延安气田下二叠统山西组流体包裹体特征及其地质意义

周进松 乔向阳 王若谷 银 晓 刘 鹏

陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院

0 引言

目前，流体包裹体综合分析技术已经成为储层油气充注和成岩流体活动历史研究的重要手段，被广泛应用于地层温度和压力历史恢复[1-4]、储层烃类充注年代厘定[5-10]及成岩流体环境演化[11-13]等研究中。在油气运移和成岩过程中，烃类包裹体和盐水包裹体往往能被寄主矿物同时捕获，二者具有相同的捕获温度和压力。因此，通过流体包裹体的岩相学研究，利用与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度（饱和甲烷条件下），结合埋藏（热）史模拟，可以判断储层油气充注的期次和时代。

前人对鄂尔多斯盆地上古生界天然气成藏已经做过不少的研究，并且取得了一系列的认识[14-16]。赵桂萍[14]通过对该盆地北部杭锦旗地区上古生界下二叠统山西组和中二叠统下石盒子组流体包裹体研究，确定主成藏期为始新世至今和早侏罗世晚期—晚侏罗世中期次成藏期；曹青等[15]通过对该盆地西南部山西组和石盒子组8段流体包裹体研究，认为天然气大量富集期在早白垩世（距今155～100 Ma）；郭振华等[16]通过该盆地北部塔巴庙地区下二叠统太原组2段至下石盒子组流体包裹体研究，认为该区上古生界发生6期流体活动，中侏罗世晚期至早白垩世末期为天然气的主要成藏时期。从前人的研究成果可以看出，对于该盆地不同区域天然气成藏期次的认识目前仍存在着较大的差异。

近年来，鄂尔多斯盆地东南部上古生界天然气勘探取得了重大突破[17]。为了弄清其天然气成藏过程并认识盆地不同区域上古生界天然气成藏期次的差异性，笔者以该区延安气田上古生界气藏主力产层——山西组为例，通过对储层流体包裹体颜色、形态、成分、均一温度等特征的分析，结合埋藏史、热史模拟，确定包裹体形成期次和厘定烃类充注的地质年代，并结合埋藏史、热史，分析成岩演化与烃类充注的耦合关系，以期为深化该盆地上古生界天然气成藏过程研究提供帮助。

1 流体包裹体岩相学特征

选取山西组27块富石英砂岩样品，其中山西组2段（以下简称山2段）17块，山西组1段（以下简称山1段）10块，在透射光和紫外荧光下，对流体包裹体的形态、颜色、宿主矿物、产出特征等进行了系统描述和分析。笔者使用Nikon 80Ⅰ显微镜观察流体包裹体，紫外发射波长大于420 nm，在包裹体组合鉴定的基础上，使用Linkam THMSG-600冷热台，测试盐水包裹体的均一温度和冰点温度，精度为±0.1 ℃。在测试过程中，通过从低至高记录均一温度，避免包裹体过度加热或伸缩变形。所有样品均在中国科学院地质与地球物理研究所深层油气成藏动力学实验室测试完成。

样品测试观察发现流体包裹体主要赋存于自生石英、碳酸盐胶结物及石英颗粒愈合缝中，根据室温下包裹体的相态和成分差异将包裹体分为3类：CO2包裹体、烃类包裹体和盐水包裹体，其中烃类包裹体进一步细分为液态烃包裹体和气态烃包裹体。

1.1 CO2包裹体

CO2包裹体呈三相，由气体CO2、液态CO2和盐水溶液组成，或两相，由气体CO2、液态 CO2组成。体积较大，多大于5 μm，分布在碎屑石英颗粒（图1-a、b）中，极少见于石英加大边（图1-c），呈孤立状。透射光下，CO2包裹体常具有特殊的三相结构特征，最中间为二氧化碳气相，因气相CO2折射率很小，气泡呈黑色或紫色，其次为二氧化碳液相、最外为水相，呈现出一种“气泡”中有气泡的现象。此外，在冷热台上对CO2包裹体加温，31 ℃左右CO2气泡消失，均一为液相。

1.2 液态烃包裹体

液态烃包裹体形态不规则，一般介于3～5 μm；透射光下为无色、淡褐色为主，紫外荧光下呈黄色和蓝白色，主要分布在石英颗粒愈合缝中（图1-d），少量在石英加大边（图1-e）和碳酸盐矿物中（图1-f），呈串珠状或孤立状。在紫外荧光下，随着烃类成分成熟度由低到高，包裹体呈红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、蓝白色的荧光。

1.3 气态烃包裹体

气态烃包裹体数量丰富，形态多样，包括圆状、椭圆状、三角状、扁长状及不规则状，一般介于2～20 μm；在透射光下呈褐色、深褐色，包裹体中心有一亮点，主要分布在石英颗粒愈合缝（图1-g）和石英加大边中，少量分布在铁白云石和方解石胶结物中（图 1-h、i）。

1.4 盐水包裹体

盐水包裹体数量丰富，形态各异，包括圆状、椭圆状、三角状、扁长状及不规则状，大小介于2～10 μm；以气液两相为主，气液比小于30%，少见纯液相包裹体和含石盐子晶包裹体。透射光下显示无色或颜色浅，无荧光。在成岩胶结物（图1-j、k）和石英颗粒愈合缝中均有发育（图1-l），呈孤立状、面状及串珠状。

图1 延安气田山西组流体包裹体显微特征照片

2 包裹体均一温度特征

选择石英、铁白云石及方解石胶结物和穿石英颗粒或石英颗粒内愈合缝中包裹体进行观察和测试，与烃类包裹体同期相伴生的盐水包裹体也作为主要测试对象。在进行均一温度测试过程中，遵循以下两点原则：①岩相学上，对流体包裹体进行系统观察，识别并确认流体包裹体组合；②对所确认的流体包裹体组合进行测温，如果一个流体包裹体组合内不同大小和形态的包裹体的均一温度相差10～15 ℃内，那么该流体包裹体组合可被认为具有一致的均一温度，测温数据有效。

山2段石英加大边内盐水包裹体均一温度介于86.5～171.0 ℃，呈双峰式，峰值分别介于90～120℃和120～160 ℃（图2-a）；山1段石英加大边内盐水包裹体均一温度介于85.9～175.0 ℃，呈单峰式，峰值介于130～170 ℃（图2-b）。

山2段铁白云石胶结物中盐水包裹体均一温度介于106.6～161.0 ℃，呈单峰式，峰值介于130～160 ℃（图3-a）；山1段方解石胶结物中盐水包裹体均一温度介于95～145 ℃，也呈单峰式，峰值介于110～150 ℃（图3-b）。

图2 石英加大边内盐水包裹体均一温度分布直方图

图3 铁白云石和方解石内盐水包裹体均一温度分布直方图

图4 愈合缝内盐水包裹体均一温度分布直方图

山2段石英颗粒愈合缝中盐水包裹体是与烃类包裹体同期的，均一温度介于85～180 ℃，呈双峰式， 主峰介于130～180 ℃，次峰介于80～110℃（图4-a）。山1段石英颗粒愈合缝中与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度介于90.3～173.5℃，呈单峰式，峰值介于100～150 ℃（图4-b）。少量包裹体均一温度大于180 ℃，究其原因可能有3个方面：①所测包裹体为代表母岩性质的原生包裹体，反映了物源区母岩矿物形成时的温度；②包裹体形成后发生再平衡作用导致其体积增大，密度减少，均一温度增加；③可能与来自深部热流体的影响有关。

3 烃类充注期次

选择与烃类包裹体同期相伴生的盐水包裹体进行统计发现，山2段与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度介于85～180 ℃，呈双峰式，峰值温度分别为90～120 ℃和120～170 ℃（图5-a）。山1段与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度为85.9～173.5 ℃，呈单峰式，峰值温度为120～160℃（图5-b）。这里需要说明的是，因为液态包裹体数量极少，所以所测试和统计的盐水包裹体主要与气态烃包裹体同期。笔者本次仅测试5个与液体烃包裹体同期的盐水包裹体温度数据，3个与黄色荧光液态烃包裹体同期，分别为103.0 ℃、105.0 ℃和146.5℃；2个与蓝色荧光液态包裹体同期，分别为135.0 ℃、152.0 ℃。显然，与蓝色液态烃包裹体同期的盐水包裹体均一温度相对高。

分析结果认为，研究区山西组烃类包裹体形成主要有两期：第一期烃类包裹体主要发育在石英次生加大边和石英颗粒愈合缝中，均一温度介于90～110 ℃，包裹体烃类的成熟度低—中等，气态烃包裹体气态烃组分以富CO2和CH4为主（图6-a、b），少量的液态烃包裹体荧光颜色为黄色；第二期烃类包裹体主要发育在石英加大边、碳酸盐胶结物及石英颗粒愈合缝中，均一温度介于130～160 ℃，包裹体裹体烃类的成熟度较高，气态烃包裹体气态烃组分以富CH4为主（图6-c），少量的液态烃包裹体呈蓝白色。

图5 与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度分布直方图

4 成岩矿物与烃类充注时间

在测定成岩矿物内盐水包裹体、与烃类包裹体同期盐水包裹体均一温度的基础上，结合埋藏史—热史曲线，可以确定储层内成岩矿物形成和烃类充注的地质年代（图7）。

山2段石英胶结物形成时间介于距今103～213 Ma，主要有两期：第一期发生在晚三叠世—早、中侏罗世（距今170～220 Ma）；第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma）。山1段石英胶结物形成年代介于距今100～190 Ma，主要发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100 ～ 160 Ma）。

山2段铁白云石胶结物形成时间介于距今84～211 Ma，主要有3期：第一期发生在晚三叠世（距今200～220 Ma）；第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma）；第三期发生在晚白垩世（距今80～100 Ma）。山1段方解石形成时间介于距今80～211 Ma，主要有3期：第一期发生在晚三叠世—早侏罗世（距今190～210 Ma）；第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今120～160 Ma）；第三期发生在晚白垩世（距今80 Ma）。

山2段愈合缝形成时间介于距今100～213 Ma，主要有两期：第一期发生在晚三叠世（距今200～220 Ma）；第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma）。山1段愈合缝形成时间介于距今102～211 Ma，主要有两期：第一期发生晚三叠世—早侏罗世（距今180～220 Ma），第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma）。

图6 不同类型气态烃包裹体激光拉曼光谱特征图

综合来看，山西组烃类充注时间介于距今100～220 Ma， 主要有两期：第一期发生在晚三叠世—早、中侏罗世（距今170～220 Ma），第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma），其中，山2段表现为两期充注均存在，山1段主要为第二期充注。

5 油气充注与成岩演化过程

致密储层在埋藏过程中往往经历了多期次的油气充注，成岩作用与烃类充注交替发生，二者相互作用或影响[18]。因此，通过对储层中油气充注与成岩作用时空关系的分析[19-21]，深入理解砂岩在成岩过程中发生的流体—岩石相互作用过程，对研究有效储层形成机理及甜点分析预测具有重要意义。

图7 山西组成岩矿物形成时间和烃类充注时间耦合关系图

山2段为延安气田主力产层，笔者以山2段为例，依据主要成岩矿物形成特征、烃类充注期次及埋藏—热演化模拟，结合鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩热演化研究成果[22-23]，分析山2段储层成岩演化与烃类充注过程（图8）。

二叠纪—早、中三叠世，该时期盆地稳定沉降，随着上覆载荷的增加，压实作用使原生粒间孔隙逐渐减小。近地表条件下大气淡水淋滤作用和煤系有机质泥炭化过程产生大量CO2导致地层水呈酸性，不稳定的硅酸盐矿物组分如长石、岩屑等溶蚀，形成次生孔隙，同时沉淀高岭石。随着早成岩作用进行，砂岩进入早成岩B阶段，煤系有机质由泥炭转化为褐煤过程中，腐殖酸转化为腐殖质，泥炭酸度减弱，孔隙水呈中性—弱碱性。少量的伊蒙混层黏土在该阶段开始发育。

晚三叠世—早、中侏罗世，盆地快速沉降，烃源岩进入生烃门限并逐渐成熟，第一次烃类充注开始。有机质热演化向烃类转化过程中释放大量CO2和有机酸，孔隙水pH值降低，呈弱酸性。长石和岩屑继续溶蚀形成次生孔隙，沉淀高岭石。在该阶段，石英颗粒间化学压溶作用开始发生，少量的石英加大边形成。此外，在高的CO2分压条件下，少量的铁白云石析出。

中、晚侏罗世，盆地缓慢沉降，烃源岩进入成熟阶段，开始大量生、排烃，发生第二次烃类充注。有机质脱羧基作用形成大量有机酸进入孔隙水，使pH值继续降低。化学压溶作用继续发生且加强，石英胶结大量发育。其中一些富铁、镁的岩屑溶蚀，可为绿泥石提供镁和铁来源，少量的绿泥石形成。伊蒙转化形成伊利石也发生在该阶段。至早白垩世，受燕山期构造热事件的影响，烃源岩热演化迅速达到高—过成熟阶段，大量生气。进入中成岩B阶段，石英胶结继续发育。此时，有机质脱羧基作用减弱，孔隙水pH值开始升高，由弱酸性向中—碱性过渡，铁白云石发生沉淀。

早白垩世末至现今，区域性构造抬升，地层遭受剥蚀，烃源岩温度和压力降低，烃源岩生烃作用降低并趋于停止。

6 结论

1）延安气田山西组储层流体包裹体主要赋存于自生石英、碳酸盐胶结物及石英颗粒愈合缝中，包含有CO2包裹体、烃类包裹体及盐水包裹体3种类型；烃类包裹体形成主要有两期：第一期主要发育在石英次生加大边和石英颗粒愈合缝中，均一温度介于90～110 ℃，气态烃组分以富CO2和CH4为主；第二期主要发育在石英加大边、碳酸盐胶结物及石英颗粒愈合缝中，均一温度介于130～160 ℃，气态烃组分以富CH4为主。

2）山西组烃类充注时间介于距今100～220 Ma，主要有两期，第一期发生在晚三叠世—早、中侏罗世（距今170～220 Ma），第二期发生在晚侏罗世—早白垩世（距今100～160 Ma）。

3）晚三叠世—早、中侏罗世，盆地快速沉降，煤系有机质开始生排烃并充注，大量CO2和有机酸开始形成，长石和岩屑溶蚀形成次生孔隙，石英颗粒间化学压溶作用开始发生，形成少量的石英加大边；中、晚侏罗世，盆地缓慢沉降，烃源岩进入成熟阶段，开始大量生、排烃，发生第二次烃类充注，大量有机酸进入孔隙水，化学压溶作用继续加强，石英胶结大量发育；至早白垩世，烃源岩热演化达到高—过成熟阶段，大量生气，石英胶结继续发育，铁白云石发生沉淀；早白垩世末至现今，受区域性构造抬升影响，烃源岩生烃逐渐停止。

图8 山2段储层成岩演化与烃源岩热演化图