页岩气成气过程的流体包裹体证据——以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2022.5.42

地学前缘 ›› 2023, Vol. 30 ›› Issue (3): 165-180.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.5.42

• 寒武系页岩成气、保存的流体包裹体特征 • 上一篇下一篇

页岩气成气过程的流体包裹体证据——以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例

刘秀岩¹(), 陈红汉¹^,^*(), 肖雪薇¹, 李培军², 王保忠²

1.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室, 湖北武汉 430074
2.中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北武汉 430205

收稿日期:2022-01-01 修回日期:2022-01-30 出版日期:2023-05-25 发布日期:2023-04-27
通信作者: *陈红汉(1962—),男,教授,博士生导师,主要从事油气成藏动力学和流体包裹体系统分析方面的教学和研究工作。E-mail: hhchen@cug.edu.cn
作者简介:刘秀岩(1995—),男,博士,主要从事页岩气评价和流体包裹体系统分析方面的研究工作。E-mail: liuxiuyan@cug.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重点项目(41730421)

Characterization of the shale gas formation process based on fluid inclusion evidence: An example of the Lower Cambrian Niutitang shale formation, Xiushan section, southeastern Chongqing

LIU Xiuyan¹(), CHEN Honghan¹^,^*(), XIAO Xuewei¹, LI Peijun², WANG Baozhong²

1. The Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources Ministry of Education, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China
2. Wuhan Centre of Geological Survey, China Geological Survey, Wuhan 430205, China

Received:2022-01-01 Revised:2022-01-30 Online:2023-05-25 Published:2023-04-27

摘要/Abstract

摘要：

页岩气的成气过程一直以来难以获得直接的地质证据,而厘清页岩何时生油何时生气以及这些过程对应的温度、成熟度指标对未来的南方页岩气勘探意义重大。脉体中的流体包裹体可以记录地质历史时期流体活动的特征,为恢复流体演化历史提供依据。本次研究选取了重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组的页岩样品,采用流体包裹体系统分析的技术方法对页岩脉体中捕获的各类包裹体进行研究,共检测到3种类型的烃类包裹体,分别为沥青+气包裹体、沥青包裹体和烃气包裹体。这3种类型的烃类包裹体指示了页岩生气过程中的不同演化阶段。研究结果表明,重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组页岩气演化可以划分为初次生油阶段、原油裂解为湿气阶段、湿气二次裂解为干气阶段和页岩气散失阶段4个阶段。与酸性流体活动伴随的异常高温对页岩油向页岩气的快速转化起到了关键作用,对牛蹄塘组进一步的页岩气勘探应寻找曾经有过异常高温热流体活动并且在后期构造变形较弱的地区。

关键词: 页岩气, 成气过程, 脉体, 流体演化, 流体包裹体, 牛蹄塘组, 渝东南地区

Abstract:

Direct geological evidences for the shale gas formation process are scarce. However, a clear understanding of the shale gas formation process in terms of oil/gas generation stages and the relevant temperatures and thermal maturity indicators is essential for shale gas exploration. Fluid inclusions can record the geological information on fluid activities during geological time therefore can provide evidence to reconstructing the fluid evolution history. In this study, shale samples are collected from the Lower Cambrian Liutitang Formation, Xiushan section, southeastern Chongqing to investigate the fluid inclusions entrapped in veins, using integrated fluid inclusion analysis method. Three types of hydrocarbon inclusions are detected, which are bitumen + gas, bitumen and gas inclusions indicating different stages of the shale gas forming process. The shale gas forming process can be divided into four stages: primary oil generation, oil cracking into wet gas, wet gas cracking into dry gas, and shale gas loss, where abnormal high temperatures associated with acid fluids activity play a key role in the process of transforming oil into gas. These findings can be applied to advancing shale gas exploration in areas that have a history of abnormal high temperature associated with thermal fluid activity and experienced relatively weak late-stage tectonic deformation.

Key words: shale gas, gas forming process, veins, fluid evolution, fluid inclusion, Niutitang Formation, southeastern Chongqing area

中图分类号:

P618.13

刘秀岩, 陈红汉, 肖雪薇, 李培军, 王保忠. 页岩气成气过程的流体包裹体证据——以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 165-180.

LIU Xiuyan, CHEN Honghan, XIAO Xuewei, LI Peijun, WANG Baozhong. Characterization of the shale gas formation process based on fluid inclusion evidence: An example of the Lower Cambrian Niutitang shale formation, Xiushan section, southeastern Chongqing[J]. Earth Science Frontiers, 2023, 30(3): 165-180.

图/表 11

图1 渝东南地质概况图(A),秀山剖面照片(B)及地层柱状图(C)(据文献[24⇓-26]修改)

Fig.1 Geological sketch map of southeastern Chongqing (A), and profile (B) and stratigraphy column (C) of the Xiushan section. Modified after [24⇓-26].

图2 页岩手标本及薄片岩相学观察照片 A—DQ9-1和DQ9-2手标本;B—DQ9-1薄片; C—DQ9-2薄片; B1—DQ9-1透射光,石英透光性比方解石好; B2—DQ9-1阴极光,石英不发阴极光呈黑色,方解石主体为橘黄色阴极光,沿裂缝及解理面为橙黄色阴极光, 与B1同视域;C1—DQ9-2透射光,石英脉,可见垂直切穿脉体的裂纹;C2—DQ9-2阴极光,石英不发阴极光, 与C1同视域;D—DQ12-1手标本;E—DQ12-1薄片; E1—DQ12-1透射光; E2—DQ12-1阴极光,方解石与石英接触边缘呈港湾状, 与E1同视域;F—DQ14-1和DQ14-2手标本;G—DQ14-1和DQ14-2薄片;G1—DQ14-1透射光,可见石英自形晶柱;G2—DQ14-2阴极光, 与G1同视域;G3—DQ14-2透射光,中间方解石脉较脏,两边纤维状方解石局部透光局部较脏;G4—DQ14-2阴极光, 与G3同视域;G5—DQ14-1透射光,方解石中漂浮的大块石英;G6—DQ14-1阴极光, 与G5同视域;G7—DQ14-1透射光,自形石英晶柱发生错断;G8—DQ14-1中蓝色框区域反射光;H—DQ15-1手标本;I—DQ15-1薄片;I1—DQ15-1反射光,黄铁矿集合体中可见晶间孔被方解石充填; I2—DQ15-1透射光;I3—DQ15-1阴极光, 与I2同视域。I1、I2和I3中黄框区域为同一区域。

Fig.2 Photos and thin sections of hand specimens

图3 页岩脉成岩序次

Fig.3 Diagenetic sequence of veins in shale

图4 各脉体充填矿物接触关系简图 A—顺层脉体包含两种类型,自上而下依次为黄铁矿→方解石充填脉体,方解石中混有大量沥青,方解石→石英充填脉体,石英与方解石接触边缘充填有沥青;B—垂直脉体包含3种类型,从左至右依次为全部由石英充填脉体,石英→方解石充填脉体,两期方解石充填脉体。

Fig.4 Paragenetic relationships between vein filling minerals

图5 页岩脉体中烃类包裹体及其同期盐水包裹体显微照片 A—DQ15-1, 黄铁矿溶蚀孔充填方解石中原生沥青包裹体;B—DQ15-1, 方解石中原生沥青+气包裹体和原生气包裹体;C—DQ12-1, 方解石中原生气包裹体、原生沥青包裹体和原生盐水包裹体;D—DQ12-1, 石英中原生气包裹体;E—DQ12-1, 石英中原生盐水包裹体;F—DQ12-1, 石英中次生气包裹体和次生盐水包裹体;G—DQ12-1, 方解石中次生气包裹体和次生盐水包裹体;H—DQ9-1, 石英中原生沥青包裹体;I—DQ14-1, 石英中原生气包裹体;J—DQ14-1, 石英中原生盐水包裹体;K—DQ14-1, 石英中次生气包裹体;L—DQ14-2, 方解石中原生气包裹体、原生沥青包裹体和原生盐水包裹体;M—DQ14-1, 方解石中原生沥青包裹体;N—DQ14-1, 方解石中原生气包裹体和原生盐水包裹体;O—DQ9-1, 方解石中原生烃气包裹体;P—DQ9-1, 方解石中原生盐水包裹体。

Fig.5 Microscopic characteristics of hydrocarbon inclusions and their coeval saline liquid inclusions in veins

图6 重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组页岩脉体中流体包裹体显微测温直方图

Fig.6 Histograms of homogenization temperature data for fluid inclusions in veins

表1 页岩脉体中流体包裹体显微测温测盐统计表

Table 1 Homogenization temperature and salinity measurements for coeval fluid inclusions in veins

脉体编号	层位	岩性	宿主矿物产状	成因	盐水包裹体均一温度/℃		盐度(w(NaCl))/%		流体幕次
脉体编号	层位	岩性	宿主矿物产状	成因	范围	平均值	范围	平均值	流体幕次
DQ15-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	顺层含黄铁矿方解石脉	原生	95.8 ~ 104.9	100.3 (n=6)	0.2 ~ 4.0	1.9 (n=4)	C1
DQ12-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	顺层方解石脉	原生	115.5 ~ 128.9	123.0 (n=22)	1.7 ~ 6.2	2.5 (n=8)	C2
				原生	135.6 ~ 153.5	144.6 (n=23)	0 ~ 5.3	2.7 (n=18)	C3
				原生	161.6	161.6 (n=1)	5.3	5.3 (n=1)	C3
				次生	97.1 ~ 103.5	100.4 (n=4)	2.9 ~ 3.2	3.1 (n=2)	C6
			顺层石英脉	原生	163.7 ~ 169.8	166.9 (n=6)	5.1 ~ 7.2	6.1 (n=5)	Q1
				次生	189.5 ~ 199.9	195.1 (n=5)	11.6	11.6 (n=1)	Q2
				次生	230.7 ~ 236.1	232.5 (n=3)	—	—	Q3
				次生	120.6	120.6 (n=1)	—	—	Q6
				次生	143.4	143.4 (n=1)	17.5	17.5 (n=1)	Q5
DQ9-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉中方解石	原生	124.6 ~ 129.0	126.7 (n=3)	2.7 ~ 4.8	3.8 (n=2)	C5
			垂直脉中方解石	原生	139.6 ~ 150.9	143.9 (n=6)	2.4 ~ 7.0	4.4 (n=4)	C4
			垂直脉中方解石解理面	原生	104.1 ~ 111.6	107.9 (n=4)	2.1 ~ 4.8	3.1 (n=4)	C6
			垂直脉体壁上石英	原生	160.2	160.2 (n=1)	4.6	4.6 (n=1)	Q1
				次生	163.1 ~ 172.3	167.7 (n=2)	—	—	Q4
				次生	194.5	194.5 (n=1)	6.2	6.2 (n=1)	Q2
DQ14-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉中方解石	原生	150.1	150.1 (n=1)	2.4	2.4 (n=1)	C4
			垂直脉中方解石解理面	原生	107.9	107.9 (n=1)	1.7	1.7 (n=1)	C6
			垂直脉体壁上石英	原生	162.1 ~ 166.2	165.0 (n=7)	6.0 ~ 6.7	6.3 (n=3)	Q1
				次生	215.8 ~ 225.6	220.7 (n=2)	—	—	Q3
				次生	161.1 ~ 171.5	164.8 (n=6)	3.9 ~ 7.2	5.5 (n=2)	Q4
				次生	142.0 ~ 158.7	151.9 (n=6)	0.4 ~ 3.5	2.3 (n=6)	Q5
				次生	114.5 ~ 126.0	118.3 (n=4)	3.9	3.9 (n=1)	Q6
DQ14-2	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉外侧纤维状方解石	原生	135.6 ~ 145.4	141.5 (n=7)	0.9 ~ 8.0	4.4 (n=5)	C4
				原生	164.3	164.3 (n=1)	11.3	11.3 (n=1)	C4
				原生	203.8	203.8 (n=1)	—	—	C4
				原生	124.1 ~ 134.2	129.4 (n=3)	1.4 ~ 7.3	4.4 (n=2)	C5
			外侧纤维状方解石解理面	原生	103.3 ~ 103.4	103.4 (n=2)	0.9 ~ 1.9	1.4 (n=2)	C6

表1 页岩脉体中流体包裹体显微测温测盐统计表

Table 1 Homogenization temperature and salinity measurements for coeval fluid inclusions in veins

脉体编号	层位	岩性	宿主矿物产状	成因	盐水包裹体均一温度/℃		盐度(w(NaCl))/%		流体幕次
脉体编号	层位	岩性	宿主矿物产状	成因	范围	平均值	范围	平均值	流体幕次
DQ15-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	顺层含黄铁矿方解石脉	原生	95.8 ~ 104.9	100.3 (n=6)	0.2 ~ 4.0	1.9 (n=4)	C1
DQ12-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	顺层方解石脉	原生	115.5 ~ 128.9	123.0 (n=22)	1.7 ~ 6.2	2.5 (n=8)	C2
				原生	135.6 ~ 153.5	144.6 (n=23)	0 ~ 5.3	2.7 (n=18)	C3
				原生	161.6	161.6 (n=1)	5.3	5.3 (n=1)	C3
				次生	97.1 ~ 103.5	100.4 (n=4)	2.9 ~ 3.2	3.1 (n=2)	C6
			顺层石英脉	原生	163.7 ~ 169.8	166.9 (n=6)	5.1 ~ 7.2	6.1 (n=5)	Q1
				次生	189.5 ~ 199.9	195.1 (n=5)	11.6	11.6 (n=1)	Q2
				次生	230.7 ~ 236.1	232.5 (n=3)	—	—	Q3
				次生	120.6	120.6 (n=1)	—	—	Q6
				次生	143.4	143.4 (n=1)	17.5	17.5 (n=1)	Q5
DQ9-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉中方解石	原生	124.6 ~ 129.0	126.7 (n=3)	2.7 ~ 4.8	3.8 (n=2)	C5
			垂直脉中方解石	原生	139.6 ~ 150.9	143.9 (n=6)	2.4 ~ 7.0	4.4 (n=4)	C4
			垂直脉中方解石解理面	原生	104.1 ~ 111.6	107.9 (n=4)	2.1 ~ 4.8	3.1 (n=4)	C6
			垂直脉体壁上石英	原生	160.2	160.2 (n=1)	4.6	4.6 (n=1)	Q1
				次生	163.1 ~ 172.3	167.7 (n=2)	—	—	Q4
				次生	194.5	194.5 (n=1)	6.2	6.2 (n=1)	Q2
DQ14-1	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉中方解石	原生	150.1	150.1 (n=1)	2.4	2.4 (n=1)	C4
			垂直脉中方解石解理面	原生	107.9	107.9 (n=1)	1.7	1.7 (n=1)	C6
			垂直脉体壁上石英	原生	162.1 ~ 166.2	165.0 (n=7)	6.0 ~ 6.7	6.3 (n=3)	Q1
				次生	215.8 ~ 225.6	220.7 (n=2)	—	—	Q3
				次生	161.1 ~ 171.5	164.8 (n=6)	3.9 ~ 7.2	5.5 (n=2)	Q4
				次生	142.0 ~ 158.7	151.9 (n=6)	0.4 ~ 3.5	2.3 (n=6)	Q5
				次生	114.5 ~ 126.0	118.3 (n=4)	3.9	3.9 (n=1)	Q6
DQ14-2	牛蹄塘组	暗色泥岩	垂直脉外侧纤维状方解石	原生	135.6 ~ 145.4	141.5 (n=7)	0.9 ~ 8.0	4.4 (n=5)	C4
				原生	164.3	164.3 (n=1)	11.3	11.3 (n=1)	C4
				原生	203.8	203.8 (n=1)	—	—	C4
				原生	124.1 ~ 134.2	129.4 (n=3)	1.4 ~ 7.3	4.4 (n=2)	C5
			外侧纤维状方解石解理面	原生	103.3 ~ 103.4	103.4 (n=2)	0.9 ~ 1.9	1.4 (n=2)	C6

图7 均一温度-埋藏史投影图(A)和成藏年龄及流体期次划分图(B)

Fig.7 Burial history map combined with homogenization temperature data (A), and age constrains on fluid inclusions revealing three stages, multiple episodes of fluid activity (B)

图8 各幕次流体平均盐度条形图 A—碱性钙质流体各幕次平均盐度; B—酸性硅质流体各幕次平均盐度。

Fig.8 Bar graphs of average fluid salinities of alkaline Ca-rich (A) and acidic Si-rich (B) fluids in main episodes of fluid activity

图9 秀山剖面牛蹄塘组页岩气成气演化模式图

Fig.9 Shale gas formation model for the Niutitang Formation, Xiushan section

表2 重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组页岩中各脉体中方解石的碳氧同位素数据表

Table 2 Carbon and oxygen isotopes in calcite veins in shale

样品编号	δ¹³C_V-PDB/ ‰	δ¹³C/ ‰ (1σ)	δ¹⁸O_V-PDB/ ‰	δ¹⁸O/ ‰(1σ)
DQ-9-1	-3.94	0.01	-12.94	0.03
DQ-12-1	-6.67	0.02	-12.42	0.03
DQ-14-1	-2.31	0.01	-12.36	0.02
DQ-15-1-1	-2.23	0.02	-7.09	0.03
DQ-15-1-2	0.27	0.02	-7.49	0.05

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页岩气成气过程的流体包裹体证据——以重庆秀山剖面下寒武统牛蹄塘组为例

Characterization of the shale gas formation process based on fluid inclusion evidence: An example of the Lower Cambrian Niutitang shale formation, Xiushan section, southeastern Chongqing

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