儲層瀝青拉曼光譜特征及其對油氣成藏期次的約束
——以冀中坳陷楊稅務(wù)潛山為例

田建章，陳 勇，侯鳳香，田 然，張 輝，王元杰，劉聽雨，馮艷偉，鐘 升

1. 中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552 2. 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

引 言

瀝青作為石油與天然氣的伴生蝕變產(chǎn)物，是最早用來作為尋找油氣藏的標(biāo)志[1-2]。隨著有機(jī)地球化學(xué)分析測試技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)瀝青所包含的地質(zhì)信息越來越豐富，因此日益受到重視，特別是儲層瀝青，其形成、演化與油氣藏的演化歷史息息相關(guān)[3]。隨著與儲層瀝青伴生的天然氣藏大量發(fā)現(xiàn)，富有機(jī)質(zhì)烴源巖中的瀝青常被用來重建盆地的地?zé)崾?，特別是對缺少鏡質(zhì)組的沉積地層尤其有用[4]。瀝青成熟度對油氣成藏有著重要的指示意義。瀝青反射率(Rb)作為成熟度的判定指標(biāo)，早在20世紀(jì)70年代就被提出[5]，瀝青反射率與鏡質(zhì)體反射率(Ro)相似，且二者之間存在一定的相關(guān)性。Jacob[2]根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了世界各地30個同時含有瀝青和鏡質(zhì)體的樣品中“低反射”瀝青反射率數(shù)據(jù)，獲得了二者換算關(guān)系式。近年來，拉曼光譜技術(shù)被應(yīng)用于研究瀝青的結(jié)構(gòu)及其熱演化程度[6-9]，通過瀝青的拉曼譜圖中D峰與G峰的比值以及二者的拉曼位移差值來推算瀝青的成熟度已經(jīng)取得了較好的成果[10-12]。

前人對瀝青和有機(jī)質(zhì)成熟度的研究主要集中在頁巖及烴源巖的熱演化研究中，本次研究將儲層瀝青的成熟度與油氣成藏聯(lián)系起來，以期獲得成藏時間的關(guān)鍵信息。冀中坳陷北部的楊稅務(wù)潛山天然氣藏是近年來重大勘探發(fā)現(xiàn)[13-14]，然而關(guān)于天然氣的成藏時間一直不夠明確。巖心觀察發(fā)現(xiàn)大量裂縫中有瀝青充填，為剖析油氣成藏時間，本文通過激光拉曼光譜技術(shù)對儲層瀝青進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合構(gòu)造演化史來確定天然氣的成藏時間。

1 實(shí)驗(yàn)部分

研究的瀝青樣品采自楊稅務(wù)潛山奧陶系天然氣儲層，巖石類型主要為灰?guī)r和白云巖，裂縫發(fā)育，瀝青多見充填在晚期裂縫中，顯示油氣沿裂縫運(yùn)移的特征。鏡下觀察可以看到，儲層瀝青不僅沿裂隙分布，還有部分充填在礦物晶間孔隙中，如圖1所示。將采集的巖心樣品制備成雙面拋光的巖石薄片，洗凈后用于激光拉曼光譜測試分析。

圖1 儲層瀝青空間分布特征(安探4×，4 842.95 m)Fig.1 Distribution of bitumen in reservoir (well Antan 4×, 4 842.95 m)

顯微拉曼光譜測試所用儀器為法國J.Y.公司生產(chǎn)的LabRam-010激光拉曼光譜儀，該儀器采用顯微共焦系統(tǒng)，CCD信號檢測系統(tǒng)，儀器光學(xué)分辨率約為1.5 cm-1，實(shí)驗(yàn)所用激光光源波長為532 nm，共焦孔1 000 μm，狹縫400 μm，積分時間(20 s)。

2 結(jié)果與討論

對所有含瀝青樣品測試結(jié)果顯示，均可測出瀝青典型的D峰和G峰，對于同一個樣品而言，不同測試點(diǎn)的拉曼光譜特征基本一致(圖2)，反映了樣品瀝青的均一性和拉曼測試結(jié)果的穩(wěn)定性。然而原始譜圖中含有背景信號的干擾，需要對譜圖進(jìn)行去背景和分峰處理才可以得到有效信息。

圖2 儲層瀝青拉曼光譜特征Fig.2 Raman spectra of bitumen in reservoirs

圖3 瀝青拉曼光譜參數(shù)及分峰擬合原理圖

Wilkins等[11]通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，提出了一種瀝青拉曼光譜分峰處理的方法[如圖3(a)所示]，并給出了利用拉曼光譜參數(shù)計(jì)算瀝青反射率的公式，該方法獲得的瀝青反射率與鏡質(zhì)體反射率有很好的相關(guān)性。其基于瀝青拉曼光譜參數(shù)計(jì)算反射率的公式為

Ro%(cal)=-3.291+7.432log(vG-vD)-0.306log(saddle index)-2.935logFWHMG-3.118logFWHMD

式中參數(shù)包括：vD和vG分別為D峰和G峰的峰位，峰間距(vG-vD)，D峰和G的半高寬分別為FWHM-D和FWHM-G，saddle index為鞍形指數(shù)，即G帶的高度與“鞍座”兩個峰之間的最小值之比。本文采用該方法對所測得的拉曼光譜參數(shù)進(jìn)行分析。

按照Wilkins等[11]提出的方法，首先扣除背景噪聲，然后確定D峰和G峰的位置，采用Peakfit軟件進(jìn)行洛倫茲(Lorentzian)分峰擬合，直到擬合的譜圖與原始譜圖形態(tài)基本一致為止，如圖3(b)所示。對所測的結(jié)果按照上述方法進(jìn)行處理得到相關(guān)參數(shù)，并計(jì)算得到瀝青對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率[Ro(cal)]。本次研究重點(diǎn)對安探4×井儲層含瀝青樣品進(jìn)行了系統(tǒng)分析，相關(guān)結(jié)果如表1所示。

表1 瀝青拉曼峰參數(shù)及反射率Table 1 The Raman spectroscopic parameters of bitumen and Ro (cal)

為了確定楊稅務(wù)潛山油氣成藏的時間，以安探4×井為例，利用Basinmod盆地軟件恢復(fù)了研究區(qū)的埋藏史和熱演化史，如圖4所示。根據(jù)拉曼光譜測試結(jié)果顯示，每個樣品不同測試點(diǎn)存在一定差異，證明儲層瀝青在微觀上存在非均質(zhì)性，同時說明可以存在多期油氣充注。測試結(jié)果Ro(cal)可以分為兩個成熟度區(qū)間，1.00～1.37和1.44～1.94，指示存在兩期油氣充注。結(jié)合研究區(qū)埋藏史和熱演化史，這兩個成熟度區(qū)間分別對東營組沉積期(35～25 Ma)及明化鎮(zhèn)組和平原組沉積期(5 Ma～0)，這與前人研究得到的廊固凹陷烴源巖主要生排烴期是一致的[13-14]。

圖4 楊稅務(wù)潛山安探4×井埋藏史與油氣成藏期

根據(jù)Maria Mastalerz等[15]研究表明(圖5)，Ro%為1.00～1.37階段烴源巖對應(yīng)生成凝析油和濕氣階段，而1.44～1.94階段以生成天然氣為主，只有少量凝析油。而楊稅務(wù)潛山現(xiàn)今油氣藏類型為凝析油氣藏，與儲層瀝青成熟度所對應(yīng)的生烴階段完全吻合，證實(shí)了該方法的準(zhǔn)確性。

圖5 有機(jī)質(zhì)演化成熟度與生成油氣類型的關(guān)系圖(據(jù)Maria Mastalerz等，2018)Fig.5 Relationship between the evolution of organic matters maturity and hydrocarbon types (After Maria Mastalerz et al., 2018)

3 結(jié) 論

(1)拉曼光譜技術(shù)可以快速有效測定儲層瀝青的成熟度，采用洛倫茲分峰擬合方法對原始測試結(jié)果處理可以獲取拉曼峰有效特征參數(shù)，測試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

(2)結(jié)合盆地?zé)嵫莼罚脙訛r青成熟度判定楊稅務(wù)潛山油氣成藏的時間主要為東營期和明化鎮(zhèn)時期，該方法相對其他判定油氣成藏期次的方法更加快捷有效，可以節(jié)省大量時間，是對油氣成藏研究方法的重要補(bǔ)充。