張 鼐, 張寶收, 趙瑞華, 楊曉光, 南燕云, 趙澄雨

(1. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司 勘探開發(fā)研究院 提高石油采收率國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2. 塔里木油田公司研究院, 新疆 庫爾勒 841000; 3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院, 北京 100083)

0 引 言

塔中Ⅰ號(hào)坡折帶的西北段塔中45號(hào)油藏屬受構(gòu)造和儲(chǔ)層物性共同控制的揮發(fā)性油藏[1]。油藏主要發(fā)育在中上奧陶統(tǒng)6020～6150 m碳酸鹽巖段, 有趣的是, 在6077～6150 m出現(xiàn)大量螢石, 螢石對(duì)儲(chǔ)集層的影響以及與油藏的關(guān)系引發(fā)了研究者的極大興趣?，F(xiàn)有研究認(rèn)為: ①加里東期, 高含氟的地下熱液上升侵入灰?guī)r, 熱液與圍巖發(fā)生交代作用, 形成的螢石充填了孔、洞及構(gòu)造裂隙[2]; ②螢石形成于海西期, 早二疊世末期巖漿活動(dòng)后期低溫?zé)嵋貉亓严痘驍鄬忧治怀涮钚纬晌炇}[3–4], 對(duì)儲(chǔ)層有良好的改善作用; ③螢石是喜馬拉雅期盆地流體活動(dòng)的產(chǎn)物[5],螢石成礦熱液溶蝕作用發(fā)育時(shí)期是塔中45井埋藏溶蝕孔隙形成的重要時(shí)期。以上觀點(diǎn)提到螢石能改善儲(chǔ)層孔隙, 螢石作為烴包裹體的賦存礦物, 與油藏形成時(shí)間關(guān)系前人沒有更詳細(xì)的分析, 而作為古油藏“足跡”的烴包裹體, 對(duì)其進(jìn)行深入研究的就更少。本文擬通過對(duì)烴包裹體組分、賦存礦物形成年齡的測(cè)試, 厘定塔中45井成藏時(shí)間及油氣來源。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

流體包裹體顯微測(cè)溫采用英國(guó)Linkam公司的THMS G600型冷/熱臺(tái)。不同期次烴包裹體組分用“多功能烴包裹體取樣機(jī)”(申請(qǐng)發(fā)明專利號(hào)201010111409.2)對(duì)單個(gè)烴包裹體一一打開, 約打開100～500個(gè)同一期烴包裹體, 提取同期次烴組分, 將所提取的包裹體氣體成分上thermo DSQⅡ型色譜-質(zhì)譜儀。含烴包裹體賦存礦物測(cè)年用電子自旋共振法(ESR): 碎樣至60目, 在雙目鏡下挑石英或螢石樣約3 g, 粉碎為0.200～0.125 mm粒度。因烴包裹體中的油具強(qiáng)磁性, 對(duì)ESR測(cè)試有影響, 故加入8 mL的二氯甲烷在超聲波儀中清洗10 min, 倒去二氯甲烷,再加入8 mL二氯甲烷浸泡30 min, 倒去廢液, 從而將賦存礦物粉末中的油洗去。隨后將樣品自然風(fēng)干,用KJD-2000N底伽馬儀和微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)定α和γ天然放射性和用ER-200D-SRC電子自旋共振儀測(cè)定其順磁中心濃度值, 由此推測(cè)得到地質(zhì)年齡。碳酸鹽巖的烴包裹體豐度的統(tǒng)計(jì)是用烴包裹體頻率(FOI)法完成的, 方法如下: 在樣品中隨機(jī)選取0.5 mm × 0.5 mm正方形區(qū)域進(jìn)行分析, 根據(jù)含烴包裹體的正方形所占比例計(jì)算整個(gè)樣品油包裹體豐度。

2 塔中45井賦存礦物特征和烴包裹體特征

塔中45井賦存礦物及烴包裹體特征簡(jiǎn)述如下。①螢石中烴包裹體有兩期: 第Ⅰ期沿螢石生長(zhǎng)紋分布, 在紫外熒光下發(fā)黃色、白色中等強(qiáng)度熒光, 屬成熟液相烴包裹體(圖 1a), 第Ⅰ期烴包裹體在螢石中FOI值約為 10%; 第Ⅱ期是螢石愈合縫中次生分布的、在紫外熒光下發(fā)藍(lán)白色強(qiáng)熒光的高成熟氣液相烴包裹體和氣相烴包裹體(圖 1b), 第Ⅱ期烴包裹體在螢石中FOI值約為45%。②螢石中常伴生的石英有兩種: 一種是與螢石呈共生狀態(tài), 石英常為較好的自形晶, 內(nèi)不含烴包裹體; 另一種為石英脈體,是螢石形成后又有石英沿螢石裂縫充填而形成的,石英的均一化溫度從116 ℃左右到160 ℃左右(表1),含有發(fā)藍(lán)白熒光的烴包裹體(圖 1c), 烴包裹體與石英應(yīng)是同一時(shí)期的產(chǎn)物。③螢石中常伴生的方解石有三種: 一種被螢石交代呈殘余狀的方解石(圖 1d),是灰?guī)r圍巖被交代而呈殘余狀保存在螢石中的; 二是與螢石同生的方解石, 這種方解石多為不規(guī)則塊狀, 內(nèi)見少量第Ⅰ期烴包裹體(圖 1e); 三是后期方解石脈體穿過早期形成的螢石, 方解石脈中見大量原生第Ⅱ期烴包裹體(圖1f)。

用激光共聚焦法對(duì)螢石和石英脈中的兩期烴包裹體進(jìn)行熒光光性分析。熒光峰的中值和最高峰值越大, 熒光強(qiáng)度越大, 則油的芳烴含量就越高, 飽和烴含量越低, 油也越重, 反之亦然。圖2為根據(jù)兩期烴包裹體熒光峰的中值和最高峰值所做的烴包裹體熒光特征圖。由圖中可見, 第Ⅰ期烴包裹體都落在較高的數(shù)值區(qū)域, 顯示油為中性油; 第Ⅱ期烴包裹體都落在較低的數(shù)值區(qū)域, 顯示油為輕質(zhì)油。

溫度分析(表1)表明, 螢石原生鹽水包裹體均一溫度(th)為 107.20～116.30 ℃, 鹽度為 1.89%～2.88%,這種包裹體是在低鹽度下形成的。而螢石中與第Ⅱ期烴包裹體伴生的鹽水包裹體th高達(dá)150.00～200.00 ℃,鹽度為 11.37%～13.00%, 含第Ⅱ期烴包裹體的石英脈中的鹽水包裹體 th也高達(dá) 160.00 ℃、鹽度為6.65%～11.11%, 可見兩期烴包裹體形成時(shí)的地質(zhì)溫度鹽度差異大: 早期在低鹽度環(huán)境下形成了螢石(鹽水包裹體平均th為113.42 ℃)、自形石英(鹽水包裹體平均th為92.10 ℃)、塊狀方解石(鹽水包裹體平均th為 85.50 ℃)和第Ⅰ期烴包裹體(平均 th為 74.84 ℃);晚期在高鹽度環(huán)境下形成了石英脈(鹽水包裹體平均th為157.28 ℃)、方解石脈(鹽水包裹體平均th為124.30 ℃)和第Ⅱ期烴包裹體(平均th為89.28 ℃)。塔中 45井成巖礦物次序和烴包裹體注入次序總結(jié)于表2中。另外, 塔中45井兩期烴包裹體FOI值都大于 10%, 一般認(rèn)為烴包裹體在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中的FOI值大于 10%時(shí)可將該儲(chǔ)層視為油層, 說明兩期油氣運(yùn)移都能形成工業(yè)性油藏。

圖1 塔中45井(6013～6105 m)烴包裹體及賦存礦物特征Fig.1 The microscopic characteristics of hydrocarbon inclusions and host minerals from the Tazhong 45 well (6013～6105 m)

圖2 塔中45井烴包裹體熒光特征Fig.2 The fluorescent characteristics of hydrocarbon inclusions at the TaZhong 45 well

表1 成巖礦物內(nèi)流體包裹體溫度測(cè)試結(jié)果Table 1 Homogenization temperature of the fluid inclusions in diagenetic minerals

表2 成巖礦物生長(zhǎng)次序和烴包裹體注入次序Table 2 The sequences of mineral formation and hydrocarbon inclusion charge

與螢石伴生的黃鐵礦Co/Ni比值都大于1, 表明它們是從熱液中沉淀出來的[6]。塔中地區(qū)奧陶系灰?guī)r, 其 δ18O 值為–3‰～ –8‰, 被認(rèn)為屬海水成因的碳酸鹽巖[7]; 奧陶系中的方解石脈的δ18O值為–7‰～–14‰[8], 是在大氣淡水條件下較深埋藏成巖環(huán)境下形成的。塔中45井螢石的δ18O值為–6.1‰～ –7.1‰,與奧陶系灰?guī)r和方解石脈是有差異的。塔中45井螢石的 δ13C 值為–0.2‰～ –0.3‰, 是負(fù)值[9], 而塔中地區(qū)奧陶系灰?guī)rδ13C值為0‰～3.5‰, 方解石脈的δ13C值為0.2‰～2.9‰, 都為正值。塔中45井螢石與奧陶系方解石脈最大的不同是δ13C值明顯偏向負(fù)值, 可見螢石形成時(shí)有深部火山熱液滲入, 因?yàn)榛鹕狡诤鬅嵋簬淼腃O2使螢石的δ13C值更具負(fù)值。塔中地區(qū)螢石的87Sr/86Sr比值(0.7089～0.7093平均值為0.7091)[6], 不但比二疊紀(jì)巖漿作用形成的鎂鐵質(zhì)基性巖(0.7044)[10]高, 而且還要高于中上奧陶統(tǒng)灰?guī)r(0.7085～0.7087, 平均值為0.7086), 但要低于塔里木盆地北面天山海西晚期花崗巖(約 0.7143) 。所以,螢石中較高的87Sr/86Sr比值, 說明流體可能是來自巖漿作用晚期的中酸性巖漿[6]。塔中45井灰?guī)r與螢石有相似的稀土元素分布模式[5], 常見螢石交代方解石(圖 1e), 所以螢石成礦流體中的 F多是中酸性巖漿期后低溫?zé)嵋罕旧韼淼? 這種低溫?zé)嵋荷仙綂W陶系遇碳酸鹽巖交代方解石形成螢石。

3 烴包裹體組分特征

塔中地區(qū)油源只有寒武系烴源巖和中上奧陶統(tǒng)烴源巖[11], 塔里木盆地下古生界寒武系和下奧陶統(tǒng)富有機(jī)質(zhì)巖石抽提物中C30甲基甾烷、C26～C29甾烷化合物具有非常一致的分布, 明顯有別于上奧陶統(tǒng)[12]。對(duì)塔中45井奧陶系石英脈中的第Ⅱ期烴包裹體、螢石中的第Ⅰ期和第Ⅱ期烴包裹體油組分進(jìn)行了提取和色質(zhì)生物標(biāo)志物特征分析。石英中的第Ⅱ期烴包裹體的萜烷和甾烷(圖 3d)與螢石中的第Ⅱ期烴包裹體(圖3b)特征一致, 在萜烷m/z 191質(zhì)量色譜圖中具高伽馬蠟烷特征、甾烷 m/z 217質(zhì)量色譜圖中具高C28和低重排甾烷特征, 與塔中地區(qū)塔東2井典型寒武系泥巖抽提物中萜烷m/z 191、甾烷m/z 217質(zhì)量色譜圖特征[11]非常一致。塔中45井螢石中原生的第Ⅰ期烴包裹體萜烷在 m/z 191質(zhì)量色譜圖中具低伽馬蠟烷特征、甾烷m/z 217質(zhì)量色譜圖中具低C28和高重排甾烷特征(圖 3c), 與塔中 6井上奧陶統(tǒng)巖石萜烷m/z 191和甾烷m/z 217質(zhì)量色譜圖[11]一致。

圖3 塔中45井烴包裹體萜烷m/z 191和甾烷m/z 217質(zhì)量色譜圖Fig.3 Distribution of hopanes (m/z 191) and steranes (m/z 217)in the hydrocarbon inclusions from the Tazhong 45 well

甲藻甾烷(C30)、4a-甲基-24-乙基膽甾烷及其芳構(gòu)化甾烷等相對(duì)分子質(zhì)量相等的甾類化合物更適于作為塔里木盆地海相油源對(duì)比參數(shù)[13], 在寒武系抽提物中甲藻甾烷的相對(duì)含量高, 而中上奧陶統(tǒng)抽提物中該類化合物的含量一般較低[12], 這種差異構(gòu)成了本次油源對(duì)比的基礎(chǔ)。圖4是塔中45井烴包裹體中 C30甲基甾烷分布對(duì)比圖。由圖中可以看出, 圖4a和4b中第Ⅱ期烴包裹體與塔東2井寒武系巖石抽提物[12]之間具有非常好的對(duì)比性, 表現(xiàn)出甲藻甾烷和4a-甲基-24-乙基膽甾烷的高豐度。而塔中45井螢石原生第Ⅰ期烴包裹體(圖 4c)卻以低豐度的甲藻甾烷、4a-甲基-24-乙基膽甾烷和高豐度的3a-甲基-24-乙基膽甾烷為顯著特征, 與塔中 6井中上奧陶統(tǒng)源巖抽提物的分布特征非常一致[12]。

圖4 塔中45井烴包裹體中C30甲基甾烷分布對(duì)比Fig.4 Distribution of C30 dinosteranes in the hydrocarbon inclusions from the Tazhong45 well

圖5 烴包裹體組分中伽馬蠟烷(m/z 191)和25-降藿烷(m/z 177)的特征Fig.5 Distribution of hopanoids (m/z 191 and m/z 177) in the inclusions from the Tazhong 45 well

第Ⅱ期烴包裹體組分中普遍存在 25-降藿烷系(圖5)。包建平等[14]證實(shí)塔中地區(qū)原油中的25-降藿烷系列既不是直接來源于烴源巖, 也不是儲(chǔ)層自身的背景, 它們只能來源于原油遭受的生物降解作用的改造, 它是古油藏遭受破壞的可靠標(biāo)志, 說明第Ⅱ期烴包裹體形成時(shí)捕獲了油藏中已遭受生物降解油的組分。

由烴包裹體組分特征可以推測(cè): 第Ⅰ期烴包裹體中的油應(yīng)來源于中上奧陶統(tǒng)烴源巖, 第Ⅱ期烴包裹體捕獲了油藏中已遭受生物降解油的組分, 可能是由原先形成的寒武系原油熱降解后分異出的輕質(zhì)油。

4 塔中45井烴包裹體的形成時(shí)間

塔中 45井石英脈與第Ⅱ期烴包裹體同時(shí)形成(圖1c), 所以含第Ⅱ期烴包裹體的石英脈ESR測(cè)年結(jié)果代表了石英形成的年齡, 也是第Ⅱ期烴包裹體充注時(shí)對(duì)應(yīng)的構(gòu)造活動(dòng)時(shí)間, 所測(cè) 3個(gè)樣年齡值很一致, 為 22.0～23.9 Ma(表 3), 屬喜馬拉雅期新近紀(jì)中新世 N1。可見塔中 45井區(qū)第Ⅱ期烴包裹體形成時(shí)間是早喜馬拉雅期。ESR測(cè)年獲得的礦物結(jié)晶后構(gòu)造活動(dòng)頻繁的年齡, 代表與構(gòu)造應(yīng)力作用期次相當(dāng)?shù)牡V物重結(jié)晶年齡[15–16]。塔中45井螢石形成后又有一次大的構(gòu)造活動(dòng), 使螢石產(chǎn)生大量的次生縫,這期構(gòu)造活動(dòng)使螢石中充注了第Ⅱ期烴包裹體(圖1b), 所以塔中45井螢石ESR測(cè)年測(cè)得的是最后一次構(gòu)造活動(dòng)時(shí)的地質(zhì)年齡, 即第Ⅱ期烴包裹體充注時(shí)間。因油具有強(qiáng)磁性, 如果對(duì)螢石測(cè)年時(shí)不洗凈烴包裹體油, 用ER-200D-SRC電子自旋共振儀可能測(cè)得的主要是烴包裹體中油的磁性, 雖然油對(duì)磁性控制與形成年齡之間的關(guān)系沒有證據(jù), 但做螢石的形成年齡(32.8～36.4 Ma)[5]是不科學(xué)的。本次洗油后測(cè)得的螢石ESR結(jié)果是16.0 Ma和60.3 Ma, 說明在塔中 45井奧陶系的螢石在燕山期至喜馬拉雅期受到較強(qiáng)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響, 并充注了大量的第Ⅱ期烴包裹體。

前文通過同位素分析已證明, 螢石是含 F中酸性巖漿期后低溫?zé)嵋荷仙綂W陶系遇碳酸鹽巖交代方解石而形成的。用Sm-Nd法對(duì)不同成因的螢石進(jìn)行定年的結(jié)果是可靠的[17]。Rb-Sr和Sm-Nd法測(cè)試結(jié)果表明, 塔中45井儲(chǔ)層段螢石的等時(shí)線年齡介于263～241 Ma之間[5], 說明塔中45井的螢石也形成于晚海西期, 塔里木盆地早二疊世火成巖的絕對(duì)年齡為259～278 Ma[18–19], 與螢石形成年齡相同, 塔中45井近80 m厚的螢石層沒有大量地下熱液補(bǔ)給F是不可能形成的, 早二疊世塔中地區(qū)大面積火山活動(dòng)有提供足夠含 F地下熱液的前提條件, 而喜馬拉雅期運(yùn)動(dòng)約在23 Ma年使塔中西部抬升, 抬升可能使地表水下滲, 可是卻無法解釋螢石中 F的來源, 所以本文認(rèn)同螢石形成于晚海西期。塔中45井螢石縫洞壁上的瀝青反射率在 1.05～1.26之間, 這些瀝青的Th/Pb和U/Pb法等時(shí)線年齡為(243.0±10.5) Ma, 亦形成于晚二疊世, 與螢石為同期產(chǎn)物, 證明在螢石形成時(shí)有油氣的注入。第Ⅰ期烴包裹體原生于螢石的生長(zhǎng)紋中, 應(yīng)與螢石同時(shí)形成, 故塔中45井第Ⅰ期油注入時(shí)間是晚海西期二疊紀(jì)末期。

5 塔中45井成藏分析

關(guān)于塔中45井油藏的形成時(shí)間及油氣來源也有多個(gè)觀點(diǎn): ①主成藏期在海西期, 寒武系烴源巖對(duì)塔中 45井原油的貢獻(xiàn)明顯[2], 中上奧陶統(tǒng)烴源巖的貢獻(xiàn)占次要地位; ②主成藏期在喜馬拉雅期[5], 現(xiàn)今主體部分輕質(zhì)原油和天然氣主要形成于喜瑪拉雅期,來自中上奧陶統(tǒng)烴源巖。本文通過烴包裹體賦存礦物生長(zhǎng)關(guān)系、形成溫度、形成時(shí)間和烴組分特征得到如下認(rèn)識(shí)。

表3 塔中45井烴包裹體賦存礦物ESR測(cè)年值Table 3 The ESR dating of the host minerals of hydrocarbon-bearing inclusions

早海西期, 由一期源于寒武系烴源巖的低成熟油大量注入塔中奧陶系和志留系兩套地層, 并在志留系形成大量的瀝青, 但在塔中45井奧陶系地層中并未發(fā)現(xiàn)這一期油氣活動(dòng)所對(duì)應(yīng)的烴包裹體, 可見在塔中45井并未經(jīng)過或成藏。

塔中地區(qū)在二疊紀(jì)末火山活動(dòng)集中, 一方面強(qiáng)烈的火山活動(dòng)使巖漿期后會(huì)有大量的低溫?zé)嵋夯顒?dòng),這些低溫?zé)嵋耗軐⑸畈縁帶到奧陶系灰?guī)r中, 與灰?guī)r作用在塔中45井所在的位置形成了大規(guī)模螢石層;另一方面火山活動(dòng)促使寒武系和奧陶系烴源巖成熟,大量油氣排出也為形成油氣藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ), 此時(shí)沿塔中Ⅰ號(hào)坡折帶北邊的中奧陶統(tǒng)烴源巖成熟排烴, 生成的成熟油沿切過Ⅰ號(hào)坡折帶的北東向斷裂進(jìn)入塔中地區(qū), 并被螢石包裹, 形成了沿螢石生長(zhǎng)紋分布的第Ⅰ期烴包裹體。奧陶世末期塔中隆起基本定型, 自晚海西期以來, 塔中地區(qū)多以下降運(yùn)動(dòng)為主, 沒有大的褶皺斷裂作用, 使得塔中45井區(qū)在晚海西期形成的這期油藏圈閉得以很好的保存。

新生代進(jìn)入喜馬拉雅期, 約在23 Ma塔里木盆地周邊山系急劇抬升, 使塔中西部抬升東部下降,并逐漸發(fā)展成為現(xiàn)今地貌, 這一期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使塔中地區(qū)以前形成的斷裂構(gòu)造開啟, 為油氣運(yùn)移提供了重要通道。同時(shí), 到了燕山晚期-喜馬拉雅期, 早海西期形成的寒武系低成熟油可能還有原油深埋藏于塔中下部地層, 這些寒武系低成熟油再次熱分解,輕質(zhì)組分上移, 大量的高成熟輕質(zhì)油氣沿開啟的10號(hào)斷裂帶向上運(yùn)移至奧陶系地層, 并在塔中45井螢石層中儲(chǔ)集, 形成了揮發(fā)性油氣藏。油氣沿螢石裂紋注入, 愈合后形成次生的第Ⅱ期烴包裹體; 這一時(shí)期的裂縫中充填石英或方解石, 在這一期脈石英和脈方解石中也發(fā)育原生第Ⅱ期烴包裹體。塔中45井奧陶系原油與寒武系烴源巖甾烷、萜烷分布相似,C28甾烷豐度較高, 升藿烷和重排甾烷豐度低和重排甾烷豐度低[2]特征相同。輕烴參數(shù)“2,4-二甲基戊烷/2,3-二甲基戊烷”的對(duì)數(shù)值與烴類的生成溫度呈線性函數(shù)關(guān)系。據(jù)t () = 140 + 15 (ln (2, 4-/2, 3-DMP))[20],計(jì)算得到了塔中45井奧陶系原油的生成溫度(125 ℃)[21], 推算的原油的生成溫度是烴組分形成時(shí)的均一溫度, 它與烴包裹體均一溫度值可對(duì)比,這與塔中45井第Ⅱ期烴包裹體均一溫度相近, 可見第Ⅱ期是塔中45井重要的一期油氣活動(dòng)。

所以, 塔中 45井在喜馬拉雅期 22.0～23.9 Ma,源于寒武系烴源巖原油分解產(chǎn)生大量的輕質(zhì)-凝析油, 充注到奧陶系螢石層段, 晚海西期中奧陶統(tǒng)充注的油在塔中 45井得以保存, 使塔中 45井原油中混染有中上奧陶統(tǒng)組分, 從而形成了塔中45井奧陶系具有寒武系烴源巖和中上奧陶統(tǒng)烴源巖兩套烴源巖原油特征的揮發(fā)性油藏。

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