高 鍵,何 生,易積正

(1.中國地質(zhì)大學 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074； 2.中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124)

焦石壩頁巖氣田中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)及其意義

高 鍵1,何 生1,易積正2

(1.中國地質(zhì)大學 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074； 2.中國石化 江漢油田分公司，湖北 潛江 433124)

根據(jù)流體包裹體激光拉曼光譜和顯微測溫分析，在焦石壩頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖石英和方解石脈體樣品中發(fā)現(xiàn)高密度甲烷包裹體。利用甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1以及均一溫度分別計算了甲烷包裹體的密度，其甲烷拉曼散射峰v1分布在2 910.57～2 911.27 cm-1，甲烷包裹體均一溫度(Th)分布在-95.8～-88.2 ℃，相對應的甲烷包裹體密度為0.254～0.290 g/cm3，具有高密度特征。結(jié)合頁巖脈體樣品中與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度最小值，利用CH4體系的狀態(tài)方程計算了高密度純甲烷包裹體的捕獲壓力為102.6～137.3 MPa，相應的壓力系數(shù)達到1.63～2.18，具有中等-強超壓特征。該區(qū)高密度甲烷包裹體形成時的異常高壓和較高的溫度可能指示了燕山運動抬升初期含氣頁巖的地溫條件和超壓狀態(tài)。焦石壩頁巖氣田中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)可為焦石壩頁巖超壓形成和演化以及頁巖氣富集與頁巖超壓的關(guān)系研究提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

甲烷包裹體;激光拉曼光譜;五峰組;龍馬溪組；頁巖;焦石壩地區(qū)

近年來我國正在積極推進頁巖氣的勘探開發(fā)，2012年11月JY1井在焦石壩構(gòu)造五峰組-龍馬溪組頁巖試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流，發(fā)現(xiàn)了焦石壩頁巖氣田[1-2]，該頁巖氣田成為我國第一個工業(yè)性的頁巖氣勘探開發(fā)示范區(qū)。焦石壩構(gòu)造區(qū)塊經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)演變歷史，有著復雜而特殊的頁巖氣田形成和富集機制，根據(jù)已有資料，焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖儲層為超壓儲層，超壓與頁巖氣保存和富集的關(guān)系已成為當前國內(nèi)研究的熱點問題。流體包裹體作為古地質(zhì)流體原始信息的有效賦存體，成為研究古溫壓、古流體性質(zhì)和油氣流體示蹤的重要手段[3-6]。

不同地質(zhì)地球化學環(huán)境形成的礦物捕獲甲烷包裹體的研究在文獻中常見報道[7]，特別是油氣儲層中含甲烷的各種流體包裹體和以甲烷為主的天然氣包裹體分布廣泛，它們已成為油氣評價與找礦勘探中的重要指示物[8]。然而，一般沉積巖和油氣儲層中的甲烷包裹體的密度較低，含油氣儲層中高密度甲烷包裹體產(chǎn)出的報道并不多見；而且根據(jù)以往研究，高密度甲烷包裹體密度的計算均是利用甲烷包裹體的均一溫度(Th)求得。劉德漢等[8-9]在四川盆地普光氣田飛仙關(guān)組碳酸鹽儲層方解石脈中和須家河組碎屑巖儲層石英脈中發(fā)現(xiàn)密度達0.344 g/cm3的高密度甲烷包裹體；王國芝等[10]在川中磨溪構(gòu)造龍王廟組白云巖儲層石英脈中發(fā)現(xiàn)密度達0.299 7 g/cm3的高密度甲烷包裹體。本次在焦石壩頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖氣儲層中的石英脈和方解石脈樣品中，經(jīng)激光拉曼光譜分析和顯微測溫，發(fā)現(xiàn)了高密度甲烷包裹體；根據(jù)Lu[11]和Lin等[12]在實驗室條件下研究獲得的甲烷拉曼散射峰v1位移與密度關(guān)系計算了甲烷包裹體的密度，并同時對比利用甲烷包裹體均一溫度計算了甲烷包裹體的密度；進一步結(jié)合同期鹽水包裹體均一溫度，利用CH4體系的狀態(tài)方程計算了甲烷包裹體形成時的捕獲壓力，討論了焦石壩頁巖氣田中高密度甲烷包裹體發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)意義。

1 地質(zhì)背景

焦石壩頁巖氣田位于重慶市涪陵地區(qū)焦石壩鎮(zhèn)，構(gòu)造位置屬四川盆地川東褶皺帶東南部，位于盆地邊界斷裂即齊岳山斷裂以西，是萬縣復向斜內(nèi)一個寬緩背斜構(gòu)造 (圖1a)。焦石壩構(gòu)造主體變形較弱，上、下構(gòu)造層形態(tài)基本一致，表現(xiàn)出箱狀斷背斜形態(tài)，即頂部寬緩、地層傾角小、斷層不發(fā)育，兩翼陡傾、逆斷層發(fā)育[1]。焦石壩構(gòu)造被天臺場、吊水巖、大耳山西、石門等兩組北東向和近南北向逆斷層夾持圍限，呈菱形，以斷隆、斷凹與齊岳山斷裂相隔[2](圖1b)。

焦石壩地區(qū)頁巖主要發(fā)育在上奧陶統(tǒng)五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組，巖性主要為黑色、灰黑色頁巖和灰黑色粉砂質(zhì)頁巖(圖2)。五峰組富有機質(zhì)頁巖厚度約5～10 m，龍馬溪組富有機質(zhì)頁巖厚度在80～120 m，五峰組和龍馬溪組下部優(yōu)質(zhì)頁巖氣層段厚度在38～42 m,有機碳含量高、孔隙度較高、隱伏裂縫發(fā)育、現(xiàn)場測試含氣量高[1-2]。該頁巖氣層現(xiàn)今埋深為2 300～2 595 m，但地質(zhì)歷史中曾經(jīng)歷的最大埋深可能大于6 300 m。頁巖氣中天然氣組成以甲烷為主，甲烷含量在97.22%～98.47%，乙烷和丙烷含量很低；乙烷含量在0.545%～0.801%，丙烷含量在0.05%～0.232%，部分氣樣未檢出丙烷；CO2和N2等非烴氣含量很低，不含H2S氣體。已有研究認為，頁巖氣成因主要為先期形成的原油伴生氣與后期殘余液態(tài)烴裂解氣混合而成，即同源不同期的天然氣的混合[1]。氣層現(xiàn)今地溫梯度為28.7 ℃/km，壓力系數(shù)為1.35～1.55，為高含氣飽和度的超壓頁巖氣田。

圖1 四川盆地焦石壩頁巖氣田構(gòu)造綱要及取樣井位

2 樣品信息與測試方法

焦石壩頁巖氣田中的高密度甲烷包裹體發(fā)現(xiàn)于五峰組和龍馬溪組底部頁巖高角度裂縫中充填的石英脈和方解石脈，研究樣品采于焦石壩頁巖氣田的JY1井和JYA井，共6塊。采樣信息如圖1、圖2和表1所示。

圖2 四川盆地焦石壩頁巖氣田JYA井上奧陶統(tǒng)-下志留統(tǒng)地層綜合柱狀圖

表1 四川盆地焦石壩頁巖氣田JY1井和JYA井含石英和方解石脈的頁巖樣品信息

Table 1 Details of shale samples containing quartz and calcite veins selected from Wells JY1 and JYA for fluid inclusion analysis in Jiaoshiba shale gas field,Sichuan Basin

樣品號井名取樣層位深度/m巖性照片1JY1井龍馬溪組2405.30含方解石脈頁巖2JY1井五峰組2413.50含方解石脈頁巖圖3e,f3JYA井龍馬溪組2253.89含石英脈頁巖圖3a—d,圖54JYA井龍馬溪組2319.76含石英脈頁巖5JYA井龍馬溪組2356.35含方解石脈頁巖6JYA井龍馬溪組2359.13含方解石脈頁巖

流體包裹體分析采用了雙面拋光薄片，測試儀器為NIKON-LV100雙通道熒光-透射光顯微鏡和Linkam-THMSG 600冷熱臺，測溫誤差為±0.1 ℃。氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度測試開始升溫速率為5 ℃/min，在相界線消失前升溫速率為0.5 ℃/min，觀察記錄包裹體完全均一的溫度，并恒溫2 min；然后降溫觀察氣泡出現(xiàn)的溫度，再升溫重復測試均一溫度，并核對和記錄均一溫度。甲烷包裹體均一溫度測定可利用液氮快速冷卻包裹體至相變點，繼續(xù)降溫觀察氣泡變化，然后升溫使包裹體至均一相態(tài)，記錄均一溫度。

激光拉曼光譜分析采用法國HORIBA Jobin Yvon S.A.S.公司生產(chǎn)的LabRAM HR800顯微激光拉曼光譜儀。實驗條件：溫度25 ℃，Nd:YAG激光器，波長532.06 nm，功率14 mW，線寬<0.1 nm，激光打在樣品表面的功率一般為2～10 mW，光譜儀共焦效果可以達到橫向0.1 μm，深度約0.3 μm的空間分辨率測量。儀器波數(shù)校正用的硅標樣的拉曼峰位移為520.7 cm-1，數(shù)據(jù)采集時間一般為10～100 s。

激光拉曼光譜采集利用具有2.97 cm-1光譜分辨率的300光柵和具有0.35 cm-1光譜分辨率的1 800光柵。300光柵的拉曼光譜峰信號較強，且可快速獲取，用于定性分析流體包裹體成分。1800光柵的激光拉曼光譜數(shù)據(jù)較300光柵激光拉曼光譜數(shù)據(jù)準確，而且在測試過程中，根據(jù)分光器的非線性關(guān)系，利用氖燈的激光拉曼光譜標準峰Ne1(標準值vreal為2 836.988 8 cm-1) 和標準峰Ne2(標準值vreal為3 008.127 44cm-1) 對甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1進行校正，可精確地確定甲烷包裹體真實的激光拉曼散射峰v1(vcorr)。甲烷包裹體真實的拉曼散射峰v1(vcorr) 與甲烷包裹體測量的拉曼散射峰v1(vmeas)及氖燈峰(Ne1,Ne2)的標準峰位置vreal和測量峰位置vmeas存在如下關(guān)系[12]：

(1)

流體包裹體和激光拉曼光譜分析工作均在中國地質(zhì)大學(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室完成。

3 分析測試結(jié)果與討論

3.1 高密度甲烷包裹體產(chǎn)出特征

通常含甲烷等組分的天然氣包裹體在透射光顯微鏡下為灰黑色，透明度低，而具有高密度的甲烷包裹體為比較均勻的半透明-透明的單相包裹體[8,13]，一般需進行包裹體冷凍測定或應用顯微激光拉曼光譜分析才能有效鑒別。

對樣品中的甲烷包裹體觀測發(fā)現(xiàn)，甲烷包裹體主要分布在石英脈和比較粗大透明的方解石顆粒中，形態(tài)為圓形、橢圓形、多邊形或不規(guī)則狀等，大小6～30 μm不等 (圖3)，呈定向、成群或單個孤立狀分布。產(chǎn)于石英脈中的甲烷包裹體比產(chǎn)于方解石脈中的形態(tài)規(guī)則，保存也較好，并常?？捎^察到石英負晶形狀的甲烷包裹體 (圖3a—c)。產(chǎn)于方解石脈礦物中的甲烷包裹體粒徑較小 (圖3e)，較多發(fā)生了破碎和泄露。與甲烷包裹體共生的包裹體類型有瀝青包裹體以及少量的兩相鹽水包裹體 (圖3c,d)，瀝青包裹體在偏光顯微鏡下呈黑色，不透明，形態(tài)多呈不規(guī)則狀。含高密度甲烷包裹體樣品的頁巖儲層常充填有熱演化程度較高的焦瀝青 (圖3f)。

在包裹體顯微觀察的基礎(chǔ)上進行顯微激光拉曼檢測，可有效地鑒別樣品中各種無熒光包裹體與甲烷包裹體，樣品中甲烷包裹體以及含包裹體的主礦物在顯微激光拉曼光譜圖中都有十分特征的拉曼散射峰。根據(jù)包裹體拉曼譜圖中各種組分的特征峰和強度，不僅可以對包裹體組分進行精確定性和半定量分析，而且根據(jù)高密度甲烷包裹體中甲烷拉曼散射峰v1可計算包裹體的密度和捕獲壓力[11-12,14]。本次完成百余個包裹體的激光拉曼光譜的精細觀測，在焦石壩頁巖氣田JYA井的下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色高硅頁巖石英脈中發(fā)現(xiàn)較多的高密度甲烷包裹體，并利用顯微激光拉曼方法和顯微測溫方法恢復了高密度甲烷包裹體形成的溫度和壓力條件。

3.2 甲烷包裹體拉曼光譜分析結(jié)果

流體包裹體的顯微激光拉曼光譜分析是甲烷包裹體有效鑒別的科學方法，顯微觀察中主要選用形態(tài)比較規(guī)則和保存完好的包裹體進行拉曼測定。

圖4為挑選測定的石英脈樣品埋深2 253.89 m中甲烷包裹體的激光拉曼光譜圖，測定的甲烷包裹體為多邊形 (圖4a)。在300光柵的0～4 000 cm-1掃描光譜圖中，2 917.21 cm-1拉曼散射峰為高強度的甲烷散射峰，除了高強度的甲烷散射峰外，其他比較明顯的拉曼峰為反映宿主礦物石英的拉曼散射峰，說明包裹體流體組分單一，包裹體為純甲烷流體包裹體 (圖4a)。

圖3 四川盆地焦石壩頁巖氣田JY1井和JYA井石英脈和方解石脈中甲烷包裹體和焦瀝青產(chǎn)出和形態(tài)特征

圖4 四川盆地焦石壩頁巖氣田JYA井石英脈中純甲烷包裹體(FI-8)激光拉曼光譜

為了精確確定純甲烷包裹體的甲烷激光拉曼散射峰v1，進而計算純甲烷包裹體的密度。本文利用配有Ne燈校正的1 800光柵對純甲烷包裹體進行了2 750～3 080 cm-1激光拉曼光譜小范圍掃描，測量的純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1(vmeas)為2 908.470 cm-1，Ne1的拉曼散射峰vmeas為2 834.46 cm-1，Ne2的拉曼散射峰vmeas為3 005.76 cm-1(圖4b)，帶入公式(1)計算純甲烷包裹體真實的甲烷拉曼散射峰v1(vcorr)為2 910.919 cm-1。表2列出了9個純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1。可見焦石壩頁巖氣田JYA井下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色高硅頁巖石英脈中純甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1的范圍比較相近，主要分布在2 910.57～2 911.27 cm-1(表2)。

3.3 流體包裹體顯微測溫

本次流體包裹體測溫包括甲烷包裹體的均一溫度測定和與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度測定。因為甲烷包裹體是等容體系，其熱力學變化是在等體積(密度)條件下發(fā)生的，那么甲烷包裹體的相變點(均一溫度)可用來確定其密度，利用獲得的甲烷包裹體密度可恢復其捕獲壓力。本次研究不僅采用甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1位移參數(shù)計算純甲烷包裹體密度，同時也采用甲烷包裹體均一溫度得到甲烷包裹體密度，以便兩種方法做對比。

在甲烷包裹體顯微測溫過程中，根據(jù)已有研究提出的富甲烷包裹體顯微測溫方法[15-16]，在顯微鏡下選取易于觀測、體積稍大的甲烷包裹體 (圖5a,d)，將樣品放入冷熱臺中，利用液氮將甲烷包裹體快速冷凍至-106.0～-98.0 ℃，此時甲烷包裹體中出現(xiàn)一個小氣泡(圖5b,e)，持續(xù)降溫，氣泡體積逐漸變大；然后，緩慢回升溫度，氣泡逐漸變小直至消失，最終均一成液相 (圖5c,f)，此時的溫度為甲烷包裹體的均一溫度。表3為7個包裹體的均一溫度測定結(jié)果。從表3中可以看出，甲烷包裹體的均一溫度范圍為 -95.8～-88.2 ℃。

JYA井石英脈樣品中氣-液兩相鹽水包裹體周圍常見許多的單相甲烷包裹體，說明包裹體形成于飽和甲烷的不混容兩相系統(tǒng)，氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度可以代表甲烷包裹體的捕獲溫度[17-18]。在石英脈樣品中可普遍觀測到甲烷包裹體，而共生的氣-液兩相鹽水包裹體僅較多地出現(xiàn)在部分樣品中，這可能是頁巖儲層中含氣飽和度差異的結(jié)果。焦石壩地區(qū)JYA井石英脈樣品(表1，樣品號3)中與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度10個測值分布在216.3～261.2 ℃。本文還測試了JYA井和JY1井方解石脈中氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度：JYA井方解石脈樣品(表1，樣品號5和6)的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度15個測值分布在204.1～269.9 ℃；JY1井方解石脈樣品(表1，樣品號1和2)的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度分布在196～254.8 ℃。JYA井龍馬溪組黑色高硅頁巖石英脈和方解石脈樣品氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度分布直方圖見圖6。

表2 焦石壩頁巖氣田JYA井石英脈中甲烷包裹體甲烷拉曼散射峰v1、密度及捕獲壓力計算結(jié)果

注：vcorr為甲烷包裹體真實的拉曼散射峰位移v1(vcorr)；vmeas為甲烷包裹體測量的拉曼散射峰v1(vmeas)；D為甲烷拉曼散射峰v1位移；ρ1是利用D和公式(2)計算的甲烷包裹體密度；捕獲壓力是利用ρ1、與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度和公式(4)計算求得。

圖5 四川盆地焦石壩頁巖氣田JYA井甲烷包裹體均一溫度測定的相變過程照片

圖6 四川盆地焦石壩頁巖氣田JYA井石英脈和方解石脈中氣-液兩相流體包裹體均一溫度分布直方圖

3.4 甲烷包裹體密度計算

甲烷包裹體密度可利用甲烷拉曼散射峰v1位移的參數(shù)計算獲得，F(xiàn)abre等人[11-12,19-22]在玻璃毛細管系統(tǒng)中不同壓力條件下測定甲烷拉曼散射峰v1位移，探討甲烷拉曼散射峰v1位移和甲烷包裹體密度、壓力的關(guān)系。Lu等人[11]根據(jù)實驗結(jié)果擬合的純甲烷包裹體甲烷拉曼散射峰v1位移與甲烷包裹體密度ρ存在良好線性關(guān)系即公式(2)，適用于甲烷含量在90%～100%的甲烷包裹體的密度計算：

ρ=-5.173 31×10-5D3+5.530 81×

10-4D2-3.513 87×10-2D

(2)

式中：ρ為甲烷包裹體密度，g/cm3；ρ和D的相關(guān)系數(shù)為0.998 7；D=v1-v0；v1是氖燈校正后的實測甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰；v0為當壓力接近于0時的甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰，v0主要受實驗室校正方法的影響，不同實驗室v0的取值不同，本文v0值采用中國地質(zhì)大學(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室激光拉曼實驗室標定值。依據(jù)甲烷拉曼散射峰v1與甲烷包裹體密度ρ的關(guān)系公式(2)，計算得到焦石壩頁巖氣田JYA井下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色高硅頁巖石英脈中發(fā)現(xiàn)的純甲烷包裹體密度為0.254～0.288 g/cm3(表2)。

此外，甲烷包裹體的密度也可通過測量甲烷包裹體的均一溫度(Th)確定。本次對甲烷包裹體的均一溫度測試表明，當其冷凍到-106.0～-98.0 ℃時出現(xiàn)氣泡，重新加熱到-95.8 ℃～-88.2 ℃時均一到液相。甲烷包裹體的均一溫度測定結(jié)果可按照下列公式計算甲烷包裹體的密度[23]：

(3)

對比兩種方法確定的甲烷包裹體密度(表2,表3)可知，依據(jù)甲烷拉曼散射峰v1和甲烷包裹體均一溫度確定的甲烷包裹體密度ρ值接近，分布在0.254～0.290 g/cm3，均高于甲烷的臨界密度0.162 g/cm3，屬于超臨界高密度純甲烷包裹體。

3.5 高密度甲烷包裹體形成壓力

油氣儲層中流體包裹體的捕獲溫度和捕獲壓力，可作為了解油氣層中儲層流體古溫度和古壓力條件的重要依據(jù)，但是包裹體捕獲壓力的模擬計算，受包裹體組分的影響較大。自然界天然礦物流體包裹體中單組分的包裹體較為少見，而多組分的流體包裹體又很難精確測定單個包裹體中的組分含量，因此有關(guān)多組分包裹體的壓力模擬計算可能不太精確[8]。根據(jù)本次高密度甲烷包裹體的激光拉曼光譜分析和顯微觀測結(jié)果，龍馬溪組黑色高硅頁巖樣品中發(fā)育的高密度純甲烷包裹體為正確計算包裹體的捕獲壓力提供了有利條件。

本文根據(jù)Duan等人[24-25]建立的適用于超臨界CH4體系的狀態(tài)方程計算高密度甲烷包裹體的捕獲壓力：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

式中:p為壓力,0.1MPa；T為溫度,K；R為氣體常數(shù),R=0.083 144 67×10-4MPa·m3·K-1·mol-1；V為摩爾體積,10-3m3/mol，可由甲烷包裹體的密度ρ及摩爾質(zhì)量計算；Z為壓縮因子；pr和Tr分別為對比壓力、對比溫度，其量綱均為1；pc和Tc分別為臨界壓力(4.6 MPa)和臨界溫度(190.4 K)，單位與p和T相同；a1= 0.087 255 392 8；a2= -0.752 599 476；a3=0.375 419 887；a4=0.010 729 134 2；a5=0.005 496 263 6；a6=-0.018 477 280 2；a7= 0.000 318 993 183；a8=0.000 211 079 375；a9=0.000 020 168 280 1；a10=-0.000 016 560 618 9；a11=0.000 119 614 546；a12=-0.000 108 087 289；α=0.044 826 229 5；β=0.753 97；γ=0.077 167。

在正確獲取JYA井頁巖石英脈中甲烷包裹體密度基礎(chǔ)上，為了計算高密度甲烷包裹體的捕獲壓力，可將方程(4)編寫為程序，計算甲烷包裹體捕獲壓力。推算地質(zhì)歷史中的高密度甲烷包裹體捕獲壓力，需利用樣品中甲烷包裹體捕獲溫度，該捕獲溫度可選用與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度最小值為216.3 ℃。據(jù)此計算出JYA井頁巖石英脈中甲烷包裹體在216.3 ℃捕獲溫度下的捕獲壓力為102.6～137.3 MPa (表2，表3)。

4 地質(zhì)意義

依據(jù)包裹體均一溫度較高且集中在215～255 ℃,判斷焦石壩地區(qū)頁巖中石英脈和方解石脈形成的深度大，可能與燕山期大規(guī)模隆升初期構(gòu)造裂縫形成和古流體活動有關(guān)。參考已有關(guān)于巖石熱聲發(fā)射測定燕山期抬升前最高古地溫和地層剝蝕厚度恢復的研究[26-27]，估計JYA井五峰組-龍馬溪組頁巖燕山期抬升前的最大古埋深為6 300 m，粗略計算得到燕山期抬升前或抬升初期焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖層壓力系數(shù)為1.63～2.18，剩余壓力為39.6～74.3 MPa，頁巖處于中等-強超壓狀態(tài)(表2,表3；圖7)。

根據(jù)研究和有關(guān)資料，現(xiàn)今焦石壩頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖儲層(深度約2 400 m)的地層壓力約為33.0～37.0 MPa，壓力系數(shù)約為1.37～1.55，剩余壓力約為9.0～13.0 MPa[1]。通過對含高密度甲烷包裹體的JY1井和JYA井頁巖儲層樣品的鏡下觀察，可識別出高演化的固體瀝青，進而利用固體瀝青反射率換算的頁巖成熟度即鏡質(zhì)體反射率分布在2.42%～3.11%；JY1井和JYA井五峰組—龍馬溪組頁巖石英脈和方解石脈樣品中與高密度甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度集中在215～255 ℃范圍，說明黑色頁巖中發(fā)育高密度甲烷包裹體的石英脈和方解石脈的形成與頁巖高演化熱裂解干氣生成和高含氣飽和度階段可能具有時空一致性。根據(jù)利用甲烷包裹體密度和與其共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度計算得到的頁巖古壓力為102.6～137.3 MPa，壓力系數(shù)為1.63～2.18，推測燕山期抬升前或抬升初期焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖層為異常高壓狀態(tài)，也就是說燕山—喜馬拉雅期構(gòu)造抬升過程中焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖儲層超壓演化的起點壓力為中等-強超壓狀態(tài)；焦石壩頁巖氣田中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)及其形成時的異常高壓證據(jù)可為進一步開展頁巖氣的保存和富集與頁巖超壓的關(guān)系研究提供了重要的地質(zhì)依據(jù)。

表3 焦石壩頁巖氣田JYA井石英脈中甲烷包裹體均一溫度、密度及捕獲壓力計算結(jié)果

注：ρ2是利用甲烷包裹體均一溫度和公式(3)計算的甲烷包裹體密度；捕獲壓力是利用ρ2、與甲烷包裹體共生的氣-液兩相鹽水包裹體均一溫度和公式(4)計算求得。

圖7 高密度甲烷包裹體捕獲壓力變化范圍以及捕獲深度

5 結(jié)論

1) 根據(jù)流體包裹體激光拉曼光譜和顯微測溫分析，在焦石壩頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖儲層中發(fā)現(xiàn)了高密度甲烷包裹體，甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1分布在2 910.57～2 911.27 cm-1，均一溫度主要為-95.8 ℃～-88.2 ℃，利用甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1位移和均一溫度分別計算了甲烷包裹體的密度，其密度范圍為0.254～0.290 g/cm3，具有高密度特征。

2) 根據(jù)焦石壩頁巖氣田JYA井龍馬溪組裂縫充填的脈體中甲烷包裹體的密度0.254～0.290 g/cm3和與其共生的氣-液兩相鹽水包裹體的均一溫度實測最小值216.3 ℃(均一溫度實測范圍216.3～261.2 ℃)，利用CH4體系的狀態(tài)方程模擬計算的高密度純甲烷包裹體的捕獲壓力為102.6～137.3 MPa，對應的壓力系數(shù)達到1.63～2.18。本文提出的利用高密度甲烷包裹體的甲烷拉曼散射峰v1位移計算獲取甲烷包裹體密度的方法具有實用和推廣價值。

3) 焦石壩頁巖氣田五峰組-龍馬溪組頁巖中的高密度甲烷包裹體形成時的捕獲壓力為中等-強超壓，剩余壓力為39.6～74.3 MPa，均一溫度集中范圍在215～255 ℃，這可能指示燕山期抬升前或抬升初期含氣頁巖處于超壓狀態(tài)；該區(qū)頁巖中高密度甲烷包裹體的發(fā)現(xiàn)及其捕獲的溫壓條件和超壓證據(jù)可為進一步深入研究焦石壩五峰組-龍馬溪組頁巖氣富集與超壓形成和演化的關(guān)系提供重要的地質(zhì)依據(jù)。

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(編輯 張玉銀)

Discovery of high density methane inclusions in Jiaoshiba shale gas field and its significance

Gao Jian1,He Sheng1,Yi Jizheng2

(1.KeyLaboratoryofTectonicsandPetroleumResourcesofMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China;2.SINOPECJianghanOilfieldCompany,Qianjiang,Hubei433124,China)

High density methane inclusions are discovered in the samples of quartz and calcite veins from Wufeng-Longmaxi Formation of Jiaoshiba shale gas field through micro-thermometric and Raman spectral analysis of fluid inclusions.The Raman scatter peakv1and the homogenization temperatures of methane inclusions are applied to calculate the density of pure methane inclusions.The Raman scatter peakv1is in the range from 2 910.57 to 2 911.27 cm-1,and the homogenization temperatures(Th)ranges from -95.8 to -88.2 ℃,and the corresponding density values range from 0.254 to 0.290 g/cm3,which signifies methane inclusions of high density.Taking the minimum homogenization temperatures of two-phase fluid inclusions paragenetic with high density pure methane inclusions as the trapping temperature of the latter,the state equation of CH4system is employed to calculate the trapping pressure for the high density pure methane inclusions in geologic history,and the calculated trapping pressure is 102.6-137.3 MPa and the corresponding pressure coefficients is 1.63-2.18,indicating medium-to-high overpressure characteristics.The abnormal high pressure and relatively high temperature during the formation of the high density methane inclusions may represent the temperature and overpressure of gas shale at the early stage of the Yanshanian uplifting.The discovery of high density pure methane inclusions can provide a key evidence for further studies on the formation and evolution of overpressure and the relationships between the enrichment of shale gas and the overpressure in the Wufeng-Longmaxi Formation of Jiaoshiba shale gas field.

methane inclusion,Laser Raman spectroscopy,Wufeng Formation，Longmaxi Formation;shale,Jiaoshiba area

2015-02-16;

2015-05-08。

高鍵(1988—)，男，博士研究生，油氣盆地超壓及保存。E-mail:jgao223@yahoo.com。

何生(1956—)，男，教授、博士生導師，油氣地質(zhì)。E-mail:shenghe@cug.edu.cn。

中國石化江漢油田分公司科研項目“涪陵地區(qū)龍馬溪組頁巖氣賦存機理研究(ZC0607-0030)”；國家科技重大專項(2011ZX05005-002)；中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120114046901)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B14031)。

0253-9985(2015)03-0472-09

10.11743/ogg20150316

TE122.1

A