 280 cm-1)(圖4d)，氮氣峰(2 329～2 330 cm-1)和二氧化碳費米雙峰(1385 cm-1和1280 cm-1)(圖4e)，甲烷峰(2 918 cm-1)和氮氣峰(2 329 cm-1)(圖4f)。

(5)含混合成分的鹽水包裹體：該類包裹體室溫下可見氣、液兩相和氣相，尺寸約10μm左右；拉曼光譜圖像可見甲烷、氮氣和水峰位移(圖4g，h)。其中含烴的鹽水包裹體，圍繞氣相具有黃色—淺黃色的熒光光學特征(圖3c)。

圖4 鶯歌海盆地樂東10區(qū)包裹體成分激光拉曼光譜分析Fig.4 Laser Raman spectroscopy analysis of inclusion composition, Ledong 10 area, Yinggehai Basin

3.3 CO2包裹體密度分析

根據(jù)CO2拉曼費米雙峰距離計算公式，計算了CO2包裹體密度[6]。

ρCO2=-0.030 314 551Δ3+9.432 834 797Δ2-

977.938 493 3Δ+33 780.382 42

(1)

式中：ρCO2為CO2包裹體密度；Δ為CO2包裹體拉曼費米雙峰間距。

表2展示了21個單一氣相二氧化碳包裹體的拉曼光譜定量數(shù)據(jù)，這些包裹體都位于石英裂隙內，雙峰之間的距離會隨著CO2氣包裹體的密度升高而增加，因此可以用來計算CO2包裹體的密度。計算結果發(fā)現(xiàn)兩種差異明顯的包裹體密度(表2，圖5)，分別為中密度CO2包裹體(0.43～0.53 g/cm3)和高密度CO2包裹體(0.76～0.89 g/cm3)，說明CO2充注背景存在差異。依據(jù)拉曼光譜測得的CO2包裹體密度大部分大于0.46 g/cm3，即大于氣態(tài)CO2包裹體密度，與前述CO2-H2O型[10]包裹體的分析結果一致。少量純CO2包裹體的密度小于0.46g/cm3，與前述單一氣相CO2包裹體的分析結果一致。中密度CO2氣包裹體的同期鹽水包裹體的均一溫度為173～178 ℃；高密度CO2氣包裹體的同期鹽水包裹體的均一溫度為150～171 ℃。

表2 鶯歌海盆地樂東10區(qū)二氧化碳包裹體拉曼定量分析數(shù)據(jù)

圖5 鶯歌海盆地樂東10區(qū)CO2-H2O型包裹體密度與同期鹽水包裹體均一溫度的關系Fig.5 Correlation between density of CO2-H2O type inclusionsand homogenization temperature of brine inclusionsduring the same period, Ledong 10 area, Yinggehai Basin

4 CO2的地化特征和成因

鶯歌海盆地的天然氣組成分布非常復雜[2-3]，樂東區(qū)CO2的含量變化非常大。位于中深層的黃流組和梅山組受底辟影響，熱流體上侵過程中，從深部帶來大量非烴氣，熱流體活動影響強的層段CO2含量都較高，熱流體影響弱的層段CO2含量較低。前人[11]總結了鶯瓊盆地無機成因CO2的氣藏中CO2含量大于60%，并伴有少部分烴類和含量低于10%的N2。本次研究的樂東10區(qū)天然氣中CO2含量除黃流組2個低值(26.32%和32.29%)、梅山組2個低值(23.22%和32.83%)外，其他值整體較高(43.08%～95.81%，平均61.80%)；天然氣中N2含量絕大多數(shù)小于10%，顯示應為無機成因CO2。

碳同位素可以進行物源示蹤，通常有機成因CO2的δ13C的變化范圍為-10‰～-30‰，無機成因CO2的δ13C的變化范圍為-8‰～3‰，有機和無機混合成因CO2的δ13C的變化范圍為-10‰～-8‰[1，11]。樂東10區(qū)CO2碳同位素測試結果顯示，黃流組在深度為4 215.48 m的樣品CO2碳同位素值為-9.04‰，表明為混合成因，其他樣品值均位于無機成因區(qū)間；梅山組CO2碳同位素值均處于無機成因范圍內。因此，從CO2含量和碳同位素值顯示來看，樂東10區(qū)黃流組和梅山組CO2主要為無機成因氣(圖6)。

圖6 鶯歌海盆地樂東10區(qū)CO2成因鑒別Fig.6 Genetic identification of CO2,Ledong 10 area, Yinggehai Basin

前人研究揭示，樂東區(qū)氣田部分天然氣樣品具有較重的碳同位素值，與中新統(tǒng)—漸新統(tǒng)鈣質碎屑巖及碳酸鹽礦物的碳同位素組成相近[2]。鉆探揭示，鶯歌海盆地梅山組和三亞組泥巖含鈣且見局部鈣質泥巖或鈣質粉砂巖薄夾層，位于鶯東斜坡帶的個別井鉆遇了前古近系灰?guī)r或白云巖，說明基底碳酸鹽巖局部分布，為無機CO2形成提供物質基礎。

5 討論

5.1 樂東10區(qū)流體充注期次

與烴類包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度代表油氣注入時儲層的溫度，均一溫度的峰值反映流體充注的高峰期。對同期鹽水包裹體的均一溫度研究發(fā)現(xiàn)，主要的溫度集中在150～180 ℃，均一溫度顯示為兩期充注特征。由于均一溫度比較連續(xù)，認為是兩次幕式充注更合適(150～160 ℃和160～180 ℃兩個區(qū)間)(圖7)。

結合熒光特征和同期鹽水包裹體均一溫度，可以判斷在充注過程中，先充注烴類的包裹體熒光顯示為黃色—淺黃色，大致可鑒別為高成熟油氣充注[12-13]。伴隨著兩次幕式充注過程的烴類同期鹽水包裹體均一溫度顯示為從低到高的過程，分別為150～160 ℃和160～180 ℃兩個區(qū)間；而與CO2包裹體同期的鹽水包裹體的均一溫度在160～170℃和170～190℃，略高于含烴鹽水包裹體的均一溫度(圖7)。均一溫度分布情況表明，前期主要是含烴熱流體，隨著研究區(qū)熱流體大規(guī)模、快速上侵，攜帶了大量的CO2氣，高溫高壓有利于CO2在水中的溶解，造成熱流體中CO2含量升高[14-15]。

圖7 鶯歌海盆地樂東10區(qū)包裹體均一溫度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of homogenizationtemperature of inclusions in Ledong 10 area, Yinggehai Basin

5.2 樂東10區(qū)流體充注時間

熱流體充注形成油氣藏的過程中，驅替了儲層孔隙中原有的流體，這個過程伴生的同期鹽水包裹體可以指示流體充注時間。因此將伴生鹽水包裹體的均一溫度投影到古地溫演化的埋藏熱演化史圖上，可得到流體充注時間。通過前文論述的均一溫度，研究區(qū)富含CO2熱流體活動主要有兩期，結合埋藏史分析，樂東10區(qū)兩次幕式充注的活動時間分別約為1.4～0.9 Ma和0.7～0.4 Ma(圖8)。在此期間，鶯歌海盆地開始快速沉降，底辟活動與超壓發(fā)育，熱流體上侵，大量CO2生成[15-16]，從而在盆地石英顆粒裂隙內留下記錄[14,17]，即石英顆粒裂隙內包裹體記錄了富含CO2熱流體活動信息[18]。

圖8 鶯歌海盆地樂東10區(qū)中深層儲層鹽水包裹體均一溫度及埋藏史Fig.8 Homogenization temperature and burial history of brine inclusionsin middle and deep reservoirs, Ledong 10 area, Yinggehai Basin

5.3 CO2流體活動對成藏過程的響應

鶯歌海盆地在上新世(1.9 Ma)之后特別是第四紀開始快速沉降，底辟活動與超壓發(fā)育[14-15]，產(chǎn)生的熱流體沿底辟斷裂及中央坳陷東斜坡隱伏斷裂上侵(圖9)，為無機成因CO2生成提供了重要的熱源和驅動力，導致深部梅山組和三亞組的鈣質泥巖快速分解，產(chǎn)生大量CO2并運聚成藏。

圖9 鶯歌海盆地樂東10區(qū)油氣運聚成藏模式據(jù)楊計海等[2]，有修改。Fig.9 Model showing oil and gas migration and accumulationin Ledong 10 area,Yinggehai Basin

鶯歌海盆地由于具有典型的高地溫和高熱流，形成極強的熱力場，因此CO2等非烴氣比其他地方要富集。研究區(qū)熱流體活動形成的烴類或富CO2的非烴類，大量充注時間都是在1.9 Ma之后。因此，上新世強烈的熱流體活動是本區(qū)CO2等非烴氣大量形成的關鍵因素。

在熱流體大規(guī)模、快速上侵過程中，攜帶的大量無機CO2對早期形成的烴類氣層進行改造。早期氣體中CH4和N2在水中的溶解度遠小于CO2，這個時期保存下來的包裹體中以富CH4和N2為特征。當富CO2天然氣大規(guī)模注入儲層，形成以CO2為主、多種有機和無機熱流體并存的充注背景。CO2的這種充注過程不僅體現(xiàn)在CO2含量的變化特征，CO2包裹體拉曼成分也表明，地層中形成以CO2為主的非烴類流體聚集。烴類氣和無機CO2氣充注時序不同，造成樂東10區(qū)天然氣組成變化。

底辟幕式活動為CO2的運移提供了窗口，黃流組CO2包裹體密度的變化正是與不同的幕式充注時間有關。當?shù)妆偬幱诨顒悠?，CO2充注量大，導致儲層中的CO2含量高，CO2包裹體的密度主要以高密度為主；當幕式活動結束，熱流體和CO2充注減少，儲層中的CO2含量降低，形成少量的中密度CO2包裹體。前述實驗結果亦顯示，不同密度CO2包裹體的均一溫度與兩期幕式充注埋藏史具有較好的對應關系。這種特征表明，研究區(qū)成藏流體受底辟作用控制，在高溫、高壓背景下，大量無機成因的CO2充注，形成氣藏[18]。該充注過程也留下了中—高密度CO2包裹體，記錄了底劈幕式活動下多個次級活動期內的流體充注。

6 結論

(1)拉曼成分分析認為，樂東10區(qū)包裹體類型主要為鹽水包裹體、CO2包裹體、氣相CH4包裹體、混合氣包裹體和含混合氣的鹽水包裹體。

(2)碳同位素成分分析表明，CO2氣主要為無機成因，主要來自于下伏的中新統(tǒng)烴源巖高成熟階段的產(chǎn)物。早期天然氣以富CH4烴類氣為主，底辟活動期間，大量無機CO2充注，形成以CO2為主、多種有機和無機熱流體并存充注背景。

(3)結合CO2流體包裹體密度特征、捕獲條件、沉積特征和均一溫度，將樂東10區(qū)CO2分為兩期幕式充注。第一期幕式充注時間為1.4～0.9 Ma，為高密度(0.76～0.89 g/cm3)的無機成因CO2；第二期幕式充注時間為0.7～0.4 Ma，主要充注中密度(0.43～0.53 g/cm3)的無機成因CO2。