儲層石英生長影響因素的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

李 茹,葛云錦,陳 勇,周瑤琪,周紅建

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利油田東勝精工石油開發(fā)集團(tuán)股份有限公司,山東東營 257000)

儲層石英生長影響因素的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

李 茹1,2,葛云錦1,陳 勇1,周瑤琪1,周紅建1

(1.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院,山東東營 257061;2.勝利油田東勝精工石油開發(fā)集團(tuán)股份有限公司,山東東營 257000)

設(shè)計(jì)不同鹽度、不同油水比及不同油品的人工合成石英烴類包裹體的實(shí)驗(yàn),考察不同成巖條件下油氣充注對石英生長的影響,對合成烴類包裹體的巖相學(xué)特征、均一溫度、熒光測試結(jié)果進(jìn)行分析,討論油水比、油品性質(zhì)、鹽度等因素對石英生長的影響。結(jié)果表明:含油氣條件下石英晶體能夠繼續(xù)生長從而捕獲烴類包裹體,但是也受到了一定抑制,抑制作用隨著含油飽和度增高而增強(qiáng);油氣可能會完全終止礦物的生長,但邊界條件還有待于進(jìn)一步確定;較高的鹽度促進(jìn)了石英包裹體的形成,輕質(zhì)油對石英晶體生長的抑制作用要相對大于重質(zhì)油的抑制作用。

烴類包裹體;人工合成;石英

目前,含油氣條件下的成巖作用一直存在爭議,有學(xué)者認(rèn)為石油充滿儲層會抑制成巖作用以致石英停止生長,其依據(jù)是一些含油砂巖儲層孔隙度的顯著差異[1-5]。但是,由于在石英膠結(jié)物中存在的石油包裹體具有相似的均一溫度范圍,膠結(jié)物和孔隙體積在水區(qū)和飽含油區(qū)具有很好的相關(guān)性,這又為油侵不會中斷石英膠結(jié)作用的觀點(diǎn)提供了主要經(jīng)驗(yàn)證據(jù)[6-9]。有學(xué)者對濟(jì)陽坳陷東營凹陷的石英礦物研究發(fā)現(xiàn),與水層相比,不同含油級別油層中的石英礦物相對含量沒有明顯的差別,油的充注并沒有使石英的膠結(jié)作用終止[10]。袁東山等[11]通過對黃驊凹陷石英礦物中油氣包裹體的研究認(rèn)為,石油充注到一定程度后膠結(jié)作用將會停止,后期進(jìn)入儲層的原油可能未被捕獲。因此,油氣充注對碎屑巖儲層石英成巖作用的影響一直是一個(gè)有待深入研究的科學(xué)問題。由于儲層中的烴類包裹體與儲層成巖作用密切相關(guān),它反映儲層成巖作用是否進(jìn)行、強(qiáng)弱程度及期次等,是研究儲層成巖作用的有效手段。為了深入了解碎屑巖儲層石英的成巖作用機(jī)制,筆者進(jìn)行在石英中人工合成烴類包裹體的實(shí)驗(yàn),希望實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)閮映蓭r作用研究提供依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

烴類包裹體 (油氣包裹體)是存在于儲層并被捕獲、封閉于成巖自生礦物晶格缺陷或者碎屑礦物成巖裂隙中的顯微流體,它不僅記錄了沉積成巖流體的成分、溫度、壓力等信息,同時(shí)也記錄了盆地油氣生成和演化信息,因而在儲層成巖作用、油氣運(yùn)移、油氣成藏、盆地分析、油藏地球化學(xué)等研究領(lǐng)域中有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[12]。流體包裹體的形成過程其實(shí)就是礦物與流體的相互作用過程,其中有物質(zhì)和能量的交換,因而通過實(shí)驗(yàn)人工合成烴類流體包裹體可以研究烴類包裹體的捕獲機(jī)制及含油氣流體條件下礦物晶體的生長情況,進(jìn)而研究水 -烴 -巖的相互作用機(jī)制[13-16]。

1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

由于本研究的主要目的是探討碎屑巖儲層的成巖作用,所以本次實(shí)驗(yàn)采用石英作為主礦物。將晶體切割成尺寸合適的小四方短柱,放入去離子水中進(jìn)行超聲波清洗,清除其表面的雜物,減少外界物質(zhì)干擾。將石英晶體短柱加熱至 350℃,迅速投入去離子水中淬火冷卻使其產(chǎn)生微裂隙,然后取出放入干燥箱中干燥待用。選取一定長度的金管(外徑約5 mm,壁厚約 0.2 mm,長度約 5 cm),一端封閉后,加入汽油(或原油)、過量 Si O2粉末及NaCl溶液,放入已經(jīng)產(chǎn)生微裂隙的石英短柱。實(shí)驗(yàn)中加入的汽油為 97#汽油,顏色為淡黃色,成分相對簡單,組成成分的相對分子質(zhì)量較低,不易發(fā)生裂解。加入的原油為成分較為復(fù)雜的重質(zhì)油,黑色,較黏稠。

合成包裹體實(shí)驗(yàn)在中國石油大學(xué) (華東)地球化學(xué)與巖石圈動(dòng)力學(xué)開放實(shí)驗(yàn)室的高溫高壓實(shí)驗(yàn)室完成,使用設(shè)備為內(nèi)淬火高溫高壓釜。前兩批實(shí)驗(yàn)為了探討不同油氣豐度及油品對石英成巖作用的影響,加入試樣油水比及油品不同。第三批實(shí)驗(yàn)為探討地層水鹽度對儲層成巖作用的影響,加入的NaCl溶液鹽度不同。實(shí)驗(yàn)方案見表 1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experi mental project

1.2 合成包裹體巖相學(xué)特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將石英晶體取出后磨片觀察,第一批實(shí)驗(yàn)的 2,3號樣品、第二批實(shí)驗(yàn)的 1,2,3號樣品以及第三批實(shí)驗(yàn)的 4個(gè)樣品中有包裹體形成。通過觀察得到人工合成包裹體的巖相學(xué)信息如下:

(1)包裹體的形狀。形狀取決于主礦物的特點(diǎn)、解理的性質(zhì)和不同結(jié)晶方向。礦物中的包裹體形狀有規(guī)則和不規(guī)則的區(qū)別,規(guī)則的包裹體形狀與主礦物晶形相同或接近,不規(guī)則的包裹體形狀與主礦物晶形完全不同。各個(gè)薄片中的包裹體形狀也不盡相同。本次實(shí)驗(yàn)觀察到的包裹體形狀多為近圓形和長條狀,也有小部分形狀不規(guī)則的包裹體出現(xiàn)。

(2)包裹體的大小。包裹體的大小取決于晶體缺陷或微裂隙的大小,同時(shí)也取決于微裂隙的愈合程度,若裂隙愈合較好,則包裹體尺寸較小,反之則可能形成較大的包裹體。通過觀察,薄片中的包裹體長度大都在 10～20μm,也有部分長條形包裹體的長度可達(dá)到 60μm。

(3)包裹體的氣液比。實(shí)驗(yàn)合成的氣液兩相包裹體氣液比總體在 30%左右,此外還有部分純液相烴類包裹體存在。

(4)包裹體的分布特征。包裹體受晶體微裂縫控制,呈線狀分布 (圖 1(a))。本次實(shí)驗(yàn)所觀察到的包裹體很好地體現(xiàn)了這個(gè)特點(diǎn),顯示了其是在裂縫愈合時(shí)形成的。由于水與油不混溶,造成包裹體形成時(shí),富集烴的和富集水的包裹體分別集中的現(xiàn)象 (圖 1(b),(c))。

(5)不混溶包裹體。根據(jù)包裹體捕獲機(jī)制,包裹體可以捕獲不混溶流體。本次實(shí)驗(yàn)中見到捕獲了不混溶的油和水的包裹體 (圖 1(d))。此類包裹體體積較大,說明較大的裂隙容易充入不混溶流體而形成不混溶包裹體。

1.3 合成包裹體熒光

石油包裹體和含烴包裹體的特征是在紫外光或藍(lán)光等激發(fā)下發(fā)出不同顏色的熒光,所以熒光成為分辨烴類包裹體和水溶液包裹體的有效方法。熒光的顏色和強(qiáng)度與包裹體中有機(jī)組成的分子結(jié)構(gòu)類型有關(guān),純飽和烴不發(fā)熒光,含 C C共軛雙鍵的分子易發(fā)熒光。一般認(rèn)為,隨著油氣演化程度的提高,油氣包裹體中液態(tài)烴的熒光顏色由亮黃、淺黃→棕色、褐黃、褐色→暗藍(lán)、藍(lán)灰→藍(lán)→乳白色[17]。

為了驗(yàn)證合成包裹體的性質(zhì),對添加了原油的樣品中的包裹體進(jìn)行了熒光分析 (圖 2),熒光顏色為黃棕色,說明包裹體捕獲的油成熟度較低,與實(shí)驗(yàn)加入的原油熒光性質(zhì)一致,通過熒光分析可以說明 在實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件下石英生長捕獲了烴類包裹體。

圖 1 人工合成包裹體鏡下特征Fig.1 Character of synthetic i nclusions under m icroscope

圖 2 人工合成烴類包裹體及熒光照片F(xiàn)ig.2 Synthetic hydrocarbon inclusions and their fluorescent photo

1.4 合成包裹體均一溫度

實(shí)驗(yàn)所獲得的烴類包裹體為油水不混溶和單相油包裹體兩類,基本沒有氣液兩相的烴類包裹體,不能獲得均一溫度。所以,僅對合成樣品中鹽水包裹體的均一溫度進(jìn)行了測試,得出的數(shù)據(jù)較為集中。3批實(shí)驗(yàn)的鹽水包裹體均一溫度集中在 240～250℃(圖 3),有少數(shù)包裹體均一溫度超過 370℃,為不混體的均一溫度進(jìn)行壓力校正,校正后得到的捕獲溫度在 285～290℃,與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的 300℃吻合較好,這說明與烴類包裹體同期生成的鹽水包裹體的捕獲溫度能夠代表烴類包裹體捕獲的實(shí)際地質(zhì)溫度。

2 石英成巖作用影響因素

2.1 油水比的影響

油水比的變化與含油氣條件下儲層成巖作用關(guān)系極為密切,它影響著儲層自生礦物的生長,進(jìn)而影響儲層的質(zhì)量。通過實(shí)驗(yàn)的熒光、均一溫度分析可以得出試樣中均有油氣包裹體及鹽水包裹體生成,烴類包裹體數(shù)量與油水比關(guān)系如圖 4所示?？梢?較高的油水比對應(yīng)著較多的烴類包裹體。

圖 3 鹽水包裹體均一溫度直方圖Fig.3 Histogram of homogen ization temperature of synthetic aqueous inclusions

圖 4 烴類包裹體數(shù)量與油水比的關(guān)系Fig.4 Relationship between oil-water ratio and quantity of hydrocarbon inclusions

圖 4表明:①含油氣條件下石英仍在生長,沒有停止,裂縫在生長過程中愈合,捕獲包裹體;②油和水溶液一起參與了石英晶體生長的成巖過程,表現(xiàn)在油含量較高時(shí),形成的烴類包裹體較多。但是,溶捕獲的包裹體。因?yàn)榘w捕獲時(shí)實(shí)驗(yàn)壓力為50 MPa,而均一溫度為常壓下測得,所以要對均一溫度進(jìn)行壓力校正,以獲得包裹體的形成溫度。本文中采用了 PotterⅡ[18]的壓力校正曲線對鹽水包裹本次實(shí)驗(yàn)最高的油水比只有 30%,所以只能說明在較低油水比條件下,油氣不會完全停止油氣包裹體的形成,只是對包裹體的生長具有一定的抑制作用,晶體中存在被油氣侵染而沒有愈合的裂隙可以證明這一點(diǎn)。Teinturier等[19]的實(shí)驗(yàn)證實(shí)在油水比高達(dá)90%的情況下石英晶體也能捕獲烴類包裹體,這似乎證明油氣的充注不會影響石英的生長和包裹體的捕獲,但值得注意的是 Teinturier的實(shí)驗(yàn)溫度、壓力條件都比較高,與實(shí)際地質(zhì)環(huán)境有一定差距。因此,確定油水比對碎屑巖儲層中烴類包裹體的生長到底有多大影響,尋找不同成巖條件下烴類包裹體形成的邊界條件是確定要解決的關(guān)鍵問題之一。

目前應(yīng)用較廣的含烴流體包裹體豐度法恢復(fù)油藏古油水界面的基本原理為:油在砂巖疏導(dǎo)體內(nèi)的主要運(yùn)移動(dòng)力為浮力,而孔隙的毛細(xì)管力則構(gòu)成了運(yùn)移的阻力。當(dāng)少量原油在非均質(zhì)輸導(dǎo)層或儲層中運(yùn)移時(shí),如果沒有阻擋層,地層毛細(xì)管壓力將使原油沿最大的孔隙喉道網(wǎng)運(yùn)移,在這種情況下地層只有少量孔隙與原油接觸,結(jié)果只有少量礦物能截獲原油并形成含烴包裹體;當(dāng)圈閉中的原油持續(xù)注入時(shí),儲層的油柱升高,壓力增大,原油能克服毛細(xì)管壓力進(jìn)入更小的孔隙喉道,使儲層相應(yīng)的含油飽和度增高到 40%～90%,在儲層處于高含油飽和度且有穩(wěn)定油柱的情況下,大部分孔隙與原油接觸,這樣可使大量成巖礦物或顆粒裂紋中發(fā)育含烴包裹體[20-21]。圖 5的模型顯示出了高含油飽和度對充注有石油的孔隙數(shù)量和石油包裹體豐度的影響[22]。這種方法的理論基礎(chǔ)還需要合成烴類包裹體的實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。因?yàn)閮又袩N類包裹體的形成可能有一個(gè)油氣飽和度上限,如果超過了這個(gè)上限,由于油氣流體的分隔,地層水與礦物無法接觸,水巖作用受到抑制或終止,礦物的生長則有可能完全被抑制,也就不存在捕獲大量油氣包裹體的可能。此外,根據(jù)幕式成藏理論,油氣成藏可能是一個(gè)快速的過程,儲層中油氣飽和度驟然升高,快速成藏導(dǎo)致儲層油氣飽和度迅速超過了烴類包裹體形成的油水比上限,這樣的成藏過程將不被記錄,烴類包裹體記錄的可能只是排烴早期或排烴末期油水比比較低時(shí)的信息。這些問題的關(guān)鍵都在于儲層中烴類包裹體形成的邊界條件,需要進(jìn)一步利用合成烴類包裹體實(shí)驗(yàn)來提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

圖 5 砂巖中石油包裹體被捕獲的概念模型Fig.5 Conceptualmodel of oil inclusions trapped in sandstone

2.2 油品性質(zhì)的影響

不同性質(zhì)原油對礦物生長的影響不同,這在實(shí)驗(yàn)中有所體現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,加入汽油的樣品中合成的烴類及鹽水包裹體數(shù)量都較少,加入原油的樣品中的包裹體數(shù)量則相對較多。由此可以推斷,輕質(zhì)油對石英的生長加大抑制作用較強(qiáng)。其原因可能是輕質(zhì)油含極性組分較少,與水的互溶性較差,當(dāng)其占據(jù)了大部分孔隙空間時(shí),對水的排替能力較強(qiáng),從而抑制了石英的生長。原油的密度大,黏度高,當(dāng)其充注孔隙空間時(shí),可能會將部分地層水也封堵在孔隙里(圖1(d)),這部分地層水有利于包裹體的發(fā)育,所以原油對石英的生長及包裹體的形成抑制較弱。

2.3 鹽度的影響

鹽度對晶體的生長影響很大。一般各種礦物都是在一定溫度、壓力及濃度的成巖成礦溶液中生長的。如果溶液的過飽和度增大,晶體生長速度就會加快,從而產(chǎn)生帶凹入角的枝蔓狀形式,導(dǎo)致整個(gè)晶體的體積增大,但鹽度過大反而會使晶體生長速度減緩,因此只有在一定的鹽度范圍內(nèi),晶體的生長速度才是最完全有效而合理的[23]。隨著加入的 NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 4%升高到 16%,實(shí)驗(yàn)中觀察到包裹體的數(shù)量增多,說明隨鹽度增高,溶液中的金屬陽離子(Na+)會促使石英晶體溶解從而產(chǎn)生更多的缺陷,這對包裹體捕獲有利。試樣中加入了過量的Si O2粉末,營造了過飽和溶液環(huán)境,所以石英容易結(jié)晶形成大量的包裹體。但是,溶液離子濃度增高到一定值后,再進(jìn)一步增加濃度,石英溶解速度增加的幅度則變得很小[24],說明鹽度的升高對包裹體形成的促進(jìn)作用是有一定范圍的。上限范圍需要結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)資料來確定,如溶液溫度、酸堿度等。

3 結(jié) 論

(1)在油氣存在情況下,只要有充足的 Si O2物源,石英晶體就可以繼續(xù)生長并捕獲包裹體。但是,目前實(shí)驗(yàn)油水比較低,邊界條件還有待于進(jìn)一步確定。

(2)不同成熟度的油品對石英成巖作用有不同的影響,相對于重質(zhì)油來說,輕質(zhì)油對石英晶體生長的抑制作用較強(qiáng)。

(3)鹽度對含油氣條件下石英晶體的生長影響顯著,在一定范圍內(nèi)較高的鹽度促進(jìn)石英晶體表面缺陷的形成,在 SiO2物源充足的條件下有利于包裹體的形成。

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(編輯 徐會永)

Experi mental evidence of influential factor of quartz growth in reservoir

L IRu1,2,GE Yun-jin1,CHEN Yong1,ZHOU Yao-qi1,ZHOU Hong-jian1
(1.College of Geo-Resources and Info rm ation in China University of Petroleum,Dongying257061,China; 2.Dongsheng Petroleum Developm ent Stock Company,LTD of Shengli O ilfield,Dongying257000,China)

Experiments of different salinity,oil-water ratio and oilwere carried out to synthesize oil(hydrocarbon)-bearing inclusions in quartz.Effects of hydrocarbon emplacement on quartz growth were studied on the basis of experimental results.Through analysis of petrographical character,homogenization temperature and fluorometric analysis results of synthetic hydrocarbon inclusions,the effects of oil-water ratio,salinity and oil quality on quartz growth were researched.As shown from the experiments,quartz could continue growing and trapping hydrocarbon inclusions under hydrocarbon emplacement. But itwas restrained by hydrocarbon.The effect became more intense along with oil saturation increasing.Oilmight terminate the growth ofmineral but the boundary needs to be confirmed.Trapping inclusions in quartzwas improved by relatively high salinity.The inhibiting effect of light oil on quartz growth was relativelymore intense than that of heavy oil.

oil(hydrocarbon)-bearing inclusions;synthetic;quartz

P 586;TE 122.2

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.003

1673-5005(2010)02-0013-06

2009-08-15

國家“863”計(jì)劃課題(2007AA06Z210);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40902040);山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y2008E25);油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2009006)

李茹(1976-),女(漢族),山東東營人,博士研究生,研究方向?yàn)橛蜌獬刹貦C(jī)理與分布規(guī)律。