爱尔兰近海Porcupine盆地中的油气运移流体包裹体研究中的证据

爱尔兰近海Porcupine盆地中的油气运移：流体包裹体研究中的证据摘要：对爱尔兰近海Porcupine盆地侏罗和白垩系地层中的流体包裹体的岩相学、显微测温研究与对含烃流体包裹体的改进性的荧光寿命的测定结合起来研究与成岩、后成岩过程中流体运移有关的流体的成分以及烃类和水的运移路径的范围。岩相学分析表明侏罗系地层是烃类流体运移的主要路径，烃类的运移发生在砂岩成岩作用的晚期。紫外线荧光以及荧光寿命的测定发现至少存在两组具有不同寿命—波长分布（τ-λ）的化学成分不同的烃类（1a和1b），这表明至少存在两种具有不同烃源岩的烃类。自生胶结物中的第一期含水包裹体表明白垩系中的胶结作用发生的深度较浅、作用温度较低（＜50℃），而侏罗系地层中的胶结作用发生的深度较深、作用温度较高（70-120℃）。粒间空隙中的含水流体包裹体表明胶结作用后的流体运移发生的温度较高（可达175℃）。人们认为这些高温状态的流体运移与北大西洋活动过程中的地幔活动有关。关键词：Porcupine盆地，流体包裹体，荧光寿命，烃类运移前言Porcupin盆地是沿北大西洋大陆边缘分布的中生代沉积盆地的一部分，从挪威中部近海一直到纽芬兰的近海。由于潜在烃源岩和储层的存在以及与北大西洋其他产油盆地的相似性，Porcupine盆地在油气勘探上有很重要的意义。尽管在侏罗系、白垩系以及新生界各地层中发现过油气的证据(Croker&Shannon1995)，但大多数烃类和水流体的运移的信息大多是建立在间接证据上的，比如数学建模、地震数据以及远处的井数据(Naethetal.2005;Shannonetal.2007)。这些研究表明烃类在白垩纪生成于上侏罗系地层中，紧接其后的油气运移由于Porcupine盆地中普遍存在的横向与纵向运移路径而较为容易实现。流体包裹体是沉积盆地中流体运移过程中被捕获的微观流体样品。对流体包裹体的分析可以研究成岩过程和成岩后流体活动中的流体成分。对流体包裹体进行特殊研究可以用于研究古含油气系统。在本次研究中，对选定的白垩系和侏罗系的砂岩中的流体包裹的的岩相学研究和显微测温分析，以重建爱尔兰西部的Porcupine盆地的流体运移史并研究油气的横向与纵向运移路径。另外，应用烃类包裹体（HCFI）的改进型的荧光寿命显微测定技术（FLIM）以分析烃类流体的组成及具有不同成熟度和烃源岩的油气在运移上的不同特征。传统的大视域的荧光显微测试技术是基于明显的荧光颜色（有时候是主观评价）的不同来区分流体包裹体，而FLIM是一种用于测量荧光射线寿命的更好的定量方法。在紫外线的刺激下，芳香族化合物能够产生荧光，而烃源岩和温压史（PT）能够对HCFI中的芳香族化合物的类型产生强烈的影响，这些影响能够反映在荧光寿命的测定上。用FLIM可以区分来自不同源岩的油气(Blamey&Ryder2009)。地质背景爱尔兰西部大西洋大陆边缘下伏多个沉积盆地，主要有Rockall,Slyne,ErrisandPorcupine盆地。这些盆地的沉积历史很长，可以追溯到晚古生代(Shannon1991)，它们组成了一系列共同演化的中生代盆地的一部分，这些中生代盆地从挪威大陆边缘延伸到英国西部和爱尔兰，从格陵兰岛延伸到纽芬兰岛。这些盆地有很多地质相似性，它们代表了早于始新世北大西洋开裂的周期性拉伸的很长一段历史(Spencer&MacTiernan2001)。人们已经在6个不同的盆地中找到了含油气系统：爱尔西部的Porcupine盆地,靠近Faroe–Shetland盆地的Slyne盆地位于大不列颠西部和北部的北海西北部的Erris盆地,挪威海岸的Halten台地以及纽芬兰大陆架的Jeanned’Arc盆地(Spencer&MacTiernan2001)。除Slyne-Erris盆地外，这些含油气系统的特征是以侏罗系地层为源岩，以侏罗系、白垩系、晚第三系的砂岩为储层(Spencer&MacTiernan2001)。Porcupine盆地位于爱尔兰西南大陆架的深水中（200-3500m）（图1）。这个盆地经历了一系列的断陷活动以及活动间歇期的热沉降，形成了厚达13km的上古生代到新生代的沉积物(Shannon1991;Shannon&Naylor1998;图2)。Porcu-pine盆地的沉积从上石炭系断陷三角洲开始直至浅海沉积系列（包括砂岩、泥岩以及薄层煤系地层）。紧接着形成小裂陷盆地二叠-三叠纪的断陷，这个盆地在中到上侏罗纪经历了E-W方向的拉张(Shannon1991)。这次断陷中形成了中侏罗纪德三角洲砂岩沉积。在上侏罗纪，海底扇砂岩以及偶尔出现的湖相粉砂岩、泥岩构成了一个向北进积的海侵层序。地壳拉张的后期，热沉降过程中形成了白垩系和第三系沉积物（不整合上覆于侏罗系之上）包括泥岩、膏灰岩和三角洲砂岩（Moore&Shannon1995）。Porcupine盆地中大约已经钻探了30口井，发现了Connemara油田并在大量其他井中发现了油气显示。尽管潜在烃源岩可能分布在石炭系到新生界，但可能的烃源岩应该是上侏罗纪海相页岩（TOC含量达3-4%；Croker&Shannon1995）和中侏罗纪泥岩（平均TOC含量达1.8%）。这些烃源岩与纽芬兰大陆架的Jeanned’Arc盆地的烃源岩类似。Naeth等(2005)对油气的生成和运移进行了数学模拟，模拟表明油气于晚白垩纪开始在侏罗纪烃源岩中生成，盆地翼部的油气生成至今仍在继续。作为油气潜在运移路径和储层的砂岩在中生代和新生代井段中广泛分布。本次研究以侏罗和白垩纪储层砂岩段作为研究对象以确定油气运移路径。方法用岩心和岩屑样品制取双面磨光的薄片用于本次研究。从15口井中共研究了33块侏罗纪的砂岩与15块白垩纪的砂岩。岩相学研究确定了流体包裹体的分类方案及其共生特征（表1）。流体包裹体岩相学研究采用了Goldstein（2003）年提出的流体包裹体群（FIA）的概念----一种将流体包裹按照形成时间的相似性将其分为一群的方法。用奥林巴斯BX51显微镜和随带的奥林巴斯DP71相机以及可见光源与紫外线光源观察确定烃类包裹体。紫外线有高压贡灯提供，波长大约为365nm。一个波长高达420nm的荧光阻碍装置是的只有长波荧光能到达接收器。实验要进行仔细检查以防止人工产物比如假的油气包裹体的混入影响实验结果（cf.Dutkiewicz&Ridley2003）。为了客观的测定油气包裹体的荧光颜色，实验中采用JPEG图像格式，它们的光谱响应由基于1931年CIE(CommissionInternationaledel’Éclairage1971;1986)色度图的三原色值X和Y描述，并且绘制成二元图。(McLimans1987;Blanchetetal.2003;Aldertonetal.2004;Schubertetal.2007)。流体包裹体的显微测温用经过标定（用合成水与CO2标准，在-56℃时误差在0.2℃左右，在300℃时误差为0.5℃）的LinkamTHMS600冷热台实现。水包裹体的流体盐度用冰全部融化时的温度测算(Bodnar1993)。一定数量的油包裹体的荧光寿命的测定用于区分被捕获的油气的来源和成熟度的不同。阿尔法荧光寿命成像显微镜（FLIM）系统(ISS股份有限公司，美国伊利诺州)基于一个竖直的奥林巴斯BX51显微镜之上并装有一个可调的（1-200MHZ）405nm的激光二极管振源，荧光寿命正是采用基于该系统调相技术测定（Lakowicz2006）。检测模块装有一个直径18mm的尼康立方支架过滤器和二元检测器，该模块可以同时产生不同波长的脉冲信号。选择带有不同滤光片的滤光器以使不同波长的脉冲信号通过。Ryder在2005年重新解释了油气荧光寿命的测定原理，Blamey和Ryder在2009年重新解释了测定结果的运用。用一个50倍的物镜可以产生一个小圆点使得单个流体包裹体的分析成为可能。应该通过测量仪器对一系列的已知的标准荧光寿命产生的相和相变的频率对仪器进行调整(Owensetal.2008)。最后产生的所有的寿命数据都是通过测量单个的多次幂衰变的相态变化数据计算的平均数(Owensetal.2008)。在这项工作中，用了两类不同的寿命数据进行油气的分析。第一种是装有允许长波（420-835nm）通过的滤光器的仪器发射出的所有可探测的波的平均寿用于快速识别油气的不同。平均荧光寿命（FE-AFL）较短的表示高成熟度原油，较长的表示低成熟度石油（Ryderetal.2002;Ryder2005）。第二类平均寿命是用孤立的荧光波长数据（betweenc.420nmand650nm）测定的，由此产生寿命-波长（τ-λ）图用于区分不同成熟度和来源的油气流体之间的更细微的差别。样品描述一共收集了11块岩心样品和38块岩屑样品，代表了可能的砂岩储层井段。这些砂岩主要含有石英、长石及岩屑，可以被划分为岩屑砂岩或钙质岩屑砂岩。石英颗粒边缘常见作为加大边的石英胶结物。在一些样品中见有碳酸盐胶结物，这种胶结作用晚于石英颗粒的沉淀，并通过占据空间的方式减小了孔隙度。另外，34/15-1and35/19-1井中侏罗纪和白垩纪的样品中见有钙质胶结。流体包裹体研究含烃流体包裹体在22块侏罗系样品和一块白垩系样品中发现了第一种类型的含烃流体包裹体（表2）。这种类型的包裹体大部分都是次生的，主要分布于颗粒内与颗粒间（图3a）。胶结过程出现的包裹体可以在26/27-1B和26/28-2井中发现。总体来说，含烃流体包裹体较小（＜5μm）,但是也有相对较大的包裹体（大约20μm）。无论单相包裹体还是两相包裹体，包裹体充满度的变化时非常普遍的，但是，流体包裹体群（比如沿封闭的微裂隙分布的包裹体群）的气液比是相对恒定的，这说明包裹体形成后没有经过重大的改造作用。另外，在26/29-1井中的少量包裹体同时包含烃类和水（第2种类型）。当用紫外线照射含烃流体包裹体时，荧光的颜色可以表示油气流体的成分（Georgeetal.2001）,也可以反映烃流体的成熟的（短波、蓝色的荧光代表低密度、高成熟度的油；Bodnar1990;Oxtoby2002）。或者是，荧光的颜色谱石油源岩控制的(Allan&Wiggins1993)，无论成熟度如何，在缺少荧光制冷聚集的源岩的排烃处具有蓝色的荧光。图4、图5是把来自八口井的111个样品的紫外荧光颜色点在CIE-1931色品图的x与y坐标上的得到的图件。它们表示含烃流体包裹体的荧光颜色谱很宽，可以从蓝色到黄色。26/29-1,35/2-1,62/7-1井均含有绿色（1a类型）和蓝色（1b）的荧光，在同时出现绿色和蓝色荧光的样品中绿色荧光的包裹体出现时间早于蓝色荧光包裹体时间。对5口井(26/28-1,26/28-2,26/29-1,35/8-2and62/7-1；见表2)的8个样品的72个两相（L烃+V烃）含烃流体包裹体进行了显微测温。含烃流体包裹体表现出了很宽的均一化温度谱（从65.4℃到166.8℃）。另外，其他井中的单相流体包裹体的均一化温度小于50℃。均一化温度的变化可能反应了Porcupine盆地包裹体形成时眼里的变化:高均一化温度代表低压，单相的含烃流体包裹体表示超压（Brruss2003)。水包裹体在所有的砂岩样品中都发现了水包裹体，可以划分为类型3与类型4。类型3包裹体存在于硅质与钙质胶结物中，最大可大于5μm。白垩纪砂岩胶结物中的类型3包裹体椎间盘每个主要是单相流体，且形成温度较低（＜50℃，Goldstein&Reynolds1994）。侏罗纪砂岩胶结物种的类型3包裹体是两相的（气相+液相），均一温度在70℃-120℃（图6）。硅质胶结物和钙质胶结物中的类型3流体包裹体的均一温度（TH）没有明显的区别。颗粒完全融化时的温度（TLM）用于计算流体的盐度，发现类型3包裹体流体盐度的范围是0.71到19.8个eq.wt%NaCl（图7）。在5块白垩纪砂岩样品及侏罗纪10块样品中发现了两相的（L+V）类型4包裹体。它们出现在切过碎裂颗粒边缘的退