儲層瀝青拉曼光譜特征及其對油氣成藏期次的約束
——以冀中坳陷楊稅務潛山為例

田建章，陳 勇，侯鳳香，田 然，張 輝，王元杰，劉聽雨，馮艷偉，鐘 升

1. 中國石油華北油田公司勘探開發研究院，河北 任丘 062552 2. 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院，山東 青島 266580

引 言

瀝青作為石油與天然氣的伴生蝕變產物，是最早用來作為尋找油氣藏的標志[1-2]。隨著有機地球化學分析測試技術的進步，人們發現瀝青所包含的地質信息越來越豐富，因此日益受到重視，特別是儲層瀝青，其形成、演化與油氣藏的演化歷史息息相關[3]。隨著與儲層瀝青伴生的天然氣藏大量發現，富有機質烴源巖中的瀝青常被用來重建盆地的地熱史，特別是對缺少鏡質組的沉積地層尤其有用[4]。瀝青成熟度對油氣成藏有著重要的指示意義。瀝青反射率(Rb)作為成熟度的判定指標，早在20世紀70年代就被提出[5]，瀝青反射率與鏡質體反射率(Ro)相似，且二者之間存在一定的相關性。Jacob[2]根據大量實驗數據，統計了世界各地30個同時含有瀝青和鏡質體的樣品中“低反射”瀝青反射率數據，獲得了二者換算關系式。近年來，拉曼光譜技術被應用于研究瀝青的結構及其熱演化程度[6-9]，通過瀝青的拉曼譜圖中D峰與G峰的比值以及二者的拉曼位移差值來推算瀝青的成熟度已經取得了較好的成果[10-12]。

前人對瀝青和有機質成熟度的研究主要集中在頁巖及烴源巖的熱演化研究中，本次研究將儲層瀝青的成熟度與油氣成藏聯系起來，以期獲得成藏時間的關鍵信息。冀中坳陷北部的楊稅務潛山天然氣藏是近年來重大勘探發現[13-14]，然而關于天然氣的成藏時間一直不夠明確。巖心觀察發現大量裂縫中有瀝青充填，為剖析油氣成藏時間，本文通過激光拉曼光譜技術對儲層瀝青進行系統分析，結合構造演化史來確定天然氣的成藏時間。

1 實驗部分

研究的瀝青樣品采自楊稅務潛山奧陶系天然氣儲層，巖石類型主要為灰巖和白云巖，裂縫發育，瀝青多見充填在晚期裂縫中，顯示油氣沿裂縫運移的特征。鏡下觀察可以看到，儲層瀝青不僅沿裂隙分布，還有部分充填在礦物晶間孔隙中，如圖1所示。將采集的巖心樣品制備成雙面拋光的巖石薄片，洗凈后用于激光拉曼光譜測試分析。

圖1 儲層瀝青空間分布特征(安探4×，4 842.95 m)Fig.1 Distribution of bitumen in reservoir (well Antan 4×, 4 842.95 m)

顯微拉曼光譜測試所用儀器為法國J.Y.公司生產的LabRam-010激光拉曼光譜儀，該儀器采用顯微共焦系統，CCD信號檢測系統，儀器光學分辨率約為1.5 cm-1，實驗所用激光光源波長為532 nm，共焦孔1 000 μm，狹縫400 μm，積分時間(20 s)。

2 結果與討論

對所有含瀝青樣品測試結果顯示，均可測出瀝青典型的D峰和G峰，對于同一個樣品而言，不同測試點的拉曼光譜特征基本一致(圖2)，反映了樣品瀝青的均一性和拉曼測試結果的穩定性。然而原始譜圖中含有背景信號的干擾，需要對譜圖進行去背景和分峰處理才可以得到有效信息。

圖2 儲層瀝青拉曼光譜特征Fig.2 Raman spectra of bitumen in reservoirs

圖3 瀝青拉曼光譜參數及分峰擬合原理圖

Wilkins等[11]通過大量實驗數據分析，提出了一種瀝青拉曼光譜分峰處理的方法[如圖3(a)所示]，并給出了利用拉曼光譜參數計算瀝青反射率的公式，該方法獲得的瀝青反射率與鏡質體反射率有很好的相關性。其基于瀝青拉曼光譜參數計算反射率的公式為

Ro%(cal)=-3.291+7.432log(vG-vD)-0.306log(saddle index)-2.935logFWHMG-3.118logFWHMD

式中參數包括：vD和vG分別為D峰和G峰的峰位，峰間距(vG-vD)，D峰和G的半高寬分別為FWHM-D和FWHM-G，saddle index為鞍形指數，即G帶的高度與“鞍座”兩個峰之間的最小值之比。本文采用該方法對所測得的拉曼光譜參數進行分析。

按照Wilkins等[11]提出的方法，首先扣除背景噪聲，然后確定D峰和G峰的位置，采用Peakfit軟件進行洛倫茲(Lorentzian)分峰擬合，直到擬合的譜圖與原始譜圖形態基本一致為止，如圖3(b)所示。對所測的結果按照上述方法進行處理得到相關參數，并計算得到瀝青對應的鏡質體反射率[Ro(cal)]。本次研究重點對安探4×井儲層含瀝青樣品進行了系統分析，相關結果如表1所示。

表1 瀝青拉曼峰參數及反射率Table 1 The Raman spectroscopic parameters of bitumen and Ro (cal)

為了確定楊稅務潛山油氣成藏的時間，以安探4×井為例，利用Basinmod盆地軟件恢復了研究區的埋藏史和熱演化史，如圖4所示。根據拉曼光譜測試結果顯示，每個樣品不同測試點存在一定差異，證明儲層瀝青在微觀上存在非均質性，同時說明可以存在多期油氣充注。測試結果Ro(cal)可以分為兩個成熟度區間，1.00～1.37和1.44～1.94，指示存在兩期油氣充注。結合研究區埋藏史和熱演化史，這兩個成熟度區間分別對東營組沉積期(35～25 Ma)及明化鎮組和平原組沉積期(5 Ma～0)，這與前人研究得到的廊固凹陷烴源巖主要生排烴期是一致的[13-14]。

圖4 楊稅務潛山安探4×井埋藏史與油氣成藏期

根據Maria Mastalerz等[15]研究表明(圖5)，Ro%為1.00～1.37階段烴源巖對應生成凝析油和濕氣階段，而1.44～1.94階段以生成天然氣為主，只有少量凝析油。而楊稅務潛山現今油氣藏類型為凝析油氣藏，與儲層瀝青成熟度所對應的生烴階段完全吻合，證實了該方法的準確性。

圖5 有機質演化成熟度與生成油氣類型的關系圖(據Maria Mastalerz等，2018)Fig.5 Relationship between the evolution of organic matters maturity and hydrocarbon types (After Maria Mastalerz et al., 2018)

3 結 論

(1)拉曼光譜技術可以快速有效測定儲層瀝青的成熟度，采用洛倫茲分峰擬合方法對原始測試結果處理可以獲取拉曼峰有效特征參數，測試結果具有較高的準確性和穩定性。

(2)結合盆地熱演化史，利用儲層瀝青成熟度判定楊稅務潛山油氣成藏的時間主要為東營期和明化鎮時期，該方法相對其他判定油氣成藏期次的方法更加快捷有效，可以節省大量時間，是對油氣成藏研究方法的重要補充。