銀額盆地石炭
--二疊系包裹體成分特征對(duì)油氣運(yùn)移的討論

韓 偉，任戰(zhàn)利，盧進(jìn)才，魏建設(shè)，張?jiān)迄i

1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069 2.西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

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銀額盆地石炭
--二疊系包裹體成分特征對(duì)油氣運(yùn)移的討論

韓 偉1,2，任戰(zhàn)利1，盧進(jìn)才2，魏建設(shè)2，張?jiān)迄i2

1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，西安 710069 2.西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

包裹體成分特征反映了油氣的演化程度和運(yùn)移期次。本文對(duì)銀額盆地石炭--二疊系4組地層砂巖中的包裹體開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)包裹體多≤5 μm，呈串珠狀分布于石英顆粒裂隙中，以氣液兩相的狀態(tài)存在。根據(jù)包裹體中甲烷等有機(jī)組分的含量及其相互關(guān)系對(duì)研究區(qū)油氣運(yùn)移過(guò)程展開(kāi)研究，認(rèn)為二疊系至少經(jīng)歷過(guò)較高溫較高鹽度、較低溫低鹽度等兩期油氣運(yùn)移；結(jié)合烴源巖熱演化史研究，可分別對(duì)應(yīng)二疊紀(jì)中期--二疊紀(jì)末和白堊紀(jì)早--晚期兩期油氣運(yùn)移過(guò)程。

銀額盆地；石炭--二疊系；包裹體成分；油氣運(yùn)移

0 引言

流體包裹體是成巖成礦流體在礦物結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程中被包裹在礦物晶格缺陷或穴窩中、至今尚在主礦物中封存并與主礦物有著界限的那一部分物質(zhì)。包裹體類(lèi)型和成分的不同，反映了油氣的不同演化程度和不同運(yùn)移期次。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)層中油氣包裹體特征的研究，可以反演油氣運(yùn)移和成藏過(guò)程。近年來(lái)，包裹體被廣泛用來(lái)研究油氣成藏時(shí)間和期次，并取得了大量研究成果[1-8]。

圖1 銀額盆地石炭--二疊紀(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖及樣品分布Fig.1 Division of C-P tectonic units in Yin’e basin and sample distribution

銀額盆地位于內(nèi)蒙古西部，是包括了銀額(銀根--額濟(jì)納旗)盆地、北山盆地群等古生代與中生代盆地的疊合盆地。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2007年在研究區(qū)啟動(dòng)了“西北地區(qū)中小盆地群油氣資源遠(yuǎn)景調(diào)查”項(xiàng)目,對(duì)研究區(qū)盆地性質(zhì)和油氣地質(zhì)條件等方面展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)生烴條件優(yōu)越，共發(fā)育5套分布廣、厚度穩(wěn)定的石炭--二疊系烴源巖，具備以碎屑巖為主，碳酸鹽巖、火山巖和風(fēng)化殼等并存的儲(chǔ)集層，并獲得了與石炭--二疊系烴源巖有關(guān)的油氣賦存信息，證實(shí)研究區(qū)內(nèi)石炭--二疊紀(jì)存在油氣成藏[9-13]。此外，對(duì)研究區(qū)烴源巖熱演化史等方面的研究認(rèn)為,該區(qū)可能存在著多期次油氣成藏的過(guò)程[14]。

總之，銀額盆地石炭--二疊系具備良好的油氣地質(zhì)條件，在勘探初期鉆井資料匱乏的情況下，確定油氣成藏期次、優(yōu)勢(shì)儲(chǔ)集層可能對(duì)后期工作產(chǎn)生很好的指導(dǎo)意義，但前人針對(duì)石炭--二疊系開(kāi)展的相關(guān)研究幾乎空白。因此，筆者嘗試應(yīng)用流體包裹體技術(shù)，在系統(tǒng)采集石炭--二疊系樣品并開(kāi)展流體包裹體特征研究的基礎(chǔ)上，探討其油氣運(yùn)移及成藏期次，這將對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該區(qū)油氣成藏規(guī)律提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

銀額盆地位于天山--興安造山系與華北地塊的交匯帶(圖1)，在晚泥盆世--二疊紀(jì)為統(tǒng)一的裂谷盆地，石炭--二疊系沉積之后，經(jīng)歷了海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期次的構(gòu)造改造(表1)，各期構(gòu)造改造影響程度不同。其中,海西期和燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)研究區(qū)油氣系統(tǒng)影響尤為重要[11-14]。

晚石炭世--二疊紀(jì)，研究區(qū)為海相沉積環(huán)境，整體為海退過(guò)程；盆地范圍達(dá)到鼎盛后逐漸縮小，在淺海陸棚相(烴源巖層)廣泛發(fā)育的同時(shí)，濱、淺海相等(儲(chǔ)集層)也有發(fā)育。研究區(qū)在此期間不同程度地發(fā)育了巨厚的沉積地層，巖性組合為碎屑巖+碳酸鹽巖+火山巖。石炭--二疊系由下往上分為8個(gè)巖石地層單元(表1)，在二疊系中均發(fā)現(xiàn)品質(zhì)優(yōu)良--中等的烴源巖，因此，二疊系是研究區(qū)十分重要的生油層系。

2 樣品情況及包裹體特征

由于研究區(qū)尚屬前期勘探階段，沒(méi)有確定真正有效的油氣儲(chǔ)集層。但由于石炭--二疊系殘留巨厚的沉積地層，并且每組地層均發(fā)育具備儲(chǔ)集條件的砂巖。因此，本次研究所用樣品覆蓋了整個(gè)二疊系，均采自野外剖面的砂巖層段(圖1，表2、3)。

通過(guò)顯微鏡下巖石薄片觀察，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)包裹體較小，多≤5 μm，呈近圓形的不規(guī)則形狀，并呈串珠狀分布于石英顆粒裂隙中，以氣液兩相的狀態(tài)存在(圖2)。本次研究包裹體未經(jīng)熒光照射，由其成分判定為含有機(jī)質(zhì)包裹體，具體為液態(tài)烴+氣態(tài)烴+鹽水溶液包裹體[15]。

3 包裹體成分特征

礦物流體包裹體的成分主要指各種正負(fù)離子的水溶液、各種烴類(lèi)組分以及二氧化碳、氮、氫等非烴物質(zhì)組分，它們以氣、液、固相存在，代表了該包裹體形成時(shí)沉積物所含流體的原始組分[16]。原油從低成熟度階段演化到最終甲烷氣階段，其中的有機(jī)與無(wú)機(jī)組成發(fā)生變化，包裹體中氣體組成也發(fā)生一定規(guī)律的變化，在低成熟原油階段以H2O和CO2為主，最終甲烷氣階段則以CH4為主[15]。因此，包裹體內(nèi)的組分變化可反映其捕獲流體演化程度的信息。

本次包裹體成分測(cè)定、測(cè)溫均在西安地質(zhì)調(diào)查中心分析實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，儀器型號(hào)為英國(guó)Renshaw公司inVia型激光拉曼探針，實(shí)驗(yàn)條件為Ar+激光器波長(zhǎng) 514.5 nm；激光功率20 mW；掃描速度10 s/(6次)疊加；光譜儀狹縫20 μm，溫度23 ℃，濕度65%。研究采用單個(gè)包裹體激光拉曼光譜測(cè)定的原始成分?jǐn)?shù)據(jù)，由于按不同相態(tài)分別計(jì)算各成分的相對(duì)物質(zhì)百分含量，常會(huì)因氣液比的不同而不能進(jìn)行對(duì)比。為此，本研究根據(jù)包裹體氣液比值和物質(zhì)含量計(jì)算出每一組分的摩爾分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表2中。

3.1 有機(jī)組分特征

數(shù)據(jù)顯示，所有樣品包裹體中所含有機(jī)組分的摩爾分?jǐn)?shù)為0.42%～36.52%。各剖面(同一層位)樣品中有機(jī)組分含量差別較大，最大可達(dá)5倍，并且，層位越靠上部，有機(jī)組分含量越不統(tǒng)一。說(shuō)明這些包裹體是不同演化程度、不同期次油氣運(yùn)移的產(chǎn)物。

從包裹體有機(jī)組分摩爾分?jǐn)?shù)圖(圖3)中可以看出，研究區(qū)樣品包裹體中有機(jī)組分大致可分為0～15%和≥15%兩個(gè)區(qū)間，或者進(jìn)一步細(xì)分為<15%、15%～25%和≥25%三個(gè)區(qū)間。也就是說(shuō)，研究區(qū)經(jīng)歷了兩到三次，甚至更多次的油氣運(yùn)移過(guò)程。

a.11AQ-BG2；b. 11EGE-BG1；c.11HWL-BG5；d.11AQ-BG3。圖2 銀額盆地典型包裹體照片F(xiàn)ig.2 Typical photos of inclusions in Yin’e basin

圖3 包裹體有機(jī)組分摩爾分?jǐn)?shù)圖Fig.3 The organic component mole fraction of inclusions

3.2 甲烷濃度比值A(chǔ)，烷烴、總有機(jī)組分比值B和甲烷、總有機(jī)組分比值C

油氣演化模擬試驗(yàn)和有機(jī)化學(xué)基本原理說(shuō)明，石油在演化過(guò)程中有不斷加氫的作用，使石油中的多種組分向烷烴轉(zhuǎn)化，在高演化階段，油氣的主要組分為CH4和少量C2H6、C3H8等，很少見(jiàn)到烯類(lèi)和炔類(lèi)物質(zhì)[5]。

因此，甲烷濃度比值A(chǔ)、烷烴(CH4+C2H6+C3H8)與總有機(jī)組分的摩爾分?jǐn)?shù)比值B(表3)反映了油氣的演化程度：A、B值高則油氣演化程度高，反之則演化程度低。這一特點(diǎn)也可說(shuō)明油氣的運(yùn)移順序：在一小塊巖樣中，不同包裹體的A、B值差別較大,說(shuō)明巖樣中含有低、高兩種演化程度的烴類(lèi)物質(zhì)，那么低者應(yīng)運(yùn)移在先，而高者應(yīng)運(yùn)移在后[5-6]。

從表2中可以看出，少數(shù)樣品中除檢測(cè)出CH4之外，還有少量的C2H2、C2H4、C3H8、C4H6、C6H6成分，說(shuō)明銀額盆地這幾套儲(chǔ)層均儲(chǔ)集過(guò)高演化階段的油氣；而且這些油氣的演化程度仍有區(qū)別，應(yīng)屬于不同期次、不同演化階段。

表3顯示：A值為0.003～0.370，分布范圍較寬，可大致分為<0.1、0.1～0.25、≥0.25三個(gè)區(qū)間；B為0.786～1.000，分布較為集中，這主要是由于多數(shù)樣品中有機(jī)組分僅為CH4所致，可大致分為<0.9、0.9～1.0兩個(gè)區(qū)間。

在某些環(huán)境下，烴類(lèi)物質(zhì)運(yùn)聚時(shí)無(wú)極性分子或低碳烷烴(如CH4)搶先運(yùn)移，而滯后運(yùn)移的分子是極性較強(qiáng)的組分，再后運(yùn)移的則是極性最強(qiáng)的組分。C值即可反映無(wú)極性分子與極性分子的摩爾分?jǐn)?shù)比。C值大者，代表無(wú)極性分子較多，極性分子較少，它的運(yùn)移在先；C值小者，代表無(wú)極性分子較少，極性分子較多，它的運(yùn)移在后[5]。表3中C值與B值大致相同，也可分為<0.9、0.9～1.0兩個(gè)區(qū)間。

綜合表3中數(shù)據(jù)來(lái)看：樣品的A值分布較寬，可大致分為三個(gè)區(qū)間；B值和C值數(shù)值較高，且較集中，均可分為兩個(gè)區(qū)間。因此，從這三項(xiàng)比值可分析認(rèn)為:研究區(qū)儲(chǔ)集層運(yùn)移過(guò)高演化程度的油氣，并且可能存在兩次甚至三次的運(yùn)移過(guò)程。

3.3 均一溫度與鹽度的關(guān)系

由冷凍臺(tái)測(cè)定獲得冰點(diǎn)溫度，然后就可以利用前人的實(shí)驗(yàn)相圖或經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算流體的鹽度。Hall等[17]提出了H2O-NaCl體系鹽度-冰點(diǎn)公式：

w=0.00+1.78Tm-

(1)

式中：w為NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù);Tm為冰點(diǎn)下降溫度(℃)。

根據(jù)烏拉爾定律[17-20]及式(1)計(jì)算出本區(qū)石炭--二疊系儲(chǔ)層包裹體鹽度為0.87%～16.90%。將鹽度-均一溫度進(jìn)行散點(diǎn)圖分析(圖4)可以看出，圖4中4條剖面的包裹體以較高溫較高鹽度為主，同時(shí)還存在一期較低溫低鹽度。

表3 銀額盆地包裹體成分比值

Table 3 The composition ratio of inclusions in Yin’e basin

送樣編號(hào)剖面/層位ABC08HSD?6b1哈爾蘇海/0．2871．0001．00008HSD?27b1(1)哈爾蘇海組0．1330．9040．90408HSD?27b1(3)0．0941．0001．00008HSD?35b2(1)0．2261．0001．00008HSD?35b2(2)0．1361．0001．00008HWL?11b1杭烏拉/0．2121．0001．000阿其德組11AQ?BG1埋汗哈達(dá)/0．1101．0001．00011AQ?BG2阿其德組0．0801．0001．00011AQ?BG30．3701．0001．00008MHHGB2埋汗哈達(dá)/0．2261．0001．000埋汗哈達(dá)組08WHXGB1烏哈西比/0．1771．0000．985埋汗哈達(dá)組08HWD?3b1(1)杭烏拉/0．1030．9400．94008HWD?25b1(1)埋汗哈達(dá)組0．0581．0001．00008HWD?112b1(1)0．2410．9510．95111HWL?BG20．1901．0001．00011HWL?BG30．1201．0001．00011HWL?BG40．3001．0001．00011HWL?BG50．0901．0001．00008CSGB1查古爾/0．3180．9670．967阿木山組08264D?b1264/0．2511．0001．00008264D?b5(3)阿木山組0．0030．7860．78611EGE?BG1恩格爾烏蘇/0．2001．0001．00011EGE?BG2阿木山組0．1301．0001．000

A=CH4/(CH4+CO2+H2O)；B=(CH4+C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8+C2H2+C2H6+C2H4+C4H6+C6H6)；C=CH4/(CH4+C2H6+C3H8+C2H2+C2H6+C2H4+C4H6+C6H6)。

圖4 包裹體均一溫度與鹽度關(guān)系Fig.4 The relation of homogenization temperature with salinity for inclusions

分析各組均一溫度和鹽度的關(guān)系可以看出：阿木山組和埋汗哈達(dá)組的分布比較集中，為較高溫較高鹽度；阿其德組和哈爾蘇海組的分布較為分散，除了較高溫較高鹽度之外還出現(xiàn)了較低溫低鹽度的特征。較低溫低鹽度的包裹體A值較高，為0.136～0.287，說(shuō)明該期油氣運(yùn)移過(guò)程中的油氣演化程度較高；其余包裹體A值范圍比較寬，顯示存在多期不同演化程度的油氣運(yùn)移過(guò)程。

4 油氣運(yùn)移期次和運(yùn)移過(guò)程

4.1 油氣運(yùn)移期次

韓偉等[14]利用研究區(qū)內(nèi)有限的鉆井資料恢復(fù)了埋藏史圖(圖5)，由于資料匱乏，阿木山組埋藏史并未被恢復(fù)。從圖5中可以看出，研究區(qū)存在一期二疊紀(jì)中期--侏羅紀(jì)早期(距今198～270 Ma)油氣形成和運(yùn)移充注的過(guò)程，和另一期白堊紀(jì)早--晚期(距今70～138 Ma)油氣大規(guī)模聚集運(yùn)移的過(guò)程。其中，哈爾蘇海組和阿其德組烴源巖油氣運(yùn)移時(shí)期主要在白堊紀(jì)，埋汗哈達(dá)組油氣運(yùn)移時(shí)期包括二疊紀(jì)中期--侏羅紀(jì)早期和白堊紀(jì)；推測(cè)時(shí)代更早的阿木山組油氣運(yùn)移時(shí)期也包括二疊紀(jì)中期--侏羅紀(jì)早期和白堊紀(jì)，甚至更早。

Ro為鏡質(zhì)體反射率。圖5 銀額盆地埋汗哈達(dá)地區(qū)烴源巖埋藏史圖Fig.5 Burial history of source in Maihanhada area of Yin’e basin

4.2 油氣運(yùn)移過(guò)程

由于研究區(qū)油氣勘探程度極低，熱史研究工作只能進(jìn)行初期探討，具體油氣運(yùn)移過(guò)程還需要構(gòu)造、沉積等油氣地質(zhì)條件來(lái)約束。

研究區(qū)自晚古生代古亞洲洋閉合后開(kāi)始內(nèi)陸盆地演化階段；晚泥盆世--二疊紀(jì)時(shí)期進(jìn)入后造山伸展階段，盆地相對(duì)穩(wěn)定。在晚二疊世沉積厚度達(dá)到階段性最大，阿木山組和埋汗哈達(dá)組烴源巖已經(jīng)進(jìn)入生烴階段，開(kāi)始向油氣轉(zhuǎn)化，但受埋深厚度影響，尚未達(dá)到最大熱演化程度。二疊紀(jì)末--三疊紀(jì)，受海西期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，研究區(qū)進(jìn)入陸內(nèi)造山階段，構(gòu)造背景以抬升為主，整個(gè)研究區(qū)幾乎沒(méi)有三疊系沉積，沉積厚度減薄，部分進(jìn)入生烴階段的烴源巖被抬升冷卻，停止生烴。印支期、燕山早期，研究區(qū)一直處于這種構(gòu)造抬升狀態(tài)下，區(qū)內(nèi)三疊系、侏羅系中下統(tǒng)沉積普遍缺失，這種背景十分不利于油氣成藏、運(yùn)移。因此，之前包裹體均一溫度對(duì)應(yīng)埋藏史圖所記錄的二疊紀(jì)中期--侏羅紀(jì)早期生烴階段只能保留二疊紀(jì)中期--二疊紀(jì)末。

到早侏羅世--早白堊世，受燕山運(yùn)動(dòng)影響，銀額盆地經(jīng)歷了沉降與抬升轉(zhuǎn)換。早白堊世到晚白堊世，研究區(qū)進(jìn)入平穩(wěn)的坳陷沉降階段，沉積了厚度巨大的砂泥巖組合，達(dá)到最大沉積厚度;二疊系多套烴源巖熱演化程度也達(dá)到最高，進(jìn)入主要生烴期。

前述包裹體有機(jī)成分比值、包裹體均一溫度-鹽度關(guān)系所顯示包裹體存在不同溫度-鹽度，不同演化程度的特征就是由于二疊紀(jì)中期--二疊紀(jì)末、白堊紀(jì)早--晚期油氣生成、運(yùn)移時(shí)，烴源巖和儲(chǔ)層埋深不同，生成油氣的演化程度和地層溫度不同所導(dǎo)致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)研究區(qū)二疊系23個(gè)樣品包裹體中有機(jī)組分摩爾分?jǐn)?shù)，烷烴、總有機(jī)組分比值和甲烷、總有機(jī)組分比值，以及均一溫度和鹽度的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)研究區(qū)二疊系油氣運(yùn)移分為較高溫較高鹽度、較低溫低鹽度兩期。

結(jié)合研究區(qū)埋藏史圖和油氣運(yùn)移過(guò)程，認(rèn)為研究區(qū)存在二疊紀(jì)中期--二疊紀(jì)末、白堊紀(jì)早--晚期兩期油氣運(yùn)移過(guò)程。

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Discussion on Hydrocarbon Migration Based on Characteristics of Inclusions in Carboniferous- Permian of Yin’e Basin

Han Wei1,2，Ren Zhanli1，Lu Jincai2，Wei Jianshe2，Zhang Yunpeng2

1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics/DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,CGS,Xi’an710054,China

The compositional characteristics of inclusions show the evolution and migration stages of oil and gas. Studying on the inclusions in the sandstone collected from Carboniferous-Permian of Yin’e basin, we find that most of the inclusions are ≤ 5 μm；and beaded gas-liquid inclusions distribute in the fracture of quartz grains. Based on the relationship of methane and organic components, we focus on the hydrocarbon migration process in the study area, and find out that Carboniferous-Permian in the study area experienced two hydrocarbon migration processes: high temperature and salinity and low temperature and salinity. Combined with the hydrocarbon source rock thermal evolution history，we find two corresponding hydrocarbon migrations: one occurred in the Middle-Late of Permian, and the other one in Late Cretaceous.

Yin’e basin; Carboniferous-Permian; characteristics of inclusion; hydrocarbon migration

10.13278/j.cnki.jjuese.201505108.

2014-03-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202104)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源大調(diào)查項(xiàng)目(1212010733506)

韓偉(1981--)，男，博士研究生，主要從事構(gòu)造熱演化研究，E-mail:hw_198196@163.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201505108

P613.8

A

韓偉，任戰(zhàn)利，盧進(jìn)才，等. 銀額盆地石炭--二疊系包裹體成分特征對(duì)油氣運(yùn)移的討論.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2015,45(5):1342-1351.

Han Wei，Ren Zhanli，Lu Jincai, et al. Discussion on Hydrocarbon Migration Based on Characteristics of Inclusions in Carboniferous-Permian of Yin’e Basin.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(5):1342-1351.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201505108.