hg东营凹陷深源热流体在油气形成中的作用

西北大学学报(自然科学网络版) 2004 年 1 月，第 2 卷，第 1 期 Science Journal of Northwest University Online Jan. 2004，Vol.2， No. 1 收稿日期：2003-09-11 基金项目：中国石油天然气总公司基金资助项目(EX-99-09) 审 稿 人：任战利，男，西北大学地质学系教授 东营凹陷深源热流体在油气形成中的作用 万丛礼 1，2,李元昊1, 李继红3, 赵密福4 （1.长庆油田公司 勘探开发研究院， 陕西 西安 720021；2.中国科学院兰州地质研究所，甘肃 兰州 730000；3.西北大 学 地质学系，陕西 西安 710069; 4.胜利油田公司 东辛采油厂，山东 东营 257062） 摘 要：通过有机碳、镜煤反射率和热解等分析，发现东营凹陷局部地区的烃源岩丰度和成熟度 出现异常。研究表明：这些地区发生了强烈的深源流体活动，深源流体是地下深部物质和热的重要 载体，流体的热作用加速了烃源岩的成熟；流体中的 H2对烃源岩起到加氢作用，扩大了其生烃量； 流体产生的高压大大提高了烃源岩的排烃率。认为深源流体显著提高了其活动区的油气丰度。 关 键 词：东营凹陷；深源流体；油气生成；排烃作用 中图分类号：TE 112.1 文献标识码：A 文章编号：1000-274X(2004)0046-06 沉积盆地中的流体，按成因可分为沉积流体和深源流体两大类。前者来源于地球表层、赋存于沉积 物孔隙中的流体（包括地层水、油和气等） ，并且分布广泛，几乎无处不在。后者指来自于中地壳以下及 地幔的流体（包括岩浆冷凝流体和地热流体） 。其中，岩浆冷凝流体是岩浆在冷却过程中析出的流体，而 地热流体是地下深部流体沿深大断裂直接上涌的结果，分布很局限。深源流体与沉积流体的物理和化学 性质都有很大差别，前者具有高温、高压和化学性质活泼之特点，成分以水为主，且含有大量的挥发组 分和金属成矿元素。深源流体大大改变了其活动区域的温度场、压力场和化学场，而这三场正是烃源岩 生烃演化、油气运移的能量来源。所以，深源流体活动区的烃源岩生烃演化和油气成因必然具有特殊性。 东营凹陷是渤海湾盆地内的一个重要的富油凹陷，火成岩和深源流体较为发育。早第三纪时由于深 大断裂活动加强，在沙三段主力生油层中形成了一些辉长岩体，主要有林南断层南缘的辉长岩群、石村 断层北缘的纯 104 井区辉长岩、博 17 井区辉长岩及高青断裂东部的通 35 井区辉长岩等（见图 1） ，为岩 浆冷凝 辉长岩 01020km 博17 纯104 滨18 通35 通35 金25 通85 博9 里1 林5 高81 高41 高 青 凸 起 鲁 西 隆 起 林南断裂 高青断裂 石村断裂 利津洼陷 博兴洼陷 牛庄洼陷 2 图 1 东营凹陷沙三段辉长岩平面分布 Fig.1 Distribution of gabbros in Dongying depression 流体的形成和活动奠定了基础。另外，通过气体地球化学、包裹体、古地温梯度、成岩矿物和重金属元 素等分析，证实凹陷北部边缘郝 1 井一带（无火成岩）也发生过深源流体活动1。本文通过深源流体对烃 源岩生烃、排烃作用研究，以探讨东营凹陷深源流体活动区的油气成因机理。 1 深源流体对烃源岩生烃的热作用 深源流体是物质和热量的重要载体，当流体从岩浆中分离出来或从深源上涌时，也带来大量的热。 不同类型岩浆的结晶温度不同，一般安山岩 9001 000，辉长岩 9001 150，闪长岩 770850，花岗 闪长岩 700800，花岗岩 700左右，玄武岩 1 0001 2502。即基性程度越高，火成岩的结晶温度越 高，当然它们分溢出的流体初始温度也越高。东营凹陷下第三系侵入岩绝大多数是基性辉长岩，所以它 们分溢出的流体温度相对较高，主要在 9001 150之间。由于这些流体的温度远远高于围岩温度，所以 其热量不断传递给围岩，并对围岩的成岩和生烃起到重要影响。 现以纯西地区为例。纯西地区沙三段主力烃源岩（暗色泥岩）中发育一面积达 28 km2，厚度 439m（平均为 17.4m）的辉长岩体。分析发现，辉长岩下伏泥岩具有深部成熟度低，而浅部成熟度高的 反常现象，且 CY14 和 CY23 两样品之间仅相差 16.5m，但它们的 Ro竟相差 7.77 倍，Tmax相差 63(见表 1，图 2)。这表明辉长岩及其热流体对烃源岩生烃起到了强大的促进作用，且主要是热流体作用的结果。 尽管岩浆冷凝流体只有岩浆的 5%10%（质量比）2，但由于其密度低、粘度小、化学性质活泼，能够轻 易进入到烃源岩内部，因此对其生烃起作用。然而，由于辉长体易于固结，对烃源岩的作用只有借助于 其分溢的流体加以实现。 表 1 1 纯 102102 井辉长岩下伏泥质烃源岩地化特征 Tab. 1 Geochemical characteristics of the source rocks under gabbro in well Chun 102 热 解样品 编号 距 辉 长岩/m 深 度 /m 岩 性 有机碳 /% 氯仿沥青 “A”/%Tmax/ S1/%S2/% Ro /% CY140.12 388.0堇青石角岩0.17很少，检不到5020.020.014.74 CY1610.22 398.1堇青石角岩0.15很少，检不到检不出0.000.00 CY1915.82 403.7泥质板岩0.220.009 24640.020.01 CY2316.62 404.5正常泥岩6.270.578 54391.0532.780.61 深源流体还可通过深大断裂直接上涌而成。如凹陷北部的郝科 1 井一带并无火成岩，但 3 900 m 处烃 源岩成熟度却发生突变，Ro由 0.7%猛增至 1.6%，而在 5 200 m 处又回落到区域变化线上。另外，包裹体 温度和实测井温表明，3 8004 800m 井段有高异常，而且镍、钴等元素丰度也非常高，反映该段地层曾 发生过强烈的深源热流体活动1。 温度是烃源岩生烃演化或油气形成的决定性因素，温度与反应速度呈指数关系，温度每升高 10 度， 反应速度就增加 24 倍3。据岩石化学法计算，纯西地区岩浆冷凝流体的初始温度高达 1 210（即辉长 岩的结晶温度） ，而埋藏史分析表明辉长岩侵入前该地层的温度只有 100左右。这说明深源流体大大提 3 高了流经区域烃源岩的温度，从而导致烃源岩早熟、高熟或过熟。 辉长岩中心相 辉长岩边缘相 辉长岩边缘相 堇青石角岩 堇青石角岩 板岩 板岩 正常泥岩 正常泥岩 正常泥岩油层辉长岩堇青石角岩板岩 油层 自然电位 /mV 岩 性 柱 电阻率/m 深度 /m Ro /% Tmax /TOC/% 可溶烃 mg.g -1 热解烃 mg.g -1 “A”/% 有机质丰度 辉长岩及围 岩相带划分 001.20.62.55300 600 0 3.5 7 0 0.35 0.70 35 变余泥岩 变余泥岩 变余泥岩 25- + 0 20 0 4 图 2 纯 102 井辉长岩及周围烃源岩综合柱状图 Fig.2 Geological column in the Chun-102 well where are gabbro 2 深源流体的成藏作用及其对烃源岩的加氢作用深源流体的成藏作用及其对烃源岩的加氢作用 近一二十年以来，通过探测和观察证实，地球深部存在丰富的无机天然气。如唐山大地震、宁河 6.9 级地震和塔吉克斯坦 6.7 级地震都观察到大量 CO2，CH4，H2等气体的排放以及地震时出现的地光。另外， 北纬 21。东太平洋隆脊热液喷口喷出的气体中含有丰富的 CO，CO2，CH4，C2H6，H2，H2S，N2，He 等 气体，而东非裂谷带上的基伍湖在水深 300 m 含 1.51 mg/g 的 CO2、0.4 mg/g 的 CH4 及高丰度的 H2S，N24。当构造活动或地震发生时，深部流体往往沿深大断裂上涌，遇到合适的圈闭时可形成无机气 藏，如松辽盆地的万金塔 CO2气藏，肇州西和昌德的烷烃气藏5，渤海湾盆地的平方王、平南和花沟 CO2气藏，以及世界上其他油气藏等均与深源流体有关6。许多大型油气田往往发育于裂谷带，其原因是 这些裂谷、断陷就是地球上规模最大的地球内部流体排放带4。 除直接形成无机气藏外，深源流体还与烃源岩发生相互作用，形成无机与有机混合的油气藏。流体 中的无机 H2，CH4就会在沉积物颗粒边缘同自由价相互作用，生成一系列甲基化合物，进而形成烃类组 分。研究发现，现代沉积物内游离基(游离氢、甲烷基和双基 CH2C2H4等)相互作用的速度多半取决于来自 流体中 H2，CH4的数量及沉积层的厚度和性质7,8。有机质与烃类相比主要是贫氢，即烃源岩的生烃演化 是一个加氢过程，外来氢的加入可以显著促进含氧基团化合物向烃类的转化，如脂肪酸在还原条件下通 过加氢作用生成烃类。 CH3(CH2)nCOOH+3H2CH3-(CH2)n-1-CH3+2H2O 4 根据上式，1 t H2通过加氢反应可以生成 2.67 t CH4（或 5 t C2H6，7.3 t C3H8或更多的其他烃类） ，即随着 碳原子数的增大，生成烃的数量也急剧升高。包裹体分析发现，东营凹陷高青、纯西等地区玄武岩中含 有丰富的无机烃类和氢气（见表 2） 。其中：CH4含量在不同的相态中差别较大，液相中含量虽然相对较 低，却稳定（015.2%） ，而气相中变化较大，最高达 28.2%；H2仅存在于气相中，含量为 028%。当这 些深源流体上涌进入沉积层以后，与烃源岩发生加氢反应，从而促进其生烃演化，并提高区域上油气的 丰度。如：纯西辉长岩周围发育大卢湖、博兴、纯梁和小营等多个油田；郝科 1 井一带也发育著名的胜 陀油田，这些油田与深源流体对烃源岩加氢生烃作用不无关系。 表 2 东营凹陷及邻区玄武岩和辉长岩流体包裹体成分 Tab. 2 Inclusion compositions of basalts and gabbros in the Dongying depression and its adjacent region *除纯西地区外，其他样品均引自文献9 3深源流体对烃源岩排烃作用深源流体对烃源岩排烃作用 3.1 深源流体对烃源岩排烃的影响 深源流体对烃源岩排烃具有重要的影响，其作用主要表现在两个方面，一是高压导致烃源岩大量裂 隙的形成，为排烃提供了通道；二是高压为排烃直接提供动力。一般，烃源岩中残余的有机质比较高， 一是由于烃源岩成熟度低，其中的大部分有机质不能成烃，另外已生成的烃往往由于排烃动力小和粘土 矿物吸附等而不能排出，影响了生烃量和排烃率。纯西辉长岩周围烃源岩除成熟度异常高之外，残余有 机质含量非常低，并且距辉长岩越近烃源岩有机质丰度越低，辉长岩下伏 15.8 m 内烃源岩中的可溶烃 （S1） 、热解烃（S2） 、氯仿沥青“A”和有机碳少得几乎检测不出来，在距辉长岩 16.6 m 处(CY23)有机质 丰度发生突变，可溶烃（S1） 、热解烃（S2） 、氯仿沥青“A”和有机碳分别达 1.05%，32.78%，0.578%和 6.27%，而该点的成熟度也基本恢复正常(Ro 0.61%，Tmax 439)。例如，虽然 CY19 和 CY23 两样品相距 气相/%液相/% 地区样号井号层位 寄主 矿物CO2N2H2SCH4COSO2H2OH2H2OCO2H2SCH4SO2 S2高气 2K辉石34.414.628.222.872.213.714.1 S4-1高气 41-1K辉石39.444.111.15.456.716.515.2 11. 6 S4-2高气 41-1K辉石54.310.932.02881.911.26.9 高 56高 56K橄榄石58.219.313.88.7424369 高青 高 41高 41Ek橄榄石57.514.713.614.2662286 S17阳 25Es3辉石72.712.79.74.928.443.16.711.99.9 阳 25阳 25 Es3 辉石64.56.420.98.24832911 阳 25-B阳 25 Es3 辉石56.826107.245261289 S15-1阳 20 Es3 辉石66.314.96.97.24.855.233.111.7 S15-2阳 20 Es3 辉石47.911.72911.48020 S15-3阳 20 Es3 辉石60.69.45.519.64.935.550.314.2 阳 20阳 20 Es4 橄榄石60.813.86.019.442499 阳信 阳 16阳 16 Es3 辉石68.710.814.46.1553411 纯西纯 103纯 103 Es3 辉石67.512.420.1365311 5 仅有 0.8 m，但氯仿沥青“A”相差 62.88 倍，有机碳相差 27.5 倍。再者，通过岩心和镜下鉴定发现 CY14，CY16，CY19 三样品的热变质程度依次减弱，并在 CY23 处恢复正常(见表 1，图 2)，说明热流体 在提高烃源岩成熟度的同时还大大促进了排烃作用。 3.2 流体对烃源岩的排烃作用机理 首先，流体从岩浆中分溢出来时能够产生“水力断裂”现象，从而导致周围烃源岩形成大量裂隙。 研究发现，如果初始含水 2.0%(质量分数)的岩浆侵位于 2 km 深处，当约 33%的岩浆发生结晶时会被水饱 和。此后，熔体的进一步冷却与结晶将导致“后退沸腾”(或“二次沸腾”)，发生后退沸腾时岩浆熔体的 体积膨胀，内积增大。体积的增大与熔体饱和水的含量成正比，与压力成反比。当含水 2.7%的花岗岩熔 体在 2 km 深处全部结晶时，体积将膨胀 50%，所积聚的内压可高达 n100 MPa(n1 000 kg/cm2)，而最 坚韧围岩的抗张强度仅有 n10 MPa。因此，多数刚性围岩难以借塑性形变适应如此巨大的体积改变，因 而必将发生脆性断裂（水力断裂） ，导致围岩大量放射状和同心圆状裂隙的形成10。纯西辉长岩周围烃源 岩中发育大量的裂隙，并为原油充填，已经成为特殊的储集层，表明这些裂隙也曾经是排烃的重要通道。 再者，热流体对烃源岩排烃作用还与其化学性质有关。深源流体中的 CO2，CO，N2化学性质比较稳 定，但都能够溶于原油中，大大降低原油的粘度、密度和凝固点，从而降低了排烃阻力。虽然 CO2开始 与原油接触时一般不能混相，但它可形成一个类似于气驱过程的混相前缘。当 CO2萃取了大量的重烃组 分（C5C30）后，便产生了可混性。由于 CO2和 N2的这种性质，所以它们成为油气开采中的重要驱油 剂。 4 4 结 论 深源流体对油气生成具有重要的促进作用，主要表现在以下 3 个方面。 1）热作用。深源流体携带的热能使烃源岩早熟、高熟甚至过熟。 2）加氢作用。深源流体中的甲烷和氢气对烃源岩起到显著的加氢作用，加大了生烃量。 3）排烃作用。深源流体的异常高压导致烃源岩大量裂隙（排烃通道）的形成，为排烃提供通道和动 力，从而提高了排烃率。 深源流体活动区的烃源岩具有早熟、高熟及油气丰富等特点，这一认识对该地区油气勘探具有重要 指导意义。因此，深源流体活动区的油气研究应引起石油工作者的足够重视。 参考文献： 1曾溅辉. 东营凹陷热流体活动及其对水-岩相互作用的影响J. 地球科学，2000，25（2）：133-136. 2袁见齐，朱上庆，翟裕生. 矿床学M . 北京：地质出版社，1993. 96-98. 3曾国寿，徐梦虹，石油地球化学M. 北京：石油工业出版社，1990. 64. 4欧阳自远，倪集众，项仁杰，等. 地球化学、历史、现状与发展趋势M. 北京：原子能出版社，1996. 27-29. 6 5郭占谦，杨步增，李星军,等. 松辽盆地无机气藏模式J. 天然气工业，2000，6（20）：30-33. 6戴金星，裴锡古，戚厚发. 中国天然气地质学. 卷 2M. 北京：石油工业出版社，1996. 189. 7冯秀芳. 烃类形成过程中的热液脱气作用J. 石油地质信息，1997，18（4）：222-227. 8单金榜. 外部氢源对沉积岩中烃类形成的必要性J. 石油地质信息，1997, 18（1）：13-15. 9赫 英，王定一，冯有良，等. 胜利油田火山岩中的流体包裹体成分及其意义J . 地球化学，1996, 25（5）：468-474. 10涂光炽，刘英俊，祁思敬，等. 矿床地球化学M. 北京：地质出版社，1996. 246. （编辑 张银玲） Hydrothermal fluid effect on generating of oil and gas in Dongying Depression WAN Cong-li1,2, LI Yuan-hao1, LI Ji-hong3, ZHAO Mi-fu4 (1.Research Institute of Exploration and Development, Changqing Oilfield Company, Xian 710021, China; 2.The Geology Institute of China, Lanzhou 730000, China; 3.Department of Geology, Northwest University, Xian 710069, China; 4. Dongxin Oil Extraction Factory, Shengli Oilfield Company, Dongying 250162, China) Abstract: On the basis of organic carbon, Ro and pyrogenation, it was found that violent hydrothermal fluid happened in the main source rocks in part areas of the Dongying depression. The hydrothermal fluid is important medium of matter and energy,