基于包裹體PVTx數(shù)值模擬恢復油藏古溫壓
——存在的問題、對策及應用實例

席斌斌，蔣 宏，許 錦，陳強路，尤東華

(1.中國石化 油氣成藏重點實驗室，江蘇 無錫 214126； 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126； 3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

恢復油氣藏的流體古溫壓是確定油氣成藏期次、反演油氣演化過程研究的重要內(nèi)容。流體包裹體PVTx數(shù)值模擬可以恢復其捕獲時地層流體的溫壓條件，是研究油氣藏古溫壓的重要手段之一[1-8]。由于難以獲取油氣包裹體的精確組成[9]，油氣包裹體古溫壓的恢復存在較大困難。為了解決上述問題，APLIN等[1]提出了利用油氣包裹體均一溫度、氣液比以及假定的初始組分迭代計算獲取油氣包裹體等容線，進而與伴生鹽水包裹體均一溫度相交獲取油氣包裹體捕獲溫度、壓力的方法。THIERY等[2，10]在APLIN等[1]計算模型的基礎上，簡化了油氣包裹體初始成分的表達方式，提出了利用α(C10+組分的分布及含量)、β(甲烷含量)兩個組分參數(shù)替代油氣包裹體初始成分進行古溫壓恢復的方法。上述兩種方法提出后，在北海[10-14]、塔里木盆地[3]等多個地區(qū)進行了應用，在重建油氣藏PVT演化史研究方面起到了重要作用。

盡管如此，由于現(xiàn)有技術存在無法精確地獲取油包裹體組成，且油包裹體捕獲后可能發(fā)生次生變化等問題，造成上述方法所獲取的油包裹體等容線的準確性及適用性難以滿足研究需要[9，15-16]。與油包裹體相比，伴生的鹽水包裹體成分簡單，可以利用顯微測溫、拉曼光譜等手段進行限定。尤其是近年來激光拉曼在包裹體定量分析研究中的持續(xù)發(fā)展，使測定鹽水包裹體中微量甲烷含量成為可能[17-20]。因此，一些學者將含甲烷鹽水包裹體做為獨立的地質(zhì)壓力計，并應用于氣藏古溫壓恢復研究，取得了一系列較為理想的應用效果[21-24]。

然而，含甲烷鹽水包裹體能否作為獨立的地質(zhì)壓力計應用于油藏古溫壓恢復，仍需進一步研究。本文剖析了油包裹體古溫壓恢復方法及存在問題，并以塔里木盆地順南地區(qū)SN1井樣品為例，對油氣包裹體伴生的鹽水包裹體進行了激光拉曼成分分析，開展了PVTx數(shù)值模擬，以期對油藏包裹體古溫壓恢復提出新的研究思路。

1 原理及計算步驟

對于油—水不混溶體系而言，由于同期形成的油包裹體以及鹽水包裹體捕獲時處于相同的溫度以及壓力條件，因此二者等容線的交點即為捕獲溫度(Tt)和捕獲壓力(Pt)[1，25-26]。PIRONON[26]總結(jié)了油—水包裹體等容線相交的三種情況：(1)包裹體捕獲時，水溶液和原油中的氣體處于不飽和狀態(tài)，Tt和Pt為兩類包裹體在液相區(qū)等容線的交點(圖1a)。在這種情況下，油包裹體和鹽水包裹體的均一溫度(Th)和均一壓力(Ph)要低于Tt和Pt；(2)包裹體捕獲時，水溶液和原油中的氣體處于氣體飽和狀態(tài)，包裹體等容線的交點與“泡點曲線”的交點重合(圖1b)。此時，油包裹體和鹽水包裹體的Th和Ph等于Tt和Pt。氣藏中包裹體捕獲時與此種情況類似，只不過與水溶液伴生的是天然氣而非原油；(3)包裹體捕獲時，水溶液中的氣體處于飽和狀態(tài)而原油中的氣體處于不飽和狀態(tài)，包裹體等容線的交點與鹽水包裹體泡點曲線重合(圖1c)。在上述情況下，油包裹體的Th和Ph要低于Tt和Pt，而鹽水包裹體的Th和Ph等于Tt和Pt。

圖1 油包裹體與鹽水包裹體等容線相交圖據(jù)文獻[26]，有修改。Fig.1 Intersection of isochors of co-existing petroleum and aqueous inclusions

如前文所述，油包裹體古溫壓恢復方法的關鍵是獲取兩類包裹體的Th、Ph以及其等容線。對于油包裹體而言，一般采用APLIN等[1]或THIERY等[2，10]的方法進行求解，即利用激光共聚焦掃描顯微鏡以及包裹體冷熱臺，分別測定油包裹體在室溫下的氣液比(Fv)以及Th，給定油包裹體的初始成分或α、β值，結(jié)合VTFlinc或PIT(FIT-Oil)軟件進行熱力學計算，獲得油包裹體的Ph以及等容線。對于鹽水溶液包裹體而言，一般近似地看作H2O-NaCl體系，利用包裹體冷熱臺測定的Th以及冰點溫度(Tice)，結(jié)合Flincor或Fluids軟件計算獲得鹽水包裹體的Ph以及等容線。

2 存在的問題

油氣包裹體古溫壓恢復是利用可獲得的熱力學參數(shù)進行熱力學計算的過程，因此所獲取的參數(shù)是否準確將直接影響計算結(jié)果的準確性。目前進行油氣包裹體古溫壓恢復所用到的參數(shù)主要包括包裹體的均一溫度、冰點溫度、氣液比以及組成。均一溫度以及冰點溫度的測試相對成熟，能夠獲得準確的數(shù)據(jù)。雖然應用激光共聚焦測定的油氣包裹體氣液比可能會受包裹體形狀、大小等影響，但是在選擇合適的包裹體以及圖像處理方法的前提下，還是可以獲得比較滿意的結(jié)果的[27]。

包裹體的組成是限定包裹體等容線、泡點曲線等的關鍵參數(shù)之一，由于受測試手段的限制，現(xiàn)有的方法仍然采用“假定成分”來代替油包裹體的真實成分，這就使得獲得的等容線可能存在一定的誤差。光譜實驗分析以及熱力學模擬結(jié)果均證實在地層溫壓，尤其是高溫高壓條件下原油中可能會溶解一定數(shù)量的水(圖2)。顯然，溶解態(tài)水的存在亦可能會對油包裹體等容線的斜率造成影響[15，28-29]。

圖2 不同溫壓條件下原油中水的溶解度變化原油組分來源于文獻[1]。Fig.2 Solubility of water in oil atdifferent temperatures and pressures

隨著我國油氣勘探向深層拓展，以順北油氣田為代表的(超)深層油氣藏逐漸被揭示。在深層高溫高壓條件下，早期捕獲的油氣包裹體因熱裂解等而導致其成分發(fā)生不可逆的次生變化[16]，造成現(xiàn)有的油藏包裹體古溫壓恢復方法無法應用。

相對于油包裹體而言，與其伴生的鹽水包裹體成分簡單，主要由水、NaCl等電解質(zhì)以及少量的CH4等揮發(fā)分組成[9]。盡管如此，如果在計算鹽水包裹體等容線時忽略了水溶液中溶解的微量甲烷，也會產(chǎn)生較大的誤差[17-18]。

3 油藏古溫壓恢復的對策

如圖1所示，對于第二以及第三種情況而言，伴生鹽水包裹體的均一溫度以及均一壓力即為捕獲壓力，因此伴生鹽水包裹體可以作為獨立的地質(zhì)壓力計恢復捕獲溫壓。對于第一種情況而言，伴生鹽水包裹體的均一溫度以及均一壓力要小于捕獲溫度以及捕獲壓力，雖然不能單獨利用伴生鹽水包裹體恢復捕獲溫壓，但是仍然可以用以限定最低捕獲溫壓值[1]。

如前文所述，獲得伴生鹽水包裹體溶解的微量的CH4含量是準確恢復其均一壓力的關鍵。伴生鹽水包裹體中CH4含量的定量分析方法主要有兩種：一是直接分析法，即冷熱臺測溫與激光拉曼原位分析相結(jié)合，在包裹體均一時收集甲烷以及水的拉曼光譜，求得甲烷與水的拉曼峰面積比值(I(CH4)/I(H2O))。然后，根據(jù)I(CH4)/I(H2O)、NaCl含量以及CH4含量的關系式(或標準曲線)求得包裹體中CH4的含量[17-18]；二是間接分析法，即在室溫下獲得鹽水包裹體氣泡中CH4的拉曼位移，再根據(jù)甲烷拉曼位移與壓力的關系式(或標準曲線)求得室溫下包裹體內(nèi)壓，最后結(jié)合包裹體鹽度以及均一溫度，利用狀態(tài)方程計算得到包裹體中甲烷的含量[20-24，30]。上述兩種方法各有優(yōu)缺點，從測定實驗數(shù)據(jù)的難易程度來看，第二種方法要優(yōu)于第一種方法。因為均一條件下CH4以溶解態(tài)分布在整個包裹體中，而室溫條件下甲烷集中在包裹體的氣泡中，顯然光斑作用在氣泡上更容易檢測出包裹體中甲烷的信號。需要指出的是，在甲烷含量相對較低以及礦物本底干擾較強的情況下，第一種方法甚至無法獲取甲烷的拉曼信號(圖3)。從建立標準曲線的難易程度來看，第二種方法也要優(yōu)于第一種方法。因為第一種方法的標準曲線需要同時考慮溫度、壓力以及鹽度對甲烷拉曼峰面積的影響，因此需要建立多條標準曲線并且需要進行外推。而第二種方法只需要考慮壓力的影響，不需要考慮溫度以及鹽度的變化。從最終獲取CH4含量的計算過程的復雜程度來看，第一種方法要優(yōu)于第二種方法，因為將I(CH4)/I(H2O)代入I(CH4)/I(H2O)、NaCl含量以及CH4含量的關系式，便可以直接獲得包裹體中的CH4含量，而第二種方法還需要進行復雜的熱力學計算，才能獲得包裹體中CH4的含量，一般需要借助計算機編程對上述計算過程實現(xiàn)程序化處理[31]。在收集包裹體的拉曼光譜時，油氣包裹體主要的寄主礦物方解石通常具有較高的背景值，并且沉積盆地中捕獲的鹽水包裹體中甲烷含量一般較低，因此，筆者認為第二種方法更適合于與油包裹體伴生的鹽水包裹體中CH4含量的測定。

圖3 室溫及均一溫度條件下四川盆地普光5井方解石中含CH4鹽水包裹體拉曼光譜a.均一溫度條件下拉曼光譜，未檢出CH4拉曼峰；b.室溫下拉曼光譜，氣泡中可以檢出CH4拉曼峰Fig.3 Raman spectra of CH4-bearing aqueous inclusions under ambient temperatureand homogenization temperature in calcite veins of well Puguang 5, Sichuan Basin

在測定了伴生鹽水包裹體中CH4的含量之后，結(jié)合測得的均一溫度以及冰點溫度，便可以利用DUAN等[32]的CH4-H2O-NaCl體系的狀態(tài)方程，計算得到伴生鹽水包裹體的均一溫度以及均一壓力，即(最低)捕獲溫壓[20]。

4 應用實例

本次研究選取塔里木盆地順南地區(qū)SN1井為例進行應用研究。該井位于順托果勒低隆南部的順南斜坡，為順托低隆與古城墟隆起之間的過渡帶，其西南以塔中I號斷裂帶為界，東北與滿加爾坳陷相鄰。該地區(qū)處于塔里木盆地相對穩(wěn)定的古構造單元，褶皺變形弱，寒武系—古近系發(fā)育齊全[33-35]。寒武系玉爾吐斯組泥質(zhì)烴源巖、中下奧陶統(tǒng)鷹山組—中奧陶統(tǒng)一間房組碳酸鹽巖與巨厚(3 000 m左右)的上奧陶統(tǒng)卻爾卻克組泥巖形成良好的“源—儲—蓋”匹配關系。順南地區(qū)以產(chǎn)出天然氣為主，干燥系數(shù)較高，在0.95以上，呈現(xiàn)典型的過成熟干氣屬性[36]。在部分鉆井中可見少量凝析油，原油地化分析檢測出高金剛烷含量以及完整的低聚硫代金剛烷系列，指示其可能經(jīng)歷了極強的原油裂解作用以及中等強度的TSR反應[37]。

鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，SN1井一間房組巖心以泥晶灰?guī)r為主，發(fā)育少量高角度(與層面夾角為70°～85°)裂縫，縫寬在0.5～5 mm之間，多被方解石全充填(圖4a)。在高角度裂縫發(fā)育附近部位可見基質(zhì)灰?guī)r被柱狀石英交代的現(xiàn)象(圖4b-c)，上述現(xiàn)象被認為是灰?guī)r遭受熱液改造的標志[38-40]。在高角度裂縫充填的方解石中，包裹體較發(fā)育，以氣液兩相鹽水包裹體以及含瀝青烴包裹體為主，二者多伴生分布(圖4d-i)，推測為同期捕獲的產(chǎn)物。氣液兩相鹽水包裹體在透射光下為無色，氣液比在15%左右，室溫下氣泡的激光拉曼光譜可見尖銳的CH4峰(圖5a-b)。含瀝青烴包裹體在透射光下為無色—淺褐色，液態(tài)烴在熒光下發(fā)藍綠色熒光。瀝青呈團塊狀或沿包裹體壁分布，透射光下呈黑色，不發(fā)熒光。拉曼光譜分析顯示，瀝青的拉曼光譜呈典型的“D—G”以及“D’—G’”雙峰形態(tài)(圖5c-d)[41-43]。

圖4 塔里木盆地順南地區(qū)SN1井奧陶系儲層包裹體照片a.樣品中發(fā)育方解石脈；b，c.樣品中發(fā)育柱狀石英；d,f,h.方解石脈中發(fā)育含瀝青烴包裹體以及伴生的氣液兩相鹽水包裹體；e，g，i分別為d，f，h對應的熒光照片F(xiàn)ig.4 Micro-photographs of fluid inclusions in Ordovician reservoirs in well SN 1, South Shuntuoguole area, Tarim Basin

圖5 含瀝青烴包裹體以及氣液兩相鹽水包裹體拉曼光譜a，b.氣液兩相鹽水包裹體中氣泡的拉曼光譜；c，d.含瀝青烴包裹體的拉曼光譜Fig.5 Raman spectra of two-phase aqueous inclusions and gas-oil-bitumen bearing inclusions

前人研究[16]表明，烴包裹體中的瀝青主要有兩種成因：一種為“偶然捕獲”成因，即包裹體捕獲時瀝青已經(jīng)存在，瀝青以“雜質(zhì)”的形式與烴類一起捕獲；另一種為熱演化成因，即包裹體捕獲時并不含有瀝青，捕獲同時或捕獲后受后期埋深、熱流體活動等熱事件的影響，包裹體內(nèi)的烴類發(fā)生熱裂解而生成的瀝青。第一種情況捕獲的瀝青，在同一期包裹體中隨機分布，甚至可見純?yōu)r青包裹體與不含瀝青的包裹體伴生的現(xiàn)象。第二種情況生成的瀝青，在同一期包裹體中均有發(fā)育。SN1井幾乎每個含烴包裹體中都含有瀝青(圖4d-i)，推測含瀝青烴包裹體中的瀝青應為第二種成因。

由于SN1井含瀝青烴包裹體遭受了次生蝕變，其組成已不能代表捕獲時的狀態(tài)，因此本次研究選取與上述含瀝青烴包裹體伴生的氣液兩相鹽水包裹體進行古溫壓恢復。包裹體均一溫度以及冰點溫度測定采用英國Linkam公司生產(chǎn)的MDSG600型地質(zhì)冷熱臺與德國蔡司公司生產(chǎn)的Axioskop40型偏光/熒光顯微鏡組成的顯微測溫系統(tǒng)完成。激光拉曼分析采用日本Horiba LabRam HR Evolution型顯微共焦快速掃描成像拉曼光譜儀，激光波長為532 nm，源激光功率為100 mW，樣品表面激光功率控制在小于1 mW，狹縫為50 μm，光柵為600 g/mm，曝光時間為10 s，采譜范圍為100～4 000 cm-1。在收集鹽水包裹體氣泡中CH4的拉曼信號同時，采集氖燈的拉曼信號作為內(nèi)標，對CH4的拉曼位移進行標定。室溫下，CH4拉曼位移與壓力的關系根據(jù)席斌斌等[19-24，26-44]的方法進行標定。

包裹體均一溫度測試表明，有超過半數(shù)的氣液兩相鹽水包裹體在均一前(約180 ℃)發(fā)生了爆裂，只有少數(shù)包裹體能夠成功測定均一溫度，其分布范圍為170～185 ℃(表1)。包裹體內(nèi)外壓差過大是造成測溫過程中包裹體發(fā)生爆裂的主要原因[45-46]，SN1井包裹體爆裂現(xiàn)象普遍，說明包裹體捕獲時可能存在較高的壓力。本次研究利用“間接分析法”對上述鹽水包裹體中甲烷的含量以及均一壓力進行了計算，結(jié)果表明未發(fā)生爆裂的鹽水包裹體均一壓力分布范圍為39.1～109.4 MPa，而發(fā)生爆裂的鹽水包裹體最大均一壓力超過165.8 MPa(表1)。

表1 塔里木盆地順南地區(qū)SN1井鹽水包裹體古溫壓恢復結(jié)果

綜上所述，SN1井伴生鹽水包裹體呈現(xiàn)出高溫高壓以及壓力波動大的特征。對比該地區(qū)熱埋藏史[16]發(fā)現(xiàn)，上述包裹體的均一溫度已超過該地區(qū)所經(jīng)歷的最高古地溫(～165 ℃)。除此之外，在裂縫附近的基質(zhì)灰?guī)r中發(fā)現(xiàn)了熱液改造的標志礦物(柱狀石英)，說明熱流體活動可能是造成包裹體均一溫度異常高的主要原因。除捕獲時地層流體壓力波動外，包裹體捕獲后遭受的再平衡改造過程，亦可能造成同期捕獲的包裹體的均一壓力存在較大的波動范圍[47-48]。本次研究有超過一半的包裹體受爆裂的影響而無法獲得準確的均一溫度，因此無法嚴格地用“同一包裹體組合(FIA)中，90%的均一溫度數(shù)據(jù)的差別在10～15 ℃以內(nèi)，是包裹體未發(fā)生再平衡改造的強力證據(jù)”[47]的標準來判識包裹體是否經(jīng)受了再平衡改造過程，但是未爆裂的包裹體均一溫度分布范圍符合未發(fā)生再平衡改造判識標準，以及同一包裹體組合中未爆裂的包裹體與爆裂的包裹體常常同時存在，說明SN1井包裹體均一壓力分布范圍應該是真實反映了捕獲時地層流體的壓力波動情況。前人研究表明原油裂解成氣是一個壓力快速增高的過程，原油裂解的起始階段即可形成超過20 MPa的超壓[49]。據(jù)SN1井發(fā)育大量含瀝青烴包裹體以及該地區(qū)原油地化指標呈現(xiàn)出極強的熱裂解特征[37]，推測SN1井原油充注后所經(jīng)歷的裂解增壓過程可能是造成伴生鹽水包裹體均一壓力呈現(xiàn)出異常高壓以及波動大的主要原因。

包裹體均一溫度(或捕獲溫度)與熱埋藏史結(jié)合是確定流體活動時間的常用手段，但是由于SN1井與熱液活動相關的鹽水包裹體均一溫度超過了該地區(qū)所經(jīng)歷的最高古地溫，因此無法直接應用上述方法確定熱液活動時間。如前文所述，SN1井鹽水包裹體古壓力的波動記錄了原油裂解過程中壓力的變化，因此表1中均一壓力的最低值(39.1 MPa)可能最接近原油未裂解時的孔隙流體壓力。本研究嘗試利用上述壓力最低值，按照10 MPa/km的靜水壓力梯度，換算成古埋深并投影到該地區(qū)熱埋藏史圖上，大致確定熱液活動時間為海西期(圖6)[16]。前人研究表明，順南地區(qū)加里東期—海西期活動的NE向走滑斷裂向下切穿寒武系底界，是油氣及熱流體運聚的主要通道[33，50-56]，上述認識與本次研究所獲得的熱液活動時間具有較好的時空匹配關系。

圖6 塔里木盆地順南地區(qū)SN1井熱液活動時間投影圖底圖據(jù)文獻[16]。Fig.6 Trapping time of hydrothermal fluid in well SN 1,South Shuntuoguole area, Tarim Basin

5 結(jié)論

(1)受油包裹體組分無法精確測定以及油包裹體遭受次生蝕變后組成發(fā)生不可逆變化等因素的影響，現(xiàn)有的油藏包裹體古溫壓恢復方法所獲取的油包裹體等容線的準確性及適用性存在不確定性。

(2)與油包裹體相比，伴生鹽水包裹體組成相對簡單且遭受次生蝕變影響的概率較小，可以做為獨立的地質(zhì)壓力計，應用于油藏包裹體古溫壓恢復，該方法尤其適用于(超)深層層系中經(jīng)歷了明顯次生蝕變的油藏古溫壓恢復，能夠在一定程度上彌補現(xiàn)有方法的不足。

(3)塔里木盆地順南地區(qū)SN1井發(fā)育遭受過次生蝕變的含瀝青烴包裹體以及伴生的鹽水包裹體。伴生的鹽水包裹體古溫壓恢復結(jié)果表明SN1井包裹體呈現(xiàn)高溫高壓以及壓力波動范圍大的特點，推測原油充注后受熱流體活動的影響經(jīng)歷了原油裂解增壓的過程。

(4)SN1井均一壓力的最低值與熱埋藏史圖結(jié)合，大致確定了熱液活動時間為海西期，上述認識與該地區(qū)NE向走滑斷裂活動存在較好的時空匹配關系。

(5)與油包裹體伴生的鹽水包裹體可以作為獨立的地質(zhì)壓力計用于油藏古溫壓恢復，具有較廣闊的應用前景。