DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.023

库车坳陷迪北气藏流体包裹体特征及油气充注历史

李峰^{1, 2, 3}，姜振学^{1, 2}，李卓^{1, 2}，刘建良⁴，王赢⁵，罗枭⁶

(1. 中国石油大学(北京) 非常规天然气研究院，北京，102249；

2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249；

3. 中海油研究总院，北京，100028；

4. 中国石油勘探开发研究院，北京，100083；

5. 山东省地震局，山东 济南，250014；

6. 中国石油塔里木油田公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒，841000)

摘要：利用流体包裹体岩相学观察、显微测温分析、红外光谱扫描、定量颗粒荧光分析、全荧光扫描的方法，探讨库车坳陷迪北气藏侏罗系储层油气充注历史。研究结果表明：迪北气藏侏罗系储层具有两期流体包裹体，第1期包裹体主要为淡黄色、浅黄色荧光气液烃包裹体，其成熟度相对较低，为吉迪克期到康村期(23~12 Ma)的原油充注事件，推测存在的古油藏即源自此期充注；第2期包裹体主要为蓝白色荧光气液烃包裹体，其成熟度相对较高，为库车期到现今(5~0 Ma)的天然气充注事件。总体上，迪北气藏具有“吉迪克期到康村期的原油充注、库车期的天然气充注、西域期以来的气藏调整改造再富集”的油气充注历史。

关键词：库车坳陷；迪北气藏；流体包裹体；油气充注历史

中图分类号：TE121.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0515-09

Fluid inclusion characteristics and hydrocarbon charge history of Dibei gas reservoir in the Kuqa depression

LI Feng^{1, 2, 3}, JIANG Zhenxue^{1, 2}, LI Zhuo^1,2, LIU Jianliang⁴, WANG Ying⁵, LUO Xiao⁶

(1. Institute of Unconventional Natural Gas Research, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;

2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;

3. CONNC Research Institute, Beijing 100028, China;

4. Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China;

5. Shandong Seismological Bureau, Jinan 250014, China;

6. Research Institute of Exploration and Development, Tarim Oilfield Company, PetroChina, Korla 841000, China)

Abstract: Hydrocarbon charge history of Jurassic reservoir of Dibei gas reservoir in the Kuqa depression was discussed by observation of fluid inclusion petrological characteristics, microthermometric analysis, infrared spectrum scanning, quantitative grain fluorescence analysis, and total scanning fluorescence. The results show that there are two episodes of hydrocarbon accumulation. Inclusions in the first phase are mainly gas-liquid inclusions with fluorescence colour of faint yellow and light yellow, which means that the maturity of the inclusion is relatively low. Hydrocarbon charging period in the first stage is from Jidike period to Kangcun period (23-12 Ma). Inclusions in the second phase are mainly gas-liquid inclusions with fluorescence colour of white blue, which means that the maturity of the inclusion is relatively high.Hydrocarbon charging period in the second stage is from Kuqa period to today (5-0 Ma). In general, the hydrocarbon charge history is verified. Firstly, the reservoir is charged with oil from Jidike period to Kangcun period. Then the reservoir is charged with the superposition of natural gas in Kuqa period. Finally, the reservoir is adjusted, modified and re-enriched in Xiyu period.

Key words: Kuqa depression; Dibei gas reservoir; fluid inclusion; hydrocarbon charge history

流体包裹体是矿物结晶生长过程中所捕获的成岩成矿流体组分，是封存于矿物晶穴或裂隙中的原始流体，其包含了油气运移和充注时的流体温度、压力和成分等信息^[1]。流体包裹体可以为明确油气化学组分、成熟度和来源、恢复储集层古地温和古压力、划分油气运移充注(成藏)期次以及研究油气成藏过程等提供有力证据^[2-5]。迪北气藏位于塔里木盆地库车坳陷东部，近年来在侏罗系勘探获得了较大突破，展示了天然气勘探的良好态势，是中国西部致密砂岩气重点勘探领域^[6]。在油气成藏研究方面，迪北气藏的油气充注期次受到了诸多学者的关注，但也存在较大的争议，尤其是利用流体包裹体分析成藏期次方面，不同学者对包裹体均一化温度测温数据和成藏期次的解释不尽相同^[7-10]，因此，开展此项研究具有重要意义。本文作者通过迪北气藏侏罗系储层流体包裹体岩相学观察、显微测温分析、红外光谱扫描、定量颗粒荧光分析和全荧光扫描的研究，结合研究区构造演化史和储层埋藏史，探讨了油气充注期次，为该区油气成藏研究提供有力的证据。

1  地质概况

库车坳陷是在晚二叠世之前的古生代褶皱基底上历经晚二叠世—三叠纪的前陆盆地、侏罗纪—古近纪的伸展坳陷盆地和新近纪—第四纪再生前陆盆地的演化而形成的^[11]。研究区位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏—依奇克里克构造带东部(图1)，是发育于依奇克里克断裂下盘的一大型断鼻，此地区构造变形强烈，逆冲断层发育。

迪北气藏发育地层以中新生界为主，烃源岩主要分布在三叠系和侏罗系，具有分布广、厚度大、有机质丰度高、成熟度高等特点，为该地区大规模发育致密砂岩气藏提供了良好的物质基础^[12-13]。研究区主要的产气层段为下侏罗统阿合组和阳霞组，为高水位背景下的辫状河三角洲沉积，岩性主要为中、粗砂岩，以岩屑砂岩为主，储层原生孔隙基本消失，主要孔隙类型为粒内溶孔、粒间溶孔、颗粒溶孔和微孔隙，同时裂缝较为发育，储层总体较为致密，属于低孔、低渗或特低孔、特低渗储层，非均质性强^[6]。古近系吉迪克组发育的巨厚膏泥岩为一套区域上的良好盖层，组成了该区域良好的储、盖层组合^[14]。

迪北气藏属于常温、超压气藏，以产气为主，伴生少量轻质油。原油密度低、黏度低、凝固点低、含硫低、胶质沥青含量低，表现为陆相成熟原油特征，甲基菲比值(MPR)计算表明研究区原油属于成熟—高成熟原油^[15-16]，利用生物标志物特征进行油源对比表明原油主要来自三叠系^[17]。研究区天然气中烃类气体占绝对优势，属于湿气，利用碳同位素表明研究区为典型的煤型气^[18-19]，主要来自三叠系和侏罗系煤系烃源岩。

图1  库车坳陷迪北气藏构造位置及取样井分布

Fig. 1  Structure position and distribution of sampling well of Dibei gas reservoir in the Kuqa Depression

2  实验及样品

分析研究了库车坳陷迪北气藏4口井80余件样品，样品采自研究区依南2井、依南4井、依深4井、依南5井的侏罗系储层，主要是中、粗砂岩。流体包裹体分析采用ZEISS Imager A1m多功能显微镜，首先研究包裹体岩相学，即利用紫外-可见光和荧光光谱划分包裹体组合，确定包裹体产状、荧光颜色、相态、丰度(GOI)等，再选择包裹体组合内的盐水包裹体和油包裹体开展显微测温、红外光谱研究。其中显微测温采用LINKAM液氮型冷热台MDSG 600，主要测定流体包裹体的均一温度和冰点。红外光谱分析(Micro-FT.IR)采用Nicolet 7199B型傅里叶变换红外显微镜对烃类包裹体进行分析，直接测试样品某特定部位的化学结构，进而得到其红外谱图，可判断油气的成熟程度或油质类型的差异。全荧光扫描(TSF)采用Varian Cary-Eclipse荧光光度仪，用三维激发-发射荧光，以荧光强度反映原油或岩石中可溶烃指纹特征的技术，可定性判断油气的成熟度和油气来源等特征。

3  实验结果

3.1  流体包裹体岩相学观察特征

迪北气藏下侏罗统储层中流体包裹体较为发育，主要发育发淡黄色、浅黄色和蓝白色荧光的烃类包裹体，同时大量发育与烃类包裹体共生的盐水包裹体，盐水包裹体不发荧光。烃类包裹体主要分布在石英次生加大边内侧、石英颗粒内裂缝、切穿石英颗粒和次生加大边的裂缝中，包裹体个体较小，一般尺寸分布在5~15 μm，最小尺寸＜3 μm，最大尺寸＞20 μm，包裹体多为椭圆状、近圆形和菱形，主要呈串珠状和群体分布，还有经重结晶作用后形态发生次生变化的包裹体，例如卡脖子包裹体。

在室温(25 ℃)条件下，烃类包裹体依据相态的不同，可分为液态烃包裹体、气液烃包裹体、气相烃包裹体、沥青包裹体、含沥青液相烃包裹体(图2)。在偏光显微镜下，液相烃主要发淡黄色、浅黄色，气相烃多呈灰黑色，沥青为黑色；在荧光显微镜下，液相烃主要发淡黄色、浅黄色和蓝白色荧光，气相烃和沥青都不发荧光。

图2  库车坳陷迪北气藏侏罗系砂岩流体包裹体显微照片

Fig. 2  Microgragh of fluid inclusion in Jurassic sandstone of Dibei gas reservoir in the Kuqa depression

根据下侏罗统储层流体包裹体的产状和分布特征，并结合其与成岩作用和成岩演化的关系，将研究区储层流体包裹体组合划分为2期(表1)：第1期包裹体主要分布在石英次生加大边内侧和石英颗粒内裂纹中，主要形成于中成岩A₂阶段，烃类包裹体主要为发淡黄色、浅黄色荧光的气液烃包裹体，多为椭圆状，气液比较小，推测为早期成熟油气的充注；第2期包裹体主要分布在穿石英颗粒裂纹和石英颗粒内裂纹中，主要形成于中成岩B阶段，烃类包裹体主要为发蓝白色荧光的气液烃包裹体，多为椭圆状和不规则状，气液比较大，推测为晚期高成熟轻质油气的充注。可见：随着成岩作用的进行，包裹体的颜色由淡黄色、浅黄色变为蓝白色，其气液比逐渐增大，表明有机质成熟度的增高。

3.2  流体包裹体均一化温度特征

对下侏罗统储层烃类包裹体及共生的盐水包裹体进行了显微测温分析，以迪北气藏依南2井为例，对26个烃类包裹体和18个盐水包裹体均一化温度进行测定(图3)。所测的烃类包裹体主要分布在石英次生加大边内侧、石英颗粒内裂纹和穿石英颗粒裂纹中，样品中可观察到发淡黄色、浅黄色和蓝白色烃类包裹体。

结合包裹体岩相学观察的结果，不同期次形成的包裹体均一化温度明显不同，第1期烃类包裹体主要为发淡黄色、浅黄色荧光的包裹体，其均一化温度较低，主要分布在90~100 ℃，与其共生的同期盐水包裹体均一化温度主要分布在100~110 ℃，冰点温度范围是-5~0 ℃，结合埋藏史和地温梯度，此期盐水包裹体均一化温度对应于吉迪克期到康村期(23~12 Ma)。第2期烃类包裹体主要为发蓝白色荧光的包裹体，其均一化温度稍高，主要分布在110~130 ℃，与其共生的同期盐水包裹体均一化温度主要分布在120~150 ℃，冰点温度范围是-5~0 ℃，此期盐水包裹体温度对应于库车期到现今(5~0 Ma)。

3.3  红外光谱扫描特征

利用红外光谱可判断包裹体中有机质成熟度， CH_3a，CH_2a，CH_3υ和CH_2υ分别代表甲基不对称、亚甲基不对称、甲基对称和亚甲基对称伸缩振动，X_inc=(∑I(CH₂)/∑I(CH₃)-0.8)/0.09代表有机质烷基链碳原子数，X_std=(∑I(CH₂)/∑I(CH₃)+0.1)/0.27代表有机质正烷烃直链碳原子数^[20-21]，I为峰强。随演化程度的增加，低成熟阶段烃源岩生成的原油中的长链会断开，形成一些链数较短、相对分子质量较低的化合物，因此，红外光谱分析的I(—CH₂)/I(—CH₃)(峰强比)、X_inc和X_std等参数可判断油气的成熟程度或油质类型的差异^[20-21]。对迪北气藏依南4井、依深4井、依南5井侏罗系砂岩储集层中典型油包裹体开展红外光谱扫描(表2)，结果表明研究区I(—CH₂)/I(—CH₃)总体上较小，表明甲基相对丰富，烃链短，成熟度很高，具有轻质油的特点。

表1  迪北气藏侏罗系储层烃类包裹体特征

Table 1  Characteristics of fluid inclusion in Jurassic sandstone reservoirs of Dibei gas reservoir

图3  迪北气藏依南2井包裹体均一温度直方图

Fig. 3  Fluid inclusion homogenization temperature histogram of Well Yinan 2 of Dibei gas reservoir

表2  迪北气藏油包裹体红外光谱特征统计表

Table 2  Statistics of infrared spectrum feature of hydrocarbon inclusion in Dibei gas reservoir

图4  迪北气藏油包裹体红外光谱特征

Fig. 4  Infrared spectrum feature of hydrocarbon inclusion in Dibei reservoir

同时，不同期的油包裹体具有不同的红外光谱特征(图4)，第1期发淡黄色、浅黄色荧光的油包裹体的I(—CH_2a)/I(—CH_3a)在2.14~2.71之间，X_inc和X_std分别介于14.89~21.22和8.30~10.41之间，表明成熟度相对较低，第2期发蓝白色荧光的油包裹体的I(—CH_2a)/ I(—CH_3a)在1.16~1.82之间，X_inc和X_std分别介于4.00~11.33和4.66~7.11之间，表明成熟度相对较高。

3.4  定量颗粒荧光分析特征

储集层定量颗粒荧光分析(QGF和QGF-E)分别检测储层岩石颗粒和其二氯甲烷(DCM)抽提溶液的荧光响应，可分别识别古油层和残余油层^[22-23]。古油层和现今油层具有非常强的光谱，在375~475 nm间出现谱峰，而大多数水层样品的荧光光谱在这个范围内则比较平缓且近于基线。古油层和现今油层QGF指数通常大于4，而水层QGF指数很少超过6。残余油层和现今油层具有很强的光谱，QGF-E强度通常超过20，而水层的QGF-E强度很少超过40。

基于储集层定量颗粒荧光分析技术与原理，对迪北气藏依南2井、依南4井、依深4井等几口井的侏罗系储层进行了系统取样，并开展了定量颗粒荧光分析。以依南4井为例，侏罗系阿合组储层GOI(含油包裹体丰度)分布在0~35.67%，QGF指数(颗粒荧光指数)分布在2.5~16.9，QGF-E强度(颗粒抽提物荧光强度)分布在12.8~1 874.8。这些参数在纵向上具有规律性变化(图5)，在4 458 m深度之上，GOI分布在15.67%~35.67%，都大于5%；QGF指数分布在5.9~79.4，都大于4；QGF-E强度分布在46.3~ 1 874.8，都大于40，均具有古油层的相应特征。但在4 458 m深度之下，GOI，QGF指数和QGF-E强度都呈现下降趋势，GOI从16.33%降低至2.00%，QGF指数从18.4降低至2.4，QGF-E强度从55.6降低至15.2，通过这种变化趋势推测迪北气藏早期存在古油藏，古油水界面位于深度4 458 m，而现今迪北气藏主要表现为气藏，因此，进一步印证了迪北气藏具有两期油气充注的特征。

3.5  全荧光扫描特征

全荧光扫描利用三维激发-发射荧光，通过荧光强度反映原油或岩石中可溶烃指纹特征，所得到的指纹图可以定性判断油气的成熟度和油气来源等特征，发射光对应的波长小，反映油气成熟度高；指纹图上峰的数目反映油气源的数目，单峰指纹图表示油气来源相同，多峰指纹图反映油气的混源成因^[24-25]。

基于全荧光扫描技术与原理，对迪北气藏依南2井、依南5井侏罗系砂岩储层开展了全荧光扫描分析，通过扫描其二氯甲烷(DCM)抽提溶液，可得到其游离烃指纹图(图6)。研究结果表明：迪北气藏侏罗系阿合组游离烃指纹图总体上表现为2个荧光峰，反映了迪北气藏具有2期油气充注的特点。但是不同井的激发光和发射光波长特征具有一定差异性，反映其成熟度不同，依南2激发光和发射光的波长特征表明其成熟度较高，而依南5激发光和发射光的波长特征表明其成熟度较低，这可能与油气充注历史有关。

图5  迪北气藏依南4井阿合组储集层颗粒荧光剖面

Fig. 5  Reservoir quantitative grain fluorescence section of Ahe formation of well Yinan 4 in Dibei gas reservoir

图6  迪北气藏侏罗系储层游离烃指纹图

Fig. 6  Fingerprinting of free hydrocarbon in sandstone reservoirs of Jurassic in Dibei gas reservoir

4  油气充注历史分析

库车坳陷的构造演化特征在一定程度上控制了烃源岩演化特征，构造活动期与生排烃史的匹配决定了迪北气藏的油气充注特征。库车坳陷晚期构造活动强烈，喜山运动是库车坳陷构造演化的主要动力，喜山运动可分为3期，分别对应于渐新世末、上新世末和早更新世末，其构造挤压强度依次变强，其中喜山晚期是迪北气藏构造的主要变形期^[26]。因此，迪北气藏三叠系、侏罗系烃源岩也具有晚期快速成熟、晚期生排烃的特点。古新世以来，随埋深增大，三叠系烃源岩进入生烃门限，开始排出油气；康村组沉积中晚期，侏罗系烃源岩开始进入了生油高峰；库车组沉积至今，喜山晚期运动使深部构造变形加剧，此阶段三叠系、侏罗系烃源岩进入大量排气阶段。

通过以上包裹体岩相学观察、均一化温度测试、红外光谱测试、定量颗粒荧光分析和全荧光扫描等特征，综合表明：迪北气藏具有2期油气充注历史。根据与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一化温度，结合研究区热演化史和储层埋藏史，即可确定包裹体形成时的地层埋深及其对应的地质时代，据此可确定迪北气藏油气藏的形成时间。研究结果表明：迪北气藏侏罗系储层中与第1期烃类包裹体共生的盐水包裹体的均一化温度分布在100~110 ℃，推测此期油气充注的时间为吉迪克期到康村期(23~12 Ma)，结合包裹体岩相学观察的结果，此期包裹体属于早期成熟油的充注，综合烃源岩生排烃史分析，表明此期包裹体主要源自三叠系烃源岩早期排出的原油。与第2期烃类包裹体共生的盐水包裹体均一化温度分布在120~150 ℃，推测此期油气充注的时间为库车期到现今(5~0 Ma)，包裹体岩相学观察表明，此期包裹体比第1期包裹体更为发育，反映此期充注强度较大且成岩环境有利于形成流体包裹体，且此期包裹体高成熟轻质油气充注形成的特征，结合烃源岩生排烃史，表明此期主要源自三叠系、侏罗系烃源岩晚期排出的天然气(图7)。

根据包裹体特征，并结合区域构造演化和烃源岩充注史，迪北气藏侏罗系的成藏历史可概括为以下几个阶段：

1) 中新世之前，烃源岩一直处在未成熟—低成熟阶段的演化阶段，油气还未大量生成，因此该阶段还未开始大规模的油气充注。

2) 中新世吉迪克组、康村组沉积以来(23~5 Ma)，随着埋藏深度的增加，地温不断升高，有机质演化程度增加，迪北气藏的三叠系湖相烃源岩开始进入成熟—高成熟阶段，开始生成大量原油，侏罗系烃源岩处于低成熟阶段，尚未大量生成油气，而此时迪北气藏的依奇克里克低幅度背斜初具规模，主要是三叠系烃源岩生成的原油在早期背斜圈闭中聚集，第1期淡黄色、浅黄色气液烃包裹体记录了该期成藏过程，同时在定量颗粒荧光分析中揭示4 458 m深度之上存在的古油藏即源自此期充注。

图7  迪北气藏侏罗系油气成藏期次图

Fig. 7  Hydrocarbon charge stages of the Jurassic reservoir in Dibei gas reservoir

3) 上新世库车组沉积期以来(5~2 Ma)，烃源岩快速埋藏，成熟度进一步增大，三叠系烃源岩进入排气高峰，排出大量的天然气，同时侏罗系煤系烃源岩也进入了成熟阶段，生成大量的轻质油气。构造挤压作用导致早期形成的依奇克里克低幅度背斜圈闭高度增加，因此，烃源岩晚期快速成熟，生气强度大，大量天然气的充注对早期聚集在依奇克里克背斜的4 458 m深度之上的古油藏进行了气洗脱沥青作用，形成大量储集层沥青，在包裹体岩相学观察中见到的沥青包裹体记录了此过程。同时，迪北气藏侏罗系储层完全致密化，三叠系、侏罗系烃源岩排出的大量天然气充注进入斜坡和构造低凹处的下侏罗统储层，形成大规模的致密气藏。第2期淡黄色、浅黄色气液烃包裹体记录了该期成藏过程。

4) 西域组沉积至今(2 Ma以来)，三叠系、侏罗系烃源岩进一步成熟，生成大量高成熟天然气，由于强烈的构造运动，依深断裂活动强烈并断穿至地表，同时位于构造高部位的依奇克里克背斜遭受抬升剥蚀，上覆古近系吉迪克组膏泥岩盖层被破坏，因此，早期聚集在依奇克里克背斜并遭受气洗作用的古油藏中的油气遭到破坏散失。同时，聚集在斜坡和构造低凹部位的致密气藏也由于断裂破坏遭受调整改造，气藏分布范围变小，主要形成现今气藏分布在构造低部位的特征(例如，依南2井气柱高度为236 m，圈闭幅度只有50 m，气藏底界在背斜圈闭的溢出点之外)。

5  结论

1) 库车坳陷迪北气藏发育2期包裹体，第1期包裹体形成于中成岩A₂阶段，主要为发淡黄色、浅黄色荧光的气液烃包裹体，红外光谱扫描表明其成熟度相对较低，与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一化温度分布在100~110 ℃，推测为早期成熟油气的充注；第2期包裹体形成于中成岩B阶段，主要为发蓝白色荧光的气液烃包裹体，红外光谱扫描表明其成熟度相对较高，与烃类包裹体共生的盐水包裹体均一化温度分布在120~150 ℃，推测为晚期高成熟轻质油气的充注。

2) 通过含油包裹体丰度(GOI)、颗粒荧光指数(QGF指数)、颗粒抽提物荧光强度(QGF-E强度)在纵向上的规律性变化，表明迪北气藏存在古油藏，对应于第1期原油包裹体，早期充注的原油遭受后期气洗作用形成残留沥青；同时全荧光扫描表明迪北气藏主要具有2个荧光峰，进一步印证了研究区具有两期油气充注特征。

3) 中新世吉迪克组、康村组沉积以来，三叠系烃源岩进入成熟—高成熟阶段，开始生成大量原油，形成了第1期淡黄色、浅黄色气液烃包裹体；上新世库车组沉积期以来三叠系、侏罗系烃源岩都进入排气高峰，排出大量的天然气，同时对早期原油有一定气洗作用，形成了第2期蓝白色气液烃包裹体。西域组沉积至今，强烈构造运动导致研究区遭受抬升剥蚀，致密气藏遭受调整、改造和破坏。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-02-13；修回日期：2015-04-29

基金项目(Foundation item)：国家重点基础发展规划(973计划)项目(2011CB201105)；国家科技重大专项(2011ZX05003-001，2011ZX05008-004)；国家自然科学基金资助项目(40972088)(Project (2011CB201105) supported by the National Basic Research Program (973 Program) of China; Projects(2011ZX05003-001，2011ZX05008-004) supported by the National Science and Technology Major Project; Project (40972088) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：姜振学，教授，博士生导师，从事油气成藏机理研究；E-mail：jiangzx@cup.edu.cn