地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (6): 872-880
引用本文
董敏, 王宗秀, 董会, 张林炎, 宋微, 郭迎春, 李小诗, 冯兴强, 马立成, 季长军. 皖南地区二叠系孤峰组页岩中高密度含甲烷包裹体特征及其地质意义[J]. 地质力学学报, 2020, 26(6): 872-880.
DONG Min, WANG Zongxiu, DONG Hui, ZHANG Linyan, SONG Wei, GUO Yingchun, LI Xiaoshi, FENG Xingqiang, MA Licheng, JI Changjun. The characteristics and geological significance of highdensity methane-bearing inclusions in the Permian Gufeng Formation shale, southern Anhui[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(6): 872-880.
皖南地区二叠系孤峰组页岩中高密度含甲烷包裹体特征及其地质意义
董敏1,2,3, 王宗秀1,2,3, 董会4, 张林炎1,2,3, 宋微5, 郭迎春1,2,3, 李小诗1,2,3, 冯兴强1,2,3, 马立成1,2,3, 季长军1,2,3    
1. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;
2. 自然资源部古地磁与古构造重建重点实验室, 北京 100081;
3. 中国地质调查局油气地质力学重点实验室, 北京 100081;
4. 中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
5. 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
摘要:对皖南地区泾县昌桥剖面的二叠系孤峰组硅质页岩裂缝石英脉中流体包裹体进行了显微激光拉曼光谱测试、热力学温度测定及拉曼光谱图谱解析,观测到了高密度甲烷包裹体。利用甲烷包裹体的拉曼散射峰v1位移2910.6~2911.2 cm-1,计算得到甲烷包裹体密度为0.2295~0.2618 g/cm3,具有高密度甲烷包裹体特征。含甲烷组分的气液两相盐水包裹体均一温度分布在216.8~242.3℃。由于气液两相盐水包裹体与甲烷包裹体是共生的,通过状态方程热力学计算高密度甲烷包裹体在共生气液两相盐水包裹体最小温度216.8℃的捕获压力为76~95 MPa。对甲烷流体包裹体密度和捕获压力的计算,揭示了区域内二叠系孤峰组高演化程度的硅质页岩在地史演化过程中存在高压甲烷流体产出的证据,为开展皖南地区二叠系页岩气勘探评价提供了科学依据。
关键词皖南地区    二叠系孤峰组    高密度甲烷包裹体    激光拉曼光谱分析    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.06.068     文章编号:1006-6616(2020)06-0872-09
The characteristics and geological significance of highdensity methane-bearing inclusions in the Permian Gufeng Formation shale, southern Anhui
DONG Min1,2,3, WANG Zongxiu1,2,3, DONG Hui4, ZHANG Linyan1,2,3, SONG Wei5, GUO Yingchun1,2,3, LI Xiaoshi1,2,3, FENG Xingqiang1,2,3, MA Licheng1,2,3, JI Changjun1,2,3    
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
2. Key Lab of Shale Oil and Gas Geological Survey, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China;
3. Key Laboratory of Petroleum Geomechanics, Chinese Geological Survey, Beijing 100081, China;
4. Xi'an Center of Geological Survey, CGS, Xi'an 710054, Shannxi, China;
5. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
Abstract: Samples of quartz veins were collected from the Permian Gufeng Formation siliceous shale fractures along the Changqiao profile,Jingxian County in southern Anhui. Inclusion composition analysis,thermodynamic temperature measurement,and laser Raman spectroscopy were carried out on the samples,and high-density methane inclusions were detected. The measured displacements of laser Raman scattering peak v1 of the inclusions vary from 2910.6~2911.2 cm-1,and densities of the methane inclusions were calculated as 0.2295~0.2618 g/cm3,indicating characteristics of high-density methane inclusions. The two-phase vapor-liquid brine inclusions coexisting with the methane inclusions have homogenization temperatures ranging from 216.8 ℃ to 242.3 ℃. The combination of methane inclusion composition by laser Raman spectroscopy with the simulation of high-density methane inclusions using the equation of state of supercritical methane system shows that the trapping pressure at 216.8 ℃ was 76~95 MPa. By calculating the density of the high-density methane inclusion and the capture pressure,it reveals the evidence for high-pressure methane yield in the Permian Gufeng Formation highly evolved siliceous shale in geological history,and provides scientific grounds for the exploration and evaluation of Permian shale gas in southern Anhui.
Key words: southern Anhui    Permian Gufeng Formation    high-density methane inclusions    laser Raman spectroscopy    
0 引言

近年来中国在下扬子地区积极推进页岩气的勘探开发。2017年在下扬子皖南地区孤峰向斜西翼部署实施了泾页1井(宋腾等,2017),在上二叠统大隆组底部—龙潭组顶部发育页岩气赋存的优质层段,有良好的页岩气显示;2019年在下扬子皖南地区宣城泾县实施的皖泾地1井,在下三叠统殷坑组获得油气重要发现。下扬子地区的页岩气成藏具有成熟度高、构造复杂的特点,寻找有利页岩气勘探区一直备受地质学家关注,亟待开展下扬子皖南地区的页岩气成藏条件及页岩气勘探评价等方面的研究。

流体包裹体记录了流体演化过程中的地质信息,广泛应用于油气成藏期次、成藏条件和成藏机理研究(欧光习等,2006刘德汉等, 2010, 2013施伟军和席斌斌,2016斯尚华等,2018严礼宇等,2019徐旺林等,2019)。通过流体包裹体可以精确恢复储层古温压演化过程,文章对皖南地区泾县二叠系孤峰组硅质页岩裂缝充填的石英脉中流体包裹体成分进行显微激光拉曼光谱测试、冷热台均一温度测定及拉曼光谱图谱解析,发现了高密度甲烷包裹体,通过计算甲烷包裹体密度和捕获压力,讨论了皖南地区泾县孤峰组硅质页岩裂缝石英脉中发育甲烷包裹体的地质意义。

1 皖南地区地质概况

下扬子皖南地区位于安徽省南部,西边界为郯庐断裂,东边界为江绍断裂,面积约为4×104 km2(图 1)。皖南地区在晋宁期形成基底变形,后期经过多期构造叠加,构造改造强烈,构造演化及改造过程的复杂性和多样性制约了该区的页岩气调查(李亚辉等,2010)。

图 1 皖南地区泾县昌桥剖面位置图 Fig. 1 Location map of the Changqiao profile, Jingxian County, southern Anhui

皖南地区孤峰组是指栖霞组与龙潭组之间的薄层硅质页岩,富含锰质结核,菊石、放射虫等化石发育(胡世忠,2000)。孤峰组的正层型位于皖南泾县孤峰镇,泾县地区的二叠系自下而上发育栖霞组、孤峰组、龙潭组和大隆组,孤峰组与下伏栖霞组呈平行不整合接触,与上覆龙潭组呈假整合接触(黄保家等,2013)。结合下扬子地区的沉积背景分析,二叠系沉积时期皖南地区总体处于拗陷盆地阶段,从孤峰组开始海平面上升,暗色泥岩开始沉积,在此基础上,上升流使海水为缺氧水体,生物成因的硅质岩和暗色泥岩互层。孤峰组晚期海平面开始下降,龙潭组时期,该区的物源供给充足,发生海侵过程,形成三角洲前缘沉积相。下扬子皖南地区的孤峰组在横向上厚度起伏变化较大,厚度区间在1~50 m左右,沉积相为深水盆地相。

皖南地区孤峰组的有机质丰富,TOC普遍大于2%,有机碳质量分数为1.2%~12.3%,属于优质烃源岩,生烃条件好,具有生成页岩油气的潜力(黄保家等,2013徐菲菲等,2019)。孤峰组页岩中石英的含量高,脆性指数较大,具有良好的可压性,因此该区孤峰组具备较好的页岩气的形成和富集条件。

泾县昌桥剖面出露了较为完整的下三叠系和二叠系,发育缓倾单斜构造,无明显的褶皱、断层等变形构造特征,对此开展了剖面的精细剖析,建立了剖面的下三叠系—二叠系柱状图(图 2)。昌桥剖面孤峰组硅质页岩的TOC值分布在3.2%~4.8%之间,Ro值分布在0.8%~2.2%(宋腾等,2019),热演化程度高,处于成熟—高成熟阶段,有利于页岩气的生成和聚集。此次研究系统采集二叠系大隆组、龙潭组和孤峰组的泥页岩样品中的脉体进行了流体包裹体测试。

图 2 皖南地区昌桥剖面下三叠系—二叠系柱状图 Fig. 2 Histogram of Lower Triassic-Permian strata in the Changqiao profile in southern Anhui
2 样品信息与测试方法

对皖南地区二叠系21个样品的流体包裹体进行测试,在孤峰组硅质页岩裂缝的石英脉中发现甲烷包裹体。该样品采自于下扬子皖南泾县的昌桥剖面二叠系中统孤峰组,大地坐标:N30°44′38″,E118°23′7″,位于昌桥镇的金家荡山村口,孤峰组岩性以炭质页岩和硅质页岩为主,网状裂缝发育。

将裂缝石英脉样品进行两面抛光,制成厚度50~80 μm的包裹体光片,在岩相观察的基础上,采用英国Renishaw公司InVia型激光拉曼光谱仪进行流体包裹体分子成分和结构的微区分析。激光拉曼光谱的数据选用1800光栅的拉曼采集,获得信号峰,进行包裹体的成分判断,拉曼光谱仪测试,经过单晶硅校正,拉曼光谱特征峰偏移小于0.01 cm-1。实验中选取石英脉中与甲烷包裹体同期的气液两相盐水包裹体,运用THMS600高精度冷热台进行温度测定,经过标准样品校正,其温度误差为±0.1 ℃。在此基础上进行了拉曼谱图解析,实验工作均在中国地质调查局西安地质调查中心激光拉曼光谱实验室完成。

3 分析测试结果与讨论 3.1 流体包裹体组分特征

对皖南地区孤峰组甲烷包裹体岩相进行显微观察,样品采集的部位已标注在剖面柱状图中(图 2)。含有甲烷组分的气液两相盐水包裹体为次生包裹体(图 3a3b),在透射光显微镜下显示为灰黑色,且透明度较低,形态多呈不规则状。单相甲烷包裹体为次生包裹体(图 3c3f),在透射光显微镜下显示为半透明、透明,形态多样,有圆形、椭圆形和不规则形状,其大小主要为5~8 μm,呈现单个孤立状或定向排列分布特征。

a—b—石英脉中分布的两相盐水包裹体;c—f—石英脉中分布的单相甲烷包裹体 图 3 皖南地区孤峰组石英脉中两相盐水包裹体和甲烷包裹体产出和形态特征 Fig. 3 Production and morphological characteristics of two-phase brine inclusions and methane inclusions in the quartz veins of the Gufeng Formation, Changqiao profile in southern Anhui

在包裹体岩相观察的基础上,选用形态比较规则且保存完整的包裹体进行拉曼光谱测定,孤峰组硅质页岩的石英脉流体包裹体的气相成分主要为CH4,液相成分主要为CH4和H2O。

流体包裹体激光拉曼光谱图(图 4)的谱图解析结果显示,样品CQ01和CQ02的显微激光拉曼光谱是气液两相包裹体,CQ01的气相成分中CH4占100%,液相成分中CH4占0.03%、H2O占99.97%;CQ02的气相成分中CH4占100%,液相成分中CH4占0.02%、H2O占99.98%。样品CQ03、CQ04、CQ05和CQ06的显微激光拉曼光谱是单相甲烷包裹体,拉曼谱图解析获得样品的甲烷拉曼散射峰v1位移分布在2910.6~2911.2 cm-1,具有高浓度甲烷包裹体谱图特征,其中CQ03的甲烷拉曼散射峰v1位移为2911.0 cm-1,CQ04的甲烷拉曼散射峰v1位移为2910.6 cm-1,CQ05的甲烷拉曼散射峰v1位移为2911.1 cm-1,CQ06的甲烷拉曼散射峰v1位移为2911.2 cm-1。单相甲烷包裹体拉曼谱图中的甲烷散射峰为主要特征峰,其他的拉曼峰主要反映了含包裹体宿主矿物为石英。拉曼光谱解析揭示,昌桥剖面二叠系孤峰组硅质页岩裂缝石英脉的流体成分单一。借助于激光拉曼光谱解析,不仅可以对包裹体的成分和组分进行分析,还可以根据甲烷拉曼光谱图中散射峰v1位移,计算甲烷包裹体的密度和捕获压力。

a—b—气液两相包裹体,红线表示气相,黑线表示液相;c—f—单相甲烷包裹体,红线表示液相 图 4 皖南地区孤峰组石英脉的流体包裹体激光拉曼光谱图 Fig. 4 Laser Raman spectra of fluid inclusions in the quartz veins of the Gufeng Formation in southern Anhui
3.2 流体包裹体显微测温

在冷热台上对含有甲烷组分的气液两相盐水包裹体进行温度测定,获得气液两相包裹体的均一温度分布在216.8~242.3 ℃,其温度直方图如图 5所示。气液两相盐水包裹体的均一温度较高,且集中分布在240~245 ℃的范围内,说明该区的脉体形成时埋深较深,结合皖南地区的构造运动背景分析,在燕山期该区经历大规模隆升,孤峰组裂缝中石英脉的高温气液两相包裹体还可能与构造裂缝的形成和古流体的活动有关(高键等,2015)。样品中的甲烷包裹体与高温气液两相包裹体共生,说明包裹体形成于饱和甲烷的不混溶两相系统,气液两相盐水包裹体测温的最小均一温度可以代表单相甲烷包裹体的捕获温度(Goldstein and Reynolds, 1994席斌斌等,2016李文等,2018)。

图 5 皖南地区气液两相的流体包裹体均一温度统计直方图 Fig. 5 Statistical histogram of homogenization temperatures of two-phase brine inclusions in southern Anhui
3.3 甲烷包裹体密度计算

根据包裹体岩相显微观察以及显微激光拉曼光谱图解析,图 4的CQ03、CQ04、CQ05和CQ06具有明显的甲烷特征峰和强度,通过甲烷拉曼散射峰v1位移,可计算包裹体的密度。不少学者(Thomas et al., 1990; Seitz et al., 1993a, 1993b, 1996; Hansen et al., 2001a, 2001b; Lu et al., 2007)通过玻璃毛细管系统中不同压力条件下测定甲烷拉曼散射峰位移,进而探讨了甲烷拉曼散射峰位移与甲烷包裹体密度、压力的关系。根据实验结果,拟合了纯甲烷包裹体甲烷拉曼散射峰位移与甲烷包裹体密度存在线性关系,并得到如下公式:

$ \rho=-5.17331 \times 10^{-5} D^{3}+5.53081 \times 10^{-4} D^{2} -\\ 3.51387 \times 10^{-2} D $ (1)

式中:ρ为甲烷包裹体密度,g/cm3D=v1-v0v1为拉曼光谱实测的甲烷拉曼散射峰位移,而v0是指压力接近0时的甲烷包裹体的甲烷拉曼散射峰位移,文中v0采用实验室标定的甲烷拉曼散射峰位移量为2916.95 cm-1,这个值会根据实验室校正方法而有所不同。

该公式只适用于甲烷含量在90%~100%的甲烷包裹体的密度计算,文中为单相甲烷包裹体,因此通过公式计算得到皖南地区孤峰组石英脉中单相甲烷包裹体密度为0.2295~0.2618 g/cm3。甲烷的临界密度为0.162 g/cm3(刘斌和沈昆,1999),皖南地区甲烷包裹体密度明显高于甲烷临界密度,属于超临界高密度甲烷包裹体。

3.4 高密度甲烷包裹体形成压力

流体包裹体记录地质信息,是计算古油气藏储层中流体古温压条件的重要依据,但是进行包裹体捕获压力计算的时候,常常受到包裹体组分影响很大,由于天然矿物流体包裹体中单组分的包裹体较为少见,而多组分的流体包裹体很难确定单个包裹体的组分含量,因此使用多组分包裹体进行压力模拟计算可能不够精确(Chen et al., 2007刘德汉等, 2010, 2013高键等,2015)。皖南地区单相甲烷包裹体的发现,提高了计算包裹体捕获压力的精确度。根据甲烷的拉曼特征峰位移来计算甲烷包裹体的捕获压力。在激光拉曼谱图中甲烷拉曼特征峰位移由2918 cm-1至2910 cm-1,所对应的压力可以由小于0.1 MPa逐渐增加到约60~70 MPa,压力与位移呈指数关系(卢焕章等,2004)。此次研究样品的甲烷包裹体拉曼位移主要为2911 cm-1左右(表 1),常温下所对应的压力分布在30~40 MPa。通过超临界甲烷状态方程(Duan et al., 1992a, 1992b平宏伟等,2014陈勇等,2006),模拟计算获得了气液两相盐水包裹体最小均一温度216.8 ℃下的高密度甲烷包裹体的捕获压力为76~95 MPa(表 1)。结合临近调查区的泾页1井埋藏史获得二叠系孤峰组的古埋深约为4500 m,静水压力取0.011 MPa/m,估算孤峰组硅质页岩岩层古压力系数约为1.5。此次研究计算获得的甲烷包裹体的密度和捕获压力,对于下扬子皖南地区页岩气勘探评价以及页岩气与超压关系研究有着重要地质意义。

表 1 皖南地区二叠系孤峰组裂缝石英脉甲烷包裹体拉曼位移、密度及捕获压力计算结果 Table 1 Calculation results of Raman displacement, density and capture pressure of methane inclusions in fractured quartz veins of the Permian Gufeng Formation in southern Anhui
4 地质意义

下扬子皖南地区二叠系沉积时期,泾县位于沉积中心,发育优质烃源岩,有机质丰度高,经过成烃演化,现今孤峰组硅质页岩处于过成熟演化阶段。皖南地区孤峰组裂缝石英脉的高密度甲烷包裹体的产出,可能反映孤峰组页岩气具有原油裂解气藏的重要特征。根据测试获得孤峰组裂缝石英脉中高密度甲烷包裹体的密度为0.2295~0.2618 g/cm3,计算其在216.8 ℃的温度下捕获压力为76~95 MPa,说明孤峰组在捕获甲烷包裹体的时期具有超压特征。

昌桥剖面孤峰组的有机质类型以Ⅱ—Ⅲ型为主,TOC为3.2%~4.8%,Ro为0.8%~2.2%,处于高过成熟阶段,有利于烃类生成。一方面由于孤峰组属于自生自储的页岩储层,在原油裂解生气的过程中,生成的液态烃类向密度更低的气态烃转化,储层中的烃类体积快速增加导致压力增大;另一方面是孤峰组为硅质页岩储层,其顶底板为泥岩,具有页岩泥岩的生储盖组合,原油裂解形成干气,顶底板泥岩的岩性致密,渗透性差,导致源岩内油气排出运移不畅形成超压(刘若冰,2015郭彤楼,2016Gao et al., 2019),为孤峰组硅质页岩储层的生烃增压创造了有利条件。

皖南地区经历了复杂的构造改造,且中生代以来,岩浆活动十分显著,对有机质的热演化有很大影响,受到岩浆烘烤的作用,烃类的保存尤为重要。该区燕山期构造抬升使孤峰组抬升,生烃演化基本停止,储层内的超压处于构造调整阶段,盆地内构造稳定区为孤峰组硅质页岩的超压得以保存创造有利条件(胡东风等,2014),而构造复杂地区由于经历强烈的构造改造作用,发育大量断裂,储层中超压逐步遭受破坏。

综上所述,皖南地区的孤峰组超压主要是生烃作用引起的储层增压与构造抬升阶段构造稳定区储层保压共同作用的结果。下扬子皖南地区页岩气预测有利区可将超压作为一个指标进行页岩气勘探评价(刘洪林等,2016),由于下扬子地区有机质成熟度高,构造运动强烈,断裂发育,保存条件差,寻找超压的稳定构造区有利于提高页岩选区的准确性。

5 结论

对皖南地区泾县昌桥剖面二叠系孤峰组硅质页岩裂缝中石英脉的流体包裹体进行显微激光拉曼光谱测试、冷热台测温以及拉曼光谱图谱解析,发现了高密度甲烷包裹体,并进行了甲烷包裹体密度和捕获压力计算,得到以下结论:

(1) 甲烷包裹体的拉曼散射峰位移分布在2910.6~2911.2 cm-1之间,计算得到甲烷包裹体密度为0.2295~0.2618 g/cm3,而甲烷的临界密度为0.162 g/cm3,因此具有高密度甲烷包裹体特征。

(2) 含甲烷组分的气液两相盐水包裹体的均一温度分布在216.8~242.3 ℃。根据甲烷包裹体的拉曼散射峰位移,通过状态方程热力学计算,获得高密度甲烷包裹体在216.8 ℃的捕获压力为76~95 MPa,估算压力系数约为1.5,反映该区孤峰组在捕获甲烷包裹体的时期具有超压特征。

(3) 甲烷包裹体的甲烷拉曼特征峰位移在2911 cm-1时浓度很高,并且很少含有其他非烃组分,通过计算甲烷包裹体密度和捕获压力,揭示了皖南地区二叠系孤峰组高演化黑色硅质页岩在地史演化过程中存在富含高压甲烷的流体现象。该区孤峰组储层超压可能主要是生烃作用引起的储层增压与构造抬升阶段构造稳定区的储层保压共同作用的结果。昌桥剖面孤峰组硅质页岩裂缝石英脉中高密度甲烷包裹体的发现,温压条件的计算,以及超压证据的分析,为皖南地区页岩气勘探评价提供了重要依据。

致谢: 中国石油大学(华东)的陈勇老师和中国地质大学(武汉)的平宏伟老师在甲烷包裹体捕获压力计算过程中提供了许多帮助;审稿专家对本论文进行了认真的审阅,提出了宝贵的建设性修改意见,特此一并表示衷心感谢!

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