含烴鹽水包裹體PVTsim模擬的一種簡化方法及應(yīng)用

王瑀輝，袁玉松

（1.中國石油大學(xué)（北京），北京 102249；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院）

1 研究背景

應(yīng)用沉積盆地地層古壓力恢復(fù)數(shù)據(jù)可以分析油氣運聚過程、確定油氣充注和成藏時間、評價油氣保存條件、優(yōu)選有利勘探區(qū)帶[1]。流體包裹體形成于礦物結(jié)晶時期，可以反映成礦時期地層溫壓條件及古流體信息，且可以作為等容體系進行 PVT計算。根據(jù)與主礦物形成時間關(guān)系，流體包裹體分為原生、次生包裹體，分別提供了主礦形成時期和后期改造事件中的流體環(huán)境變化和構(gòu)造特征[2]。

流體包裹體分析法是重要的地層流體壓力演化模擬方法，通過獲取均一溫度并進行鹽度測試、成分測試等，恢復(fù)捕獲時期的地層壓力，獲得捕獲時期的地層條件。利用流體包裹體恢復(fù)古地層流體壓力包括多種方法，早期方法包括操作較復(fù)雜的鹽水包裹體密度式法、等容線圖解法[3]等，較新的PVT數(shù)值模擬法有更好的模擬效果。PVTsim軟件可以對單個包裹體進行模擬，最早Aplin[4]使用的方法采用并改進了 Soave–Redich–Kwong 狀態(tài)方程[5–7]，使通過迭代計算獲得的包裹體的氣液比與室溫條件下的情況相符，結(jié)合激光共聚焦掃描顯微鏡確定的包裹體成分，模擬包裹體等容線方程，最終求得相對準確的包裹體捕獲壓力。

Aplin主要進行了原油包裹體的壓力模擬，但是由于含烴鹽水包裹體成分復(fù)雜，無法直接利用軟件計算均一溫度下的飽和壓力和室溫下的氣液比。含烴鹽水包裹體的P–T相圖比原油包裹體復(fù)雜很多，含烴鹽水包裹體的模擬不能使用傳統(tǒng)方法。在古老的海相沉積盆地中，地層通常經(jīng)歷過高溫高壓條件，有機質(zhì)熱演化程度高，發(fā)生油氣轉(zhuǎn)化，原油包裹體一般被破壞，導(dǎo)致古老地層中很少發(fā)現(xiàn)原油包裹體，但成熟的含油氣盆地中含烴鹽水包裹體廣泛存在，尤其在頁巖氣藏中較為突出。

含烴鹽水包裹體在凝固過程中，形成水與氣體結(jié)合而成的固體結(jié)晶[8]，可將其當(dāng)做穩(wěn)定的氣體水合物，其擁有固定的平衡溫度Tm（冰點溫度）。王存武等[9]利用包裹體此特點提出的方法是：利用實驗室激光掃描共聚焦顯微鏡層切包裹體，獲得室溫條件下氣液體積比數(shù)據(jù)；在PVTsim軟件中輸入由激光拉曼測試得到的包裹體成分及含量數(shù)據(jù)；在軟件的無水模塊中輸入氣體含量為零，控制其處于氣水合物平衡狀態(tài)，求得此條件下捕獲壓力并記錄包裹體摩爾體積；通過不斷調(diào)整成分，使利用包裹體摩爾體積計算出的室溫條件下氣液體積比與實驗室結(jié)果相符。

包裹體在均一溫度下存在飽和壓力P，使包裹體為均一相態(tài)，據(jù)此，米敬奎[10]提出利用PVTsim的“multi–flash”模塊進行均一態(tài)的最小壓力模擬，通過聯(lián)立多組包裹體等容線方程計算包裹體捕獲壓力；張俊武[11]使用PVTsim中的含水模塊，通過調(diào)整輸入的捕獲壓力的值使包裹體達到氣體消失的均一態(tài)，從而獲得此條件下的捕獲壓力與包裹體摩爾體積，其余步驟與王存武等的相同。前人在使用PVTsim軟件對含烴鹽水包裹體捕獲壓力的模擬過程中，在校正初始包裹體成分時的操作皆為重新輸入不同的成分，并需要多次重復(fù)模擬步驟，對成分的改變方法并無具體說明，且重復(fù)操作的過程較復(fù)雜。

2 包裹體PVTsim模擬方法

王存武與張俊武[11]的方法分別使用包裹體在實驗室測定的冰點溫度和均一溫度，具體操作存在差別，但均模擬包裹體到單一相態(tài)，利用其體積一定的特點驗證氣液比，并進行PVT模擬。實驗操作中可以使用均一溫度模擬捕獲壓力并結(jié)合冰點溫度氣水合物模擬進行驗證。以張俊武的模擬方法為例，在獲取包裹體成分和包裹體室溫下氣液比數(shù)據(jù)后，①在軟件的“Flash”中的“PT–agueous”模塊輸入均一溫度Th，通過不斷調(diào)整輸入壓力P，使結(jié)果中的“Vapor”含量的體積剛好減小為零，記錄此時的總體積Vt；②使用“V–T”模塊輸入Vt，計算室溫條件下的氣液含量體積比，并與真實結(jié)果對比，通過不斷調(diào)整氣體成分含量并重復(fù)之前步驟，使氣液比準確。由于實驗室測得的氣相成分已知，相對準確的成分調(diào)整方法為控制各成分比例不變，增加或減少氣體總物質(zhì)量與水的比例（即氣液摩爾比），初始比例設(shè)定為甲烷在水中的溶解度 0.21%；③計算此條件下最小捕獲壓力。

步驟②中在調(diào)整氣體成分時需要重新在軟件中輸入不同成分數(shù)值，并重復(fù)壓力調(diào)整和氣液比計算的過程，操作較繁瑣，如果成分調(diào)整的方向與幅度不確定，則調(diào)整更加困難。

3 PVTsim模擬方法的簡化

在以上模擬過程實際操作時發(fā)現(xiàn)，在成分調(diào)整的多個結(jié)果中，輸入的氣液摩爾比與模擬出的包裹體捕獲壓力皆表現(xiàn)為二次函數(shù)關(guān)系（圖1），而室溫條件下的氣液比與最大壓力為一次函數(shù)負相關(guān)（圖2），系數(shù)與均一溫度及包裹體各成分含量相關(guān)，且這種規(guī)律不受樣品原始數(shù)據(jù)條件的影響。據(jù)此規(guī)律，利用 PVTsim模擬至少兩組不同氣體物質(zhì)含量的包裹體在室溫條件下的氣液比和相應(yīng)的最大捕獲壓力，并據(jù)此求出二者的一次函數(shù)，再將實驗室測得的室溫條件下氣液比的值代入到一次函數(shù)中，即可求得包裹體的最大捕獲壓力。軟件中最大捕獲壓力的模擬需要精確到0.1 bar，從而提高一次函數(shù)的準確性。

圖1 輸入的氣液摩爾比與捕獲壓力關(guān)系

圖2 室溫下氣液體積比與捕獲壓力關(guān)系

使用模擬得到的氣液體積比與捕獲壓力關(guān)系的方法可以快速地模擬包裹體的捕獲壓力，輸入至少兩組不同的成分并進行捕獲壓力和氣液比模擬，即可獲得真實氣液比條件下的包裹體捕獲壓力。利用這種方法在對大量包裹體捕獲壓力模擬時，可以顯著減少工作量。利用氣液摩爾比與捕獲壓力關(guān)系圖反映出的不同成分下的捕獲壓力變化趨勢，可以為包裹體成分的校正提供參考。

4 PVTsim簡化方法的應(yīng)用

4.1 區(qū)域地質(zhì)背景及樣品概況

包裹體樣品均取自林–1井鉆井巖心，為震旦系燈影組、志留系龍馬溪組和石牛欄組巖心樣品中的方解石或白云石脈體。在測試過程中發(fā)現(xiàn)均一溫度過高的包裹體，認為是非均相捕獲，為消除影響將樣品進行篩選，最終獲取符合實驗室標準并獲得測試結(jié)果的包裹體樣品共11份，1～6號樣品屬志留系石牛欄組，7號為志留系龍馬溪組，皆為灰?guī)r裂縫方解石包裹體，深度為469.28～759.91 m；8～11號樣品屬震旦系燈影組地層，皆為白云巖中包裹體，深度為2 619.28～2 767.45 m。總體上包裹體形狀較規(guī)則，粒徑10～40 μm，氣液比3.6%～17.4%，包裹體壁薄，透明度較高；隨取樣深度增加，包裹體均一溫度有增大趨勢（圖3）[12–14]。

圖3 林–1井包裹體顯微鏡下樣品特征

包裹體捕獲溫度是根據(jù)實驗室測得的均一溫度間的規(guī)律推算獲得的[15]，通過將包裹體的捕獲溫度投影在林–1井埋藏史、熱演化史圖上，獲得相應(yīng)層位包裹體的埋藏深度和時間，還原過程需要結(jié)合包裹體的期次性進行調(diào)整。樣品主要為裂縫中次生包裹體，形成于晚中生界之后地層構(gòu)造抬升期的裂縫中（表1）。

4.2 模擬結(jié)果

采用PVTsim模擬方法[16]，每個樣品模擬兩組不同的成分下的捕獲壓力和室溫氣液體積比，擬合獲得現(xiàn)今氣液比–捕獲壓力關(guān)系式，然后代入室溫下測得的所有包裹體氣液比數(shù)據(jù)，即可得到包裹體捕獲壓力，模擬結(jié)果如表2。

包裹體捕獲壓力模擬的結(jié)果與林–1井盆地模擬做出的地層壓力演化結(jié)果有較好的吻合性。結(jié)合區(qū)域埋藏史、熱史及以上模擬結(jié)果，認為林–1井地區(qū)地層流體古壓力演化符合盆地整體演化特征，埋藏較深的燈影組地層壓力普遍高于石牛欄組。在105～45 Ma期間，構(gòu)造抬升導(dǎo)致地層壓力快速下降，同時期燈影組、石牛欄組壓力系數(shù)總體下降，但仍穩(wěn)定在 2.0以上且存在短暫升高，證明地層始終處于超壓狀態(tài)，未發(fā)生破裂泄壓，且構(gòu)造抬升程度在后期有所減緩，三疊系之后龍馬溪組高成熟度干酪根大量生氣對下伏石牛欄組的增壓有一定影響[16]；45 Ma至今古流體壓力進一步下降直至現(xiàn)今的常壓狀態(tài)，認為主要原因仍是構(gòu)造抬升作用、盆地中生代和新生代構(gòu)造運動復(fù)雜，導(dǎo)致地層產(chǎn)生斷裂，使地下應(yīng)力釋放。

5 結(jié)論及認識

（1）簡化的PVTsim模擬方法為包裹體成分的校正及捕獲壓力結(jié)果的調(diào)整提供了方向，相對原始的方法，該方法縮減了復(fù)雜的校正調(diào)整過程，在實際應(yīng)用的操作中效果較好，每個樣品的模擬過程只需輸入至少兩組不同成分含量的初始氣體數(shù)據(jù)，作出現(xiàn)今氣液比–捕獲壓力方程，即可計算獲知真實室溫氣液比矯正的包裹體捕獲壓力。

（2）林–1井古地層流體壓力演化結(jié)果表明，105～45 Ma期間構(gòu)造抬升導(dǎo)致地層壓力迅速下降，壓力系數(shù)緩慢下降，燈影組和石牛欄組皆保持在2.0以上，45 Ma之后地層壓力系數(shù)迅速下降。

（3）包裹體對時間點下的地層壓力模擬更具有參考價值，但通常由于多井取樣復(fù)雜、實驗室測試成本高，包裹體樣品在數(shù)量和區(qū)域分布上存在局限性，將盆地模擬得出的壓力演化結(jié)果作為包裹體捕獲壓力模擬結(jié)果的參考，既有利于壓力演化趨勢的判斷，又可以相互驗證。

表1 林–1井下古生界實測流體包裹體數(shù)據(jù)

表2 流體包裹體古地層壓力模擬結(jié)果