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    根据储层沥青和流体包裹体综合判识油气成藏期:以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例

    蒋有录 刘学嘉 赵贤正 金凤鸣 刘景东 吕雪莹

    蒋有录, 刘学嘉, 赵贤正, 金凤鸣, 刘景东, 吕雪莹, 2020. 根据储层沥青和流体包裹体综合判识油气成藏期:以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例. 地球科学, 45(3): 980-988. doi: 10.3799/dqkx.2019.016
    引用本文: 蒋有录, 刘学嘉, 赵贤正, 金凤鸣, 刘景东, 吕雪莹, 2020. 根据储层沥青和流体包裹体综合判识油气成藏期:以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例. 地球科学, 45(3): 980-988. doi: 10.3799/dqkx.2019.016
    Jiang Youlu, Liu Xuejia, Zhao Xianzheng, Jin Fengming, Liu Jingdong, Lü Xueying, 2020. Comprehensive Identification of Oil and Gas Accumulation Period by Fluid Inclusion Technique and Reservoir Bitumen Characteristics: A Case Study of the Paleozoic Buried Hill in Beidagang, Huanghua Depression. Earth Science, 45(3): 980-988. doi: 10.3799/dqkx.2019.016
    Citation: Jiang Youlu, Liu Xuejia, Zhao Xianzheng, Jin Fengming, Liu Jingdong, Lü Xueying, 2020. Comprehensive Identification of Oil and Gas Accumulation Period by Fluid Inclusion Technique and Reservoir Bitumen Characteristics: A Case Study of the Paleozoic Buried Hill in Beidagang, Huanghua Depression. Earth Science, 45(3): 980-988. doi: 10.3799/dqkx.2019.016

    根据储层沥青和流体包裹体综合判识油气成藏期:以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例

    doi: 10.3799/dqkx.2019.016
    基金项目: 

    国家重大科技专项 2016ZX05006-007

    详细信息
      作者简介:

      蒋有录(1959-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为油气藏形成与分布

    • 中图分类号: P618.13

    Comprehensive Identification of Oil and Gas Accumulation Period by Fluid Inclusion Technique and Reservoir Bitumen Characteristics: A Case Study of the Paleozoic Buried Hill in Beidagang, Huanghua Depression

    图(8)
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    出版历程
    • 收稿日期:  2018-12-17
    • 刊出日期:  2020-03-01

    根据储层沥青和流体包裹体综合判识油气成藏期:以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例

      作者简介: 蒋有录(1959-), 男, 教授, 博士生导师, 研究方向为油气藏形成与分布
    • 1. 中国石油大学地球科学与技术学院, 山东青岛 266580
    • 2. 中国石油大港油田公司, 天津 300280
    基金项目:  国家重大科技专项 2016ZX05006-007

    摘要: 渤海湾盆地潜山油气资源较丰富,近期黄骅坳陷古生界潜山油气勘探取得重大进展,但油气藏的形成时期及期次尚不明确.以黄骅坳陷北大港古生界潜山为例,综合利用储层沥青、流体包裹体观察、测温、拉曼光谱及红外光谱分析等地球化学分析手段,结合烃源岩生烃史,对其油气成藏期进行了系统研究.结果表明:研究区古生界发育碳质、胶质-沥青质、油质3种沥青,经历了生物降解和氧化作用等多种次生改造过程,结合研究区的构造演化及生烃史,推测早侏罗世中期之前存在油气充注;古生界潜山发育两期烃类包裹体,第一期包裹体发黄褐色荧光,主要分布于石英颗粒表面及方解石脉内,均一温度峰值区间为75~80℃,第二期包裹体包括黄色、蓝绿色荧光两类,分布在石英颗粒内裂缝、穿石英颗粒裂缝及方解石脉内,均一温度峰值范围分别为85~90℃和95~100℃;综合古生界潜山储层沥青及包裹体特征,结合烃源岩生烃史,确定古生界存在两期油气充注,分别为中三叠世(235~223 Ma)和新近纪-第四纪(22~0 Ma),且以晚期成藏为主.

    English Abstract

      • 油气储层流体包裹体记录了油气运移过程中与地质历史事件有关的温度、盐度、压力及成分等信息(刘德汉等,2007),可用于反演油气藏的形成和演化史、判断油气运移聚集的时间和期次、恢复地层流体压力等,已经成为油气成藏过程研究的一种重要手段(陈红汉,2007刘可禹等,2013Jiang et al., 2016刘华等,2016蒋有录等,2018刘子恒等,2018).储层沥青是石油伴生产物,记录了油藏从形成到被改造、破坏过程中的重要信息,是油气成藏及改造过程的重要标志.流体包裹体分析和储层沥青分析对确定油气成藏期都有一定的多解性,但将二者联合起来并结合烃源岩生烃史,可综合判定油气的充注时期及期次.

        渤海湾盆地黄骅坳陷古生界潜山油气勘探近年来取得重大突破,但潜山油气充注及演化过程复杂,前人采用多种技术方法对研究区的成藏期次与时间进行了研究,研究层系集中在新生界(张杰等,2005刘小平等,2006刘培等,2013张东东等,2015);目前对古生界潜山油气藏的形成时期尚未有明确的结论,成藏期的不确定制约了勘探成效.因此,本文以黄骅坳陷北大港潜山为例,综合利用储层流体包裹体分析和储层沥青成因分析,对古生界油气成藏时期及期次展开研究,以期对黄骅坳陷乃至渤海湾盆地古生界潜山油气勘探提供理论支持.

      • 黄骅坳陷是位于渤海湾盆地中部的重要含油气坳陷,整体呈北北东向展布,包括10余个潜山构造带.北大港潜山带位于黄骅坳陷的北部,北以大张坨断层与板桥次凹为界,南以港西断层和港东断层与歧北次凹为界,整体呈北北东向展布(张杰等,2005刘小平等,2006张东东等,2015)(图 1).研究区经历印支晚期挤压抬升作用和喜山期深埋、断陷活动,最终在喜山期形成断块型潜山,古生界油气藏也经历了多期调整与改造.研究区古生界自下而上发育奥陶系、石炭系和二叠系,目前已发现的油气藏以二叠系和奥陶系储层为主,其次为石炭系.油源对比结果表明,古生界油气主要源自古近系沙三段烃源岩,在局部地区混入了石炭-二叠系来源,其中沙三段烃源岩在馆陶组末期进入大量生烃期,现今达到生烃高峰(朱炎铭等,2001);石炭-二叠系烃源岩则经历了两次生烃演化过程,分别在早-中三叠世及新近纪,新近纪为主要生烃期(刘培等,2013).

        图  1  黄骅坳陷北大港潜山构造位置及取样点

        Figure 1.  Tectonic location and sampling points of Budagang buried hill in Huanghua Depression

      • 流体包裹体观察测试采用蔡司数字偏光显微镜(ZEISS AXIO Imager D1m),荧光激发光源选用紫外+紫荧光滤片,显微镜测温仪器为Linkam THMS600G冷热台;储层沥青拉曼光谱实验在Renishaw2000型显微共交拉曼光谱仪上进行,红外光谱分析所用仪器为Nicolet6700傅里叶红外光谱分析仪.

        研究样品取自黄骅坳陷北大港潜山,取样层位为古生界奥陶系、石炭系及二叠系,岩心样品共计32件,其中沥青样品12件.流体包裹体样品经双面抛光后,首先进行岩相学观察及荧光分析,确定烃类包裹体的种类;在此基础上对其伴生的盐水包裹体进行显微测温分析,结合单井埋藏史确定油气充注的期次与时间.储层沥青样品处理与分析分为两类,一是选取典型岩心样品制成双面抛光薄片,在拉曼显微镜及红外显微镜下进行光谱采集;二是使用采样工具获取岩心上新鲜沥青样品后置于KBr盐片透射池上,进行红外光谱的采集.综合各类谱图特征判断储层沥青的成因类型,结合单井埋藏史确定储层沥青形成的期次与时间.

      • 储层沥青是一种由具有复杂结构的重质碳氢化合物和含少量微量元素的碳氢衍生物所组成的化合物,具有多种成因机制.随着有机地球化学分析测试技术的不断发展,学者们发现沥青中包含的地质信息越来越丰富,特别是储层沥青,其形成、演化与油气藏的演化历史密切相关(赵兴齐等,2012田兴旺等,2013).不同充注期次的原油经历差异改造作用会形成不同形态及演化程度的沥青,因此对储层沥青特征及其后期次生演化过程的分析有助于确定油气充注的期次和时间(卓勤功等,2011陈世加等,2012包建平等,2016王倩茹等,2016郝彬等,2017陈哲龙等,2018).

      • 透射光及荧光薄片的显微观察显示,北大港潜山古生界储层共发育油质、沥青-胶质和碳质3种储层沥青,其中碳质沥青(透射光及荧光下均不透光)主要分布在粒间孔隙中(图 2a),沥青-胶质沥青(红褐-褐色荧光)主要分布于孔隙或溶蚀孔缝内(图 2a2g),油质沥青(黄色-绿色荧光)主要沿颗粒边缘分布(图 2c2g).从油质储层沥青到碳质储层沥青,轻质组分依次变少、石油族组分中的“沥青质”等高分子组分依次变多.

        图  2  北大港潜山储层沥青镜下特征

        Figure 2.  Bitumen fluorescence characteristics in Beidagang buried hill

        储层沥青拉曼光谱中D峰和G峰形态及其比值与热演化实验温度有关,可以反映有机质热演化阶段的热变程度(Zerda et al., 1981;胡凯等,1993Kelemen et al., 2001段菁春等,2002Zeng and Wu, 2007单云等,2018).北大港潜山储层沥青拉曼光谱测试表明,储层沥青不仅在显微荧光特征上有较大区别,在拉曼谱图形态上也有显著差异.

        碳质沥青的拉曼谱图中D峰和G峰均发育且较尖锐,G峰较D峰更为尖锐,显示出高碳组分为主,D峰的强度几乎与G峰一致,说明储层沥青碳化程度较高(图 3a).胶质-沥青质沥青的拉曼谱图中G峰相对没有碳质沥青的尖锐,显示胶质-沥青质沥青的高碳组分没有碳质沥青的多;D峰微突出,说明碳化程度中等(图 3b).油质沥青的拉曼谱图中G峰也有一定突出,说明靠近围岩的深色极性组分也包含部分高碳沥青质;D峰基本没有,说明碳化程度较低(图 3c).

        图  3  北大港潜山三种储层沥青拉曼光谱图

        Figure 3.  Raman spectroscopy of three kinds of reservoir bitument in Beidagang buried hill

        前人研究认为,拉曼光谱中G峰拉曼波数与D峰波数差值(G-D)和D峰拉曼强度与G峰拉曼强度比值(Dh/Gh)与沥青成熟度的相关性最好,且沥青成熟度随二者的增大而增大(刘德汉等,2013张鼐等,2013Zhou et al., 2014).油气演化特征一般是充注时间越晚,成熟度越高.将北大港潜山不同类型的储层沥青的拉曼特征峰G-D值与Dh/Gh值作交会图(图 4),结果表明,部分早期油气充注形成的碳质沥青成熟度高于后期油气充注形成的沥青质沥青,说明早期储层沥青已形成了热稳定性更高的残余物,碳化较为严重.油质沥青的G-D主要分布在270~290 cm-1的成熟区范围内,在紫外荧光下呈现黄绿-蓝绿色荧光,是一期成熟度高但未发生碳化的储层沥青,代表晚期高熟油气充注.

        图  4  北大港潜山G-D与Dh/Gh交会图

        Figure 4.  G-D and Dh/Gh intersection diagram of Beidagang buried hill

      • 储层沥青的成因判识可以间接确定储层沥青形成的期次及时间(王倩茹等, 2016, 2018).对北大港潜山奥陶系底部储层沥青进行显微红外光谱分析,图 5显示其富含甲基、亚甲基等脂肪族基团和C=O等基团;该储层沥青主要沿裂缝分布或充填于缝洞内,推测其为原油经历过氧化作用及后期原油再次充注的结果.此外,北大港潜山寒武系储层沥青的饱和烃色质谱特征反映其为石炭-二叠系煤系烃源岩生成的低熟油,C29 25-降藿烷的存在表明原油可能发生过生物降解作用(李二庭等,2019).

        图  5  北大港潜山古生界储层沥青显微红外光谱特征

        Figure 5.  Microscopic infrared spectrum characteristics of Paleozoic reservoir bitumen in Beidagang buried hill

        原油发生生物降解作用和氧化作用需满足微生物的存在条件:地温低于60~80 ℃,在正常的地温梯度下埋深小于2 km;位于油水界面附近;有水动力或者压实作用形成流动的水等(段传丽等,2007).

        北大港潜山石炭-二叠系烃源岩在二叠纪末期进入生烃门限,发生一次生烃;在中三叠世末期石炭-二叠系开始抬升,随之生烃过程终止.古生界在早侏罗世中期抬升至1 600 m,地温为60~80 ℃,由此认为早侏罗世中期具备生物降解作用和氧化作用发生的条件.生物降解和氧化作用的存在证明了该地区在早侏罗世中期之前存在早期油气充注,油质沥青和储层沥青中脂肪族基团的存在证明了晚期油气充注.

      • 透射光及荧光薄片的显微观察表明,研究区古生界储层中发育液态烃包裹体、气液两相包裹体、沥青包裹体、含烃盐水包裹体和盐水包裹体等多种类型包裹体;其中烃类包裹体丰度(GOI)分布在0~15%,主要呈零星状或群体状分布在石英颗粒内裂缝、石英颗粒表面及方解石充填物内(图 6a~6f),少数呈串珠状分布在穿石英颗粒裂缝中(图 6g6h),存在较多伴生盐水包裹体.烃类包裹体主要发育黄褐-黄色和黄绿-绿色两种荧光颜色(图 6),不同层系烃类包裹体存在明显差异.奥陶系黄褐色荧光油包裹体含较大气泡,透射光下呈浅黄褐色(图 6a6b);黄色荧光油包裹体透射光下呈无色;绿色荧光包裹体为单一液相,透射光下无色.石炭系以绿色荧光气液两相包裹体为主,呈群体分布.二叠系黄色荧光包裹体为气液两相,透射光下呈黄褐色,呈椭球状及不规则三角状,多分布于石英内裂缝中(图 6c6d);绿色荧光包裹体为气液两相,透射光下无色,呈长条、椭球状,形状规则,多分布于穿石英裂缝内,包裹体尺寸较小(图 6e6f).二叠系还发育较多沥青包裹体,多为椭球状,在透射光及荧光下均呈黑色,主要分布在石英颗粒表面,呈零星分布.

        图  6  北大港潜山流体包裹体镜下特征

        Figure 6.  Microscopic characteristics of hydrocarbon fluid inclusions in Beidagang buried hill

        液态烃包裹体的荧光颜色与其中所含的芳烃共轭π键体系和C=O官能团密切相关,随着包裹体内捕获的烃类演化程度的增高,包裹体的荧光颜色呈现褐色→橘黄色→浅黄色→蓝色→蓝白色的变化(刘德汉等,2007).根据烃类包裹体的荧光颜色和赋存位置,可将黄骅坳陷北大港潜山的液态烃包裹体分为3类:第一类为黄褐色荧光包裹体,透射光下呈黄褐色,主要赋存在石英颗粒及方解石脉表面,尺寸较大且无固定形状;第二类为黄色荧光包裹体,透射光下无色,主要赋存在石英颗粒内裂缝内,尺寸较小,形状受内裂缝控制;第三类为黄绿-绿色荧光包裹体,透射光下无色,主要赋存在穿石英裂缝内及裂缝充填的方解石脉表面,尺寸较小,为规则的椭球状.研究区还发育少量沥青包裹体,主要赋存在石英颗粒及方解石脉表面.

        结合油源对比结果及烃源岩生烃史,笔者认为沥青包裹体及黄褐色荧光包裹体捕获了晚侏罗世之前充注的来源于石炭-二叠系烃源岩的成熟度较低的原油,喜山期北大港潜山经历持续深埋至今,沙三段烃源岩在新近纪馆陶组沉积期进入生油门限,流体包裹体捕获了来自沙河街组与石炭-二叠系烃源岩的混合油气,故晚期既有发黄色荧光的低成熟度油包裹体,也包含后期较高成熟度的油气包裹体.

      • 均一温度代表了流体包裹体形成时所经历的温度,对研究区古生界潜山储层不同类型的烃类包裹体伴生的盐水包裹体进行均一温度的测试.结果表明,伴生盐水包裹体的均一温度分布范围为60~110 ℃(图 7),不同类型的烃类包裹体伴生盐水包裹体的温度分布存在差异:早期伴生盐水包裹体均一温度范围为60~90 ℃,峰值温度为75~80 ℃;晚期伴生盐水包裹体的均一温度范围为75~110 ℃,峰值温度分别为85~90 ℃和95~100 ℃.其中第一类黄褐色荧光烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一温度范围为60~90 ℃,峰值为75~80 ℃;第二类黄色荧光烃类包裹体伴生盐水包裹体的均一温度范围为75~100 ℃,峰值为85~90 ℃;第三类黄绿-绿色荧光烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一温度范围为80~110 ℃,峰值为95~100 ℃.

        图  7  北大港潜山古生界流体包裹体均一温度分布图

        Figure 7.  Homogenization temperature distribution of fluid inclusions in Paleozoic of Beidagang buried hill

      • 在研究区古生界储层流体包裹体特征分析的基础上,将各期次烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一温度投影到对应的埋藏受热演化史上,获得主力储层的油气充注时期为235~223 Ma和22~0 Ma(图 8).

        图  8  利用流体包裹体均一温度与烃源岩热演化生烃史确定北大港潜山油气成藏期

        Figure 8.  Hydrocarbon accumulation period in Beidagang buried hill by homogenization temperature of fluid inclusions and thermal evolution of source rocks

        根据储层沥青分析、烃类包裹体的岩相学特征和显微测温结果,结合烃源岩的构造演化史和生烃史,笔者认为研究区存在两期油气充注过程.储层沥青及烃类包裹体种类的多样性反映研究区存在多期充注,储层沥青生物降解及氧化作用的发生反映早侏罗世中期之前即存在早期油气充注,低碳化程度的油质沥青及高成熟度的蓝绿色荧光烃类包裹体证实了晚期油气充注,综合烃类包裹体的显微测温结果与储层埋藏史和烃源岩生烃史,确定北大港潜山古生界存在两期油气成藏:第一期为中三叠世(235~223 Ma),该时期石炭-二叠系烃源岩经历一次深埋,达到生烃门限并开始生烃,因中三叠世末期构造作用使地层抬升而终止;第二期为新近纪-第四纪(22~0 Ma),该阶段烃源岩层经历持续深埋,古近系沙三段及石炭-二叠系烃源岩均进入大量生烃阶段,为潜山储层提供了丰富的油气来源,为主要成藏期.

      • (1)黄骅坳陷北大港古生界潜山发育3类储层沥青,分别为碳质沥青、胶质-沥青质沥青及油质沥青;不同演化程度的储层沥青反映研究区存在多期油气充注,其中高成熟油质沥青代表了晚期油气充注过程,氧化作用和生物降解作用的存在证实了早侏罗世中期之前存在油气充注.

        (2)研究区古生界主要发育3类烃类包裹体:第一类为黄褐色荧光包裹体,透射光下呈黄褐色,主要赋存在石英颗粒及方解石脉表面,尺寸较大且无固定形状;第二类为黄色荧光包裹体,透射光下无色,主要赋存在石英颗粒内裂缝内,尺寸较小,形状受内裂缝控制;第三类为黄绿-绿色荧光包裹体,透射光下无色,主要赋存在穿石英裂缝内及裂缝充填的方解石脉表面,尺寸较小,为规则的椭球状.其中第一类包裹体捕获了晚侏罗世之前充注的来源于石炭-二叠系烃源岩的低熟油气,第二类和第三类包裹体捕获了来自沙河街组烃源岩与石炭-二叠系烃源岩的混合油气.

        (3)研究区早期烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度主峰区间为75~80 ℃,晚期发育两类烃类包裹体,其伴生的盐水包裹体均一温度主峰区间分别为85~90 ℃和95~100 ℃.综合储层沥青及包裹体特征,研究区古生界潜山存在两期成藏:第一期为中三叠世(235~223 Ma),第二期为新近纪-第四纪(22~0 Ma),以第二期成藏为主.

    参考文献 (61)

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