多光譜技術(shù)聯(lián)合確定烴類包裹體中油氣成熟度

陳 勇， 趙孟軍， 卓勤工， 柳少波， 王鑫濤

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

多光譜技術(shù)聯(lián)合確定烴類包裹體中油氣成熟度

陳 勇1,2， 趙孟軍2， 卓勤工2， 柳少波2， 王鑫濤1

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 山東 青島 266580；2. 中國石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083)

光譜分析技術(shù)在烴類包裹體分析中得到了廣泛應(yīng)用，但是不少研究結(jié)果表明單光譜技術(shù)在分析時存在局限性。針對該問題提出了采用熒光光譜、拉曼光譜和紅外光譜技術(shù)聯(lián)合分析儲層烴類包裹體方法，該方法可以彌補單光譜分析技術(shù)的不足。通過對準噶爾盆地南緣霍-瑪-吐構(gòu)造帶儲層中烴類包裹體進行多光譜技術(shù)聯(lián)合分析和應(yīng)用，結(jié)果表明，多光譜技術(shù)可以實現(xiàn)互補，有利于給出更加可靠的油氣成熟度信息。

多光譜技術(shù)； 熒光光譜； 紅外光譜； 拉曼光譜； 烴類包裹體

0 引 言

烴類包裹體直接記錄了油氣活動有關(guān)的信息，因而在油氣成藏研究中廣泛應(yīng)用[1-2]。光譜分析技術(shù)是烴類包裹體分析的一種常用方法，涉及熒光光譜、紅外光譜和拉曼光譜等技術(shù)。熒光光譜技術(shù)在烴類包裹體研究中最常用，通常利用熒光顏色來大致判斷油氣成熟度，該方法簡單便捷，但越來越多的研究表明該方法存在一些不確定性，如Liu等[3-4]曾指出熒光光譜判斷油氣成熟度時應(yīng)當(dāng)小心。顯微紅光譜技術(shù)也常用于油氣包裹體分析，可以獲得烴類分子的某些結(jié)構(gòu)信息，但是該技術(shù)對烴類包裹體的尺寸要求較高，只有少數(shù)包裹體可以滿足分析要求，往往由于缺乏標樣而難以進行定量分析。拉曼光譜技術(shù)可以實現(xiàn)對較小的包裹體分析，但由于烴類包裹體往往具有很強熒光信號干擾，一般難以獲得烴類的拉曼信息。盡管每種光譜分析技術(shù)都存在一定不足，但是3種技術(shù)聯(lián)合使用可以在一定程度上達到互補的目的。本文以準噶爾盆地南緣(簡稱準南)霍-瑪-吐構(gòu)造帶儲層巖中的烴類包裹體為例，表明多種光譜技術(shù)聯(lián)合有利于準確判定烴類包裹體中油氣的成熟度。

1 樣品概況

正確區(qū)分油氣成藏期次和各期油氣的成熟度是油氣成藏研究中的重要內(nèi)容之一。準南霍-瑪-吐構(gòu)造帶位于準噶爾盆地南緣，屬于疊加型前陸盆地，前勘探顯示良好的油氣前景。紫泥泉子組為該區(qū)最重要的儲層，巖性主要為細砂巖和粉砂巖，分選中等—較差，雜基含量較高。通過顯微鏡下仔細觀察，表明儲層中既發(fā)育有鹽水包裹體又發(fā)育烴類包裹體，多數(shù)包裹體分布在石英和長石的微裂隙、加大邊以及碳酸鹽膠結(jié)物中，其中石英微裂隙中分布最多。次生鹽水包裹體多沿裂隙或成群分布于石英和長石顆粒中，或在膠結(jié)物中以單個分布為主；烴類包裹體主要有氣液兩相包裹體和純液相的單相包裹體兩種類型，呈群體或單個分布。次生鹽水包裹體個體總體較小，多在4～20 μm，形狀以近橢圓和近圓形為主，不規(guī)則狀包裹體也很常見，顏色透明，氣液比在1%～5%；烴類包裹體較鹽水包裹體大一些，多在8～40 μm，形狀多為不規(guī)則，液相多為無色和淡褐色，氣泡呈淺褐至深褐色，氣液比變化較大，在3%～40%，主要集中在5%～15%。

對樣品進行了巖相學(xué)和顯微熒光觀察，結(jié)合成巖序列，可以初步識別出兩期烴類包裹體：第一期烴類包裹體主要分布礦物顆粒內(nèi)部早期愈合的微裂隙和次生加大邊中，透射光下呈褐色、淺褐色，室溫下主要以純液相及氣液兩相包裹體形式存在(見圖1(g)、(i)、(k))；第二期烴類包裹體主要分布在晚期硅質(zhì)膠結(jié)物和亮晶方解石膠結(jié)物中，少量分布在穿過石英和長石顆粒邊界的裂隙中，透射光下呈淺褐色-無色透明，室溫下以純氣相及氣液兩相包裹體形式為主(見圖1(a)、(c)、(e))。

2 烴類包裹體光譜分析

2.1 烴類包裹體熒光特征

熒光的顏色和強度與包裹體中有機組成的分子結(jié)構(gòu)類型有密切關(guān)系。一般而言，純飽和烴不發(fā)熒光，而含C=C共軛雙鍵的不飽和烴類分子易發(fā)熒光。研究表明，隨著油氣演化程度(成熟度)的升高，油氣包裹體的熒光顏色會呈現(xiàn)明顯的遞變規(guī)律[4-5]，而且發(fā)出的熒光還可以反映液相烴類的密度，Goldstein等[6]指出低密度的液相油氣的熒光波長較短，一般呈藍光；而隨著油氣密度增大，其熒光波長增大，顏色轉(zhuǎn)變?yōu)槌书偕图t色。由此可見，利用熒光顯微鏡觀察烴類包裹體的熒光顏色與明暗程度，有助于鑒別不同期次油氣演化階段與成熟度[4]。目前還可以利用熒光光度計對熒光波長和強度進行定量分析。

為了解不同期次油氣的成熟度，對樣品中兩期烴類包裹體在熒光顯微鏡下進行了紫外熒光分析，結(jié)果顯示：第一期烴類包裹體主要發(fā)黃綠色熒光，如圖1(h)、(j)、(l)，反映了該期低成熟—成熟油充注；第二期烴類包裹體主要發(fā)藍色—藍白色熒光，如圖1(b)、(d)、(f)，反映了該期為高成熟油氣充注。但是，仔細觀察可以看到，第一期的烴類包裹體周圍基本都發(fā)藍色熒光，受第二期的油氣干擾較大，稍不注意就會出現(xiàn)誤判。為進一步確定油氣成熟度，我們對部分烴類包裹體進行了顯微紅外光譜和拉曼光譜分析。

(a)霍淺1井(b)對應(yīng)(a)熒光(c)霍002井(d)對應(yīng)(c)熒光(e)吐001井(f)對應(yīng)(e)熒光

(g)瑪納001井(h)對應(yīng)g熒光(i)瑪納002井(j)對應(yīng)(i)熒光(k)瑪納002井(l)對應(yīng)(k)熒光

圖1 烴類包裹體透射光及熒光照片

2.2 烴類包裹體顯微傅里葉變換紅外光譜分析

顯微紅外光譜可以獲得包裹體中的簡單分子機分子和大有機分子官能團的紅外吸收特征，從而確定有機物的組成或結(jié)構(gòu)特征，根據(jù)有機分子結(jié)構(gòu)特征可以判斷油氣分子的大小和結(jié)構(gòu)特征，進而推測油氣成熟度。研究中通常利用烴類包裹體中有機物或基團的特征吸收峰特征比值來判斷烴類包裹體中所含有機物的結(jié)構(gòu)性質(zhì)及演化過程和程度[7]。顯微傅里葉變換紅外光譜采用了近紅外激光，可以消除因有機分子產(chǎn)生的熒光，且礦物基體的影響也較弱，成為無損鑒定有機包裹體的一種有效手段[8-10]。但顯微紅外光譜分析一般要求烴類包裹體大于15 μm，如果包裹體太小，很難獲得有效信息。通過對紅外光譜圖分析，可計算CH2/CH3比值及CH4、CO2、烷烴的摩爾百分含量[8-9]，一般認為，CH2/CH3比值越小，包裹體中有機質(zhì)的成熟度越高[8-9]。甲烷含量可以由Pironon 等[11]給出的公式來計算，但是由于缺少標樣，國內(nèi)很多實驗室都無法實現(xiàn)。

為進一步確定烴類包裹體中油氣的成熟度，對研究樣品進行顯微紅外光譜分析，實驗分析在中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗中心完成，所用儀器為Nicolet 6700紅外光譜儀，測試條件為：32倍鏡頭，NaCl窗片，透射光，檢測范圍4 000～4 00 cm-1。結(jié)果顯示，霍-瑪-吐構(gòu)造帶儲層兩期烴類包裹體的成熟度明顯不同，如圖2所示。第一期烴類包裹體中的油氣成熟度較低，如圖2(a)、(b)、(c)代表的儲層烴類包裹體CH2/CH3分別是2.64、1.86、1.98；第二期烴類包裹體中的油氣成熟度較高，如圖2(d)、(e)、(f)代表的儲層烴類包裹體CH2/CH3分別是1.07、0.92、1.3。從包裹體紅外光譜分析特征可以看出，霍-瑪-吐構(gòu)造帶確實存在2期不同成熟度的油氣充注，證實了存在兩期油氣成藏過程和油氣性質(zhì)的差異性。

2.3 烴類包裹體拉曼光譜分析

盡管對于大部分烴類包裹體來說，在拉曼測試時往往會因為發(fā)出熒光而難以獲得拉曼信號，但對于一些不發(fā)熒光，在熒光顯微鏡下很難與鹽水包裹體區(qū)分的氣態(tài)烴包裹體，用拉曼分析具有優(yōu)勢。為了探討石油組分中各類有機化合物的激光拉曼峰特征，張鼐等[12-13]曾測定了石油組分中正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)的激光拉曼光譜，并以此為依據(jù)對烴包裹體進行了分類。本次研究對研究區(qū)儲層含烴流體包裹體進行了激光拉曼光譜分析，儀器為LabRam010，514.5 nm激光，共焦孔1 mm，狹縫400 μm，實驗分析在中國石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院流體包裹體實驗室完成。結(jié)果顯示，兩期油氣包裹體的拉曼信號具有明顯的差異，第一期烴類包裹體中的油氣以飽和烴為主，未見芳烴的拉曼信號(圖3(a)所示)；而第二期烴類包裹體中的油氣既含飽和烴又含有芳烴，芳烴的拉曼信號非常明顯(圖3(b)所示)，結(jié)合烴源巖演化和油源對比，芳烴可能來自侏羅系煤系地層生烴產(chǎn)生的[14]。由于油氣演化程度越高，碳含量也越高，烴分子會有脫氫聚碳的趨勢，結(jié)果會導(dǎo)致芳烴含量升高。Matthias研究報道[15]芳烴可以作為油氣成熟度指標。所以第二期油氣出現(xiàn)芳烴結(jié)構(gòu)，這也暗示油氣成熟度變高。這與前面的顯微紅外分析結(jié)果是一致的，印證了兩期油氣成熟度的差異。由此可見，只要獲得烴類包裹體的拉曼光譜信號，就可以得到組分的重要信息，可基于分子結(jié)構(gòu)對油氣差異進行判斷。

圖3 瑪納002井兩種不同烴類成熟度包裹體的拉曼光譜

3 結(jié) 語

熒光光譜分析是烴類包裹體成熟度判斷最常用的技術(shù)，但是存在不確定性。結(jié)合顯微紅外光譜和拉曼光譜分析可以獲得基于分子結(jié)構(gòu)的信息，這有助于準確判斷包裹體中油氣成熟度。本文通過對霍-瑪-吐構(gòu)造帶紫泥泉子組儲層流體包裹體鏡下觀察、熒光、顯微紅外和拉曼光譜分析，判斷本區(qū)存在兩期不同成熟度的烴類包裹體，證實了兩期油氣成藏過程。第一期烴類包裹體發(fā)黃綠色熒光為主，CH2/CH3比值較低，主要含有飽和烴，油氣成熟度較低；第二期烴類包裹體發(fā)藍白色熒光，CH2/CH3比值較高，明顯含有芳香烴，成熟度較高。通過實例研究證實，多光譜技術(shù)聯(lián)合使用有助于排除單光譜技術(shù)的局限性，可以獲得更多的有效信息，更加準確的判斷油氣成熟度，在以后的研究中應(yīng)當(dāng)重視。

[1] 劉德漢，盧煥章，肖賢明. 油氣包裹體及其在石油勘探和開發(fā)中的應(yīng)用[M]. 廣州：廣東科技出版社，2007:196-201.

[2] 潘長春，周中毅，解啟來．油氣和含油氣包裹體及其在油氣地質(zhì)地球化學(xué)研究中的意義[J]．沉積學(xué)報，1996，14(4)：15-23．

[3] Liu Keyu, Xiao Xianming, Mills D,etal. Cautions in the interpretation of petroleum fluid inclusion data in petroleum system analysis: Insight from spectroscopic analyses of natural and synthetic inclusions [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2009, 101: 62.

[4] 趙艷軍，陳紅漢．油包裹體熒光顏色及其成熟度關(guān)系[J]．地球科學(xué)，2008，33(1)：91-96.

[5] George S C, Ruble T E, Dutkiewicz A,etal. Assessing the maturity of oil trapped in fluid inclusions using molecular geochemistry data and visually-determined fluorescence colours[J]. Applied Geochemistry, 2001, 16: 451-473.

[6] Goldstein R H，Reynolds T J. Systematics of fluid inclusions in diagenetic minerals [J]. SEPM Short Course, 1994，31: 199.

[7] Barres O, Burneau A, Dubessy J,etal. Application of Micro-FT-IR Spectroscopy to Individual Hydrocarbon Fluid Inclusion Analysis[J]. Applied Spectroscopy, 1987, 41(6): 1000-1008.

[8] 李榮西，金奎勵，廖永勝．有機包裹體顯微傅立葉紅外光譜和熒光光譜測定及其意義[J]. 地球化學(xué)，1998，27(3)：244-250.

[9] 鄒育良，霍秋立，俞 萱. 油氣包裹體的顯微紅外光譜測試技術(shù)及應(yīng)用礦物巖石[J]. 地球化學(xué)通報，2006，25(1)：105-108.

[10] 孫 青，翁詩甫，張 煦. 傅立葉變換紅外光譜分析礦物有機包裹體的限制-基體吸收問題初探[J]. 地球科學(xué)，1998，23(3)：248-252.

[11] Pironon J，Thiery R，Aytougougdal M，etal. FT-IR measurements of petroleum fluid inclusions：methane，n-alkanes，and carbon dioxide quantitative analysis[J]. Geofluids，2001(1)：2-10.

[12] 張 鼐，宋孚慶，王匯彤．石油中飽合烴類的喇曼特征[J]．礦物巖石地球化學(xué)通報，2006，25(1)：33-36.

[13] 張 鼐，田作基，冷瑩瑩,等. 烴和烴類包裹體的拉曼特征[J]. 中國科學(xué)(D輯)，2007，37(7)：900-907.

[14] 魏東濤，賈 東，趙應(yīng)成，等. 準噶爾盆地南緣白堊系原油成藏特征[J].地質(zhì)論評，2008，54(3)：145-155.

[15] Matthias Radke. Application of aromatic compounds as maturity indicators in source rocks and crude oils[J]. Marine and Petroleum Geology, 1988(5): 224-236.

Determining Maturity of Oil in Hydrocarbon Inclusions by Multi-spectroscopy

CHENYong1, 2,ZHAOMengjun2,ZHUOQingong2,LIUShaobo2,WANGXintao1

(1. School of Geosciences, China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong, China； 2. Petro China Exploration and Development Institute，Beijing 100083，China)

Spectroscopic technology is widely used for analysis of hydrocarbon inclusions, but previous studies showed some limits of single spectroscopic method. We proposed multi-spectroscopic technology to analyze hydrocarbon inclusions in reservoirs, which combines with fluorescence spectrum, Raman spectrum, and infra-red spectrum. This method can make up shortage of single spectrum technology. This paper reported that multi-spectrum was used to study the maturity of oil in hydrocarbon inclusions from reservoir of Huo-Ma-Tu structure belt in southern Zhungaer basin. The results indicate that multi-spectrum can not only be a complementation for single spectrum, but also give more reliable information about maturity of oil in hydrocarbon inclusions.

multi-spectroscopy; fluorescence spectrum; infra-red spectrum; Raman spectrum; hydrocarbon inclusions

2016-09-08

國家自然科學(xué)基金項目(41172111)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(SD2013211151，16CX05005A)

陳 勇(1976-)，男，四川安岳人，博士，副教授，主要從事流體包裹體形成機制與分析方法方面研究。

Tel.:0532-86981878; E-mail:yongchenzy@upc.edu.cn

P 571

A

1006-7167(2017)05-0014-03