【摘要】 烴源巖與火山巖沉積接觸的組合關系對油氣成藏尤為重要，巖漿活動帶來的火山物質對有機質的生烴及油氣的成藏有重要的影響。火山巖在形成過程中或之后伴有一定量的火山流體存在，火山流體對周圍地層化學性質的影響十分顯著。火山流體對烴源巖的生排烴有復雜的作用過程，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雜，模擬實驗難于操作和定量分析，其對烴源巖生烴影響的熱模擬實驗較少。本文將從火山流體的熱模擬的實驗著手，研究火山流體對烴源巖生烴的影響，建立火山流體運動演化的數(shù)學模型，并以松遼盆地徐家圍子斷陷為例，對區(qū)域內的火山流體運動演化進行了解剖，預測了徐家圍子斷陷火山流體的流動趨勢并圈定火山流體的影響范圍。具體的研究內容和認識包括以下3個方面：（1）不同火山流體對烴源巖生烴影響的討論本研究經(jīng)過168次實驗，首次實現(xiàn)了酸性和基性火山流體對烴源巖生烴產物的半定量-定量評價。實驗結果顯示，300-350℃酸性流體對非烴和烴類氣均具有促進作用；基性流體抑制非烴氣體產生，對烴類氣體有先促進、后抑制的作用。400-450℃兩種火山流體對烴類氣體均呈明顯抑制作用，對非烴氣體呈促進作用。基性流體影響了液態(tài)飽和烴產物成分，使碳數(shù)范圍有縮小趨勢；酸性流體對液態(tài)飽和烴成分無影響。300℃-350℃酸性流體對液態(tài)烴產量有促進作用，基性流體對液態(tài)烴產量有抑制作用；400℃-450℃酸性、基性流體對液態(tài)烴產量均具有促進作用。（2）熱模擬數(shù)據(jù)多元分析的討論將實驗數(shù)據(jù)進行經(jīng)驗正交函數(shù)分析，分析結果表明溫度與CH4、C2、C3、iC4-nC5、總烴、總非烴和總氣體產量呈正相關，而與CO2、CO、H2S氣體產量呈負相關。熱模擬實驗存在臨界溫度，當實驗溫度小于臨界溫度時，產氣量隨溫度的升高而增大，當實驗溫度大于臨界溫度時，產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）火山流體運動演化數(shù)值模擬研究及典型實例解剖火山流體的運動演化取決于火山流體本身的成分、溫度和壓力等因素。一般來說，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，計算特定溫壓條件下火山流體的密度、粘度等參數(shù)。同時，依據(jù)現(xiàn)今地層的物性和物探數(shù)據(jù)恢復徐家圍子斷陷的古埋深、古孔隙度和古地層壓力。在此基礎上將流體勢的概念引入到火山流體的運動演化的數(shù)值模擬中，利用以上數(shù)據(jù)首次計算徐家圍子斷陷的古火山流體勢，并最終圈定徐家圍子營一段火山流體對沙河子烴源巖的影響范圍約628km2，徐家圍子營三段火山流體對沙河子烴源巖的影響范圍約161km2。 

第1章 前言

 

1.1 選題基礎、依據(jù)及意義

1.1.1 選題基礎

本論文選題來源于國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）項目《火山巖油氣藏的形成機制與分布規(guī)律》的 06課題《火山作用的成烴、成藏效應》（課題編號：2009CB219306）。

1.1.2 選題依據(jù)

（1）火山巖與烴源巖沉積接觸現(xiàn)象在沉積盆地中內普遍存在。烴源巖與火山巖沉積接觸的組合關系對油氣成藏尤為重要，巖漿活動帶來的火山物質對有機質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系在沉積盆地中普遍存在。

Bazhenova O.K.等人（1998）對堪察加半島東部 Uzon 破火山口地區(qū)油氣的成因進行了分析，認為該區(qū)破火山口中火山熱液對湖相沉積烴源巖的生烴有重要的影響。Yagi M.等人（2009）對日本福山弧后盆地中火山噴發(fā)及沉積過程進行了詳細的描述，認為該盆地內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對烴源巖的演化貢獻最大。同樣的例子在日本并不罕見，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程及其相似（BergmanC.et al.,1991; Herzer R.H.et al, 1995）。

我國東部地區(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巖之間（圖 1.1）。東濮凹陷的沙四段時期，三春集到徐集地區(qū)火山活動頻繁。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，火山的活動中心轉移到橋口地區(qū)，對橋口地區(qū)的沉積相的研究結果表明橋口地區(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（薛國剛等，2011）。

 

1.2 國內外研究現(xiàn)狀及存在的問題

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進步及石油地質理論不斷深化，國內外已在火山巖中發(fā)現(xiàn)了一系列大中型油氣藏，火山巖特殊儲層油氣藏日益受到地質家與勘探家的重視。

我國火山巖油氣藏勘探已有 60 余年歷史，自二十世紀 50 年代，在新疆準噶爾盆地西北緣發(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；代詩華等，1997； ChenZ.Y. et al.，1999）。進入二十一世紀，中國石油天然氣股份公司逐步加大對火山巖勘探領域探索，先后在東北松遼盆地發(fā)現(xiàn)徐深、長嶺大氣田。在西部準噶爾盆地、三塘湖盆地發(fā)現(xiàn)克拉麥麗大氣田、牛東大油田；極大推動了我國火山巖領域油氣勘探（劉嘉麒等，2010）。同時在浙江、福建和廣東省一帶中生代火山巖發(fā)育區(qū)，我國東海大陸架盆地中的長江凹陷、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)展示出我國火山巖油氣藏巨大的勘探潛力和良好地勘探遠景。但對于火山巖特殊油氣藏，其火山作用的成烴效應、火山巖改造、火山巖油氣成藏、火山巖油氣藏分布規(guī)律等基礎性科學問題亟待解決。人們在認識火山作用對烴源巖及油氣藏具有破壞作用的同時也認識到火山作用對烴源巖的有利作用，因此，自二十世紀八十年代開始，逐步開始探索與火山作用有關的成烴效應。

1.2.2 火山作用對烴源巖影響的研究現(xiàn)狀

火山作用對烴源巖的“促效”作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是溫度場的影響；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)。在一直過程中，熱能對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對烴源巖演化的影響方面，盧雙舫（2000；2003）、金強（2011）、王民（2010a；2010b；2010c）等人已研究的十分深入，本文不詳細闡述。二是火山物質的影響。火山物質的化學形式比較活躍，如火山巖攜帶了一些對烴源巖生烴演化有益的下地殼或幔源物質，火山巖在形成過程中或之后伴有一定量的火山流體存在，火山流體對周圍地層化學性質的影響十分顯著，這也是本文研究的主要內容之一。

 

第2章 火山流體促烴效應模擬實驗方法及樣品處理

 

2.1 實驗理論基礎

烴源巖的生烴模擬實驗已經(jīng)成為研究資源評價、油源對比等方面的重要手段，隨著技術的進步，生烴模擬實驗的方法也有很大的改進。目前按照體系的封閉程度分為開放、半開放和封閉 3 種，這 3 種實驗體系的優(yōu)缺點不同，可以根據(jù)研究目的的不同選擇相應的模擬實驗方法進行實驗設計分析（王治朝，2009；米敬奎，2009）。

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

2.1.1 實驗原理

模擬實驗是以干酪根熱降解成烴原理和有機質演化的原理為理論依據(jù)，模擬有機質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、化學反應方向等實驗信息，為認識成烴機制和建立成烴模式提供數(shù)據(jù)基礎。

2.1.2 火山流體

火山流體是從巖漿中分離出來的具有一定的溫度、壓力和化學性質活潑的流體，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 等過渡金屬為特征（PeuterJ.H.et al，1977；LowensteinT.K.etal，1989） 。

 

2.2 樣品選取及測試

熱模擬實驗樣品的準備共分兩部分，一是火山巖樣品的測試，二是烴源巖樣品的測試。

2.2.1 火山巖樣品的測試

火山流體的組成十分復雜，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條件下的火山流體，采用火山巖加水來模擬火山流體，這樣做具有很強的可操作性。火山巖樣品的測試內容包括流體包裹體測試和全巖組分測試兩部分，流體包裹體測試是為了確認火山流體中揮發(fā)性組分，而全巖組分測試是為了確定火山巖成分的差異，為計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)性組分來表征火山巖流體中揮發(fā)性組分的情況。本文對松遼盆地火山巖中發(fā)育的液體包裹體進行了系統(tǒng)的觀察與研究，選出 14個樣品進行室內流體包裹體研究及測試分析工作。包裹體測試分析工作在吉林大學地球科學學院地質流體實驗室進行。具體分析測試內容包括流體包裹體巖相學研究及單個包裹體激光拉曼光譜成分分析。研究認為該區(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，尤其適合進一步測溫研究或進行成分分析的流體包裹體極為少見，故本次工作僅對流紋巖、玄武巖中的流體包裹體進行了較為詳細的研究（表 2.1）。本次試驗在吉林大學地質流體實驗室進行，儀器為英國 Renishaw system-1000 型激光拉曼光譜儀。

 

第3章 酸性火山流體對烴源巖生烴效應模擬實驗分析..........32

3.1 酸性火山流體對氣體產物及其組分的影響..............32

3.1.1 烴類氣體...................32

3.1.2 非烴氣體...............37

第4章 基性火山作流體對烴源巖生烴效應模擬實驗分析...........53

4.1 基性火山流體對氣體產物及其組分的影響..................53

4.1.1 烴類氣體..............53

第5章 不同火山流體對烴源巖生烴影響及產物相關性分析......73

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

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

 

第7章 火山流體運動演化實例解剖

 

存在火山流體的區(qū)域在我國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動演化研究的解剖對象。

 

7.1 徐家圍子勘探現(xiàn)狀

大慶探區(qū)的深層勘探自上個世紀六十年代開始至今，已經(jīng)經(jīng)歷了五十多年的艱難勘探開發(fā)的歷程。1976 年深部油氣藏勘探，正式開始，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)和構造高部等區(qū)位均有鉆井。經(jīng)10余年的研究，終于對松遼盆地北部得深層構造格局、地層展布、烴源巖得發(fā)育以及儲層特征有了初步的了解，并在肇州地區(qū)發(fā)現(xiàn)了基巖風化殼氣藏（霍秋立，2007）。

1986-2000 年，這 15 年間，經(jīng)刻苦的堅持研究，對深層地質條件有了較為清晰的認識，確定了徐家圍子斷陷是天然氣儲層最有利勘探區(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)進行了一區(qū)域性的評價性鉆探，共計完成深層探井 73 口。

2001 以來，徐家圍子斷陷成為勘探的重點，在徐家圍子徐中斷裂構造帶部署預探井徐深1井獲53萬方的高產工業(yè)氣流，實現(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，不乏超百萬方的無阻流量高產工業(yè)氣流井，最為典型的是徐深 1 井。徐深1井的成功鉆探，標志著徐家圍子斷陷天然氣深層勘探進入戰(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探井 81 口，評價井 31 口，共 112 口。其中，獲工業(yè)氣流井 38 口，低產氣流井 30 口，提交儲量達千億方，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 結論與認識

基于以上研究，總結一下幾點結論：

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

酸性火山流體熱模擬實驗中，Ⅲ 型烴源巖的總烴類氣體產量和甲烷氣體產量最高，Ⅰ、Ⅱ型產量相近。高溫階段（400℃-450℃），Ⅰ型烴源巖總非烴氣體產量最高，Ⅲ 型次之，Ⅱ型的非烴氣體產量最低。基性火山流體熱模擬實驗中，筆耕文化傳播，Ⅰ型烴源巖總烴類氣體產量和甲烷氣體產量最高，Ⅱ型次之，Ⅲ型最低。Ⅰ型和Ⅱ型烴源巖總非烴氣體產量高，Ⅲ 型最低。火山流體的生烴效應實質是對烴源巖生烴的催化效應。

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

（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的產率逐漸升高，而 CO2、CO、和H2S氣體產率逐漸降低。根據(jù)經(jīng)驗正交函數(shù)分析，可以判斷溫度與 CH4、C2、C3、iC4-nC5、H2、總烴、總非烴和總氣體產量呈正相關，而與CO2、CO、H2S氣體產量呈負相關。

（4）酸性和基性火山流體均使產氣臨界溫度升高，說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。當實驗溫度小于臨界溫度時，產氣量隨溫度的升高而增大，當實驗溫度大于臨界溫度時，產氣量隨溫度的升高而降低。

（5）結合徐家圍子實際地質條件，對徐家圍子地區(qū)古孔隙度、古埋深以及古地層壓力進行恢復，計算徐家圍子古流體勢，并利用拉普拉斯算子圈定徐家圍子營一段火山流體的影響范圍約 828km2，徐家圍子營三段火山流體的影響范圍約161km2。

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本文編號：10495