用方解石人工合成烃类包裹体的研究进展

付 雷,王盼盼,冀 青,丁 卓

烃类包裹体是存在于储层中,被捕获、封存于成岩自生矿物晶格缺陷或碎屑矿物成岩裂隙中的显微流体样品[1]。由于烃类包裹体是油气运移及成藏所保留下来的唯一原始样品,它能提供许多直接的油气物质成分、物理化学条件的信息,对烃类包裹体的研究能帮助人们了解大量地质过程,如油气运移过程及成矿作用机制等,因此,对烃类包裹体的研究具有重要的理论意义和应用价值。

但地学界对烃类包裹体的捕集机理以及被捕集以后可能发生的变化仍然存在一些疑问,如：烃类包裹体的成分是否能代表原始的流体成分;烃类包裹体所测均一温度是否是包裹体被捕获的温度;影响包裹体形成的因素都有哪些等等[2]。而通过在受控试验条件下,人工合成烃类包裹体就可以对以上这些问题给出答案。人工合成烃类包裹体研究不仅可以为分析方法提供标准,还可以通过人工合成烃类包裹体研究水岩作用机制,以及利用流体相平衡和晶体生长理论来研究烃类包裹体的形成机制,同时可以观测包裹体形成之后是否发生变化。但在国内关于人工合成烃类包裹体研究尚处于起步阶段,迫切需要开展这方面的工作[3]。

1 用方解石人工合成烃类包裹体的方法

流体包裹体的合成是一种采集高温高压条件下流体样品,形成流体包裹体的技术。实验室人工合成烃类包裹体十分困难,在国内尚处于起步阶段。目前,用于合成烃类包裹体的最主要的成岩矿物是石英和方解石两种,除此之外还有石膏、岩盐、萤石等[4]。以下简要介绍法国学者 Julien Bourdet和 Jacques Pironon用方解石合成烃类包裹体的方法。

砂岩和碳酸盐岩是自然界最主要的两种油气藏的储集岩层,因此,利用碳酸盐岩合成烃类包裹体对于研究碳酸盐岩做为储集岩层的油气藏具有十分重要的意义[1]。在国内,倪培与孟凡巍以方解石为主晶,同样采用类似于石英人工晶体生长法的实验步骤合成烃类包裹体得出一定结论[4],然而其未考虑方解石本身的特性。方解石发育三组完全解理,属易碎矿物,许多学者考虑到在方解石中包裹体形成后,在一系列地质作用过程中,包裹体性状发生改变,从而导致包裹体测温数据发生一定偏差,为了了解在变形情况下包裹体的均一温、压的变化情况,法国学者Julien Bourdet和 Jacques Pironon用方解石合成了富CH4的流体包裹体,以下是其试验过程。

1.1 试验仪器

试验所用仪器是气压取样器 (马丁仪器),该仪器有气体入口和出口,见图 1。气体取样器中放置于液态水中的是方解石晶体。仪器通过甲烷气罐加压。通过阀门 2降低压力。电脑自动记录试验温度和压力条件。试验通过一个环绕仪器的循环炉控制温度。试验是在气、液平衡的条件下进行的,通入仪器的气体为甲烷气体,其中甲烷的多少控制着反应的压力条件。在这个条件下,被捕获的包裹体的均一温度和均一压力,即包裹体被捕获时仪器内的温度与压力。

图 1 试验装置示意图

1.2 试验材料

该试验是用天然的富含流体包裹体的墨西哥方解石进行的。将方解石沿着解理缝切成 10 mm×4 mm ×1 mm的样品。在试验前将样品加热到450℃,使已经存在的包裹体破裂成面。

1.3 试验步骤

阶段 1：仪器中加入方解石晶体样品和蒸馏水,打开阀门 V 1和 V 2,通入 CH4气体,排除仪器中的 O2和N2,持续 24 h;之后关闭 V2,使水中 CH4饱和。仪器中继续通入 CH4,使试验压力增至 18 MPa,之后关闭V1,把仪器加热到 180±7℃,在这个温度下仪器内压力增至 27.6±1 MPa,该条件持续 7天 (168 h)。

阶段 2：之后将阀门V2打开 1～3 s,使试验压力降至 17.6±1 MPa,同时温度不变,该条件 (17.6±1 M Pa,180±7℃)持续 7天。

以同样的方式分别达到阶段 3(7.6±1M Pa,180±7℃)和阶段 4(1±0.3 M Pa,180±7℃),各持续168 h。

最后仪器冷却到 20℃,0.1 MPa的条件,同时打开阀门 V1和 V2,整个试验持续了 696 h。

两个阶段转变过程中,温度不发生变化,每一阶段都有包裹体的捕获或重新平衡。每进入一个新阶段,由于仪器内压力降低,从而导致包裹体内外压差增大,前三个阶段最初形成的包裹体内外压差上升10 M Pa,第四阶段压差上升 6.6 M Pa,包裹体的内外压差最大可达 26.6±1.3 M Pa。[8]

2 用方解石人工合成烃类包裹体的实验研究成果

法国学者 Julien Bourdet和 Jacques Pironon于2007年在方解石中合成了富含 CH4的流体包裹体,试验过程如前所述,最后得出以下结果：

2.1 岩相学观察结果

试验结束后用显微镜对方解石样品进行观察,结果见图 2。

图 2 显微镜下的方解石示意图

图 2所示为方解石晶体中不同的具有应变图像的人工合成包裹体类型：类球状小包裹体 (A、B);规则菱形的小包裹体(C-E);不规则的细长大包裹体(F-H);大的平面状包裹体 (I)。N.S.(针状生长模式);D.H.(爆裂环点状生长模式);L.R.S.(低突起点状生长模式);O.L.R.(低突起直角状生长模式)。据观察显示包裹体气液比率在 0.1左右,气相经常是附着在包裹体壁上并且是不移动的。包裹体形状和大小各不相同,概括起来有如下四种类型：类球状小包裹体;规则菱形的小包裹体;不规则的细长大包裹体;大的平面状包裹体。各种类型的包裹体在等温降压过程中发生一系列的变化,主要包括以下四种模式：针状生长模式;爆裂环点状生长模式;低突起点状生长模式;低突起直角状生长模式。其中针状生长模式是包裹体被捕获变形后最常见的模式,它是沿着方解石解理面分布的,这种模式在不规则的细长大包裹体和大的平面状包裹体中最常见;爆裂环点状生长模式只在第一阶段形成的包裹体周围出现,它是由细小的两相附属包裹体组成的,其围绕类球状包裹体的裂隙面发育,同时附属包裹体围绕着中心包裹体沿着方解石的一个或几个解理面分布;低突起点状生长模式形态大部分是朝着包裹体方向弯曲形成的细长状,其中偶尔可见很小的气泡,这意味着这部分是由单相的 (偶尔是两相的)液体薄膜组成的,由于这些液体体积太小,拉曼光谱不能检测其特征,这种类型是在试验二、三阶段形成的包裹体最常见的生长模式;低突起直角状生长模式是由具有多边形外形的细长低突起组成的,这些多边形是沿着围绕包裹体的方解石晶面产生的,流体呈现单一液相 (少数情况下呈气液两相),这种生长模式大部分也是在试验二、三阶段形成的。

2.2 温压重现结果及讨论

包裹体在被捕获时属均一体系,后期由于温度、压力的降低,包裹体分离为气、液两相。当包裹体加热到一定温度时,两相又恢复为均一的流体相,此时的均一温度可近似代表包裹体在深部储层中形成时的温度[6]。应用包裹体均一温度恢复油气运移及成藏温度必须满足 3个条件：1)均一体系,即包裹体形成时被捕获在包裹体内的物质为均匀相态。2)封闭体系,即包裹体形成后没有物质进入或逸出。3)等容体系,即包裹体形成后体积没有发生变化。符合上述 3个条件的包裹体均一温度测定结果才是有效的[6]。

该试验通过加热方解石样品使先前存在的流体包裹体爆裂产生微观裂纹,这些裂纹是流体进入包裹体内部的通道,在试验过程中这些微观裂隙愈合,将流体封存在包裹体内。在该试验中利用方解石裂隙愈合,人工合成富甲烷流体包裹体,试验过程中经过几次等幅降压,形成了几个与包裹体生长或泄漏有关的应变图像,通过测试可得出其均一温度、压力及浓度,把测得的包裹体均一温度、压力及浓度与试验条件对比,可以发现他们有一定的差别,而这些差别的产生主要是由于包裹体生长及泄漏现象导致的。根据这一特征可以把包裹体分为以下几类：与试验条件相符的包裹体;物质组成与试验条件相符但均一温压不符的包裹体;温压条件及物质组成与试验条件均不符的包裹体。

以上分类表明,流体包裹体的生长应变是与压差有关。当压差低的时候,针状生长模式占绝大多数,这时候没有甲烷亏损;当压差中等的时候,针状生长模式和爆裂环点状生长模式占多数,甲烷泄漏量可变;当压差很大的时候,爆裂环点状生长模式占主导,同时有大量甲烷泄漏。通过对试验结果的分析,可以得出以下结论：

1)大部分包裹体都是在实验的第一阶段被捕获,但只有少部分保存了原始捕获条件,这主要是由于包裹体生长应变和泄露等引起的压力降低导致的。

2)包裹体的针状生长模式是和温度升高及包裹体内外压差小部分增长有关,而爆裂环点状生长模式、低突起点状生长模式和低突起直角状生长模式则与包裹体内外压差大幅增长有关。

3)具有爆裂环点状生长图像、低突起点状生长图像和低突起直角状生长图像包裹体的均一温压条件要比包裹体被捕获时的温压条件低。

4)包裹体泄露可以导致其均一温压条件改变。同时也需注意,泄露也可以在封闭的包裹体中发生,与水相比,甲烷优先扩散[8]。

3 问题和思考

人工合成烃类包裹体在地质领域中占有重要地位,但它还有很多地方需要进一步发展和完善。在应用人工合成烃类包裹体技术时,应该清楚地知道各种分析方法本身的注意点,尽可能避免引起错误的解释[5]。这些主要的注意点有：

1)地质年代持续时间要比试验时间长,观察到的岩相学的应变图像是否可以保存在自然样品中并不清楚。这就构成了试验结论与自然样品变换的一个限制[9]。

2)在较长的地质年代中,包裹体捕获的烃类物质可能发生裂解,包裹体的均一温压及物质组成可能发生改变,这就为推测包裹体形成时的条件带来一定干扰,以后需要进一步研究。

3)包裹体形成之后,由于外界温压条件的改变导致包裹体可能发生一定的生长或泄漏,从而使包裹体的均一温压及物质组成发生改变,因此,烃类包裹体形成的最初捕获物质应该用均化作用下烃类物质最富集的包裹体来评估。

4)围绕包裹体的岩相学应变可以提供不同阶段捕获信息,这也是以后需要研究的重点[10]。

总之,人工合成烃类包裹体技术在地质领域占非常重要的地位,但因影响因素过于复杂,研究并不深入,尤其在国内更是处于起步阶段,还不能够将这项技术应用到生产实践当中。因此,必须在紧密结合烃源岩的生烃史、构造演化史和储层演化史的基础之上,充分发挥试验分析的优势,紧密地与其它分析技术相结合,才能最大限度地提高分析的准确性,使其对油气运移、成藏起到更好的示踪作用,从而提高有机包裹体在油气成藏系统和油气资源评价中的应用价值[7]。

[1] 倪 培,孟凡巍.碳酸盐岩中烃类包裹体的人工合成实验研究[J].岩石学报,2008,24(1)：161-165.

[2] 倪 培,王一刚.人工合成烃类包裹体的实验研究[J].岩石学报,2007,23(9)：2033-2038.

[3] 陈 勇,葛云锦.人工合成烃类包裹体研究进展[J].地质论评,2008,54(6)：807-813.

[4] 李 茹,葛云锦,陈 勇,等.储层石英生长影响因素的实验证据[J].中国石油大学学报：自然科学版,2010,34(2)：13-18.

[5] 王 强,徐志明,付晓文,等.有机包裹体分析方法进展及其问题和思考[J].大庆石油地质与开发,2005,24(5)：27-29.

[6] 刘超英,周瑶琪,杜玉民,等.有机包裹体在油气运移成藏研究中的应用及存在问题[J].西安石油大学学报：自然科学版,2007,22(1)：29-32.

[7] 孟凡巍,倪 培,丁俊英,等.人工合成烃类流体包裹体测温数据对石油地质的指示[J].岩石学报,2008,24(9)：1975-1980.

[8] Julien Bourdet,Jacques Pironon.Strain response and re-equilibration of CH4-rich synthetic aqueous fluid inclusions in calcite during p ressure drop s[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2008,24(3)：176-185.

[9] Jacques Pironon,Julien Bourdet.Petroleum and aqueous inclusionsfrom deep ly buried reservoirs：Experimental simulationsand consequencesfor overp ressure estimates[J].Geochimica et Cosmochimica Acta 72,2008,32(3)：166-169.

[10] LAWRENCED.MEINERT.A Group of Paperson Porphyry Cu Deposits：Introduction[J].Economic Geology,2010,46(3)：241-249.

[11] D.Strivay,C.Ramboz,J.-P.Gallien,D.Grambole,T.Sauvage,K.Kouzmanov.M icro-crystalline inclusions analysis by PIXE and RBS[J].ScienceDirect,2008,63(3)：476-485.