用方解石人工合成烴類包裹體的研究進(jìn)展

付 雷,王盼盼,冀 青,丁 卓

烴類包裹體是存在于儲(chǔ)層中,被捕獲、封存于成巖自生礦物晶格缺陷或碎屑礦物成巖裂隙中的顯微流體樣品[1]。由于烴類包裹體是油氣運(yùn)移及成藏所保留下來(lái)的唯一原始樣品,它能提供許多直接的油氣物質(zhì)成分、物理化學(xué)條件的信息,對(duì)烴類包裹體的研究能幫助人們了解大量地質(zhì)過(guò)程,如油氣運(yùn)移過(guò)程及成礦作用機(jī)制等,因此,對(duì)烴類包裹體的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

但地學(xué)界對(duì)烴類包裹體的捕集機(jī)理以及被捕集以后可能發(fā)生的變化仍然存在一些疑問(wèn),如：烴類包裹體的成分是否能代表原始的流體成分;烴類包裹體所測(cè)均一溫度是否是包裹體被捕獲的溫度;影響包裹體形成的因素都有哪些等等[2]。而通過(guò)在受控試驗(yàn)條件下,人工合成烴類包裹體就可以對(duì)以上這些問(wèn)題給出答案。人工合成烴類包裹體研究不僅可以為分析方法提供標(biāo)準(zhǔn),還可以通過(guò)人工合成烴類包裹體研究水巖作用機(jī)制,以及利用流體相平衡和晶體生長(zhǎng)理論來(lái)研究烴類包裹體的形成機(jī)制,同時(shí)可以觀測(cè)包裹體形成之后是否發(fā)生變化。但在國(guó)內(nèi)關(guān)于人工合成烴類包裹體研究尚處于起步階段,迫切需要開(kāi)展這方面的工作[3]。

1 用方解石人工合成烴類包裹體的方法

流體包裹體的合成是一種采集高溫高壓條件下流體樣品,形成流體包裹體的技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室人工合成烴類包裹體十分困難,在國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。目前,用于合成烴類包裹體的最主要的成巖礦物是石英和方解石兩種,除此之外還有石膏、巖鹽、螢石等[4]。以下簡(jiǎn)要介紹法國(guó)學(xué)者 Julien Bourdet和 Jacques Pironon用方解石合成烴類包裹體的方法。

砂巖和碳酸鹽巖是自然界最主要的兩種油氣藏的儲(chǔ)集巖層,因此,利用碳酸鹽巖合成烴類包裹體對(duì)于研究碳酸鹽巖做為儲(chǔ)集巖層的油氣藏具有十分重要的意義[1]。在國(guó)內(nèi),倪培與孟凡巍以方解石為主晶,同樣采用類似于石英人工晶體生長(zhǎng)法的實(shí)驗(yàn)步驟合成烴類包裹體得出一定結(jié)論[4],然而其未考慮方解石本身的特性。方解石發(fā)育三組完全解理,屬易碎礦物,許多學(xué)者考慮到在方解石中包裹體形成后,在一系列地質(zhì)作用過(guò)程中,包裹體性狀發(fā)生改變,從而導(dǎo)致包裹體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)生一定偏差,為了了解在變形情況下包裹體的均一溫、壓的變化情況,法國(guó)學(xué)者Julien Bourdet和 Jacques Pironon用方解石合成了富CH4的流體包裹體,以下是其試驗(yàn)過(guò)程。

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器是氣壓取樣器 (馬丁儀器),該儀器有氣體入口和出口,見(jiàn)圖 1。氣體取樣器中放置于液態(tài)水中的是方解石晶體。儀器通過(guò)甲烷氣罐加壓。通過(guò)閥門 2降低壓力。電腦自動(dòng)記錄試驗(yàn)溫度和壓力條件。試驗(yàn)通過(guò)一個(gè)環(huán)繞儀器的循環(huán)爐控制溫度。試驗(yàn)是在氣、液平衡的條件下進(jìn)行的,通入儀器的氣體為甲烷氣體,其中甲烷的多少控制著反應(yīng)的壓力條件。在這個(gè)條件下,被捕獲的包裹體的均一溫度和均一壓力,即包裹體被捕獲時(shí)儀器內(nèi)的溫度與壓力。

圖 1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)是用天然的富含流體包裹體的墨西哥方解石進(jìn)行的。將方解石沿著解理縫切成 10 mm×4 mm ×1 mm的樣品。在試驗(yàn)前將樣品加熱到450℃,使已經(jīng)存在的包裹體破裂成面。

1.3 試驗(yàn)步驟

階段 1：儀器中加入方解石晶體樣品和蒸餾水,打開(kāi)閥門 V 1和 V 2,通入 CH4氣體,排除儀器中的 O2和N2,持續(xù) 24 h;之后關(guān)閉 V2,使水中 CH4飽和。儀器中繼續(xù)通入 CH4,使試驗(yàn)壓力增至 18 MPa,之后關(guān)閉V1,把儀器加熱到 180±7℃,在這個(gè)溫度下儀器內(nèi)壓力增至 27.6±1 MPa,該條件持續(xù) 7天 (168 h)。

階段 2：之后將閥門V2打開(kāi) 1～3 s,使試驗(yàn)壓力降至 17.6±1 MPa,同時(shí)溫度不變,該條件 (17.6±1 M Pa,180±7℃)持續(xù) 7天。

以同樣的方式分別達(dá)到階段 3(7.6±1M Pa,180±7℃)和階段 4(1±0.3 M Pa,180±7℃),各持續(xù)168 h。

最后儀器冷卻到 20℃,0.1 MPa的條件,同時(shí)打開(kāi)閥門 V1和 V2,整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)了 696 h。

兩個(gè)階段轉(zhuǎn)變過(guò)程中,溫度不發(fā)生變化,每一階段都有包裹體的捕獲或重新平衡。每進(jìn)入一個(gè)新階段,由于儀器內(nèi)壓力降低,從而導(dǎo)致包裹體內(nèi)外壓差增大,前三個(gè)階段最初形成的包裹體內(nèi)外壓差上升10 M Pa,第四階段壓差上升 6.6 M Pa,包裹體的內(nèi)外壓差最大可達(dá) 26.6±1.3 M Pa。[8]

2 用方解石人工合成烴類包裹體的實(shí)驗(yàn)研究成果

法國(guó)學(xué)者 Julien Bourdet和 Jacques Pironon于2007年在方解石中合成了富含 CH4的流體包裹體,試驗(yàn)過(guò)程如前所述,最后得出以下結(jié)果：

2.1 巖相學(xué)觀察結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)束后用顯微鏡對(duì)方解石樣品進(jìn)行觀察,結(jié)果見(jiàn)圖 2。

圖 2 顯微鏡下的方解石示意圖

圖 2所示為方解石晶體中不同的具有應(yīng)變圖像的人工合成包裹體類型：類球狀小包裹體 (A、B);規(guī)則菱形的小包裹體(C-E);不規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)大包裹體(F-H);大的平面狀包裹體 (I)。N.S.(針狀生長(zhǎng)模式);D.H.(爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式);L.R.S.(低突起點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式);O.L.R.(低突起直角狀生長(zhǎng)模式)。據(jù)觀察顯示包裹體氣液比率在 0.1左右,氣相經(jīng)常是附著在包裹體壁上并且是不移動(dòng)的。包裹體形狀和大小各不相同,概括起來(lái)有如下四種類型：類球狀小包裹體;規(guī)則菱形的小包裹體;不規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)大包裹體;大的平面狀包裹體。各種類型的包裹體在等溫降壓過(guò)程中發(fā)生一系列的變化,主要包括以下四種模式：針狀生長(zhǎng)模式;爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式;低突起點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式;低突起直角狀生長(zhǎng)模式。其中針狀生長(zhǎng)模式是包裹體被捕獲變形后最常見(jiàn)的模式,它是沿著方解石解理面分布的,這種模式在不規(guī)則的細(xì)長(zhǎng)大包裹體和大的平面狀包裹體中最常見(jiàn);爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式只在第一階段形成的包裹體周圍出現(xiàn),它是由細(xì)小的兩相附屬包裹體組成的,其圍繞類球狀包裹體的裂隙面發(fā)育,同時(shí)附屬包裹體圍繞著中心包裹體沿著方解石的一個(gè)或幾個(gè)解理面分布;低突起點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式形態(tài)大部分是朝著包裹體方向彎曲形成的細(xì)長(zhǎng)狀,其中偶爾可見(jiàn)很小的氣泡,這意味著這部分是由單相的 (偶爾是兩相的)液體薄膜組成的,由于這些液體體積太小,拉曼光譜不能檢測(cè)其特征,這種類型是在試驗(yàn)二、三階段形成的包裹體最常見(jiàn)的生長(zhǎng)模式;低突起直角狀生長(zhǎng)模式是由具有多邊形外形的細(xì)長(zhǎng)低突起組成的,這些多邊形是沿著圍繞包裹體的方解石晶面產(chǎn)生的,流體呈現(xiàn)單一液相 (少數(shù)情況下呈氣液兩相),這種生長(zhǎng)模式大部分也是在試驗(yàn)二、三階段形成的。

2.2 溫壓重現(xiàn)結(jié)果及討論

包裹體在被捕獲時(shí)屬均一體系,后期由于溫度、壓力的降低,包裹體分離為氣、液兩相。當(dāng)包裹體加熱到一定溫度時(shí),兩相又恢復(fù)為均一的流體相,此時(shí)的均一溫度可近似代表包裹體在深部?jī)?chǔ)層中形成時(shí)的溫度[6]。應(yīng)用包裹體均一溫度恢復(fù)油氣運(yùn)移及成藏溫度必須滿足 3個(gè)條件：1)均一體系,即包裹體形成時(shí)被捕獲在包裹體內(nèi)的物質(zhì)為均勻相態(tài)。2)封閉體系,即包裹體形成后沒(méi)有物質(zhì)進(jìn)入或逸出。3)等容體系,即包裹體形成后體積沒(méi)有發(fā)生變化。符合上述 3個(gè)條件的包裹體均一溫度測(cè)定結(jié)果才是有效的[6]。

該試驗(yàn)通過(guò)加熱方解石樣品使先前存在的流體包裹體爆裂產(chǎn)生微觀裂紋,這些裂紋是流體進(jìn)入包裹體內(nèi)部的通道,在試驗(yàn)過(guò)程中這些微觀裂隙愈合,將流體封存在包裹體內(nèi)。在該試驗(yàn)中利用方解石裂隙愈合,人工合成富甲烷流體包裹體,試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)幾次等幅降壓,形成了幾個(gè)與包裹體生長(zhǎng)或泄漏有關(guān)的應(yīng)變圖像,通過(guò)測(cè)試可得出其均一溫度、壓力及濃度,把測(cè)得的包裹體均一溫度、壓力及濃度與試驗(yàn)條件對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn)他們有一定的差別,而這些差別的產(chǎn)生主要是由于包裹體生長(zhǎng)及泄漏現(xiàn)象導(dǎo)致的。根據(jù)這一特征可以把包裹體分為以下幾類：與試驗(yàn)條件相符的包裹體;物質(zhì)組成與試驗(yàn)條件相符但均一溫壓不符的包裹體;溫壓條件及物質(zhì)組成與試驗(yàn)條件均不符的包裹體。

以上分類表明,流體包裹體的生長(zhǎng)應(yīng)變是與壓差有關(guān)。當(dāng)壓差低的時(shí)候,針狀生長(zhǎng)模式占絕大多數(shù),這時(shí)候沒(méi)有甲烷虧損;當(dāng)壓差中等的時(shí)候,針狀生長(zhǎng)模式和爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式占多數(shù),甲烷泄漏量可變;當(dāng)壓差很大的時(shí)候,爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式占主導(dǎo),同時(shí)有大量甲烷泄漏。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出以下結(jié)論：

1)大部分包裹體都是在實(shí)驗(yàn)的第一階段被捕獲,但只有少部分保存了原始捕獲條件,這主要是由于包裹體生長(zhǎng)應(yīng)變和泄露等引起的壓力降低導(dǎo)致的。

2)包裹體的針狀生長(zhǎng)模式是和溫度升高及包裹體內(nèi)外壓差小部分增長(zhǎng)有關(guān),而爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式、低突起點(diǎn)狀生長(zhǎng)模式和低突起直角狀生長(zhǎng)模式則與包裹體內(nèi)外壓差大幅增長(zhǎng)有關(guān)。

3)具有爆裂環(huán)點(diǎn)狀生長(zhǎng)圖像、低突起點(diǎn)狀生長(zhǎng)圖像和低突起直角狀生長(zhǎng)圖像包裹體的均一溫壓條件要比包裹體被捕獲時(shí)的溫壓條件低。

4)包裹體泄露可以導(dǎo)致其均一溫壓條件改變。同時(shí)也需注意,泄露也可以在封閉的包裹體中發(fā)生,與水相比,甲烷優(yōu)先擴(kuò)散[8]。

3 問(wèn)題和思考

人工合成烴類包裹體在地質(zhì)領(lǐng)域中占有重要地位,但它還有很多地方需要進(jìn)一步發(fā)展和完善。在應(yīng)用人工合成烴類包裹體技術(shù)時(shí),應(yīng)該清楚地知道各種分析方法本身的注意點(diǎn),盡可能避免引起錯(cuò)誤的解釋[5]。這些主要的注意點(diǎn)有：

1)地質(zhì)年代持續(xù)時(shí)間要比試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng),觀察到的巖相學(xué)的應(yīng)變圖像是否可以保存在自然樣品中并不清楚。這就構(gòu)成了試驗(yàn)結(jié)論與自然樣品變換的一個(gè)限制[9]。

2)在較長(zhǎng)的地質(zhì)年代中,包裹體捕獲的烴類物質(zhì)可能發(fā)生裂解,包裹體的均一溫壓及物質(zhì)組成可能發(fā)生改變,這就為推測(cè)包裹體形成時(shí)的條件帶來(lái)一定干擾,以后需要進(jìn)一步研究。

3)包裹體形成之后,由于外界溫壓條件的改變導(dǎo)致包裹體可能發(fā)生一定的生長(zhǎng)或泄漏,從而使包裹體的均一溫壓及物質(zhì)組成發(fā)生改變,因此,烴類包裹體形成的最初捕獲物質(zhì)應(yīng)該用均化作用下烴類物質(zhì)最富集的包裹體來(lái)評(píng)估。

4)圍繞包裹體的巖相學(xué)應(yīng)變可以提供不同階段捕獲信息,這也是以后需要研究的重點(diǎn)[10]。

總之,人工合成烴類包裹體技術(shù)在地質(zhì)領(lǐng)域占非常重要的地位,但因影響因素過(guò)于復(fù)雜,研究并不深入,尤其在國(guó)內(nèi)更是處于起步階段,還不能夠?qū)⑦@項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。因此,必須在緊密結(jié)合烴源巖的生烴史、構(gòu)造演化史和儲(chǔ)層演化史的基礎(chǔ)之上,充分發(fā)揮試驗(yàn)分析的優(yōu)勢(shì),緊密地與其它分析技術(shù)相結(jié)合,才能最大限度地提高分析的準(zhǔn)確性,使其對(duì)油氣運(yùn)移、成藏起到更好的示蹤作用,從而提高有機(jī)包裹體在油氣成藏系統(tǒng)和油氣資源評(píng)價(jià)中的應(yīng)用價(jià)值[7]。

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