王存武 鄒華耀

(1.中海油研究總院 2.中國石油大學資信學院)

0 引言

地層壓力(即流體壓力)是沉積演化、構造運動、水動力和水-巖相互作用等綜合作用的結(jié)果，是研究成藏過程、烴源巖演化、儲層演化等成藏動力學方面必不可少的參數(shù)之一?，F(xiàn)今地層壓力可以通過鉆桿測試獲取，而古地層壓力的求取卻困難重重，這是因為古壓力的演化過程不可重復，無法直接獲取。前人已經(jīng)探討了間接獲取古壓力的方法[1-13]，概況起來主要有盆地模擬法、數(shù)學計算法和流體包裹體熱動力學模擬法，雖然采取的計算方法和參數(shù)有差異，但都是采用模擬技術，這就會存在兩個問題：

(1)盆地模擬法和數(shù)學計算法雖然可以從區(qū)域上反映古壓力大小及其演化過程，但盆地模擬軟件所采用的數(shù)學模型是對復雜地質(zhì)情況的簡化，其結(jié)果必然與實際地質(zhì)情況存在誤差。

(2)流體包裹體熱動力學模擬是目前應用較多的獲取古地層壓力的方法，但僅針對油包裹體有效，對于含氣的包裹體無法獲得飽和壓力，無法計算包裹體在室溫下的體積和氣液比。雖然國內(nèi)一些學者針對含烴鹽水包裹體進行了古壓力模擬的嘗試，其基本思路仍然與油包裹體古壓力模擬相似，只是對含烴鹽水包裹體進行了簡化，看作油包裹體進行PVT計算。這樣得到的含烴鹽水包裹體的熱力學參數(shù)會與實際參數(shù)存在偏差，原因是油包裹體與含烴鹽水包裹體熱力學性質(zhì)存在很大的差異性。傳統(tǒng)流體包裹體古壓力模擬法在沒有檢測到油包裹體的地區(qū)應用也受到限制。

因此，針對含烴鹽水包裹體古壓力模擬方法進行探討，旨在解決含氣盆地中的流體包裹體古壓力模擬困難的問題，使流體包裹體古壓力模擬方法得到補充和拓展。

1 含氣盆地古壓力恢復方法

目前比較成熟的油包裹體古壓力模擬法，是由Aplin[14，15]等學者近年來提出的。該方法運用PVTsim軟件，結(jié)合共聚焦激光掃描顯微鏡共同確定流體成分和捕獲壓力。運用該方法已在許多含油氣盆地成功獲取了古壓力，并取得了較好的效果[14-21]。

然而，對于一個含氣盆地而言，有時油包裹體很難檢測到，這可能是因為：①地質(zhì)歷史時期油的充注量有限；②晚期快速成藏，捕獲油包裹體較少；③以干酪根裂解氣的充注為主；④古油藏時期捕獲的包裹體在后期埋藏過程中經(jīng)歷了較高溫度后發(fā)生了裂解；⑤多期構造演化使原先捕獲的油包裹體發(fā)生變形或泄漏。但對于含氣盆地而言，存在大量含烴鹽水包裹體。所謂含烴鹽水包裹體是指最終熔化溫度(冰點)大于0℃的鹽水包裹體，通常冰點在0℃～20℃之間。這些包裹體里含有烴類組分，在對其冷卻的過程中，因溫度下降和結(jié)冰膨脹造成壓力升高，從而形成甲烷水合物。這些甲烷水合物在其升溫過程中需要吸收更過的熱量，從而造成冰點大于零。

對于含氣盆地來說，含烴鹽水包裹體含量較高，是研究油氣充注歷史和古流體壓力最重要的一類流體包裹體。雖然目前對油包裹體的捕獲壓力恢復方法的研究已經(jīng)取得了成功，但對于含烴鹽水包裹體的古壓力模擬到目前為止還沒有一種有效方法，因為含烴鹽水包裹體的P-T相圖與油包裹體相差較大(圖1)，不能簡單的運用油包裹體的古壓力研究方法來對含烴鹽水古壓力進行研究。運用PVTsim軟件對含烴鹽水包裹體進行PVT計算時，會出現(xiàn)一系列的問題，如無法獲得含烴鹽水包裹體的飽和壓力，無法計算包裹體在室溫下的體積和氣液比等。因此，對于含烴鹽水包裹體而言就不能照搬油包裹體的古壓力模擬方法。

因此，必須另辟蹊徑來求取含烴鹽水包裹體的捕獲壓力。劉斌(2005)[22]指出，含烴類或其他揮發(fā)組分的水包裹體冷凍過程中，在溫度高于純水凝固點時，常常有一種外觀像雪或松散冰一樣的固體。它是烴的一些氣體與液體水結(jié)合形成穩(wěn)定的固相結(jié)晶物，稱為氣體水合物。這種現(xiàn)象對于包裹體特別是烴-水溶液包裹體尤為重要，因為在包裹體測定過程中，這一現(xiàn)象關系到包裹體參數(shù)確定和熱力學數(shù)值計算。

找到一個確定含烴鹽水包裹體熱動力學參數(shù)的全新思路，可以將含烴鹽水包裹體當作是氣水合物來考慮。國內(nèi)外學者已經(jīng)對氣水合物的熱力學性質(zhì)進行了大量卓有成效的研究[22，23]。值得注意的是，一定組分的氣水合物，具有特定的平衡溫度，即形成氣水合物的最低溫度(Tm)，也是氣水合物形成后隨溫度升高最終的融化溫度，在實際的包裹體測試過程中，Tm可以理解為冰點溫度。因為在此溫度之下氣水合物處于平衡狀態(tài)，高于此平衡溫度，氣水合物就完全分解。這樣我們就能以氣水合物的平衡溫度(Tm)為依據(jù)，利用PVTsim軟件求取包裹體的捕獲壓力。具體步驟如下：

(1)在室溫下測量包裹體的氣液比，通常使用激光掃描共聚焦顯微鏡，利用層切技術，采集一系列包裹體圖像，并選取氣泡直徑最大處的圖像，求取包裹體中氣泡和液體部分的面積比，再折算到體積比[24]；

(2)在PVTsim軟件中輸入原始包裹體成分，通常為現(xiàn)今氣藏組分，也可選用激光拉曼測試獲得的成分數(shù)據(jù)，也可參照張元春等(2009)[25]的研究成果進行流體成分指定；

(3)利用PVTsim軟件“Flash”中的“T-Beta”模塊，令“Vap mol fra”為零，輸入冰點溫度，即可求取平衡壓力Pm；再運行“PT Flash”模塊，計算平衡壓力Pm與平衡溫度Tm下的氣水合物其它數(shù)據(jù)，記錄此時的包裹體總體積；

(4)運行“Flash”模塊中的“V-T”程序，計算室溫(20℃)下的氣液比，若與實測氣液比相符，則原始假定成份與實際成份相當，若不符合則改變原始成份后重新運行以上步驟，直到二者相符。此時的含烴鹽水包裹體的成份可以作為該包裹體的真實成份進行PVT運算；

(5)模擬出包裹體的成份后，在“Flash”模塊中運行“V-T”程序進行含烴鹽水包裹體均一溫度下捕獲壓力的計算，該壓力即為流體包裹體的最小捕獲壓力。

(6)同樣在“V-T”程序中計算略高于含烴鹽水包裹體均一溫度下的包裹體的內(nèi)壓，與步驟(5)計算所得的數(shù)據(jù)一起確定一條等容線的直線方程；將與含烴鹽水包裹體同期鹽水包裹體的均一溫度輸入上述方程，最終得到包裹體的捕獲壓力。

2 影響古壓力模擬精度的因素

2.1 包裹體流體成分

含烴鹽水包裹體成分可以通過激光拉曼探針獲取，但由于包裹體較小，測量精度所限，且無法提供重烴組分的摩爾分數(shù)。因此，在實際工作中常采用PVT相態(tài)模擬法來獲取成分數(shù)據(jù)[14，15，25]，方法是：先輸入原始流體成分，獲取平衡溫度(冰點溫度)下包裹體體積，然后在V-T模塊中，計算常溫條件(20℃)時的“Aqeuous”與測量氣液比進行比較，當二者接近時認為流體成分為有效成分。但在實際模擬過程中往往出現(xiàn)多種流體成分均可達到同一氣液比的情況，這就需要在研究中結(jié)合實際地質(zhì)情況選擇合適的流體成分，這個過程存在一定的不確定性。

2.2 包裹體氣液比精度

包裹體的氣液比不僅制約模擬成分的選擇，而且直接關系到古壓力模擬的精度。常規(guī)測試方法是在顯微鏡下選擇某一氣液兩相包裹體，微調(diào)焦距使成像最清晰，目測包裹體氣相和液相部分的面積比，以此來代替體積比，通常估算氣液面積比會比實際的體積比偏大，導致計算的捕獲壓力偏高。

2.3 古壓力計算范圍有限

運用流體包裹體恢復古壓力受制于樣品采樣位置、包裹體捕獲溫度和捕獲期次，只能模擬均一溫度變化范圍內(nèi)的古壓力變化，而不能連續(xù)模擬地質(zhì)歷史時期的古壓力演化。本次古壓力恢復僅限于原油充注到原油裂解初期的壓力變化，而對于原油裂解產(chǎn)生的超壓極限值和地層壓力是如何從超壓演變?yōu)楝F(xiàn)今的常壓則缺乏更多的包裹體證據(jù)。

3 應用

川東北地區(qū)近年來發(fā)現(xiàn)了以普光、羅家寨、渡口坡為代表的大中型天然氣田，均以二疊系—三疊系礁灘相白云巖為儲層。飛仙關、長興組儲層在晚印支-早燕山期原油充注后，經(jīng)歷了構造沉降、原油裂解、TSR和構造抬升等一系列地質(zhì)過程[26]。復雜的成藏過程中儲層古壓力演化是研究深層碳酸鹽巖成藏的重要問題。因此，對川東北地區(qū)普光構造和毛壩構造碳酸鹽巖層系共9口鉆井22個流體包裹體樣品進行樣品采集、制片、熒光觀察和測溫，熒光觀察結(jié)果顯示，該區(qū)儲層中包裹體主要以瀝青包裹體、純氣包裹體、含烴鹽水包裹體和鹽水包裹體為主(圖2)，缺乏油包裹體和液態(tài)烴包裹體。

圖2 川東北碳酸鹽巖儲層包裹體特征

在熒光觀察和顯微測溫的基礎上，應用提出的方法進行了古壓力模擬?，F(xiàn)以普光和毛壩構造的PA和MB2口井為例，加以說明。測試工作在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成，使用的是英國Linkam公司的THMS600G型冷熱臺，測量誤差為±0.1℃，顯微鏡為日本Olympus(型號)，另配100倍長焦距工作鏡頭。

含烴鹽水包裹體冰點溫度范圍為1℃～4.9℃，氣液比6%～19%不等，含烴鹽水包裹體的均一溫度介于101.9℃～168.7℃之間，同期鹽水均一溫度介于123.5℃～169.2℃之間(表1)。按照上述方法計算出包裹體最小捕獲壓力(表1)，然后根據(jù)該區(qū)的埋藏史，將測試點同期鹽水均一溫度投影到埋藏史圖上，即可計算出不同均一溫度時的捕獲時間，這樣就可以得到古壓力和地質(zhì)時間的相關關系(圖3)。

埋藏史采用正演方法，利用德國開發(fā)的IES盆地模擬軟件一維模擬模塊，選擇鏡質(zhì)體反射率化學動力學模型(EasyRo模型)，對烴源巖的埋藏史、熱史進行了模擬(圖3)。模擬過程中熱流參數(shù)，依據(jù)前人對川東北地區(qū)古地溫梯度的研究成果(胡圣標)，川東北地區(qū)熱史演化模式為：3.7℃/km(二疊系)；3.25℃/km(三疊系)；2.4℃/km(侏羅系)(表1)，取近地表恒溫層年平均溫度為20℃，溫度與深度的關系式設為：T=20+(dT/dH)H。剝蝕量參數(shù)依據(jù)杜春國(2007)[26]的研究成果。

圖3 PA井確定流體包裹體捕獲時間示意圖

模擬結(jié)果顯示(圖4)，PA井所在的普光構造飛仙關組地層在180Ma左右壓力系數(shù)為1.2左右，還屬于正常壓力系統(tǒng)，至175Ma左右時開始出現(xiàn)超壓，此時的壓力系數(shù)超過1.2，隨時間演化，飛仙關組地層壓力逐漸增大，并于160Ma左右時壓力系數(shù)突破1.5，到達152Ma左右達到最大值，壓力系數(shù)高達1.52。演化至今，普光構造飛仙關組地層為常壓，這存在一個明顯的超壓旋回，超壓的發(fā)育可能與儲層的持續(xù)沉降、地溫的持續(xù)增加，原油在高溫下的裂解有密切關系。MB井所在的毛壩構造長興組亦有相似的演化趨勢。這在一定程度上說明飛仙關組和長興組儲層在地質(zhì)歷史時期曾經(jīng)可能是連通的，共同經(jīng)歷了壓力升高、降低的旋回，與區(qū)域認識一致。

表1 流體包裹體古壓力模擬數(shù)據(jù)表

圖4 川東北地區(qū)普光和毛壩構造壓力系數(shù)隨時間變化圖

4 結(jié)論

(1)在含氣盆地中，利用含烴鹽水包裹體均一溫度、冰點、PVT軟件可以成功的恢復地層古壓力；

(2)普光和毛壩構造的古壓力結(jié)果表明，該區(qū)曾經(jīng)至少經(jīng)歷了一個超壓旋回，飛仙關組和長興組具有大致相同的壓力演化曲線，表明二者可能曾經(jīng)具有較好的連通性；

(3)本文的古壓力恢復方法依然存在一些不確定性，最重要的是包裹體的成分，因現(xiàn)今的技術手段仍然無法精確測量單個包裹體的成分，只能通過模擬獲得，這會令結(jié)果存在一定誤差；

(4) 在實驗室條件下，給定溫度、壓力和流體體系進行人工流體包裹體實驗，是流體包裹體熱動力學模擬精度最好的檢驗方式。然而，目前限于實驗條件，這項工作無法開展。運用PVTsim軟件進行的流體包裹體古壓力模擬的精度取決于所選擇的流體體系成分和氣液比，運用該方法進行古壓力恢復的缺點是不能連續(xù)模擬地史歷史時期的古壓力演化，且受到樣品位置、測試條件及包裹體檢測的期次限制，只能模擬單點的地層古壓力。

1 柳少波, 顧家裕. 包裹體在石油地質(zhì)，研究中的應用與問題討論[C]. 石油與天然氣地質(zhì)，1997, 18(4): 326-331.

2 陳勇, 周瑤琪. 一種獲取包裹體內(nèi)壓的新方法[C]. 地球化學與巖石圈動力學開放實驗室年報， 2002, 86-91.

3 李昌存, 韓秀麗, 鄒繼興. 欒木場金礦石英流體包裹體及成礦預測[J]. 礦物巖石，1999, 19(1): 55-57.

4 劉斌. 利用不混溶流體包裹體作為地質(zhì)溫度計和地質(zhì)壓力計[J]. 科學通報，1986, 31(18): 1432-14361.

5 陳紅漢, 董偉良, 張樹,等. 流體包裹體在古壓力模擬研究中的應用[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2002, 23(3): 207-211.

6 劉斌,段光賢.NaCl-H2O溶液包裹體的密度式和等容式及其應用[J]. 礦物學報， 1987, 7(4): 345-3511.

7 鄒海峰. 大港探區(qū)前第三系古流體和古溫壓特征及演化[D]. 吉林大學博士學位論文，2000.

8 劉福寧. 異常高壓區(qū)的古沉積厚度和古地層壓力恢復方法探討[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，1994, 15(2): 180-185.

9 劉震, 張萬選, 張厚福,等. 遼西凹陷下第三系異常地層壓力分析[J]. 石油學報，1993, 14(1).

10 Crawford M L. Phase equilibriain aqueous fluid inclusions[J]. In: Hollister L S, Crawford M L. Short course in fluid inclusions: applications to petrology. Canada: Mineral Assessment Canada Short Course Hand book, 1981. 6: 75-100.

11 施繼錫. 有機包裹體與油氣的關系[J]. 中國科學(D) ，1987, 3: 318-325.

12 陳紅漢. 油氣成藏年代學研究進展[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2007, 28(2): 143-150.

13 Pedersen K. S., Fredenslund Aa, Thomassen P. Properties of oils and natural gases. Contributions in Petroleum Geology and Engineering[J]. Gulf Publishing Company，1989, 5: 252.

14 Aplin A C, Macleod G, Larter S R, et al. Combined use of Confocal Laser Microscopy and PVT simulation for estimating the composition and physical properties of petroleum in fluid inclusions[J]. Marine Petrolum Geo，1999, 16: 97-110.

15 Aplin A C, Larter S R, Bigge M A, et al. PVTX history of the North Sea’s Judy oilfield[J]. Journal of Geochemical Exploration，2000, 60-70: 641-644.

16 D.H. Liu, X.M. Xiao, J.K. Mi, et. al. Determination of trapping pressure and temperature of petroleum inclusions using PVT simulation software—a case study of Lower Ordovician carbonates from the Lunnan Low Uplift, Tarim Basin[J]. Marine and Petroleum Geology，2003, (20): 29-43.

17 米敬奎, 肖賢明, 劉德漢,等. 利用儲層流體包裹體的PVT特征模擬計算天然氣藏形成古壓力-以鄂爾多斯盆地上古生界深盆氣藏為例[J]. 中國科學(D輯) ， 2003, 7: 679-685.

18 米敬奎, 肖賢明, 劉德漢,等. 鄂爾多斯盆地上古生界儲層中包裹體最小捕獲壓力的PVTsim模擬[J]. 地球化學，2002,4: 402-406.

19 米敬奎, 楊孟達, 劉新華. 利用PVTsim計算鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲層中包裹體的捕獲壓力[J]. 湘潭礦業(yè)學院學報，2002, 17(3): 22-26.

20 Teinturier, J. Pironon, F. Walgenwitz. Fluid inclusions and PVTX modelling: examples from the Garn Formation in well 6507/2-2, Haltenbanken, Mid-Norway[J]. Marine and Petroleum Geology, 2002, 19: 755-765.

21 高秋麗, 陳紅漢. 鶯歌海盆地LD8-1構造古壓力熱動力學模擬[J].中國海上油氣，2005,17(2): 84-88.

22 劉斌. 烴類包裹體熱動力學[M]. 北京：科學出版社，2005.

23 Makogon Y F. Hydrates of Natural Gas. Translated from the Russian by W. J.[M]. Cieslesicz Penn, veil Books, Tulsa Oklahoma，1981,

24 Ng H-J. apd Robinson D B. The prediction of Hydrate Formation in Condensed Systems[J]. AiChE ，1977, 23: 477-482.

25 王存武, 鄒華耀, 姜麗娜,等. 激光掃描共聚焦顯微鏡精確測量有機包裹體氣液比方法研究[J] 現(xiàn)代科學儀器，2008,1: 20-22.

26 張元春, 鄒華耀, 王存武,等. 川東北海相碳酸鹽巖儲層古壓力演化研究[C]. 第五屆油氣成藏機理與油氣資源評價國際學術研討會論文集，2009.

27 杜春國, 郝芳, 鄒華耀,等. 熱化學硫酸鹽還原作用對碳酸鹽巖氣藏的化學改造—以川東北地區(qū)長興組-飛仙關組氣藏為例[J]. 地質(zhì)學報，2007, 81(1): 119-126.