准噶尔盆地阜康凹陷三工河组流体包裹体特征与成藏期压力恢复

Characteristics of Fluid Inclusions and Pressure Recovery during Hydrocarbon Accumulation Period in Jurassic Sangonghe Formation in Fukang Sag, Junggar Basin

摘要

油气成藏时间与地层压力恢复对于油气成藏过程分析具有重要意义.综合利用包裹体观测技术以及盐度‒均一温度法和PVTx模拟法，恢复了阜康凹陷三工河组油气成藏时间与储层压力.研究表明，研究区侏罗系自4 500 m开始发育超压，三工河组超压明显.三工河组发育两期烃类包裹体：第一期发育在石英颗粒内部，多呈黄色、黄绿色荧光，伴生盐水包裹体均一温度主区间为85~95 ℃，对应早白垩世中期成藏；第二期沿切穿石英次生加大或整个石英颗粒的愈合缝发育，多呈蓝白色荧光，气液两相明显增多，伴生盐水包裹体均一温度主区间为105~115 ℃，对应新近纪至今成藏.油气运聚成藏时，三工河组发育超压，第一期压力系数介于1.39~1.44，第二期高达2.11，呈现“增压‒泄压‒强增压”演化模式.强超压代表了油气运移动力较强，是侏罗系致密储层成藏的关键因素.

关键词

准噶尔盆地 / 流体包裹体 / PVTx模拟 / 古压力恢复 / 压力演化 / 成藏动力 / 石油地质.

Key words

Junggar Basin / fluid inclusion / overpressure / paleopressure recover / pressure evolution / petroleum geology

近年来，随着正向构造带油气勘探程度的提高，富油洼陷区的非常规油气成为了重要的增储阵地（郝芳等，2005；杨智等，2021）.准噶尔盆地阜康凹陷洼陷区储层致密，油气具有多期次充注特征（石好果，2017），在油气充注历史中压力如何演化是影响洼陷区油气成藏的关键（（Luo et al.， 2007； O’connor et al.， 2011；吴海生等， 2017； 张凤奇等， 2020）.目前恢复成藏期压力的方法主要包括泥岩等效深度法（Hunt，1990；Lindsay and Towner， 2001）、盆地模拟方法（Li and Zhao，2019）及流体包裹体法（Roedder and Bodnar，1980； Zhang and Frantz， 1987； Thomas et al.， 1990； Aplin et al.，1999）等.其中流体包裹体法是目前最常用的技术方法，包括盐度‒均一温度法（Roedder and Bodnar，1980； Zhang and Frantz， 1987；刘华等， 2016）、PVTx模拟法（Aplin et al.， 1999）和激光拉曼光谱技术测定流体包裹体内压法（Thomas et al.， 1990）.鉴于此，本文通过大量流体包裹体的观察，利用盐度‒均一温度法和PVTx模拟法对阜康凹陷三工河组油气成藏期与储层压力进行恢复，对指导阜康凹陷洼陷区的侏罗系油气勘探具有重要意义.

1 区域地质背景

阜康凹陷位于准噶尔盆地中部，北邻白家海凸起，南邻北天山山前构造带，东连北三台凸起，西接莫索湾凸起（图1）.研究区主要发育古生界石炭系和二叠系、中生界以及新生界地层，局部地区存在地层剥蚀或缺失，自晚侏罗世末期抬升剥蚀后，沉积了巨厚的白垩纪和新生代地层（何登发等， 2018； 刘辉等， 2018）.侏罗系厚度大、分布广，是研究区主要的勘探层系，包括下统八道湾组（J₁ b）和三工河组（J₁ s），中统西山窑组（J₂ x）和头屯河组（J₂ t），而上统齐古组（J₃ q）、喀拉扎组（J₃ k）大部分已被剥蚀.前人研究认为二叠系平地泉组和侏罗系八道湾组为研究区主力烃源岩（石好果，2017）；三工河组、西山窑组和头屯河组是主要的储层；三工河组顶部的泥岩和白垩系下部大段泥岩可作为优质的盖层.

2 实测地层压力特征

根据实测地层压力数据显示，阜康凹陷现今普遍发育超压，压力系数多大于1.4，最高可达2.0，显示出超压‒强超压的特征（图2）.纵向上，超压对应起始深度约为4 500 m，之后随着埋深的增大，超压幅度具有增大的趋势，在5 200 m以下压力系数超过2.0.层系上，西山窑组和八道湾组两套烃源岩均发育强超压，地层压力均超过110 MPa，压力系数超过2.0，相同深度段内，三工河组储层地层压力略低于西山窑组和八道湾组，但明显高于头屯河组储层，压力系数最高可达2.11，属于强超压.

3 油气成藏期与压力恢复

3.1　样品来源与恢复方法

根据侏罗系储层的取心井分布，采集了阜康凹陷7口井岩心样品（图1）.本次研究在中国石油大学（华东）山东省深层油气重点实验室开展，主要利用德国蔡司多功能研究级显微镜（ZEISS AXIO Imager A1m）、偏光显微镜（Axioskopt 40 pol）、英国Linkamd冷热台（THMS600型）和德国莱卡公司激光共聚焦显微镜（TCS SP5型）对包裹体进行岩相学观察、均一温度和冰点以及气液比的测定，盐度‒均一温度法和PVTx模拟法恢复侏罗系三工河组油气成藏时期及其地层压力.

3.2　流体包裹体特征及油气成藏期次

3.2.1　流体包裹体显微特征

研究区三工河组岩性以岩屑砂岩为主，石英约占42.3%，岩屑约占38.8%，石英次生加大发育，粒间孔隙充填方解石胶结物（图3a、3b）.储层流体包裹体发育，主要沿石英愈合缝呈线性赋存于石英颗粒内部；大小介于2~15 μm之间，平均大小约为4 μm；形状以椭圆状、长条状、针状为主.

（1）烃类包裹体产状.观察到的烃类包裹体存在3种产状：①呈集群分布（图4a~4d）或沿短愈合缝线性分布（图4e、4f）于石英颗粒内部，捕获于石英次生加大之前；②沿切石英次生加大边愈合缝发育，多捕获于石英次生加大之后（图4g、4h）；③沿切穿整个石英颗粒愈合缝分布（图4i~4l），捕获于石英次生加大之后裂隙形成期.结合研究区储层成岩序列（徐文礼等，2017），判断三类烃类包裹体存在两期形成序列：石英次生加大发育前捕获①类产状的烃类包裹体，石英次生加大发育后捕获②、③类产状烃类包裹体.

（2）烃类包裹体类型与荧光特征.研究区侏罗系储层可观察到单一液相油包裹体、气液两相烃类包裹体和沥青‒湿气不混溶的烃类包裹体，以油包裹体为主.油包裹体透射光下无色，紫外荧光下有明显的荧光显示，以黄绿‒蓝绿色和蓝白色荧光为主（图5a、5b）.气液两相烃类包裹体在透射光下可以看到明显的气泡，气泡边缘颜色较暗、中心发亮，紫外荧光下气泡不发荧光（图5c、5d）.沥青‒气不混溶包裹体数量较少，沿切穿整个石英颗粒的晚期愈合缝分布，在透射光下，包裹体内壁附着黑色固体沥青，含量不等，在荧光下沥青部分呈弱白色荧光显示（图5e~5h）.油包裹体的气相逃逸或等容热裂解是沥青‒气不混溶包裹体的两大成因（Su et al.， 2020）.由于研究区地温未曾达到160 ℃，不具备热裂解的地质条件.因此，研究区的沥青‒气包裹体很可能是凝析油包裹体破坏导致的气相逃逸而沥青析出的结果.

研究区烃类包裹体荧光颜色较为复杂，主要呈现黄绿色、蓝绿色、蓝白色和蓝色等多种荧光颜色（图5a），以黄绿‒蓝绿色和蓝白色为主.同一产状类型的包裹体组合可以观察到黄绿色和蓝白色两种不同的荧光显示（图4b、4d），显示了同期不同成熟度油气的注入.

为了提高荧光颜色判识的准确性，对烃类包裹体进行了荧光光谱测试，识别出了4大类包裹体：①最大主峰波长λ _max约为550 nm的黄色烃类包裹体（图5b）；②最大主峰波长λ _max为500~ 532 nm的黄绿‒蓝绿色荧光烃类包裹体（图6b）；③最大主峰波长λ _max为478~493 nm的蓝白色荧光烃类包裹体（图5b）；④最大主峰波长λ _max约为473 nm的蓝色荧光烃类包裹体（图6b）.统计发现烃类包裹体荧光光谱组分波长呈现两个峰值，分别为480~490 nm和520~530 nm（图6c），分别对应一期蓝白色烃类包裹体和一期黄绿‒蓝绿色烃类包裹体，与烃类包裹体显微荧光镜下特征（图3b、3d、3f、3h、3j、3l）相符合.

3.2.2　油气成藏时间与期次

综合储层成岩作用与包裹体特征，研究区阜康凹陷三工河组捕获了两期烃类包裹体（刘华等， 2016； 田孝茹等， 2019）：第一期为中成岩A阶段初期，此时不发生石英次生加大作用，方解石胶结作用也很弱（徐文礼等，2017），石英颗粒受压实破裂，形成石英颗粒内部的愈合缝，捕获了以单一液相油包裹体为主，荧光颜色多为黄绿色、蓝绿色，也可见黄色和蓝白色荧光显示的包裹体（图8a）；第二期为中成岩A阶段中晚期，发生石英次生加大作用，穿整个石英颗粒的微裂缝形成，捕获了的烃类包裹体以气液两相居多，荧光颜色以蓝白色为主，部分呈蓝色荧光（图8a）.

此外，研究区仅在头屯河组观察到大量沥青，透射光下呈黑褐‒黑色，荧光下几乎不发荧光（图7a），激光拉曼谱图显示出明显的沥青特征峰（图7b）.同时对砂体抽提物进行饱和烃色质分析，检测到了较高丰度的25降藿烷（图7c），说明头屯河组曾经历过强烈的生物降解作用（王飞龙等， 2021）.

对两期次的烃类包裹体进行了伴生盐水包裹体的均一温度测定.初期采用5~10 ℃/min的升温速率，当气泡体积逐渐变小至接近消失时，将升温速率降至1 ℃/min，观察并记录气泡消失瞬间的温度；随后降温至气泡重新出现.用上述方法对董6井59个测点和董7井47个测点共106个测点进行反复测温.结果显示，与第一期烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度为48.9~102.2 ℃，主温度区间为85~95 ℃；与第二期烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度为68.8~131.5 ℃，主温度区间为105~115 ℃（图8b）.

利用Schlumberger PetroMod盆地模拟软件，以研究区的剥蚀厚度（李平平等，2006）、古热流值（邱楠生等，2001）和实测的烃源岩TOC、HI等参数作为标定（表1），对取样井进行了埋藏史和热史模拟.结合均一温度投影，阜康凹陷三工河组具有两期油气成藏的特征（图9）：第一期约为早白垩世中期（距今约106~92 Ma），第二成藏期约为新近纪至今（距今约19 Ma至今）.中晚侏罗世二叠系平地泉组烃源岩第一次达到成熟阶段（尹伟和郑和荣，2009），生成的油气以充注头屯河组储层为主，在三工河组并未成藏.由于该时期侏罗系储层整体埋藏很浅，且晚侏罗世发生了构造抬升，导致储层经历强烈的生物降解作用，并未捕获大量的包裹体，而是形成了大量的储层沥青.早白垩世中期八道湾组处于低熟阶段，平地泉组则达到高熟阶段（尹伟和郑和荣，2009），由于两套不同成熟度烃源岩的供烃导致同期捕获了黄色、黄绿色烃类包裹体和蓝白色两种成熟度不同的烃类包裹体，并形成了同类型包裹体组合.到了新近纪，此时八道湾组达到高熟阶段（尹伟和郑和荣，2009），捕获了蓝白色烃类包裹体，同时部分晚期包裹体遭受破坏，导致气相逃逸、沥青析出而形成沥青‒气包裹体.

3.3　油气成藏期压力恢复

在明确成藏时间的基础上，本文分别利用盐度‒均一温度法和PVTx模拟法恢复油气充注时侏罗系三工河组储层压力，进而明确两期成藏时地层压力的特征.

3.3.1　盐度‒均一温度法

盐度‒均一温度法是利用与烃类包裹体伴生盐水包裹体的均一温度数据和冰点数据，结合Bodnar公式（Roedder and Bodnar， 1980）换算出测定冰点数值对应的盐度，从而建立捕获温度、盐度、盐水密度和古压力之间的函数关系计算古压力.公式（1）是盐度‒均一温度法恢复古压力的公式，参数取值随等容体系的不同而变化（刘斌，2001）.

P = A_{\mathrm{1}} + A_{\mathrm{2}} \times T,（1）

式中：

A_{\mathrm{1}} = \mathrm{6.1} \times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}} + \left(\mathrm{2.385}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{1}}-a_{\mathrm{1}}\right) \times T_{\mathrm{h}} - \left(\mathrm{2.855}\times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{3}}+a_{\mathrm{2}}\right) \times T_{\mathrm{h}}^{\mathrm{2}} - ( a_{\mathrm{3}} \times T + a_{\mathrm{4}} \times T_{\mathrm{h}}^{\mathrm{2}} ) \times m,（2）

A_{\mathrm{2}} = a_{\mathrm{1}} + a_{\mathrm{2}} \times T_{\mathrm{h}} + \mathrm{9.888} \times {\mathrm{10}}^{-\mathrm{6}} T_{\mathrm{h}}^{\mathrm{2}} + ( a_{\mathrm{3}} + a_{\mathrm{4}} \times T_{\mathrm{h}} ) \times m,（3）

其中P为古压力，10^-1 MPa；T为捕获温度，℃，一般比均一温度高10~25 ℃（毛毳等，2015）；对于不同盐水体系的a₁、a₂、a₃、a₄可通过查阅文献获取（Zhang and Frantz， 1987）；T _h为均一温度，℃；m为盐类质量摩尔浓度，mol/kg；w为盐度，%；w与m的换算公式为m＝1 000w/［58.5（100－w）］.

结果表明，研究区侏罗系储层两期油气充注均发育超压：早白垩世中期，地层压力在38.84~ 41.43 MPa，压力系数为1.35~1.40；新近纪至今，捕获包裹体较多的井地层压力在43.58~ 61.62 MPa，压力系数为1.40~1.70（表2）.

3.3.2　PVTx模拟法

在阜康凹陷三工河组中发现了较好的气液两相烃类包裹体，为PVTx模拟法恢复古压力提供了可能.具体分析过程如下：首先通过包裹体显微观察寻找气液两相烃类包裹体，然后利用激光共聚焦获取一系列z轴切片，借助LeicaMMBasicOffline软件拟合烃类包裹体液相体积，利用无荧光显示的气泡半径来计算气泡体积，进而计算出扫描包裹体的气液比（图10）；用PVTsim软件对烃类包裹体组分模拟、校正，至与实测气液比相等，此时输入的烃类组分与烃类包裹体真实组分最为接近（表3）；利用软件“Flash”模块计算温度增大到T ₁=T _h+ΔT（ΔT可取0.1），体积为V ₀（均一温度，最小捕获压力下的包裹体体积）时的压力P ₁，利用两点式（P ₀、T ₀；P ₁、T ₁）求取烃类包裹体等容线方程（图11）；盐水包裹体等容线与求得烃类包裹体等容线的交点对应的压力即为包裹体捕获时的古压力（Aplin et al.， 1999；苏奥等，2014）（表4）.

根据包裹体的观测条件，本次PVTx模拟法实现了对董6井第二期成藏、董7井两期成藏对应的古压力的恢复.结果表明，董6井新近纪至今的第二期成藏时，地层压力为45.95~55.46 MPa，压力系数为1.47~1.68；董7井在早白垩世中期地层压力为39.41~41.52 MPa，压力系数为1.41~1.44，自新近纪至今地层压力为59.77~66.65 MPa，压力系数为1.66~1.83（表4）.

将盐度‒均一温度法与PVTx模拟法恢复的结果进行对比，两者恢复的古压力值相差不超过8%（表5）.由于PVTx模拟法考虑了烃类包裹体的组分对压力恢复带来的影响，相对更为准确，因此本文选用PVTx模拟法恢复的压力结果.

4 超压演化及其对油气成藏的意义

4.1　超压演化与油气充注

以实测压力作为结果约束，以成藏期的压力作为过程控制，结合生烃史（尹伟和郑和荣，2009）和构造作用（何登发等， 2018； 刘辉等， 2018），分析了研究区三工河组的储层压力演化特征.结果表明，早白垩世中期至晚白垩世初期，研究区二叠系平地泉组和侏罗系八道湾组烃源岩达到生烃高峰（尹伟和郑和荣，2009），生成的油气沿断裂充注至三工河组成藏，压力传递作用使其储层增压，在距今约92 Ma时过剩压力超过15 MPa，达到高峰；研究区古新世发生小幅抬升，造成地层深度变浅，致使地层压力存在降低趋势；在新近纪地层再次稳定沉降，八道湾组达到第二次生烃高峰，进入生凝析油‒湿气阶段（尹伟和郑和荣，2009），烃源岩生烃作用产生的强超压驱使凝析油气沿断裂充注到三工河组储层中，由于超压流体的充注，导致储层内剩余流体压力迅速增加，至中新世初过剩压力约为20 MPa，现今高达50 MPa以上，压力系数达到1.66~1.83，新近纪以来增压达到30 MPa以上，压力系数超过2.0，增压幅度和速率明显加大（图12）.综合分析认为，阜康凹陷三工河组压力演化具有“增压‒泄压‒强增压”模式，超压幅度的大小与油气的充注强度密切相关.

4.2　超压对油气成藏的意义

据统计，研究区侏罗系含油储层压力系数与含油饱和度呈明显的正相关关系：当压力系数小于1.25时，侏罗系储层含油饱和度均小于10%；当压力系数大于1.4时，储层含油饱和度超过10%，最高可达37%（图13）.油源对比证实了研究区油气来自平地泉组和八道湾组烃源岩（石好果，2017），烃源岩的超压幅度很强（宫亚军等，2021），且通源断裂十分发育（图12a、12b），为压力的垂向传递提供了十分有利的条件.综上，本文认为油气充注是储层超压形成的重要原因.

压力传递的过程具有一定程度的衰减，烃源岩排烃后油气沿断裂运移到达储层的过程中存在压力的损失，因此，储层强超压意味着烃源岩排烃时所具有的超压幅度更大，如八道湾组烃源岩压力系数可以达到2.25以上（宫亚军等，2021）.这也意味着油气的充注能力越强，可以运聚更多的油气，从而使油气高度富集.此外由于受控于油气运移动阻力的关系，运移动力越强，能够进入到含油气储层的孔、渗下限越低.据统计，准噶尔盆地侏罗系储层的超压幅度与储层含油气的孔、渗下限具有明显的负相关关系.其中，盆1井西凹陷侏罗系储层压力系数最高为1.37，含油气储层的孔、渗下限值分别为8.87%和1.73×10^-3 μm²（图14a）；压力系数为1.52的莫南凸起的含油气储层孔、渗下限为8.40%和1.15×10^-3 μm²（图14b）；而阜康凹陷压力系数可达1.8，含油储层孔、渗下限值为3.70%和0.10×10^-3 μm²（图14c）；表明超压是准噶尔盆地侏罗系致密储层成藏的关键.

5 结论

（1）准噶尔盆地阜康凹陷侏罗系自4 500 m开始发育超压，且超压幅度随着埋深的增大而增大.在同一深度，三工河组储层地层压力略低于西山窑组和八道湾组两套烃源岩，但明显高于头屯河组储层，压力系数最高可达2.11，属于强超压.

（2）阜康凹陷三工河组在早白垩世中期（距今约106~92 Ma）捕获发育在石英颗粒内部的烃类包裹体，荧光颜色以黄色、黄绿色为主，地层压力在40 MPa左右，压力系数为1.39~1.44；自新近纪至今（距今约19~0 Ma）捕获沿切穿石英次生加大或整个石英颗粒的愈合缝发育的烃类包裹体，荧光颜色以蓝白色为主，地层压力为43.58~111.74 MPa，压力系数均值超过1.75，超压幅度明显强于早期.

（3）阜康凹陷三工河组压力演化呈“增压‒泄压‒强增压”模式，压力演化受烃源岩多期生烃、油气多期运聚的影响，储层超压越强，油气相对越富集，其含油的孔、渗下限相对越低，表明超压是侏罗系致密储层成藏的关键.

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基金资助

国家自然科学基金项目(41972141;41772136)