一种确定油气运移的期次、时间、动力与方向的方法与流程

本发明属于石油地质勘探技术领域，尤其是油气分布预测的地球化学方法，具体涉及一种确定油气运移的期次、时间、动力与方向的方法。

背景技术：

油气运移的期次、时间、动力与方向是油气勘探所需的重要信息。关于运移成藏期次，现有技术中主要通过盐水包裹体均一温度、伊利石定年等测试数据，间接推断油气运移的期次。其依据是油气注入储层后，会阻止矿物的生长。这些矿物生长停滞的时间被当作油气充注、运移期。实际上，造成矿物生长与停滞的原因除了油气充注外，还有ph值和矿物生长所需要的离子。如果这些矿物生长的条件不能被满足，矿物就不会生长。因此，根据次生矿物的生长停滞情况推断油气的运移（充注）期次存在较大的多解性。研究表明，油气运移及其期次可用碎屑岩中的石英油包裹体的成熟度反映，但是利用油包裹体的成熟度只能在烃源岩附近结合埋藏-热演化史确定油气充注的时间，适用范围有限。

如果能够利用油包裹体周围的次生石英，即次生石英腔壁，获取油包裹体的形成温度，不仅可揭示油气运移的期次，而且在烃源岩附近和远离烃源岩的地区均可结合埋藏史确定油气运移的时间。石英中的油包裹体形成于次生石英的生长过程。次生石英又称石英胶结物。次生石英形成时的古温度，可由如下氧同位素分馏方程确定：

（1）

式中，代表石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英形成时的古地层水氧同位素比值（‰）；相对应的为油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁或独立油包裹体的次生石英腔壁或次生石英的氧同位素比值（‰）；相对应的t是石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英形成时的古温度（k），简称形成温度。

根据式（1），若知道了油包裹体的次生石英腔壁氧同位素比值和古地层水氧同位素比值，就可计算出油包裹体的形成温度。另一方面，若知道了油包裹体次生石英腔壁的氧同位素比值和油包裹体的形成温度，就可计算出古地层水氧同位素比值。因此，通过油包裹体周围次生石英的原位测试，建立油包裹体形成温度或古地层水氧同位素比值的求取方法，就可为揭示油气运移的期次和时间开辟一条新的途径。

对盐水包裹体和油包裹体的次生石英腔壁进行原位测试，需要很高的空间分辨率。根据zhang等人（2009）的研究，碎屑岩中的次生石英常以石英加大边和石英颗粒中细脉的形式出现，多期石英加大边和石英细脉的宽度通常只有几个微米甚至小于1个微米。石英中的油包裹体和盐水包裹体均位于这些石英加大边和石英细脉之中。girardetal.（2001）曾用sims（二次离子探针）测试过较大石英的氧同位素，并结合石英中的盐水包裹体均一温度，估算过古地层水氧同位素。但是，sims的空间分辨率只能达到3微米~5微米，不能测试碎屑岩中的大多数次生石英的氧同位素，也不能分期次测试，更不能测试大多数油包裹体的次生石英腔壁，因此需要引入分辨率更高的纳米离子探针（nanosims）进行原位测试。

另一方面，盐水包裹体的均一温度不是盐水包裹体的形成温度，根据盐水包裹体均一温度求取的古地层水氧同位素必然存在偏差。利用共生的油包裹体和盐水包裹体对，通过相图和等容线模拟计算，可以获取油包裹体和盐水包裹体对的形成温度和压力。但是，绝大多数油包裹体往往独立存在，并非与盐水包裹体成对出现。由于共生的油包裹体和盐水包裹体对较少，利用这种包裹体对获取形成温度的方法难以推广。有人建立了石英中的铝含量与石英的形成温度之间的关系。但是，我们发现碎屑岩中次生石英的形成温度与铝含量的相关性并不显著，需要建立新的估算油包裹体形成温度的方法。

油气运移期间的古流体压力是分析油气运移动力与方向的重要参数。油气主要受压力和浮力驱动而发生运移。典型的压力驱动表现为异常高压；对于典型的浮力驱动，流体压力则为净水压力。古流体势或古压力系数是分析运移动力、判断运移方向的重要参数。如前所述，利用共生的油包裹体和盐水包裹体对，可获取古流体压力，又称捕获压力。同样地，由于共生的油包裹体和盐水包裹体对较少，利用这种包裹体对获取古流体压力的方法难以推广。如果能够求解独立油包裹体的形成温度，便可通过独立油包裹体相图和等容线获得大量的独立油包裹体的捕获压力数据，为揭示油气运移动力与方向奠定重要基础。

在应用古流体压力揭示油气运移方向时，还需要判断储层的连通性。如果储层不连通，即便存在压力差，油气也不会沿着储层发生运移。在勘探阶段，判断储层的连通性，尚缺乏有效的参数。古地层水氧同位素、次生石英氧同位素和微量元素与流体的性质、来源有关。如果储层是连通的，它们在连通砂体中具有相近的特征，反之，如果储层不连通，流体性质、来源可能存在较大差异，古地层水氧同位素、次生石英氧同位素和微量元素也有较大的不同。因此，油气运移期间的古地层水氧同位素、油包裹体次生石英腔壁氧同位素和微量元素可作为判断油气运移期间储层连通性的重要参数。

总之，油包裹体的形成温度或古地层水氧同位素、油包裹体次生石英腔壁氧同位素和微量元素是揭示油气运移的期次、时间、动力与方向以及储层连通性的重要参数。由于缺乏可以获得大量的油包裹体形成温度或古地层水氧同位素数据、油包裹体次生石英腔壁氧同位素和微量元素的方法，目前仍难以有效、系统揭示油气运移的期次、时间、动力与方向以及储层的连通性。

技术实现要素：

本发明目的在于，引入纳米离子探针对包裹体的次生石英腔壁的氧同位素和微量元素进行原位测试，建立油包裹体形成温度或古地层水氧同位素与微区原位测试数据的关系，提出一种确定油气运移的期次、时间、动力与方向以及储层连通性的方法。

本发明将纳米离子探针技术（nanosims）引入这一领域，对石英胶结物尤其是油包裹体的次生石英腔壁氧同位素和微量元素进行原位测试，建立油包裹体形成温度与多种微量元素的关系，利用测试的微量元素数据确定石英胶结物和油包裹体的形成温度并通过同位素分馏方程求取古地层水氧同位素；为了获得更加可靠的形成温度，还建立了古地层水氧同位素与次生石英氧同位素和微量元素的关系，利用测试的同位素和微量元素确定古地层水氧同位素并通过同位素分馏方程确定油包裹体的形成温度；进而，应用油包裹体形成温度直方图确定油气运移的期次，结合埋藏史确定油气运移的时间；利用古地层水氧同位素、油包裹体次生石英氧同位素和微量元素判断储层连通性；然后，根据油包裹体形成温度和相图确定油气运移时期的古流体压力，进而综合古流体压力、储层连通性、烃源岩和构造资料揭示油气运移的动力与方向。

石英常含有li、na、k、al、mg、ca、cr、cu、fe等微量元素。这些元素在古地层水中的饱和浓度是温度和压力的函数。在次生石英形成时，这些元素在地层水与石英两相间的分配系数也是温度和压力的函数。由于液体和固体的可压缩性较小，微量元素的饱和浓度及其在水和石英两相间的分配系数主要是温度的函数。碎屑岩含有大量的长石碎屑，地层水对长石的溶蚀，可使铝元素达到饱和状态，因此次生石英中铝的含量与其形成温度之间会存在一定的相关性（dennenetal.,1970）。但是，古地层水中的铝并非在所有的情况下都能达到饱和状态，我们研究发现仅靠石英中的铝含量不能很好地反映形成温度。实际上，碎屑岩中还含有大量的碳酸盐矿物,地层水对碳酸盐矿物的溶蚀可使钙和镁达到饱和状态。据此，推导出以下公式（次生石英的形成温度与多种微量元素含量的函数关系）：

（2）

式中，t代表石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英的形成温度（k）；n为被测试的微量元素种类的个数；相对应的ci（i=1,2,…,n）是油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁或独立油包裹体的次生石英腔壁或次生石英中第i种微量元素的含量（µg/g）。这些元素至少包括铝、钙和镁。ai（i=0,1,2,…,n）为常数。实际数据分析结果表明，应用式（2）进行多元回归或逐步回归分析得到的相关系数，远高于温度与铝元素之间的相关系数（参见实施例）。

但是，式（2）不能确保在任何情况下都能建立十分有效的回归方程。实际上，除了次生石英中微量元素的含量与温度有关外，石英中氧同位素的分馏也与温度有关（参见式（1）），综合这两种关系，建立如下方程：

（3）

式中，b0、b1、ki和lij（i=1,2,…,n;j=i,i+1,…,n）均为常数;变量的含义与式（1）和式（2）中变量的含义相同。

式（3）借助了同位素分馏方程，因此一般情况下其相关性会比式（2）的相关性更加显著。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下方案：

一种确定油气运移的期次、时间、动力与方向的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）查找碎屑岩石英中的独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对；

（2）测试找到的独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对中的油包裹体的均一温度、气液比，并估计或测试其中的油组分，通过模拟计算获得油包裹体的相图与等容线；测试油包裹体的共生盐水包裹体均一温度、气相组分和盐度，由此获得盐水包裹体的相图和等容线；应用这两种相图与等容线，求取油包裹体与盐水包裹体对形成时的温度与压力；

（3）对找到的独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对所在部位进行观察，确定独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对所在的石英加大边或次生石英细脉的范围，并据此确定各独立油包裹体以及油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁测试点的位置；

（4）应用纳米离子探针测试各独立油包裹体以及油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁氧同位素比值和微量元素含量；所述纳米离子探针装配了反射光显微镜，在测试后，用偏光-阴极发光显微镜审查微区测试点与相对应包裹体之间的空间关系，若次生石英测试点与相对应包裹体邻近，则认为该测试点测试的是相对应包裹体的次生石英腔壁，否则，该测试点测试的是次生石英其它部分，需对相对应包裹体的次生石英腔壁进行重新测试;将测试得到的所有数据留存；

（5）应用油包裹体和盐水包裹体对的形成温度及其次生石英腔壁的氧同位素，通过如下石英氧同位素分馏方程，即公式（1）求取油包裹体和盐水包裹体对形成时的古地层水氧同位素：

（1）

式中，代表石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英形成时的古地层水氧同位素比值（‰）；相对应的为油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁或独立油包裹体的次生石英腔壁或次生石英的氧同位素比值（‰）；相对应的t是石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英形成时的古温度（k）；

（6）应用油包裹体与盐水包裹体对的形成温度及其次生石英腔壁微量元素含量，以如下公式（2）所示的函数形式，进行多元回归分析或逐步回归分析，求取公式（2）中的ai（i=0,1,2,…,n）以及相关系数；

（2）

式中，t代表石英油包裹体和盐水包裹体对或石英独立油包裹体或次生石英形成时的古温度，n为被测试的微量元素种类的个数，相对应的ci（i=1,2,…,n）是油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁或独立油包裹体的次生石英腔壁或次生石英中的第i种微量元素的含量（μg/g），ai（i=0,1,2,…,n）为常数；

（7）应用油包裹体与盐水包裹体对形成时的古地层水氧同位素及其次生石英腔壁氧同位素比值和微量元素含量，通过以下公式（3）所示的函数形式，进行多元回归或逐步回归分析，求解公式（3）中的b0、b1、ki和lij以及相关系数；

（3）

式中，b0、b1、ki和lij（i=1,2,…,n;j=i,i+1,…,n）均为常数，变量的含义与公式（1）和公式（2）中变量的含义相同；

（8）若上述步骤（6）的相关系数大于等于上述步骤（7）的相关系数，则应用独立油包裹体次生石英腔壁的微量元素含量和上述步骤（6）中求得的回归方程求取独立油包裹体的形成温度；再依据上述步骤（6）中求得的回归方程，用步骤（4）中已测得的所有的次生石英及次生石英壁微量元素数据，计算次生石英的形成温度；再应用上述步骤（6）回归方程求取的独立油包裹体的形成温度及其次生石英腔壁氧同位素，通过公式（1）求取独立油包裹体形成时的古地层水氧同位素；

若上述步骤（6）的相关系数小于上述步骤（7）的相关系数，则利用上述步骤（7）中求得的回归方程以及独立油包裹体次生石英腔壁的氧同位素比值和微量元素含量数据，计算独立油包裹体形成时的古地层水氧同位素；再利用公式（1）和独立油包裹体次生石英腔壁的氧同位素以及独立油包裹体形成时的古地层水氧同位素，求出独立油包裹体形成时的古温度；用步骤（4）中已测得的所有次生石英及次生石英壁氧同位素与微量元素数据，通过上述步骤（7）中求得的回归方程和公式（1），分别计算次生石英形成时的古地层水氧同位素及其形成温度；

（9）用次生石英和所有的油包裹体的形成温度数据绘制直方图，揭示古流体活动和油气运移的期次，并结合埋藏史分别确定古流体活动与油气运移的时间；

（10）应用独立油包裹体以及油包裹体和盐水包裹体对形成时的古地层水的氧同位素、独立油包裹体以及油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁的氧同位素和微量元素，判断连续砂体在油气运移期间的连通性；

（11）根据独立油包裹体的形成温度及其相图和等容线，求取独立油包裹体形成时的古流体压力，应用其结果数据与上述步骤（2）求取的油包裹体和盐水包裹体对形成时的古流体压力数据，结合埋藏史图计算相应的古压力系数或流体势，应用古压力系数或流体势，结合储层的联通性、烃源岩和构造资料揭示油气运移的动力与方向。

进一步，上述步骤（1）中，应用偏光-荧光显微镜查找碎屑岩石英中的独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对。

进一步，上述步骤（1）中，为获得可靠的结果，共生的油包裹体和盐水包裹体对的个数是15个或15个以上；根据工区地质特点与油气运移研究需要，独立油包裹体的个数是50个或50个以上。

进一步，上述步骤（3）中，利用阴极发光显微镜或电子显微镜，对找到的独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对所在部位进行阴极发光观察，并确定独立油包裹体以及共生的油包裹体和盐水包裹体对所在的石英加大边或次生石英细脉的范围。

进一步，上述步骤（10）中，应用古地层水氧同位素、油包裹体次生石英氧同位素和微量元素，采用井间同层对比的方式判断连续砂体的连通性。

进一步，所述的微量元素的种类至少包括铝、钙和镁。

该确定油气运移的期次、时间、动力与方向的方法具有以下有益效果：

（1）本发明通过纳米离子探针测试包裹体次生石英腔壁的氧同位素和微量元素，并应用多个公式求解出油包裹体形成时的温度与压力以及古地层水的氧同位素比值。

（2）应用本发明获得的油包裹体形成时的古地层水氧同位素比值、次生石英氧同位素比值以及微量元素含量，为判断油气运移时储层的连通性提供了重要依据。

（3）本发明应用油包裹体的形成温度直接确定油气运移的期次，并结合埋藏史，利用形成温度揭示油气运移的时间，利用古压力系数或流体势以及储层连通性揭示各期次油气运移的动力与方向。

（4）本发明通过包裹体次生石英腔壁的地球化学测试，结合已有测试方法，可获得油气运移的期次、时间、动力与方向等多种油气运移信息，而且准确性高，适用范围广，易于推广实现。

附图说明

图1：本发明实施例中坨712井3173.2米处石英油包裹体和盐水包裹体对的t-p相图；

图2：本发明实施例中坨713井3031.7m处石英油包裹体及其腔壁测试点示意图；

图3a：本发明实施例中油包裹体与盐水包裹体对的形成温度与次生石英腔壁微量元素al之间的关系图；

图3b：本发明实施例中油包裹体与盐水包裹体对的形成温度与次生石英腔壁的多种微量元素之间的关系图；

图4：本发明实施例中用不同方式获得的古地层水氧同位素之间与形成温度之间的关系图；

图5：本发明实施例中胜坨地区沙三段砂砾岩中油包裹体和次生石英的形成温度直方图(浅灰色代表油包裹体；深灰色代表次生石英)；

图6：本发明实施例中胜坨地区坨715井埋藏史图；

图7：本发明实施例中胜坨地区沙三下亚段成岩相与古地层水氧同位素分布图；

图8：本发明实施例中坨763井3525.5米处独立油包裹体形成温度与t-p相图；

图9：本发明实施例中胜坨地区沙三段关键油气运移期古流体压力系数分布图与油气运移方向。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明做进一步说明：

实施例:

东营凹陷北带的胜坨地区是渤海湾盆地济阳坳陷的重要产油区。胜坨地区的油气运移期次、时间、动力与方向是揭示该区油气分布规律的重要依据，且对于断陷盆地陡坡带的油气勘探具有较大的启示作用。在100多件砂砾岩样品中，找到了15个共生的油包裹体和盐水包裹体对。我们测试了这些包裹体对中的油包裹体和盐水包裹体的均一温度、气相百分比和组分，经模拟计算获得了油包裹体和盐水包裹体的相图与等容线，从中读取了油包裹体和盐水包裹体对的形成温度与压力，如图1所示。

该区砂砾岩中长石碎屑较丰富，且方解石和白云石胶结物较发育，铝、钙和镁元素在地层水中的浓度易达到饱和浓度。为此，应用纳米粒子探针测试了油包裹体和盐水包裹体对的次生石英腔壁氧同位素与铝、钙、镁的含量。油包裹体及其次生石英腔壁的测试点如图2所示，图2中左侧图为荧光照片，右侧图为阴极发光照片。我们首先用油包裹体和盐水包裹体对的形成温度与其次生石英腔壁的铝含量进行了回归分析，两者之间确实存在一定的相关性，但相关系数很低，如图3a所示。采用式（2）进行拟合，相关系数的平方提高到0.75，其回归方程为：

1/t=2.512×10^-6lnal-5.525×10^-5lnca+4.040×10^-5lnmg+2.403×10^-3(4)

式中，t为绝对温度（k）；al、ca、mg分别代表这三个元素的含量（µg/g）。

图3b纵坐标代表的温度是在油包裹体和盐水包裹体对相图中求取的形成温度，横坐标代表的温度由式（4）计算。其相关系数的平方大于0.75，相关性明显改善。这表明用多种微量元素进行回归分析可弥补单种元素的不足。

为了获得可靠性更高的石英油包裹体形成温度和古地层水氧同位素，应用说明书中的式（3）进行回归分析，获得了古地层水氧同位素与油包裹体次生石英腔壁氧同位素和微量元素含量之间的回归方程：

δ¹⁸o水=-74.975+0.7958δ¹⁸o石英-9.837lnmg+6.247lnal+25.862lnca

+0.3248(lnmg)²+0.04411(lnal)²-2.453(lnca)²

-0.3498(lnmg)(lnal)-1.0651(lnca)(lnal)+1.6160(lnmg)(lnca)(5)

式（5）中，各变量的含义与式（1）和式（4）中变量的含义相同。

该回归方程相关系数的平方达到了0.98以上，相关性极其显著。应用式（5）和油包裹体次生石英腔壁的氧同位素和微量元素的原位测试结果，计算了油包裹体形成时的古地层水氧同位素，进而应用式（1）求解了油包裹体的形成温度，包括独立油包裹体和共生的油包裹体与盐水包裹体对的形成温度。图4中右侧图示出油包裹体和盐水包裹体对两种形成温度的相关图，横坐标为式（5）和式（1）计算的形成温度，纵坐标与图3b的纵坐标相同，相关系数的平方大于0.94，远高于仅用微量元素计算的形成温度的相关系数（图3b）。式（5）实际上以同位素分馏方程为基础，用微量元素替换了温度项，其中的二次项有利于提高相关性。

进而，应用式（5）和所有的次生石英氧同位素与微量元素原位测试结果，计算了次生石英形成时的古地层水氧同位素，并用式（1）计算了次生石英的形成温度。次生石英和油包裹体的形成温度直方图证明，胜坨地区存在两期次生石英生长与两期油气充注，如图5所示，其中第二期为关键的古流体活动与油气充注期。将油包裹体的形成温度标于埋藏史图，如图6所示，可以发现油气的关键充注期发生于5ma至今的地质历史时期。这表明该区油气运移成藏作用发生的时间较晚，有利于保存油气；现今的储层分布与构造形态对油气的运移成藏起重要的控制作用，可直接用于勘探目标的确定或优选。

盐水包裹体均一温度低于捕获温度（参见图1）。在图6中，如果根据油包裹体的共生盐水包裹体均一温度确定油气充注的时间，那么会得出油气充注发生于馆陶组沉积中期的结论。实际上，此时盆地刚刚发生再次沉降，地层温度尚未达到抬升剥蚀前的地层温度，烃源岩二次生烃尚未启动，烃源岩不会排烃，油气不可能注入储层。因此，用盐水包裹体均一温度直接确定油气运移成藏时间，会得出错误的结论。

根据成岩相可大致判断储层的连通性，但是，成岩相反映的是成岩作用的总结果，需用流体特征参数证明油气运移时期储层确实是连通的。在胜坨地区，我们对砂砾岩体进行了成岩相划分，如图7所示，并将油包裹体形成时的古地层水氧同位素绘于图中。总体上，不同成岩相间的古地层水氧同位素差异较大，同一成岩相内差异较小，证明沙三下亚段同一成岩相内的砂砾岩体在油气运移期间是连通的。

应用独立油包裹体的形成温度，在t-p相图上求取了独立油包裹体形成时的流体压力，即捕获压力，参见图8，并根据形成温度与埋藏史图确定的古埋藏深度，计算了古压力系数。第二期油气充注时的古压力系数分布图表明，如图9所示，胜坨地区沙三下亚段的油气以异常高压为主要动力（压力系数大于1.2），从该区以南的烃源岩注入胜坨地区。根据盆地演化史，喜山三幕构造运动(孙永壮，2006)使盆地再次发生了快速沉降，至明化镇沉积时期，沙四上主力烃源岩达到生油高峰（ro>0.7），沙三下烃源岩进入生油门限。因此，正是构造运动与有机质热演化生烃的双重作用引发了油气的高压充注。

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。