利用流体包裹体获取含气盆地古地层压力的新方法*

王存武 邹华耀

(1.中海油研究总院 2.中国石油大学资信学院)

0 引言

地层压力(即流体压力)是沉积演化、构造运动、水动力和水-岩相互作用等综合作用的结果，是研究成藏过程、烃源岩演化、储层演化等成藏动力学方面必不可少的参数之一。现今地层压力可以通过钻杆测试获取，而古地层压力的求取却困难重重，这是因为古压力的演化过程不可重复，无法直接获取。前人已经探讨了间接获取古压力的方法[1-13]，概况起来主要有盆地模拟法、数学计算法和流体包裹体热动力学模拟法，虽然采取的计算方法和参数有差异，但都是采用模拟技术，这就会存在两个问题：

(1)盆地模拟法和数学计算法虽然可以从区域上反映古压力大小及其演化过程，但盆地模拟软件所采用的数学模型是对复杂地质情况的简化，其结果必然与实际地质情况存在误差。

(2)流体包裹体热动力学模拟是目前应用较多的获取古地层压力的方法，但仅针对油包裹体有效，对于含气的包裹体无法获得饱和压力，无法计算包裹体在室温下的体积和气液比。虽然国内一些学者针对含烃盐水包裹体进行了古压力模拟的尝试，其基本思路仍然与油包裹体古压力模拟相似，只是对含烃盐水包裹体进行了简化，看作油包裹体进行PVT计算。这样得到的含烃盐水包裹体的热力学参数会与实际参数存在偏差，原因是油包裹体与含烃盐水包裹体热力学性质存在很大的差异性。传统流体包裹体古压力模拟法在没有检测到油包裹体的地区应用也受到限制。

因此，针对含烃盐水包裹体古压力模拟方法进行探讨，旨在解决含气盆地中的流体包裹体古压力模拟困难的问题，使流体包裹体古压力模拟方法得到补充和拓展。

1 含气盆地古压力恢复方法

目前比较成熟的油包裹体古压力模拟法，是由Aplin[14，15]等学者近年来提出的。该方法运用PVTsim软件，结合共聚焦激光扫描显微镜共同确定流体成分和捕获压力。运用该方法已在许多含油气盆地成功获取了古压力，并取得了较好的效果[14-21]。

然而，对于一个含气盆地而言，有时油包裹体很难检测到，这可能是因为：①地质历史时期油的充注量有限；②晚期快速成藏，捕获油包裹体较少；③以干酪根裂解气的充注为主；④古油藏时期捕获的包裹体在后期埋藏过程中经历了较高温度后发生了裂解；⑤多期构造演化使原先捕获的油包裹体发生变形或泄漏。但对于含气盆地而言，存在大量含烃盐水包裹体。所谓含烃盐水包裹体是指最终熔化温度(冰点)大于0℃的盐水包裹体，通常冰点在0℃～20℃之间。这些包裹体里含有烃类组分，在对其冷却的过程中，因温度下降和结冰膨胀造成压力升高，从而形成甲烷水合物。这些甲烷水合物在其升温过程中需要吸收更过的热量，从而造成冰点大于零。

对于含气盆地来说，含烃盐水包裹体含量较高，是研究油气充注历史和古流体压力最重要的一类流体包裹体。虽然目前对油包裹体的捕获压力恢复方法的研究已经取得了成功，但对于含烃盐水包裹体的古压力模拟到目前为止还没有一种有效方法，因为含烃盐水包裹体的P-T相图与油包裹体相差较大(图1)，不能简单的运用油包裹体的古压力研究方法来对含烃盐水古压力进行研究。运用PVTsim软件对含烃盐水包裹体进行PVT计算时，会出现一系列的问题，如无法获得含烃盐水包裹体的饱和压力，无法计算包裹体在室温下的体积和气液比等。因此，对于含烃盐水包裹体而言就不能照搬油包裹体的古压力模拟方法。

因此，必须另辟蹊径来求取含烃盐水包裹体的捕获压力。刘斌(2005)[22]指出，含烃类或其他挥发组分的水包裹体冷冻过程中，在温度高于纯水凝固点时，常常有一种外观像雪或松散冰一样的固体。它是烃的一些气体与液体水结合形成稳定的固相结晶物，称为气体水合物。这种现象对于包裹体特别是烃-水溶液包裹体尤为重要，因为在包裹体测定过程中，这一现象关系到包裹体参数确定和热力学数值计算。

找到一个确定含烃盐水包裹体热动力学参数的全新思路，可以将含烃盐水包裹体当作是气水合物来考虑。国内外学者已经对气水合物的热力学性质进行了大量卓有成效的研究[22，23]。值得注意的是，一定组分的气水合物，具有特定的平衡温度，即形成气水合物的最低温度(Tm)，也是气水合物形成后随温度升高最终的融化温度，在实际的包裹体测试过程中，Tm可以理解为冰点温度。因为在此温度之下气水合物处于平衡状态，高于此平衡温度，气水合物就完全分解。这样我们就能以气水合物的平衡温度(Tm)为依据，利用PVTsim软件求取包裹体的捕获压力。具体步骤如下：

(1)在室温下测量包裹体的气液比，通常使用激光扫描共聚焦显微镜，利用层切技术，采集一系列包裹体图像，并选取气泡直径最大处的图像，求取包裹体中气泡和液体部分的面积比，再折算到体积比[24]；

(2)在PVTsim软件中输入原始包裹体成分，通常为现今气藏组分，也可选用激光拉曼测试获得的成分数据，也可参照张元春等(2009)[25]的研究成果进行流体成分指定；

(3)利用PVTsim软件“Flash”中的“T-Beta”模块，令“Vap mol fra”为零，输入冰点温度，即可求取平衡压力Pm；再运行“PT Flash”模块，计算平衡压力Pm与平衡温度Tm下的气水合物其它数据，记录此时的包裹体总体积；

(4)运行“Flash”模块中的“V-T”程序，计算室温(20℃)下的气液比，若与实测气液比相符，则原始假定成份与实际成份相当，若不符合则改变原始成份后重新运行以上步骤，直到二者相符。此时的含烃盐水包裹体的成份可以作为该包裹体的真实成份进行PVT运算；

(5)模拟出包裹体的成份后，在“Flash”模块中运行“V-T”程序进行含烃盐水包裹体均一温度下捕获压力的计算，该压力即为流体包裹体的最小捕获压力。

(6)同样在“V-T”程序中计算略高于含烃盐水包裹体均一温度下的包裹体的内压，与步骤(5)计算所得的数据一起确定一条等容线的直线方程；将与含烃盐水包裹体同期盐水包裹体的均一温度输入上述方程，最终得到包裹体的捕获压力。

2 影响古压力模拟精度的因素

2.1 包裹体流体成分

含烃盐水包裹体成分可以通过激光拉曼探针获取，但由于包裹体较小，测量精度所限，且无法提供重烃组分的摩尔分数。因此，在实际工作中常采用PVT相态模拟法来获取成分数据[14，15，25]，方法是：先输入原始流体成分，获取平衡温度(冰点温度)下包裹体体积，然后在V-T模块中，计算常温条件(20℃)时的“Aqeuous”与测量气液比进行比较，当二者接近时认为流体成分为有效成分。但在实际模拟过程中往往出现多种流体成分均可达到同一气液比的情况，这就需要在研究中结合实际地质情况选择合适的流体成分，这个过程存在一定的不确定性。

2.2 包裹体气液比精度

包裹体的气液比不仅制约模拟成分的选择，而且直接关系到古压力模拟的精度。常规测试方法是在显微镜下选择某一气液两相包裹体，微调焦距使成像最清晰，目测包裹体气相和液相部分的面积比，以此来代替体积比，通常估算气液面积比会比实际的体积比偏大，导致计算的捕获压力偏高。

2.3 古压力计算范围有限

运用流体包裹体恢复古压力受制于样品采样位置、包裹体捕获温度和捕获期次，只能模拟均一温度变化范围内的古压力变化，而不能连续模拟地质历史时期的古压力演化。本次古压力恢复仅限于原油充注到原油裂解初期的压力变化，而对于原油裂解产生的超压极限值和地层压力是如何从超压演变为现今的常压则缺乏更多的包裹体证据。

3 应用

川东北地区近年来发现了以普光、罗家寨、渡口坡为代表的大中型天然气田，均以二叠系—三叠系礁滩相白云岩为储层。飞仙关、长兴组储层在晚印支-早燕山期原油充注后，经历了构造沉降、原油裂解、TSR和构造抬升等一系列地质过程[26]。复杂的成藏过程中储层古压力演化是研究深层碳酸盐岩成藏的重要问题。因此，对川东北地区普光构造和毛坝构造碳酸盐岩层系共9口钻井22个流体包裹体样品进行样品采集、制片、荧光观察和测温，荧光观察结果显示，该区储层中包裹体主要以沥青包裹体、纯气包裹体、含烃盐水包裹体和盐水包裹体为主(图2)，缺乏油包裹体和液态烃包裹体。

图2 川东北碳酸盐岩储层包裹体特征

在荧光观察和显微测温的基础上，应用提出的方法进行了古压力模拟。现以普光和毛坝构造的PA和MB2口井为例，加以说明。测试工作在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，使用的是英国Linkam公司的THMS600G型冷热台，测量误差为±0.1℃，显微镜为日本Olympus(型号)，另配100倍长焦距工作镜头。

含烃盐水包裹体冰点温度范围为1℃～4.9℃，气液比6%～19%不等，含烃盐水包裹体的均一温度介于101.9℃～168.7℃之间，同期盐水均一温度介于123.5℃～169.2℃之间(表1)。按照上述方法计算出包裹体最小捕获压力(表1)，然后根据该区的埋藏史，将测试点同期盐水均一温度投影到埋藏史图上，即可计算出不同均一温度时的捕获时间，这样就可以得到古压力和地质时间的相关关系(图3)。

埋藏史采用正演方法，利用德国开发的IES盆地模拟软件一维模拟模块，选择镜质体反射率化学动力学模型(EasyRo模型)，对烃源岩的埋藏史、热史进行了模拟(图3)。模拟过程中热流参数，依据前人对川东北地区古地温梯度的研究成果(胡圣标)，川东北地区热史演化模式为：3.7℃/km(二叠系)；3.25℃/km(三叠系)；2.4℃/km(侏罗系)(表1)，取近地表恒温层年平均温度为20℃，温度与深度的关系式设为：T=20+(dT/dH)H。剥蚀量参数依据杜春国(2007)[26]的研究成果。

图3 PA井确定流体包裹体捕获时间示意图

模拟结果显示(图4)，PA井所在的普光构造飞仙关组地层在180Ma左右压力系数为1.2左右，还属于正常压力系统，至175Ma左右时开始出现超压，此时的压力系数超过1.2，随时间演化，飞仙关组地层压力逐渐增大，并于160Ma左右时压力系数突破1.5，到达152Ma左右达到最大值，压力系数高达1.52。演化至今，普光构造飞仙关组地层为常压，这存在一个明显的超压旋回，超压的发育可能与储层的持续沉降、地温的持续增加，原油在高温下的裂解有密切关系。MB井所在的毛坝构造长兴组亦有相似的演化趋势。这在一定程度上说明飞仙关组和长兴组储层在地质历史时期曾经可能是连通的，共同经历了压力升高、降低的旋回，与区域认识一致。

表1 流体包裹体古压力模拟数据表

图4 川东北地区普光和毛坝构造压力系数随时间变化图

4 结论

(1)在含气盆地中，利用含烃盐水包裹体均一温度、冰点、PVT软件可以成功的恢复地层古压力；

(2)普光和毛坝构造的古压力结果表明，该区曾经至少经历了一个超压旋回，飞仙关组和长兴组具有大致相同的压力演化曲线，表明二者可能曾经具有较好的连通性；

(3)本文的古压力恢复方法依然存在一些不确定性，最重要的是包裹体的成分，因现今的技术手段仍然无法精确测量单个包裹体的成分，只能通过模拟获得，这会令结果存在一定误差；

(4) 在实验室条件下，给定温度、压力和流体体系进行人工流体包裹体实验，是流体包裹体热动力学模拟精度最好的检验方式。然而，目前限于实验条件，这项工作无法开展。运用PVTsim软件进行的流体包裹体古压力模拟的精度取决于所选择的流体体系成分和气液比，运用该方法进行古压力恢复的缺点是不能连续模拟地史历史时期的古压力演化，且受到样品位置、测试条件及包裹体检测的期次限制，只能模拟单点的地层古压力。

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