發(fā)布時(shí)間：2014-12-20 20:25

 

【摘要】 烴源巖與火山巖沉積接觸的組合關(guān)系對(duì)油氣成藏尤為重要，巖漿活動(dòng)帶來(lái)的火山物質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的生烴及油氣的成藏有重要的影響�；鹕綆r在形成過(guò)程中或之后伴有一定量的火山流體存在，火山流體對(duì)周圍地層化學(xué)性質(zhì)的影響十分顯著�；鹕搅黧w對(duì)烴源巖的生排烴有復(fù)雜的作用過(guò)程，包括加氫作用、加熱作用、催化作用等。由于火山流體的成分復(fù)雜，模擬實(shí)驗(yàn)難于操作和定量分析，其對(duì)烴源巖生烴影響的熱模擬實(shí)驗(yàn)較少。本文將從火山流體的熱模擬的實(shí)驗(yàn)著手，研究火山流體對(duì)烴源巖生烴的影響，建立火山流體運(yùn)動(dòng)演化的數(shù)學(xué)模型，并以松遼盆地徐家圍子斷陷為例，對(duì)區(qū)域內(nèi)的火山流體運(yùn)動(dòng)演化進(jìn)行了解剖，預(yù)測(cè)了徐家圍子斷陷火山流體的流動(dòng)趨勢(shì)并圈定火山流體的影響范圍。具體的研究?jī)?nèi)容和認(rèn)識(shí)包括以下3個(gè)方面：（1）不同火山流體對(duì)烴源巖生烴影響的討論本研究經(jīng)過(guò)168次實(shí)驗(yàn)，首次實(shí)現(xiàn)了酸性和基性火山流體對(duì)烴源巖生烴產(chǎn)物的半定量-定量評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，300-350℃酸性流體對(duì)非烴和烴類氣均具有促進(jìn)作用；基性流體抑制非烴氣體產(chǎn)生，對(duì)烴類氣體有先促進(jìn)、后抑制的作用。400-450℃兩種火山流體對(duì)烴類氣體均呈明顯抑制作用，對(duì)非烴氣體呈促進(jìn)作用�；�性流體影響了液態(tài)飽和烴產(chǎn)物成分，使碳數(shù)范圍有縮小趨勢(shì)；酸性流體對(duì)液態(tài)飽和烴成分無(wú)影響。300℃-350℃酸性流體對(duì)液態(tài)烴產(chǎn)量有促進(jìn)作用，基性流體對(duì)液態(tài)烴產(chǎn)量有抑制作用；400℃-450℃酸性、基性流體對(duì)液態(tài)烴產(chǎn)量均具有促進(jìn)作用。（2）熱模擬數(shù)據(jù)多元分析的討論將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析，分析結(jié)果表明溫度與CH4、C2、C3、iC4-nC5、總烴、總非烴和總氣體產(chǎn)量呈正相關(guān)，而與CO2、CO、H2S氣體產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。熱模擬實(shí)驗(yàn)存在臨界溫度，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度小于臨界溫度時(shí)，產(chǎn)氣量隨溫度的升高而增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度大于臨界溫度時(shí)，產(chǎn)氣量隨溫度的升高而降低。干燥體系的臨界溫度存在于350℃-400℃之間。流體體系的臨界溫度存在于400℃-450℃之間，酸性和基性火山流體均使產(chǎn)氣臨界溫度升高，火山流體條件下的烴源巖生氣窗口變寬，增加了天然氣生成量。（3）火山流體運(yùn)動(dòng)演化數(shù)值模擬研究及典型實(shí)例解剖火山流體的運(yùn)動(dòng)演化取決于火山流體本身的成分、溫度和壓力等因素。一般來(lái)說(shuō)，火山流體中SiO2和Al2O3含量越高，粘度越高，而火山流體的中的揮發(fā)性物質(zhì)卻可以降低火山流體的粘度。火山流體的粘度、圍巖的孔滲特征、地層的壓力等條件決定了火山流體的分布范圍。本文以松遼盆地徐家圍子斷陷為例，利用火山巖的全巖成分，計(jì)算特定溫壓條件下火山流體的密度、粘度等參數(shù)。同時(shí)，依據(jù)現(xiàn)今地層的物性和物探數(shù)據(jù)恢復(fù)徐家圍子斷陷的古埋深、古孔隙度和古地層壓力。在此基礎(chǔ)上將流體勢(shì)的概念引入到火山流體的運(yùn)動(dòng)演化的數(shù)值模擬中，利用以上數(shù)據(jù)首次計(jì)算徐家圍子斷陷的古火山流體勢(shì)，并最終圈定徐家圍子營(yíng)一段火山流體對(duì)沙河子烴源巖的影響范圍約628km2，徐家圍子營(yíng)三段火山流體對(duì)沙河子烴源巖的影響范圍約161km2。 

第1章 前言

 

1.1 選題基礎(chǔ)、依據(jù)及意義

1.1.1 選題基礎(chǔ)

本論文選題來(lái)源于國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）項(xiàng)目《火山巖油氣藏的形成機(jī)制與分布規(guī)律》的 06課題《火山作用的成烴、成藏效應(yīng)》（課題編號(hào)：2009CB219306）。

1.1.2 選題依據(jù)

（1）火山巖與烴源巖沉積接觸現(xiàn)象在沉積盆地中內(nèi)普遍存在。烴源巖與火山巖沉積接觸的組合關(guān)系對(duì)油氣成藏尤為重要，巖漿活動(dòng)帶來(lái)的火山物質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)的生烴及油氣的成藏有重要的影響。而這種火山巖與烴源巖的沉積接觸關(guān)系在沉積盆地中普遍存在。

Bazhenova O.K.等人（1998）對(duì)堪察加半島東部 Uzon 破火山口地區(qū)油氣的成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為該區(qū)破火山口中火山熱液對(duì)湖相沉積烴源巖的生烴有重要的影響。Yagi M.等人（2009）對(duì)日本福山弧后盆地中火山噴發(fā)及沉積過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，認(rèn)為該盆地內(nèi)火山巖形成于深海爆發(fā)環(huán)境，周圍沉積巖屬同期沉積，這種同沉積期的火山噴溢活動(dòng)對(duì)烴源巖的演化貢獻(xiàn)最大。同樣的例子在日本并不罕見(jiàn)，塔拉納基盆地中的火山巖油氣田與福山的弧后盆地火山巖油氣田成藏過(guò)程及其相似（BergmanC.et al.,1991; Herzer R.H.et al, 1995）。

我國(guó)東部地區(qū)，以渤海灣盆地最為典型。存在烴源巖沉積環(huán)境中形成的火山巖，雖然規(guī)模較小，卻為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成提供了條件。在渤海灣盆地的東濮凹陷橋口地區(qū)和東營(yíng)凹陷濱南地區(qū)均存在火山巖與烴源巖沉積共存的現(xiàn)象，兩區(qū)域中的火山巖均夾于暗色泥頁(yè)巖之間（圖 1.1）。東濮凹陷的沙四段時(shí)期，三春集到徐集地區(qū)火山活動(dòng)頻繁。其中，三春集地區(qū)的火山巖主要分布在沙四上部亞段的底部，與紅色地層共生，到了沙三段沉積期，火山的活動(dòng)中心轉(zhuǎn)移到橋口地區(qū)，對(duì)橋口地區(qū)的沉積相的研究結(jié)果表明橋口地區(qū)沙河街組屬于淺湖-半深湖相，暗色泥巖之間常夾有火山巖（薛國(guó)剛等，2011）。

 

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

1.2.1 火山巖油氣藏研究現(xiàn)狀

以往全球油氣勘探幾乎都集中于海相或陸相盆地沉積巖中，火山巖分布區(qū)一般被看成尋找油氣的禁區(qū)。但是隨著油氣勘探技術(shù)進(jìn)步及石油地質(zhì)理論不斷深化，國(guó)內(nèi)外已在火山巖中發(fā)現(xiàn)了一系列大中型油氣藏，火山巖特殊儲(chǔ)層油氣藏日益受到地質(zhì)家與勘探家的重視。

我國(guó)火山巖油氣藏勘探已有 60 余年歷史，自二十世紀(jì) 50 年代，在新疆準(zhǔn)噶爾盆地西北緣發(fā)現(xiàn)了火山巖油氣田，到1990年代又在渤海灣盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、海拉爾盆地發(fā)現(xiàn)了一系列中小型火山巖油氣藏（曾廣策等，1997；代詩(shī)華等，1997； ChenZ.Y. et al.，1999）。進(jìn)入二十一世紀(jì)，中國(guó)石油天然氣股份公司逐步加大對(duì)火山巖勘探領(lǐng)域探索，先后在東北松遼盆地發(fā)現(xiàn)徐深、長(zhǎng)嶺大氣田。在西部準(zhǔn)噶爾盆地、三塘湖盆地發(fā)現(xiàn)克拉麥麗大氣田、牛東大油田；極大推動(dòng)了我國(guó)火山巖領(lǐng)域油氣勘探（劉嘉麒等，2010）。同時(shí)在浙江、福建和廣東省一帶中生代火山巖發(fā)育區(qū)，我國(guó)東海大陸架盆地中的長(zhǎng)江凹陷、甌江凹陷和海礁凸起等中新生代火山巖發(fā)育區(qū)，都開(kāi)始尋找火山巖油氣藏（林如錦等，1995；呂炳全等，2003；王民，2010；張光亞等，2010）。這些火山巖油氣田的發(fā)現(xiàn)展示出我國(guó)火山巖油氣藏巨大的勘探潛力和良好地勘探遠(yuǎn)景。但對(duì)于火山巖特殊油氣藏，其火山作用的成烴效應(yīng)、火山巖改造、火山巖油氣成藏、火山巖油氣藏分布規(guī)律等基礎(chǔ)性科學(xué)問(wèn)題亟待解決。人們?cè)谡J(rèn)識(shí)火山作用對(duì)烴源巖及油氣藏具有破壞作用的同時(shí)也認(rèn)識(shí)到火山作用對(duì)烴源巖的有利作用，因此，自二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，逐步開(kāi)始探索與火山作用有關(guān)的成烴效應(yīng)。

1.2.2 火山作用對(duì)烴源巖影響的研究現(xiàn)狀

火山作用對(duì)烴源巖的“促效”作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是溫度場(chǎng)的影響；高溫巖漿所攜帶的大量深部熱能不斷向相鄰地層傳遞，最終帶到熱平衡狀態(tài)。在一直過(guò)程中，熱能對(duì)烴源巖的演化起到重要的作用。尤其是侵入體的異常高溫場(chǎng)對(duì)烴源巖演化的影響方面，盧雙舫（2000；2003）、金強(qiáng)（2011）、王民（2010a；2010b；2010c）等人已研究的十分深入，本文不詳細(xì)闡述。二是火山物質(zhì)的影響�；鹕轿镔|(zhì)的化學(xué)形式比較活躍，如火山巖攜帶了一些對(duì)烴源巖生烴演化有益的下地殼或幔源物質(zhì)，火山巖在形成過(guò)程中或之后伴有一定量的火山流體存在，火山流體對(duì)周圍地層化學(xué)性質(zhì)的影響十分顯著，這也是本文研究的主要內(nèi)容之一。

 

第2章 火山流體促烴效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)方法及樣品處理

 

2.1 實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)

烴源巖的生烴模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為研究資源評(píng)價(jià)、油源對(duì)比等方面的重要手段，隨著技術(shù)的進(jìn)步，生烴模擬實(shí)驗(yàn)的方法也有很大的改進(jìn)。目前按照體系的封閉程度分為開(kāi)放、半開(kāi)放和封閉 3 種，這 3 種實(shí)驗(yàn)體系的優(yōu)缺點(diǎn)不同，可以根據(jù)研究目的的不同選擇相應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析（王治朝，2009；米敬奎，2009）。

汪名友（2010）、Xuanlong Shan（2013）等人已經(jīng)就溫度對(duì)烴源巖生烴影響的模擬實(shí)驗(yàn)做了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為隨著溫度的升高火山流體提高了液態(tài)產(chǎn)物的生成率，對(duì) CO2的生成有促進(jìn)作用，而對(duì)烴類氣體的生成有抑制作用。本文將在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同成分的火山流體，以及不同類型的烴源巖樣品，進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，探討相同溫壓條件不同火山流體對(duì)源巖生烴過(guò)程的影響。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)原理

模擬實(shí)驗(yàn)是以干酪根熱降解成烴原理和有機(jī)質(zhì)演化的原理為理論依據(jù)，模擬有機(jī)質(zhì)的形成及其變化特征，探討不同溫壓和催化條件下，生烴組分、化學(xué)反應(yīng)方向等實(shí)驗(yàn)信息，為認(rèn)識(shí)成烴機(jī)制和建立成烴模式提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1.2 火山流體

火山流體是從巖漿中分離出來(lái)的具有一定的溫度、壓力和化學(xué)性質(zhì)活潑的流體，成分以水為主，并含有揮發(fā)性組分和金屬成礦元素，具有密度低、粘度小、流動(dòng)性大等特征（翟慶龍，2003）。其中，揮發(fā)性組分主要為 CO2、H2、CH4、CO 等（金強(qiáng)等，1999）；金屬成礦元素則是都以較高濃度的 Ni、Co、Cu、Mn、Zn、Ti 和 V 等過(guò)渡金屬為特征（PeuterJ.H.et al，1977；LowensteinT.K.etal，1989） 。

 

2.2 樣品選取及測(cè)試

熱模擬實(shí)驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備共分兩部分，一是火山巖樣品的測(cè)試，二是烴源巖樣品的測(cè)試。

2.2.1 火山巖樣品的測(cè)試

火山流體的組成十分復(fù)雜，特別是揮發(fā)性和金屬元素的組分和含量，很難配置出地質(zhì)條件下的火山流體。從火山流體的概念中，我們知道火山流體的主要組分為水，為了更好的模擬地質(zhì)條件下的火山流體，采用火山巖加水來(lái)模擬火山流體，這樣做具有很強(qiáng)的可操作性�；鹕綆r樣品的測(cè)試內(nèi)容包括流體包裹體測(cè)試和全巖組分測(cè)試兩部分，流體包裹體測(cè)試是為了確認(rèn)火山流體中揮發(fā)性組分，而全巖組分測(cè)試是為了確定火山巖成分的差異，為計(jì)算高溫條件下火山流體的密度和粘度做鋪墊。

（1）流體包裹體測(cè)試分析

由于火山巖流體中揮發(fā)性組分的不確定性，所以只能選取幾種含量較大、具有代表性的揮發(fā)性組分來(lái)表征火山巖流體中揮發(fā)性組分的情況。本文對(duì)松遼盆地火山巖中發(fā)育的液體包裹體進(jìn)行了系統(tǒng)的觀察與研究，選出 14個(gè)樣品進(jìn)行室內(nèi)流體包裹體研究及測(cè)試分析工作。包裹體測(cè)試分析工作在吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院地質(zhì)流體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。具體分析測(cè)試內(nèi)容包括流體包裹體巖相學(xué)研究及單個(gè)包裹體激光拉曼光譜成分分析。研究認(rèn)為該區(qū)的各類火山巖中流體包裹體發(fā)育程度差異較大，其中，流紋巖、玄武巖中流體包裹體較為發(fā)育，而英安巖、安山巖、凝灰?guī)r以及煌斑巖中流體包裹體發(fā)育很少，尤其適合進(jìn)一步測(cè)溫研究或進(jìn)行成分分析的流體包裹體極為少見(jiàn)，故本次工作僅對(duì)流紋巖、玄武巖中的流體包裹體進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究（表 2.1）。本次試驗(yàn)在吉林大學(xué)地質(zhì)流體實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，儀器為英國(guó) Renishaw system-1000 型激光拉曼光譜儀。

 

第3章 酸性火山流體對(duì)烴源巖生烴效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)分析..........32

3.1 酸性火山流體對(duì)氣體產(chǎn)物及其組分的影響..............32

3.1.1 烴類氣體...................32

3.1.2 非烴氣體...............37

第4章 基性火山作流體對(duì)烴源巖生烴效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)分析...........53

4.1 基性火山流體對(duì)氣體產(chǎn)物及其組分的影響..................53

4.1.1 烴類氣體..............53

第5章 不同火山流體對(duì)烴源巖生烴影響及產(chǎn)物相關(guān)性分析......73

5.1 不同火山流體對(duì)烴源巖氣態(tài)烴產(chǎn)物影響.............73

5.2 不同火山流體對(duì)烴源巖液態(tài)烴產(chǎn)物影響...........76

 

第7章 火山流體運(yùn)動(dòng)演化實(shí)例解剖

 

存在火山流體的區(qū)域在我國(guó)東西部均有較為典型的地區(qū)。本文選擇松遼盆地徐家圍子作為火山流體運(yùn)動(dòng)演化研究的解剖對(duì)象。

 

7.1 徐家圍子勘探現(xiàn)狀

大慶探區(qū)的深層勘探自上個(gè)世紀(jì)六十年代開(kāi)始至今，已經(jīng)經(jīng)歷了五十多年的艱難勘探開(kāi)發(fā)的歷程。1976 年深部油氣藏勘探，正式開(kāi)始，明確將泉頭組一、二段及其以下地層稱為深層。到1985 年，在盆地的邊部、隆起區(qū)和構(gòu)造高部等區(qū)位均有鉆井。經(jīng)10余年的研究，終于對(duì)松遼盆地北部得深層構(gòu)造格局、地層展布、烴源巖得發(fā)育以及儲(chǔ)層特征有了初步的了解，并在肇州地區(qū)發(fā)現(xiàn)了基巖風(fēng)化殼氣藏（霍秋立，2007）。

1986-2000 年，這 15 年間，經(jīng)刻苦的堅(jiān)持研究，對(duì)深層地質(zhì)條件有了較為清晰的認(rèn)識(shí)，確定了徐家圍子斷陷是天然氣儲(chǔ)層最有利勘探區(qū)，并發(fā)現(xiàn)了昌德和汪家屯－升平氣藏。在此期間，對(duì)古中央隆起帶、鶯山－雙城斷陷帶、徐家圍子－古龍斷陷帶以及濱北斷陷區(qū)進(jìn)行了一區(qū)域性的評(píng)價(jià)性鉆探，共計(jì)完成深層探井 73 口。

2001 以來(lái)，徐家圍子斷陷成為勘探的重點(diǎn)，在徐家圍子徐中斷裂構(gòu)造帶部署預(yù)探井徐深1井獲53萬(wàn)方的高產(chǎn)工業(yè)氣流，實(shí)現(xiàn)了松遼盆地深層天然氣勘探的重大突破（杜金虎等，2010）。針對(duì)深層地層，完成三維地震勘探 1947.56km2，深層探井 35 口，不乏超百萬(wàn)方的無(wú)阻流量高產(chǎn)工業(yè)氣流井，最為典型的是徐深 1 井。徐深1井的成功鉆探，標(biāo)志著徐家圍子斷陷天然氣深層勘探進(jìn)入戰(zhàn)略突破階段（霍秋立，2007）。

截止到 2006 年，松遼盆地深層有效勘探面積為 41860km2，完成二維地震勘探27213km，三維地震勘探 9136km2，發(fā)現(xiàn)了昌德、肇州西、汪家屯、升平、徐深 1 等含氣區(qū)塊（裴東洋，2013）。徐家圍子斷陷勘探完成預(yù)探井 81 口，評(píng)價(jià)井 31 口，共 112 口。其中，獲工業(yè)氣流井 38 口，低產(chǎn)氣流井 30 口，提交儲(chǔ)量達(dá)千億方，展示出松遼盆地徐家圍子斷陷深層天然氣廣闊的勘探前景（霍秋立，2007）。

 

第8章 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

基于以上研究，總結(jié)一下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）火山流體對(duì)不同烴源巖的成烴效應(yīng)存在明顯的差異，在不同溫度下成烴效應(yīng)也不同，這表明流體成分、烴源巖類型和溫度是成烴效應(yīng)的主控因素。

酸性火山流體熱模擬實(shí)驗(yàn)中，Ⅲ 型烴源巖的總烴類氣體產(chǎn)量和甲烷氣體產(chǎn)量最高，Ⅰ、Ⅱ型產(chǎn)量相近。高溫階段（400℃-450℃），Ⅰ型烴源巖總非烴氣體產(chǎn)量最高，Ⅲ 型次之，Ⅱ型的非烴氣體產(chǎn)量最低。基性火山流體熱模擬實(shí)驗(yàn)中，筆耕文化傳播，Ⅰ型烴源巖總烴類氣體產(chǎn)量和甲烷氣體產(chǎn)量最高，Ⅱ型次之，Ⅲ型最低。Ⅰ型和Ⅱ型烴源巖總非烴氣體產(chǎn)量高，Ⅲ 型最低�；鹕搅黧w的生烴效應(yīng)實(shí)質(zhì)是對(duì)烴源巖生烴的催化效應(yīng)。

（2）火山流體的成分決定了不同類型烴源巖產(chǎn)物的變化趨勢(shì)。因此進(jìn)行區(qū)域火山流體研究時(shí)，需先確定火山流體的性質(zhì)。相同成分的火山流體對(duì)不同類型烴源巖產(chǎn)物產(chǎn)量變化趨勢(shì)的影響基本相同；不同成分的火山流體體對(duì)同類烴源巖產(chǎn)物產(chǎn)量變化趨勢(shì)的影響差異較大。

（3）隨著溫度的升高，烴源巖的烷烴類氣體、總非烴類氣體和H2的產(chǎn)率逐漸升高，而 CO2、CO、和H2S氣體產(chǎn)率逐漸降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析，可以判斷溫度與 CH4、C2、C3、iC4-nC5、H2、總烴、總非烴和總氣體產(chǎn)量呈正相關(guān)，而與CO2、CO、H2S氣體產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)。

（4）酸性和基性火山流體均使產(chǎn)氣臨界溫度升高，說(shuō)明火山流體條件下的烴源巖生氣窗口變寬，增加了天然氣生成量。

干燥體系的臨界溫度存在于 350℃-400℃之間。流體體系的臨界溫度存在于400℃-450℃之間。當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度小于臨界溫度時(shí)，產(chǎn)氣量隨溫度的升高而增大，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度大于臨界溫度時(shí)，產(chǎn)氣量隨溫度的升高而降低。

（5）結(jié)合徐家圍子實(shí)際地質(zhì)條件，對(duì)徐家圍子地區(qū)古孔隙度、古埋深以及古地層壓力進(jìn)行恢復(fù)，計(jì)算徐家圍子古流體勢(shì)，并利用拉普拉斯算子圈定徐家圍子營(yíng)一段火山流體的影響范圍約 828km2，徐家圍子營(yíng)三段火山流體的影響范圍約161km2。

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