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油气成藏年代学研究 王振奇长江大学地球科学学院2010年06月 研究目的和意义主要研究手段和方法 油气从烃源岩 圈闭的成藏历史是一个漫长的微观过程 油气成藏的生 储 盖匹配关系就是从地质过程和宏观角度研究油气赋存的时空 约束条件 从烃源岩进入生烃门限 深度 到油气系统分析中烃源岩开始大量生烃的 关键刻 反映了石油地质学对 时间 概念理解的深化 而明确强调油气生成 运移和聚集过程时间的演变关系 更深入研究烃源岩排烃速率油气运聚效率以及次生成藏和叠合盆地多期成藏机制 则体现了当今油气成藏动力学研究前沿领域中的一个发展趋势 油气成藏年代学 研究目的和意义 成藏年代学是当代石油地质学的一个前沿领域 也是含油气盆地油气藏形成与分布规律研究首先需要解决的一个重大问题 20世纪80年代尤其是90年代以来 油气成藏年代学研究开始在国内外取得重要进展 出现了一些新的分析技术和研究方法 特别是随着流体包裹体方法与储集层中自生粘土矿物同位素测年技术的引入 成藏年代学研究开始取得了重要进展 实现了由传统的定性研究向定量或半定量研究的重要转变 进而为成藏年代学的确立奠定了重要基础 研究目的和意义 因此准确分析经历了多期构造运动的复杂含油气盆地的油气运聚期次 认识油气成藏过程 是深化油气分布规律 提高油气勘探效益的重要研究内容 叠合含油气盆地具有多期成藏 同时又遭受多期破坏特点 用常规和间接推断的方法常难以准确认识油气藏形成期次和演化史 这些都影响了成藏规律认识和石油勘探的决策 主要研究手段和方法 根据各种研究方法的原理和研究对象的不同 归纳起来油气成藏期主要有构造演化史法 烃源岩演化史法 油气藏饱和压力法 储集层成岩作用法 储集层有机岩石学法和油藏地球化学法等 不同时期人们研究油气成藏充注的手段不同 我国传统的成藏期分析主要从生 储 盖 运 聚 保各项参数有效配置 根据构造演化史 圈闭形成史 烃源岩生排烃史 油藏饱和压力等来推断油气藏形成时间 随着地球化学分析手段的深入 20世纪90年代以来出现了一些新的分析技术和研究方法 如流体包裹体方法与储集层中自生粘土矿物同位素测年技术等 使得油气成藏年代学研究开始在国内外取得重要进展 1 与构造演化有关的成藏期研究方法 油气藏的形成是油气在圈闭中聚集的结果 只有先形成了圈闭 油气才能在其中聚集形成油气藏 对于构造圈闭 特别是背斜圈闭的形成时间 可以通过古构造研究中的构造发育史的恢复重建来确定它的开始 发育和定型的主要时期 对于断层圈闭 可以根据断层与地层的相互切割或限制关系来确定它的形成时间 Levorsen 1954 曾拟定了一个确定圈闭形成相对顺序的示意剖面图 但对这些圈闭形成的绝对时间 需要根据古构造 岩相古地理和绝对年龄的测定等方面的研究成果加以综合确定 圈闭形成时间 油气生成时间 由于圈闭的形成并不意味着立刻就有油气在其中聚集 所以该法确定的油气藏形成时间只能是最早时间 油气藏只能形成于这一时间之后 其间的时间差与多种因素有关 如沉积历史 热史 烃源岩成熟史 排烃史等 圈闭形成时间 油气生成时间 成藏时间圈闭形成时间 油气生成时间 不能成藏 在油气藏形成之后 由于构造运动的影响 其油水界面会发生变化 所以 通过追溯现今油气水界面在地质历史上最早出现的时间也可确定油气藏形成的时间 首先编制构造发育史剖面 求出现今油气水界面在各对应构造演化时期的古埋深 并标于相应时期的古构造剖面图上 再将同一油藏的古油气水界面进行连线 观察其是否为水平界面 水平界面的最早出现时间即代表了油气藏的开始形成时间或最早成藏时间 该方法的优点在于将油气藏的形成与构造发育史直接联系起来 较为直观 该方法主要适用于非均衡稳定沉积 沉降的地区 若油气田形成后 沉积沉降比较稳定 则难以进行成藏期追索 构造演化成藏期研究法的基础是构造演化历史的准确确定 所以 必须对构造演化进行细致的研究 这也是其它成藏期研究的基础之一 2 与烃源岩演化有关的油气成藏期研究方法 油气藏的形成是油气生成 运移 聚集的结果 只有油气生成并排出了烃源岩 油气藏才可能形成 烃源岩主要生排油期的确定要涉及到多方面的资料 包括盆地的构造史 沉积史 埋藏史 古地温史 烃源岩热演化史 烃源岩孔隙度演化史 烃源岩厚度与分布 生油气定量模型等 通过盆地模拟计算出烃源岩的主要生油气时期和排油气时期 来大致确定油气藏形成时间 乌尔禾组烃源岩在三叠纪末期成熟度在0 4 0 6 之间 侏罗纪末期成熟度在0 6 0 8 之间 白垩纪末期至今成熟度分布在1 0 1 8 之间 三叠纪末 侏罗纪末 现今 烃源岩生排油气后 还得经过一定距离的运移 调整 最终才能形成油气藏 所以 该法确定的油气藏形成时间只能代表其最早形成时间 与圈闭形成时间法相比 该法确定的时间总体应更接近油气藏的形成时间 异常压力的形成 运移通道 断裂 不整合面 砂体 原油的物理化学性质 水动力条件的强弱等都是制约油气运移的因素 油气在储层中受到浮力 重力和毛细管力的综合作用 当地层发生倾斜时 浮力将分解为垂直层面和平行层面的两个分力 只有当油柱的高度和储集层的倾角达到一定的大小时 平行层面的浮力分力才能克服毛细管阻力的作用 从而驱使油气发生向上倾方向的运移 也即油气才有可能作区域性侧向运移并形成油气藏 Berg于1975年提出了计算油气向上倾方向运移的临界油柱高度的公式 3 与区域倾斜发生时期有关的油气成藏期研究方法 式中 Zo为临界油柱高度 为油水界面张力 rt为小孔隙半径 rp为大孔隙半径 w为水的密度 o为油的密度 为储集层倾角 l为油柱长度 1955年 Gussow用该方法推断了加拿大阿尔伯达盆地上泥盆统中油气藏的形成时间 他根据盆地中上泥盆统储集层从沉积起到早石炭世末为水平层 到二叠纪末由于阿帕拉契亚运动的影响 发生了微弱的西倾 但至侏罗纪末仅有3 9 13 的倾角 而后内华达和拉拉米造山运动使地层倾角迅速增大 到始新世达到52 1 28 由此认为该区上泥盆统中油气藏的形成时间不可能早于始新世 该方法基本原理在于 原油或凝析气自烃源岩中生成 排出后就饱和天然气或轻质油 饱和天然气的石油与饱和轻质油的凝析气沿运移通道运移 当遇到合适的圈闭时便聚集起来形成油气藏 此时 原油和凝析气的溶解作用在当时温压条件下处于饱和状态 所以其饱和压力反映了形成时的压力条件 如果在油气藏形成之后 沉积 构造等作用相对比较稳定 那么 油气藏的饱和压力就基本不会发生太大变化 这样就可根据油气藏的饱和压力 结合地层埋藏史推算出油气藏的埋藏深度 并判定出相应深度的地质时代 从而确定油气藏的形成时期 4 与油气藏饱和压力有关的油气成藏期研究方法 一般情况下 油气藏形成后 不可能不受到各种因素的影响 如构造升降运动 气体的散失 油气的多期运移和聚集等都可能改变油气藏中的饱和压力 使由饱和压力确定的油气藏形成时间失真 所以 在应用该方法时应对盆地的构造演化特征有充分的认识 以确保油气藏在形成后其气油比没有太明显的变化 否则该方法确定的成藏期会严重偏离地质实际 叠合盆地 断陷盆地 构造演化期次 成岩作用分析该方法是根据油气藏流体的组成特征及变化规律 流体岩石相互作用产生的自生矿物的成分及其变化特征 综合研究一个地区的构造发展史 油气运移的通道 方向和聚集成藏的时间 分析油水界面的位置及其变迁史 阐明油气藏的演化史 5 与油藏地球化学有关的油气成藏期研究方法 Ts Tm 1 Ts Ts Tm 0 5 C31藿烷22S 22S 22R 的成熟门限值为0 55 平衡终点值为0 65 C29甾烷20S 20S 20R 平衡终点值为0 5 0 55 C29甾烷 平衡终点值为0 34 0 50 反映重质稠油已进入成熟阶段 原油生物标志化合物 按照Radke 1986 关系式 可计算获得等效镜质体反射率Rc主要分布在0 71 0 91之间 平均值为0 78 Kuo 1994 实验表明水洗作用使菲含量降低 使甲基菲参数增加 水洗作用对砂岩岩芯的影响可使甲基菲参数计算出的等效镜质体反射率Rc增加0 04 0 11 油藏内部存在的石油组成的变化 一般认为是由于生物降解和水洗等地球化学作用或重力分异作用所致 除上述因素外 油藏中石油组成的非均质性可能是烃源岩有机相和成熟度不同而造成的 由于储集层中不同原油之间的混合过程缓慢 它们组成的不同性质可被保存下来 通过油藏剖面上原油宏观和分子组成非均质性的系统研究 可确定原油运移途径和成藏机制 原油生物降解范围带内 原油发生生物降解作用遵循扩散吸附原理及一级化学反应动力学方程 生物降解时间探讨 取原油充注时 尚未发生生物降解作用 的饱和烃百分含量约为50 油柱底部越靠近油水边界 生物降解程度越严重 饱和烃含量约为18 Larter等 2003 通过对世界上数个油田生物降解原油的计算机模拟研究认为 生物降解速率常数约为10 6 10 7 在油水界面附近原油从开始在储层中聚集至到目前降解程度约需1 5Ma 研究中我们取保守值5Ma t 柱高 2 扩散系数 连续油柱垂向生物降解程度存在较大差异 将不可避免地导致饱和烃的垂向扩散和混和 在油柱生物降解响应 诱导时间 即使轻微程度的生物降解 烷烃损失仅几 垂向上饱和烃的梯度变化接近为常数 郑斜41井连续油柱高度约为365米 未考虑井斜校正 稠油中烷烃扩散系数为0 5 10 10m2s 1 计算得t约为2 67 1014s 即8 5Ma 从地质角度分析 油水界面附近原油生物降解时间为原油发生生物降解作用的下限时间 而生物降解响应 诱导时间 为原油发生生物降解作用的上限时间 综合研究认为 郑家 王庄地区最保守的原油生物降解时间约为5 9Ma 一是烃类包裹体的形成时代 代表了油气运移充注的期次 二是烃类流体包裹体的均一温度 记录了油气运移充注时储集层的古地温 通过热史和储集层埋藏史的恢复即可确定包裹体形成时的埋藏深度 其对应的地层时代即是油气藏的成藏年代 三是烃类包裹体的成分 可以反映油气注入时的地球化学特点和相态特点 6 流体包裹体分析法 依据储层成岩矿物和裂纹捕获的烃类包裹体 油包裹体 含溶解轻烃盐水包裹体 产状 荧光颜色 均一温度以及与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度 盐度系统检测 不仅能够划分油气充注期次 而且还能有效地区分这些包裹体捕获的相对序次 再将给定今埋深样品的各期次盐水包裹体平均均一温度 投影 到标有等温线的埋藏史图上 对应于时间轴上的年龄即代表油气充注储层的年龄 这是当前应用最多 也最为简便的一种确定油气成藏年龄的方法 第二层次是通过Rb 铷 Sr 锶 法和40Ar 39Ar法开展流体包裹体定年分析获得其绝对地质年龄 针对流体包裹体定年存在的缺陷 Mark等 2005 在前人成熟的钾长石Ar Ar法定年基础之上 提出了流体包裹体分析与自生钾长石Ar Ar定年相结合的方法 由此获得的温度 组分 时间 T X t 数据能够有效约束不同期次 不同组分流体流动的时间 分析对象主要为长石次生加大边及其俘获的包裹体 该方法分3个步骤 一是采集砂岩样品制成100 200 m厚度的双面抛光薄片 在偏光显微镜和荧光显微镜下对钾长石加大边中发育的油包裹体和盐水包裹体产状进行描述 在冷 热台下测定各期次油包裹体荧光颜色和均一温度 同期盐水包裹体均一温度和盐度 二是利用同一块砂岩样品250 300 m厚度的双面抛光薄片 通过偏光显微镜 透射电镜 TEM 扫描电镜 SEM 和冷 热阴极发光 CL 等手段 对发育油包裹体和盐水包裹体的钾长石次生加大边产状进行描述 以获取自生钾长石分布区带图 并送中子活化室照射 三是选取自生钾长石次生加大边中发育油包裹体和盐水包裹体两侧的合适剥蚀格 对选定的靶区经过UV激光融蚀微区提取足够的Ar量 打入配备电子倍增器高灵敏度质谱仪 从而获得各微区的Ar Ar年龄 误差 2 5Ma 将各期次油包裹体两侧剥蚀带的Ar Ar年龄算术平均值作为其该油包裹体的捕获年龄 如此就实现了不同期次油包裹体的精确定年 该方法要获得一条极其平坦的40Ar 39Ar曲线并不容易 另外 因需要中子活化 测试周期一般需要一年左右 成本也很高 这都在一定程度上影响其推广 该方法存在诸多不确定性 埋藏史图等温线需要预选获得古地温梯度 剥蚀厚度恢复极大地影响到埋藏史精度 储层中流体包裹体均一温度记录的是热流体 瞬间 温度 此温度常常高于储层在传导型温度场下的 背景 温度 由此造成 投影 获得的年龄偏年轻 对于那些发生穿层流体流动的地区 由于盐水包裹体均一温度远远高于埋藏史图上标注的最高温度 从而造成不能运用此方法获取油气充注年龄 7 油气成藏同位素年龄测定方法 放射性衰变定律 放射性母体核素衰变成稳定子体产生的速率与任一时间t时的原子数n成正比 为衰变常数 表示了一给定放射性原子在规定的时间内衰变的几率 上式从t 0到t积分 假设t 0时原子数为n0 代表一个放射性核素衰变速率的有用方式是 半衰期 t1 2 将n n0 2和t t1 2代入上述方程 放射性成因子体原子数D 等于消耗的母体原子数 如果t 0时 子体原子数为D0 时间t后子体原子数为 这个方程是地质年代学定年的根本 利用原油 沥青和干酪根中微量放射性金属U 铀 Pb 铅 Pb Pb Rb Sr Sm 钐 Nd 钕 和Re 铼 Os 锇 体系的同位素分析方法来获得油气生成 运移的年龄 是成熟的放射性同位素方法在石油地质学中的应用 Rb Sr Sm Nd和Re Os稀土元素体系在多数情况下的化学性质是不活泼的 这使得这些同位素体系可以保持良好的封闭状态 从而可以获得古老的年龄 1 微量和稀有金属同位素定年法 该方法定年较其他体系的优越性是铀的两个放射性同位素为238U和235U 分别衰变成两个铅同位素子体206Pb和207Pb 通过这两个衰变系列 可以获得3个年龄值 206Pb 207Pb 207Pb 235U和206Pb 238U 这些年龄值的差异可以指示在同位素平衡以后该体系受到干扰的程度 其关键是样品中放射性同位素的富集与分离 目前只是做到了沥青和干酪根样品中放射性同位素有效分离 原油中的分离还存在困难 从而限制了该方法的推广 理论依据 含油气储层中自生伊利石K Ar定年确定油气成藏年龄基于以下两个假设条件 1 自生伊利石沉淀之后钾和氩保持封闭体系 即没有钾和氩的加入 也没有钾和氩的逃逸 2 油气进入储层之后 伊利石沉淀便会终止 由此获得的年龄为油气成藏的最早年龄 在含钾的水介质条件下 砂岩矿物颗粒间发育自生伊利石 油气注入储集层达到较高的油气饱和度后 自生伊利石便终止生长 因此可以利用储集层中自生伊利石的最小年龄限定油气充注的最大年龄 2 自生伊利石K Ar定年法 地球中的钾倾向富集在硅铝质地壳内 其丰度为2 5 重量 自然界的含钾矿物主要有两类 一类是铝硅酸盐 如钾长石等 另一类是盐类 如钾盐 钾有三个天然同位素 39K 40K 41K其丰度分别为93 2581 0 01167 和6 7302 其中40K是天然放射性同位素 氩是惰性气体元素 自然界中主要存在于空气中 构成所谓大气氩 按体积计算 空气中氩的含量为0 934 在大气圈的化学组分中其量居第三位 氩有三个天然同位素 36Ar 38Ar 40Ar 它们的丰度分别为0 337 0 063 和99 600 40Ar是由40K放射衰变形成 不稳定的39Ar可经由宇宙射线轰击40Ar而生成 另外也可以经由39K的中子俘获而来 基本原理 40K经轨道电子俘获转变为稳定同位素40Ar 40K具有两种衰变方式 一是以 衰变形成稳定向位素40Ga 衰变的这部分40K占其总量的89 33 二是以电子俘获并伴随放出一个 光子而形成稳定同位素40Ar 衰变的这部分40K约占10 67 对于钾 氩和钙保持封闭的含钾体系 其放射成因40Ar和40Ga的增长用下式表示 40Ar 40Ga 40K e t 1 式中 是40K的总衰变常数 和 分别是40K衰变成40Ar和40Ga的衰变常数 样品中放射成因40Ar原子数的增长为 钾含量用原子吸收光谱 AAS VarianAA20 测定 方法为酸溶法 Ar同位素比值用VG3600质谱计采用同位素稀释法测定 样品分析过程中定期地用国际标样LP 6 黑云母 标准年龄 127 9 0 1 Ma和HD B1 黑云母 标准年龄 24 21 0 32 Ma对仪器稳定性进行监测 前提条件 必须有充分发育的伊利石成岩作用并且该伊利石成岩作用必须与油气注入事件具有成因联系 最大限度地剔除碎屑含钾矿物杂质并尽量使自生伊利石得到最大程度的富集 伊利石成因类型鉴定及含量分析 通常采用模拟自然风化过程的冷冻加热自动循环样品解离技术 从而保证分离提纯质量 并利用扫描电镜 SEM X射线衍射 XRD 和透射电镜 TEM 分析技术进行伊利石成因类型鉴定及其含量分析 40Ar 39Ar计时法是把含钾样品放入核反应堆接受快中子照射 此时39K核被打进一个中子 放出一个质子 转变成半衰期为269年的39Ar 即发生39K n p 39Ar反应 用质谱计测定被照射样品中的40Ar 39Ar比值 代替通常在K Ar法中的40Ar 40K比值 计算样品的地质年龄 3 自生伊利石Ar Ar定年法 基本原理 40Ar 39Ar法是通过用中子照射矿物岩石样品 使其中的39K转化为39Ar 利用传统的或激光加热技术提取40Ar和39Ar 依据40Ar和39Ar的含量来计算样品的年龄 当含钾样品在核反应堆中用中子照射时 样品通过中子照射所形成的39Ar的原子数为 其中 39K为被照射的样品中该同位素的原子数 T为照射的时间 长度 是能量为 的中子能量密度 为39K对具有 能量的中子的俘获截面 该面积的积分区间是中子的整个能谱 样品形成以来 样品中现有的放射成因40Ar的原子数为 定义一个参数J 用已知年龄值的标准样品确定核反应堆照射参数值 e为40K的电子俘获衰变常数 为40K的总衰变常数 待测样品和标准样品一起经过核反应堆快中子活化后 只需测定40Ar 39Ar同位素比值 即可确定待测样品的J值和年龄值 现代质谱计能够高精度地测定Ar同位素比值 因此 40Ar 39Ar法是高精度的同位素年龄测定方法 40Ar 39Ar法年龄计算基本公式为 与自生伊利石K Ar定年法相比 自生伊利石Ar Ar法定年表现出的优势体现在 1 精度提高 2 样品用量减少 3 40Ar 39Ar法能提供更加丰富的信息 包括矿物的缺陷 伊利石生长的多期性 受热历史等关于矿物结晶和埋藏史方面的信息 该方法的缺陷在于 1 由于需要进行核辐射 因而需要解决核照射带来的Ar原子反冲丢失 另外 该方法测试周期长 还存在粉末样品包装和放射性安全 以及如何分离和判别自生伊利石并对其定年等一系列问题 1 40Ar 39Ar法在一份中子活化样品上 测定其40Ar 39Ar比值 即可获得样品的年龄 避免两份样品不均匀性带来的误差 K Ar法在两份样品上分别测定K含量和40Ar含量 2 采用阶段加热逐步释气技术 获得不同温度阶段样品的年龄 组成一个样品的40Ar 39Ar年龄谱和等时线 可以反映K Ar体系可能受到的后期热扰动 为研究岩体隆升速率 构造 热历史等提供技术手段 3 40Ar 39Ar法是高精度的同位素定年技术 它使流体包裹体定年和钾矿物激光显微探针定年成为可能 40Ar 39Ar法主要优点 4 40Ar 39Ar法气体提取技术主要包括阶段加热 常规电热炉或连续激光器 紫外激光显微探针和真空击碎提取流体包裹体等 针对不同的测定对象和研究目的 采取适当的气体提取技术 激光显微探针释放出微量气体 要求仪器信号接收器具有较高的灵敏度 如电子倍增器 和极低的系统本底 与常规电热炉阶