塔中45井油气藏成藏期的厘定

张 鼐, 张宝收, 赵瑞华, 杨晓光, 南燕云, 赵澄雨

(1. 中国石油天然气集团公司 勘探开发研究院 提高石油采收率国家重点实验室, 北京 100083; 2. 塔里木油田公司研究院, 新疆 库尔勒 841000; 3. 中国地质大学 地球科学与资源学院, 北京 100083)

0 引 言

塔中Ⅰ号坡折带的西北段塔中45号油藏属受构造和储层物性共同控制的挥发性油藏[1]。油藏主要发育在中上奥陶统6020～6150 m碳酸盐岩段, 有趣的是, 在6077～6150 m出现大量萤石, 萤石对储集层的影响以及与油藏的关系引发了研究者的极大兴趣。现有研究认为: ①加里东期, 高含氟的地下热液上升侵入灰岩, 热液与围岩发生交代作用, 形成的萤石充填了孔、洞及构造裂隙[2]; ②萤石形成于海西期, 早二叠世末期岩浆活动后期低温热液沿裂隙或断层侵位充填形成萤石脉[3–4], 对储层有良好的改善作用; ③萤石是喜马拉雅期盆地流体活动的产物[5],萤石成矿热液溶蚀作用发育时期是塔中45井埋藏溶蚀孔隙形成的重要时期。以上观点提到萤石能改善储层孔隙, 萤石作为烃包裹体的赋存矿物, 与油藏形成时间关系前人没有更详细的分析, 而作为古油藏“足迹”的烃包裹体, 对其进行深入研究的就更少。本文拟通过对烃包裹体组分、赋存矿物形成年龄的测试, 厘定塔中45井成藏时间及油气来源。

1 实验条件及方法

流体包裹体显微测温采用英国Linkam公司的THMS G600型冷/热台。不同期次烃包裹体组分用“多功能烃包裹体取样机”(申请发明专利号201010111409.2)对单个烃包裹体一一打开, 约打开100～500个同一期烃包裹体, 提取同期次烃组分, 将所提取的包裹体气体成分上thermo DSQⅡ型色谱-质谱仪。含烃包裹体赋存矿物测年用电子自旋共振法(ESR): 碎样至60目, 在双目镜下挑石英或萤石样约3 g, 粉碎为0.200～0.125 mm粒度。因烃包裹体中的油具强磁性, 对ESR测试有影响, 故加入8 mL的二氯甲烷在超声波仪中清洗10 min, 倒去二氯甲烷,再加入8 mL二氯甲烷浸泡30 min, 倒去废液, 从而将赋存矿物粉末中的油洗去。随后将样品自然风干,用KJD-2000N底伽马仪和微机数据采集系统测定α和γ天然放射性和用ER-200D-SRC电子自旋共振仪测定其顺磁中心浓度值, 由此推测得到地质年龄。碳酸盐岩的烃包裹体丰度的统计是用烃包裹体频率(FOI)法完成的, 方法如下: 在样品中随机选取0.5 mm × 0.5 mm正方形区域进行分析, 根据含烃包裹体的正方形所占比例计算整个样品油包裹体丰度。

2 塔中45井赋存矿物特征和烃包裹体特征

塔中45井赋存矿物及烃包裹体特征简述如下。①萤石中烃包裹体有两期: 第Ⅰ期沿萤石生长纹分布, 在紫外荧光下发黄色、白色中等强度荧光, 属成熟液相烃包裹体(图 1a), 第Ⅰ期烃包裹体在萤石中FOI值约为 10%; 第Ⅱ期是萤石愈合缝中次生分布的、在紫外荧光下发蓝白色强荧光的高成熟气液相烃包裹体和气相烃包裹体(图 1b), 第Ⅱ期烃包裹体在萤石中FOI值约为45%。②萤石中常伴生的石英有两种: 一种是与萤石呈共生状态, 石英常为较好的自形晶, 内不含烃包裹体; 另一种为石英脉体,是萤石形成后又有石英沿萤石裂缝充填而形成的,石英的均一化温度从116 ℃左右到160 ℃左右(表1),含有发蓝白荧光的烃包裹体(图 1c), 烃包裹体与石英应是同一时期的产物。③萤石中常伴生的方解石有三种: 一种被萤石交代呈残余状的方解石(图 1d),是灰岩围岩被交代而呈残余状保存在萤石中的; 二是与萤石同生的方解石, 这种方解石多为不规则块状, 内见少量第Ⅰ期烃包裹体(图 1e); 三是后期方解石脉体穿过早期形成的萤石, 方解石脉中见大量原生第Ⅱ期烃包裹体(图1f)。

用激光共聚焦法对萤石和石英脉中的两期烃包裹体进行荧光光性分析。荧光峰的中值和最高峰值越大, 荧光强度越大, 则油的芳烃含量就越高, 饱和烃含量越低, 油也越重, 反之亦然。图2为根据两期烃包裹体荧光峰的中值和最高峰值所做的烃包裹体荧光特征图。由图中可见, 第Ⅰ期烃包裹体都落在较高的数值区域, 显示油为中性油; 第Ⅱ期烃包裹体都落在较低的数值区域, 显示油为轻质油。

温度分析(表1)表明, 萤石原生盐水包裹体均一温度(th)为 107.20～116.30 ℃, 盐度为 1.89%～2.88%,这种包裹体是在低盐度下形成的。而萤石中与第Ⅱ期烃包裹体伴生的盐水包裹体th高达150.00～200.00 ℃,盐度为 11.37%～13.00%, 含第Ⅱ期烃包裹体的石英脉中的盐水包裹体 th也高达 160.00 ℃、盐度为6.65%～11.11%, 可见两期烃包裹体形成时的地质温度盐度差异大: 早期在低盐度环境下形成了萤石(盐水包裹体平均th为113.42 ℃)、自形石英(盐水包裹体平均th为92.10 ℃)、块状方解石(盐水包裹体平均th为 85.50 ℃)和第Ⅰ期烃包裹体(平均 th为 74.84 ℃);晚期在高盐度环境下形成了石英脉(盐水包裹体平均th为157.28 ℃)、方解石脉(盐水包裹体平均th为124.30 ℃)和第Ⅱ期烃包裹体(平均th为89.28 ℃)。塔中 45井成岩矿物次序和烃包裹体注入次序总结于表2中。另外, 塔中45井两期烃包裹体FOI值都大于 10%, 一般认为烃包裹体在碳酸盐岩储层中的FOI值大于 10%时可将该储层视为油层, 说明两期油气运移都能形成工业性油藏。

图1 塔中45井(6013～6105 m)烃包裹体及赋存矿物特征Fig.1 The microscopic characteristics of hydrocarbon inclusions and host minerals from the Tazhong 45 well (6013～6105 m)

图2 塔中45井烃包裹体荧光特征Fig.2 The fluorescent characteristics of hydrocarbon inclusions at the TaZhong 45 well

表1 成岩矿物内流体包裹体温度测试结果Table 1 Homogenization temperature of the fluid inclusions in diagenetic minerals

表2 成岩矿物生长次序和烃包裹体注入次序Table 2 The sequences of mineral formation and hydrocarbon inclusion charge

与萤石伴生的黄铁矿Co/Ni比值都大于1, 表明它们是从热液中沉淀出来的[6]。塔中地区奥陶系灰岩, 其 δ18O 值为–3‰～ –8‰, 被认为属海水成因的碳酸盐岩[7]; 奥陶系中的方解石脉的δ18O值为–7‰～–14‰[8], 是在大气淡水条件下较深埋藏成岩环境下形成的。塔中45井萤石的δ18O值为–6.1‰～ –7.1‰,与奥陶系灰岩和方解石脉是有差异的。塔中45井萤石的 δ13C 值为–0.2‰～ –0.3‰, 是负值[9], 而塔中地区奥陶系灰岩δ13C值为0‰～3.5‰, 方解石脉的δ13C值为0.2‰～2.9‰, 都为正值。塔中45井萤石与奥陶系方解石脉最大的不同是δ13C值明显偏向负值, 可见萤石形成时有深部火山热液渗入, 因为火山期后热液带来的CO2使萤石的δ13C值更具负值。塔中地区萤石的87Sr/86Sr比值(0.7089～0.7093平均值为0.7091)[6], 不但比二叠纪岩浆作用形成的镁铁质基性岩(0.7044)[10]高, 而且还要高于中上奥陶统灰岩(0.7085～0.7087, 平均值为0.7086), 但要低于塔里木盆地北面天山海西晚期花岗岩(约 0.7143) 。所以,萤石中较高的87Sr/86Sr比值, 说明流体可能是来自岩浆作用晚期的中酸性岩浆[6]。塔中45井灰岩与萤石有相似的稀土元素分布模式[5], 常见萤石交代方解石(图 1e), 所以萤石成矿流体中的 F多是中酸性岩浆期后低温热液本身带来的, 这种低温热液上升到奥陶系遇碳酸盐岩交代方解石形成萤石。

3 烃包裹体组分特征

塔中地区油源只有寒武系烃源岩和中上奥陶统烃源岩[11], 塔里木盆地下古生界寒武系和下奥陶统富有机质岩石抽提物中C30甲基甾烷、C26～C29甾烷化合物具有非常一致的分布, 明显有别于上奥陶统[12]。对塔中45井奥陶系石英脉中的第Ⅱ期烃包裹体、萤石中的第Ⅰ期和第Ⅱ期烃包裹体油组分进行了提取和色质生物标志物特征分析。石英中的第Ⅱ期烃包裹体的萜烷和甾烷(图 3d)与萤石中的第Ⅱ期烃包裹体(图3b)特征一致, 在萜烷m/z 191质量色谱图中具高伽马蜡烷特征、甾烷 m/z 217质量色谱图中具高C28和低重排甾烷特征, 与塔中地区塔东2井典型寒武系泥岩抽提物中萜烷m/z 191、甾烷m/z 217质量色谱图特征[11]非常一致。塔中45井萤石中原生的第Ⅰ期烃包裹体萜烷在 m/z 191质量色谱图中具低伽马蜡烷特征、甾烷m/z 217质量色谱图中具低C28和高重排甾烷特征(图 3c), 与塔中 6井上奥陶统岩石萜烷m/z 191和甾烷m/z 217质量色谱图[11]一致。

图3 塔中45井烃包裹体萜烷m/z 191和甾烷m/z 217质量色谱图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-乙基胆甾烷及其芳构化甾烷等相对分子质量相等的甾类化合物更适于作为塔里木盆地海相油源对比参数[13], 在寒武系抽提物中甲藻甾烷的相对含量高, 而中上奥陶统抽提物中该类化合物的含量一般较低[12], 这种差异构成了本次油源对比的基础。图4是塔中45井烃包裹体中 C30甲基甾烷分布对比图。由图中可以看出, 图4a和4b中第Ⅱ期烃包裹体与塔东2井寒武系岩石抽提物[12]之间具有非常好的对比性, 表现出甲藻甾烷和4a-甲基-24-乙基胆甾烷的高丰度。而塔中45井萤石原生第Ⅰ期烃包裹体(图 4c)却以低丰度的甲藻甾烷、4a-甲基-24-乙基胆甾烷和高丰度的3a-甲基-24-乙基胆甾烷为显著特征, 与塔中 6井中上奥陶统源岩抽提物的分布特征非常一致[12]。

图4 塔中45井烃包裹体中C30甲基甾烷分布对比Fig.4 Distribution of C30 dinosteranes in the hydrocarbon inclusions from the Tazhong45 well

图5 烃包裹体组分中伽马蜡烷(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期烃包裹体组分中普遍存在 25-降藿烷系(图5)。包建平等[14]证实塔中地区原油中的25-降藿烷系列既不是直接来源于烃源岩, 也不是储层自身的背景, 它们只能来源于原油遭受的生物降解作用的改造, 它是古油藏遭受破坏的可靠标志, 说明第Ⅱ期烃包裹体形成时捕获了油藏中已遭受生物降解油的组分。

由烃包裹体组分特征可以推测: 第Ⅰ期烃包裹体中的油应来源于中上奥陶统烃源岩, 第Ⅱ期烃包裹体捕获了油藏中已遭受生物降解油的组分, 可能是由原先形成的寒武系原油热降解后分异出的轻质油。

4 塔中45井烃包裹体的形成时间

塔中 45井石英脉与第Ⅱ期烃包裹体同时形成(图1c), 所以含第Ⅱ期烃包裹体的石英脉ESR测年结果代表了石英形成的年龄, 也是第Ⅱ期烃包裹体充注时对应的构造活动时间, 所测 3个样年龄值很一致, 为 22.0～23.9 Ma(表 3), 属喜马拉雅期新近纪中新世 N1。可见塔中 45井区第Ⅱ期烃包裹体形成时间是早喜马拉雅期。ESR测年获得的矿物结晶后构造活动频繁的年龄, 代表与构造应力作用期次相当的矿物重结晶年龄[15–16]。塔中45井萤石形成后又有一次大的构造活动, 使萤石产生大量的次生缝,这期构造活动使萤石中充注了第Ⅱ期烃包裹体(图1b), 所以塔中45井萤石ESR测年测得的是最后一次构造活动时的地质年龄, 即第Ⅱ期烃包裹体充注时间。因油具有强磁性, 如果对萤石测年时不洗净烃包裹体油, 用ER-200D-SRC电子自旋共振仪可能测得的主要是烃包裹体中油的磁性, 虽然油对磁性控制与形成年龄之间的关系没有证据, 但做萤石的形成年龄(32.8～36.4 Ma)[5]是不科学的。本次洗油后测得的萤石ESR结果是16.0 Ma和60.3 Ma, 说明在塔中 45井奥陶系的萤石在燕山期至喜马拉雅期受到较强的构造运动影响, 并充注了大量的第Ⅱ期烃包裹体。

前文通过同位素分析已证明, 萤石是含 F中酸性岩浆期后低温热液上升到奥陶系遇碳酸盐岩交代方解石而形成的。用Sm-Nd法对不同成因的萤石进行定年的结果是可靠的[17]。Rb-Sr和Sm-Nd法测试结果表明, 塔中45井储层段萤石的等时线年龄介于263～241 Ma之间[5], 说明塔中45井的萤石也形成于晚海西期, 塔里木盆地早二叠世火成岩的绝对年龄为259～278 Ma[18–19], 与萤石形成年龄相同, 塔中45井近80 m厚的萤石层没有大量地下热液补给F是不可能形成的, 早二叠世塔中地区大面积火山活动有提供足够含 F地下热液的前提条件, 而喜马拉雅期运动约在23 Ma年使塔中西部抬升, 抬升可能使地表水下渗, 可是却无法解释萤石中 F的来源, 所以本文认同萤石形成于晚海西期。塔中45井萤石缝洞壁上的沥青反射率在 1.05～1.26之间, 这些沥青的Th/Pb和U/Pb法等时线年龄为(243.0±10.5) Ma, 亦形成于晚二叠世, 与萤石为同期产物, 证明在萤石形成时有油气的注入。第Ⅰ期烃包裹体原生于萤石的生长纹中, 应与萤石同时形成, 故塔中45井第Ⅰ期油注入时间是晚海西期二叠纪末期。

5 塔中45井成藏分析

关于塔中45井油藏的形成时间及油气来源也有多个观点: ①主成藏期在海西期, 寒武系烃源岩对塔中 45井原油的贡献明显[2], 中上奥陶统烃源岩的贡献占次要地位; ②主成藏期在喜马拉雅期[5], 现今主体部分轻质原油和天然气主要形成于喜玛拉雅期,来自中上奥陶统烃源岩。本文通过烃包裹体赋存矿物生长关系、形成温度、形成时间和烃组分特征得到如下认识。

表3 塔中45井烃包裹体赋存矿物ESR测年值Table 3 The ESR dating of the host minerals of hydrocarbon-bearing inclusions

早海西期, 由一期源于寒武系烃源岩的低成熟油大量注入塔中奥陶系和志留系两套地层, 并在志留系形成大量的沥青, 但在塔中45井奥陶系地层中并未发现这一期油气活动所对应的烃包裹体, 可见在塔中45井并未经过或成藏。

塔中地区在二叠纪末火山活动集中, 一方面强烈的火山活动使岩浆期后会有大量的低温热液活动,这些低温热液能将深部F带到奥陶系灰岩中, 与灰岩作用在塔中45井所在的位置形成了大规模萤石层;另一方面火山活动促使寒武系和奥陶系烃源岩成熟,大量油气排出也为形成油气藏提供了物质基础, 此时沿塔中Ⅰ号坡折带北边的中奥陶统烃源岩成熟排烃, 生成的成熟油沿切过Ⅰ号坡折带的北东向断裂进入塔中地区, 并被萤石包裹, 形成了沿萤石生长纹分布的第Ⅰ期烃包裹体。奥陶世末期塔中隆起基本定型, 自晚海西期以来, 塔中地区多以下降运动为主, 没有大的褶皱断裂作用, 使得塔中45井区在晚海西期形成的这期油藏圈闭得以很好的保存。

新生代进入喜马拉雅期, 约在23 Ma塔里木盆地周边山系急剧抬升, 使塔中西部抬升东部下降,并逐渐发展成为现今地貌, 这一期构造运动使塔中地区以前形成的断裂构造开启, 为油气运移提供了重要通道。同时, 到了燕山晚期-喜马拉雅期, 早海西期形成的寒武系低成熟油可能还有原油深埋藏于塔中下部地层, 这些寒武系低成熟油再次热分解,轻质组分上移, 大量的高成熟轻质油气沿开启的10号断裂带向上运移至奥陶系地层, 并在塔中45井萤石层中储集, 形成了挥发性油气藏。油气沿萤石裂纹注入, 愈合后形成次生的第Ⅱ期烃包裹体; 这一时期的裂缝中充填石英或方解石, 在这一期脉石英和脉方解石中也发育原生第Ⅱ期烃包裹体。塔中45井奥陶系原油与寒武系烃源岩甾烷、萜烷分布相似,C28甾烷丰度较高, 升藿烷和重排甾烷丰度低和重排甾烷丰度低[2]特征相同。轻烃参数“2,4-二甲基戊烷/2,3-二甲基戊烷”的对数值与烃类的生成温度呈线性函数关系。据t () = 140 + 15 (ln (2, 4-/2, 3-DMP))[20],计算得到了塔中45井奥陶系原油的生成温度(125 ℃)[21], 推算的原油的生成温度是烃组分形成时的均一温度, 它与烃包裹体均一温度值可对比,这与塔中45井第Ⅱ期烃包裹体均一温度相近, 可见第Ⅱ期是塔中45井重要的一期油气活动。

所以, 塔中 45井在喜马拉雅期 22.0～23.9 Ma,源于寒武系烃源岩原油分解产生大量的轻质-凝析油, 充注到奥陶系萤石层段, 晚海西期中奥陶统充注的油在塔中 45井得以保存, 使塔中 45井原油中混染有中上奥陶统组分, 从而形成了塔中45井奥陶系具有寒武系烃源岩和中上奥陶统烃源岩两套烃源岩原油特征的挥发性油藏。

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