应用包裹体技术恢复气藏古压力

施伟军，席斌斌

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡　214126)



应用包裹体技术恢复气藏古压力

施伟军，席斌斌

(中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡214126)

摘要：包裹体捕获时的温度和压力反映了油气藏形成时的古温度和古压力，是油气成藏过程研究的一个重要依据。富(CH4)气盐水包裹体是气藏中最主要的一种包裹体类型，对这类包裹体捕获温度和压力的恢复最大的技术难点是其中气体(CH4)含量的精确测定。通过建立CH4气体拉曼位移值与包裹体内压的相关曲线，根据包裹体总体积和成分保持恒定的原则构建迭代计算模型，可快速准确计算出含CH4盐水包裹体的捕获压力。该方法应用于川南隆32井中奥陶统宝塔组微晶灰岩中的包裹体古压力研究，计算结果显示包裹体的捕获压力为884.08～1 249.32 bar，压力系数约为1.3~1.8，证明了包裹体捕获时地层流体为超压状态。

关键词：含CH4盐水包裹体；包裹体内压；拉曼位移；均一温度；捕获压力；拉曼位移—密度迭代法 ；气藏古压力

1研究现状

油气包裹体属于流体包裹体的一个类别，常在非均匀或不混溶的流体体系中捕获，是油气生成、运移、聚集过程中被捕获在自生矿物、胶结物、矿物次生加大边以及愈合裂隙中的流体，它的组成主要为石油、烃类气体，还混合其他少量无机气体(CO2、N2、H2、H2S、He)和H2O[1]。沉积盆地中油气包裹体的研究，对流体来源、成藏期次、油藏地球化学和油气资源评价等具有重要的意义[2-4]。包裹体捕获时的温度和压力反映了油气藏形成时的古温度和古压力，是油气成藏过程研究的一项重要依据。

在常态下不混溶的油气和水溶液，由于油气演化程度、埋藏温压条件的变化，油、气、水之间会相互渗透，石油中的气体会溶于水中，形成一些不同体系的流体包裹体共生组合。研究发现，在油气生成的不同阶段，包裹体捕获的流体性质是有差异的。在生油高峰时期，大量形成的是成熟阶段的油气，气体基本溶于油中，油气藏中主要发育不混溶的盐水包裹体和油气包裹体。随着油气演化程度的增加，早期形成的油气藏与烃源岩及分散可溶有机质发生热裂解生成干气，形成现今的天然气气藏，在气—水界面或含气水层中大量形成富气盐水包裹体和气包裹体。大部分气藏中CH4含量高，并且与水溶液呈部分混溶状态，易形成含CH4盐水包裹体，这也是气藏中最主要的一种包裹体类型[5-6]。

CH4是石油、天然气的主要组成之一，可形成分离的气相。CH4在水中的溶解度比其他烃类成分高，因而它也是与烃流体共存的水溶液中的主要烃组分[7]。在沉积环境的P-T条件下，CH4在水中的浓度一般小于0.2 mol/kg，使得流体包裹体中CH4的识别比较困难。但是，对于CH4和轻的芳香烃，已经发现了具有极高的溶解性(在水中)，水中CH4的溶解可能会改变水流体的PVT性质[8]。因此，如果在模拟包裹体P-T条件时忽略极少量CH4的存在或者定量不准确，都会导致包裹体均一压力计算的偏差，得到错误的结果。

近年来，法国的地球化学专家[7,9]对油气藏中的流体包裹体开展了相关研究工作，提出了油气藏中几种包裹体共生组合体系，如不饱和盐水—油气包裹体体系、含CH4盐水—不饱和油气包裹体体系等，对油气藏中油气包裹体的捕获形成了更明确的认识。他们利用合成包裹体标样对激光拉曼光谱仪进行标定，通过测定包裹体中CH4和H2O的拉曼光谱来确定包裹体中CH4的摩尔含量，并利用此方法对Cave-in-Rock MVT矿床萤石中的包裹体进行了古温度古压力模拟，取得了较理想的结果。研究中标样的精度以及包裹体中CH4含量的精确测定是技术的难点和重点，现有的设备、方法尚不够完善，方解石等本底信号值会对测定结果产生较强的干扰，并且在石油环境中可能存在的其他气体(CO2, H2S, N2)对拉曼光谱CH4定量的影响也需要进一步验证。刘德汉等[10]通过对普光和毛坝地区飞仙关组和长兴组碳酸盐岩储层中富气包裹体进行研究，恢复了包裹体捕获时的古压力。但是由于富气包裹体成分比较复杂，其均一温度难以直接测量，因而在古压力计算时可能存在一定的不确定性。此外，Lu等[11]提出了测定CH4气体拉曼位移获取室温下包裹体内压的方法，但仍然无法获得含CH4盐水包裹体均一压力。

本次研究旨在提出一种含CH4盐水包裹体的古压力计算新方法。该方法所需要测得的参数简单且易测定，计算软件计算快速准确，以期能够为广大地质工作者在油气成藏期次确定、成藏流体性质等研究方面提供新的思路及方法。

2方法

2.1　方法原理

一般认为包裹体由室温加热到均一，除非发生明显的泄露、过热爆裂等现象，其总体积和成分保持恒定，因而其总密度也保持不变[5]。利用以上性质，便可以分别计算在室温和均一条件下包裹体的总密度，并构建等式，利用迭代法求出包裹体的均一压力、组成等参数。其计算模型如图1所示。

图1　拉曼位移—密度迭代法计算模型

由图1可知，在计算过程中除均一温度和冰点温度外，还用到了室温条件下包裹体的内压(Pi，单位bar)这一参数。由于CH4的拉曼位移值(vp，单位cm-1)与其内压存在相关性[11]，而含CH4盐水包裹体气泡主要由CH4组成，仅含有少量的水蒸气，因此利用标样建立vp和Pi之间的标准曲线，然后将地质样品中包裹体的实测值投到标准曲线上便可以求出Pi。

2.2　实验方法及仪器

计算含CH4盐水包裹体的古压力需要对包裹体进行岩相学、显微测温学和激光拉曼综合分析。

2.2.1包裹体的岩相学分析

包裹体的岩相学主要对岩石中矿物的共生组合、包裹体的产状、组合特征等进行研究，以挑选出合适的包裹体进行进一步的分析和研究。通常采用的仪器为偏光荧光显微镜，放大倍数为50~500倍。

2.2.2包裹体的显微测温分析

包裹体显微测温主要包括均一法和冷冻法测温，可以分别获得包裹体的均一温度和冰点温度，冰点温度通过计算公式或查表[5]可以得到包裹体的盐度。通常采用的仪器为全自动型冷热台，温控范围为-196~600 ℃，冰点误差小于0.2 ℃，均一温度误差小于2 ℃。

2.2.3包裹体激光拉曼光谱分析

激光拉曼光谱分析是一项无损分析技术，可以对单个包裹体中烃类及非烃类气体成分进行定性和半定量的分析。将激光拉曼光谱仪与包裹体冷热台联用能够测定包裹体均一时的不同气体成分的拉曼光谱位移。激光拉曼光谱仪配备Ar+激光器，波长一般为514 nm或785 nm，所测光谱扫描一次计数时间为10 s，进行 100~4 000 cm-1全波段连续扫描。

2.2.4包裹体内压的测定

包裹体均一压力计算模型中有一个重要的参数就是室温下包裹体的内压。本次研究中自主研制了流体拉曼光谱标定仪，该仪器主要由气体输入装置、报警系统、气体混样系统和两级水驱增压系统等部件组成。通过连接显微镜和激光拉曼光谱仪测定不同压力下包裹体流体的拉曼光谱位移值，对这些数据进行曲线拟合，可以建立包裹体内压—拉曼位移的相关性，从而根据拉曼位移的变化来校正包裹体的内压参数(图2)。

2.3　实验结果与认识

2.3.1室温下CH4拉曼位移值与压力的相关关系

本次研究利用流体拉曼标定仪与激光拉曼联

图2　流体包裹体内压—拉曼位移在线测定实验流程

用在室温条件(24 ℃)下完成了60次实验，压力范围为2~200 bar。具体的实验步骤如下：

首先对系统进行抽真空，然后开启钢瓶气阀门，将CH4气体经减压阀充入到可调低压容器中，由于该容器自身带有刻度和活塞，因此可以根据需求调节进入系统的CH4的量和压力；然后将CH4注入到毛细管中；最后利用激光拉曼在线测定该压力条件下流体的拉曼位移值。改变压力重复上述实验步骤，便可以测定不同压力条件下CH4的拉曼位移值。

由图3a可知，在压力仅为2.00 bar的条件下，拉曼谱图上仍能显示出比较尖锐的CH4峰，信噪比约为5。随着压力的增大，信号强度和信噪比也逐渐增大，当压力增大到172.38 bar时(图3d)，信号强度达到25 000左右，信噪比约为50，分别比2.00 bar时提高了50倍和10倍，说明随着压力的增大，信号的强度以及谱图的分辨率逐渐增大。由图3a-d可知，拉曼谱图基线非常平整，未见到明显的杂质峰。说明本次实验结果的精度和准确性均能满足研究的要求。

实验数据(表1)显示,随着压力的增加CH4拉曼位移值由2 918.40 cm-1递减到2 914.00 cm-1，反映拉曼位移值对压力的变化有良好的响应，该趋势与前人研究结果一致[11]。

根据Lu等[11]建立的室温下CH4拉曼位移值与压力的相关关系公式，对表1中的数据点进行曲线拟合(图4)，得到方程(1)，方程(1)的相关系数R2=0.997，表明包裹体中CH4气体内压与拉曼位移值相关性很好。

图3　不同压力条件下CH4拉曼位移

表1　室温(24 ℃)、不同压力条件下CH4拉曼位移值

注：vp为室温(24 ℃) 下CH4拉曼位移值；Pi为CH4气体内压。

图4　CH4气体内压与拉曼位移关系

Pi= 0.173×(2 918.333 -vp)5- 1.035×(2 918.333 -

vp)4+ 0.734×(2 918.333 -vp)3+ 3.609×(2 918.333 -

vp)2+ 37.75×(2 918.333 -vp) + 2.444

(1)

2.3.2计算程序的编写

由于拉曼位移—密度迭代法计算(图1)过程复杂，所用的状态方程参数多[12-13]，形式繁琐。为了方便计算，本次研究以微软VisualStudio为平台，编制了专用计算软件，只需要输入室温、冰点温度、均一温度及拉曼位移值等参数，点击“计算”按钮便可以计算出均一压力、CH4和NaCl浓度、摩尔体积及室温下的气液比4个参数。本软件所适用的范围为：温度0~250 ℃，压力0~2 000 bar，NaCl浓度0~6 mol/kg，基本上能满足沉积环境研究的需要。

3川南气藏古压力计算

本次研究以川南气田隆32井为例，依据上述方法开展古压力恢复研究。样品采自隆32井中奥陶统宝塔组3 290.09~3 290.18 m。隆32井构造上位于川东南褶皱带西南段和川中古隆平缓构造带西南段，地层发育较全，出露的最新地层为侏罗系及白垩系，基底为前震旦系板溪群变质岩系；震旦纪—中三叠世为海相沉积，缺失泥盆系，晚三叠世—白垩纪为陆相沉积，烃源岩主要以下寒武统、下志留统及上二叠统泥质岩为主[14-17]。

镜下观察该样品为微晶灰岩，溶洞发育，被后期亮晶方解石及石英充填，可见沥青呈团块状及条带状分布。溶洞充填的方解石及石英中包裹体发育，多成群分布，包裹体类型主要由气液两相包裹体及富气包裹体组成。样品中包裹体的气液比变化大，表现出不混溶包裹体组合的特征。其中分布于石英中的包裹体数量及质量上均相对优于方解石中的包裹体，并且由于石英矿物稳定性较高，无解理，不容易造成包裹体的泄露，因此研究主要选取石英中的包裹体。为验证方法的有效性，将岩石样品磨制了双面抛光的包裹体薄片，并分别作了移片和不移片的前处理。

选择样品中个体较大、形状较规则及保存完好的包裹体对其气相成分进行了激光拉曼分析。由图5可知，含CH4盐水包裹体和富气包裹体的气相成分主要为CH4，未检测出H2S、CO2及重烃成分。室温条件下随着包裹体气液比的增大，CH4的拉曼位移值增大。

然后，挑选室温条件下气液比较小、代表不混溶流体中含CH4盐水端元的包裹体进行均一温度和冰点测定。所选样品的显微测温及激光拉曼分析数据见表2，包裹体的均一温度为189.7～214.9 ℃，冰点温度为-7.0～-9.7 ℃，室温下CH4的拉曼位移值为2 916.04～2 916.63 cm-1。仅有个别包裹体在测定均一温度过程中发生了爆裂。

图5　川南气田隆32井包裹体气相成分激光拉曼光谱

表2　川南气田隆32井中奥陶统宝塔组包裹体分析数据及古压力计算结果

*ICH4/IH2O为包裹体拉曼光谱中CH4的峰面积与H2O的峰面积比值。

根据包裹体成分、均一温度和冰点等参数，利用迭代法计算得到包裹体古压力为860.45～1 249.32 bar。

由图6可知，在室温及均一温度条件下，移片和不移片样品中的包裹体拉曼光谱分析均能够显示出比较尖锐的CH4峰，但移片样品的CH4峰信噪比相对更高一些。因此采用迭代法计算包裹体的古压力对于样品的处理可以运用。

根据研究区钻井地层岩性、镜质体反射率等资料恢复隆32井埋藏史，并以前人对四川盆地构造演化及热演化特征的研究[18-19]为基础，模拟恢复古地温，建立研究区热演化—埋藏史图(图7)。将均一温度投到该图上，得到包裹体捕获时的埋深约为6 000~7 000 m，捕获时间约为燕山中期。按静水压力为10 MPa/km计算，可知包裹体捕获时的静水压力约为600~700 bar，与包裹体实际计算的地层流体压力相比，压力系数约为1.3~1.8(表2)，表明包裹体捕获时地层流体具有高温、超压特征，同时该地区燕山中期大量高密度CH4包裹体的捕获也指示该气藏可能为原油裂解型气藏。

4结论

图6　移片与不移片样品拉曼光谱比较

图7　川南气田隆32井包裹体捕获时代投影

(2)含CH4盐水包裹体古压力计算方法是恢复气藏古压力的新技术，通过将迭代法运用到气藏包裹体古压力计算中并编制相应的计算软件，实现了快速、准确地获得包裹体捕获时的地层流体温压条件，进而确定气藏古压力。

(3)该研究利用富气油气体系中主要包裹体类型——含CH4盐水包裹体的古压力模拟恢复川南天然气成藏特征取得良好的效果。川南隆32井气藏中捕获的流体包裹体岩相学分析和古压力计算结果揭示了燕山中期川南中奥陶统宝塔组发育大量高密度CH4包裹体，包裹体捕获时地层流体压力约为860.45~1 249.32 bar，处于超压状态，压力系数约为1.3~1.8，这与前人研究结果揭示的四川盆地震旦系—下古生界天然气的成藏过程是一个古油藏—古气藏的过程是一致的。

参考文献:

[1]刘德汉,卢焕章,肖贤明.油气包裹体及其在石油勘探和开发中的应用[M].广州:广东科技出版社,2007.

Liu Dehan,Lu Huanzhang,Xiao Xianming.Application of hydrocarbon inclusions in petroleum exploration and development[M].Guangzhou:Guangdong Science & Technology Press,2007.

[2]饶丹,秦建中,许锦,等.塔河油田奥陶系油藏成藏期次研究[J].石油实验地质,2014,36(1):83-88.

Rao Dan,Qin Jianzhong,Xu Jin,et al.Accumulation periods of Ordovician reservoirs in Tahe Oil Field[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(1):83-88.

[3]张俊武,邹华耀,李平平,等.含烃盐水包裹体PVT模拟新方法及其在气藏古压力恢复中的应用[J].石油实验地质,2015,37(1):102-108.

Zhang Junwu,Zou Huayao,Li Pingping,et al.A new PVT simulation method for hydrocarbon-containing inclusions and its application to reconstructing paleo-pressure of gas reservoirs[J].Petroleum Geology & Experiment,2015,37(1):102-108.

[4]周振柱,陈勇,周瑶琪.东营凹陷坨庄地区T165油藏低压充注的流体包裹体记录[J].石油实验地质,2014,36(4):473-478.

Zhou Zhenzhu,Chen Yong,Zhou Yaoqi.Low-pressure accumulation of hydrocarbon recorded by fluid inclusions in T165 reservoir,Tuozhuang area,Dongying Sag[J].Petroleum Geology & Experiment,2014,36(4):473-478.

[5]卢焕章,范宏瑞,倪培,等.流体包裹体[M].北京:科学出版社,2004.

Lu Huanzhang,Fan Hongrui,Ni Pei,et al.Fluid inclusion [M].Beijing:Science Press,2004.

[6]施伟军,蒋宏,席斌斌,等.油气包裹体成分及特征分析方法研究[J].石油实验地质,2009,31(6): 643-648.

Shi Weijun,Jiang Hong,Xi Binbin,et al.Studies of analysis approaches of oil-and-gas inclusion composition and characteristics[J].Petroleum Geology & Experiment,2009,31(6):643-648.

[7]Dubessy J,Buschaert S,Lamb W,et al.Methane-bearing aqueous fluid inclusions:Raman analysis,thermodynamic modelling and application to petroleum basins[J].Chemical Geology,2001,173(1/3):193-205.

[8]Hanor J S.Dissolved methane in sedimentary brines:potential effect on the PVT properties of fluid inclusions[J]. Economic Geology,1980,75:603-609.

[9]Guillaume D,Teinturier S,Dubessy J,et al.Calibration of methane analysis by Raman spectroscopy in H2O-NaCl-CH4fluid inclusions[J].Chemical Geology,2003,194(1/3):41-49.

[10]刘德汉,戴金星,肖贤明,等.普光气田中高密度甲烷包裹体的发现及形成的温度和压力条件[J].科学通报,2010, 55(4/5):359-366.

Liu Dehan,Dai Jinxing,Xiao Xianming,et al.High density methane inclusions in Puguang gasfield:Discovery and a T-P genetic study[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(4/5):359-366.

[11]Lu Wanjun,Chou I M,Burruss R C,et al.A unified equation for calculating methane vapor pressures in the CH4-H2O system with measured Raman shifts[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2007,71(16):3969-3978.

[12]Spivey J P,McCain Jr W D,North R.Estimating density,formation volume factor,compressibility,methane solubility,and viscosity for oilfield brines at temperatures from 0 to 275℃,pressures to 200 MPa,and salinities to 5.7 mol/kg[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2004,43(7):52-61.

[13]Duan Zhenhao,Mao Shide.A thermodynamic model for calcula-ting methane solubility,density and gas phase composition of methane-bearing aqueous fluids from 273 to 523 K and from 1 to 2000 bar[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,2006,70(13):3369-3386.

[14]何丽娟,许鹤华,汪集旸.早二叠世—中三叠世四川盆地热演化及其动力学机制[J].中国科学:D辑:地球科学,2011,41(12):1884-1891.

He Lijuan,Xu Hehua,Wang Jiyang.Thermal evolution and dynamic mechanism of the Sichuan Basin during the early Permian-Middle Triassic[J].Science China:Series D:Earth Sciences,2011,54(12):1948-1954.

[15]黄方,刘琼颖,何丽娟.晚喜山期以来四川盆地构造—热演化模拟[J].地球物理学报,2012,55(11):3742-3753.

Huang Fang,Liu Qiongying,He Lijuan.Tectono-thermal mode-ling of the Sichuan Basin since the late Himalayan period[J].Chinese Journal of Geophysics,2012,55(11):3742-3753.

[16]刘树根,马永生,蔡勋育,等.四川盆地震旦系—下古生界天然气成藏过程和特征[J].成都理工大学学报:自然科学版,2009,36(4):345-354.

Liu Shugen,Ma Yongsheng,Cai Xunyu,et al.Characteristic and accumulation process of the natural gas from Sinian to Lower Paleozoic in Sichuan Basin,China[J].Journal of Chengdu University of Technology:Science & Technology Edition,2009,36(4):345-354.

[17]李其荣,杜本强,隆辉,等.蜀南地区天然气地质特征及勘探方向[J].天然气工业,2009,29(10):21-23.

Li Qirong,Du Benqiang,Long Hui,et al.Geologic characteristics of gas reservoirs and exploration direction in southern Sichuan Basin[J].Natural Gas Industry,2009,29(10):21-23.

[18]邱楠生,秦建中, McInnes B I A,等.川东北地区构造—热演化探讨：来自(U-Th)/He年龄和Ro的约束[J],高校地质学报,2008,14(2):223-230.

Qiu Nansheng,Qin Jianzhong,McInnes B I A,et al.Tectonothermal evolution of the northeastern Sichuan Basin:Constraints from apatite and zircon (U-Th)/He ages and vitrinite reflectance data[J].Geological Journal of China Universities,2008,14(2):223-230.

[19]朱传庆,徐明,袁玉松,等.峨眉山玄武岩喷发在四川盆地的地热学响应[J].科学通报,2010,55(6):474 -482.

Zhu Chuanqing,Xu Ming,Yuan Yusong,et al.Palaeogeothermal response and record of the effusing of Emeishan basalts in the Sichuan Basin[J].Chinese Science Bulletin,2010,55(10):949-956.

(编辑徐文明)

Calculation of paleo-pressure in gas reservoirs using fluid inclusions

Shi Weijun, Xi Binbin

(WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,SINOPEC,Wuxi,Jiangsu214126,China)

Abstract:Trapping pressure and trapping temperature of fluid inclusions are important information for the research of petroleum charge history which represents the paleo-pressure and paleo-temperature of gas-oil reservoirs. Gas-bearing (e.g., CH4) inclusions are common in gas reservoirs. The difficulty for the determination of trapping pressure and temperature of inclusions is to accurately measure the concentration of methane. We propose a feasible and credible way to calculate inclusion trapping pressures by using an iteration calculation model based on the hypothesis of constant total volume and composition of intact inclusions and correlation curves of inclusion pressure at room temperature and the Raman shift of methane gas. The method was applied to paleo-pressure of fluid inclusions trapped in the Baota Formation limestones in well Long32 in the southern Sichuan. Results indicated that the trapping pressure is in the range of 884.08-1 249.32 bar, which is an overpressure circumstance at a pressure factor of 1.3-1.8.

Key words:H2O-NaCl-CH4inclusion; inclusion pressure at room temperature; Raman shift; homogenization temperature; trapping pressure; Raman shift-density iteration method; paleo-pressure of gas reservoirs

基金项目：中国石化科技部项目(P06002，P09058，P10027)资助。

作者简介：施伟军(1964—)，女，高级工程师，从事油气包裹体实验技术开发和石油地质勘探研究。E-mail：shiwj.syky@sinopec.com。

收稿日期：2015-04-15；

修订日期：2015-11-27。

中图分类号：TE122.3

文献标识码：A

文章编号：1001-6112(2016)01-0128-07doi：10.11781/sysydz201601128