東營凹陷深層烴源巖生物標志物特征及其意義①

丁 飛 蔡進功 隋風貴 鄭德順 徐興友

(1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室 上海 200092;2.中國石油化工股份有限責任公司勝利油田分公司地質科學研究院 山東東營 257000; 3.河南理工大學資源與環(huán)境學院 河南焦作 454000)

0 引言

近年來,國內外油氣勘探不斷向盆地深部拓展[1～3],突破了傳統(tǒng)有機質生烴理論中液態(tài)烴存在下限(120℃,Ro>1.35%)的禁區(qū),同時室內熱模擬實驗也表明高溫條件下烴源巖中分散有機質仍然能夠生成C15+的烴類[4],這向人們展示了深層油氣的良好勘探前景。有機質在地質體生烴過程中并非僅受溫度與時間的控制,也與壓力、有機質分解反應化學體系開放與否、是否存在催化劑和水以及有機質類型、沉積速率和保存環(huán)境等多種因素有關[1～5],因此,解剖已發(fā)現(xiàn)的深層油氣藏的烴源巖特征,對提高有機質生烴認識具有重要意義。

東營凹陷北部的利津與民豐兩個洼陷4 000 m以下沙河街組第四段(沙四段,E s4)砂礫巖體中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流,如豐8井、豐深1井和豐深2井(F8井、FS1井和FS2井)等,經(jīng)油源對比認定烴類來自于E s4下亞段暗色泥巖[6],而這套泥巖位于E s4的中、下亞段大套暗紅色砂礫巖及膏巖和鹽巖中,經(jīng)鉆探證實膏鹽巖上、下及層間(鹽上、鹽下、鹽間)發(fā)育有暗色泥巖,其中鹽上段主要為深灰色、黑灰色紋層泥巖;鹽間段主要是深灰色、黑色含鹽膏泥巖;鹽下段主要為深灰色砂巖與泥巖互層②中石化勝利油田研究課題:濟陽坳陷深層烴源巖研究與評價。長期以來對這套泥巖缺乏認識,制約了該區(qū)深層油氣勘探的步伐,為此,選取了E s4鹽上、鹽間、鹽下的泥巖樣品,通過可溶有機質抽提和GC-MS分析,依據(jù)生物標志化合物特征揭示不同層段的有機質來源及其沉積環(huán)境的差異,為認識深層有機質生烴特征,拓展該區(qū)深層油氣勘探領域提供科學依據(jù)。

1 樣品及試驗方法

研究樣品選自東營凹陷民豐地區(qū)(圖1)F8、FS1和FS2井埋深在3 000～5 500 m的鹽上段、鹽間段和鹽下段泥巖巖芯樣品16塊(表1)。

將泥巖巖樣經(jīng)凈化處理后放入恒溫干燥箱內,在40℃烘干4 h以上。干燥后樣品磨碎過篩至80目以下,進行索氏抽提72 h。抽提后所得可溶有機質經(jīng)濃縮后加入正己烷靜置沉淀瀝青質,用硅膠、氧化鋁色層柱,分別以正己烷、二氯甲烷和甲醇作為沖洗劑,得到飽和烴、芳香烴和非烴餾分。用GC-MS對飽和烴做分析測試,試驗儀器Agilent 6890 GC/5973N MSD,色譜柱為DB5-MS 60 m X0.25 mm X0.23μm,柱始溫100℃,升溫速率4℃/min,柱終溫320℃,恒溫20min。載氣為氦氣。離化方式為電子轟擊(EI,70eV),離子源溫度250℃。

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Geographical location of the study area

表1 東營凹陷深層烴源巖樣品基本參數(shù)與族組成Table1 Geochem ical parameters and group compositions of samp les

2 結果與討論

2.1 有機質豐度與類型

對16塊樣品的有機質豐度統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(表1),巖上、間、下三段間差異較大,而以鹽上段豐度較高。鹽上段TOC含量分布在1.83%～2.77%,相應氯仿瀝青“A”含量也最高,平均值為0.38%。鹽間段TOC含量低于鹽上段,最大值僅為1.75%,最小值為0.47%,而其氯仿瀝青“A”含量相對較高,平均值為0.18%。鹽下段有機質豐度差異較大,其中埋深為4 182 m的F8樣品TOC為2.29%,但其氯仿瀝青“A”含量遠低于鹽上段相當有機碳含量的樣品,可能與有機質的類型有關。

從樣品族組成可以看出(表1),不同層段樣品族組成差異明顯,其中鹽上段和鹽間段均以飽和烴和芳烴為主,鹽上段飽和烴占50%左右,鹽間段飽和烴占顯著優(yōu)勢,絕大多數(shù)樣品含量都在70%以上,僅有兩個樣品檢出瀝青質,鹽下段飽和烴含量很低,芳香烴與非烴含量達到60%以上。據(jù)此推斷鹽上段和鹽間段有機質主要來源于富含飽和烴類的水生生物源,而鹽上段有機質主要來源于芳香烴占優(yōu)勢的陸源植物,該結果與孢粉相的分析結果相一致①同前頁標注②。:鹽上段無定形組分含量高,其次為木質素;鹽間段以無定形組分占絕對優(yōu)勢,其他組分低;鹽下段則以木質素為主,無定形含量低。不同層段中有機質來源的差異是有機質類型變化的主要原因。

圖2 東營凹陷深層烴源巖飽和烴色譜圖Fig.2 Mass chromatogram of m/z85 of deep source rocks from Dongying depression

2.2 有機質來源

正構烷烴GC-MS特征具有明顯差異(圖2、表2)。首先各段烴源巖飽和烴主峰碳變化較大,鹽上段主要為n C17,其次為n C23、n C25;鹽間段則以n C16～18居多,鹽下段各樣品主峰碳散亂,分別為n C18、n C22、n C23。此外,C21-/C22+比值變化也較大,其中FS1井從鹽上到鹽下按深度呈先增加后減小的趨勢(表2),揭示了鹽上段有機質以陸源占優(yōu)勢逐漸變化為水生來源為主,而鹽間段則以水生來源為主,鹽下段樣品也體現(xiàn)出一定的水生優(yōu)勢,與鹽上段差別不大,F8井與FS1井變化趨勢類似。另外,從三段烴源巖規(guī)則甾烷C27、C28、C29的相對含量可以看出,鹽上段與鹽下段類似,C27/C29比值普遍小于1.0,鹽上段與鹽下段平均值分別為0.76與0.81,陸源物質在有機質組成中稍占優(yōu)勢;鹽間段高于其他兩段,平均值為1.54,最大值高達4.3,具有絕對水生優(yōu)勢,體現(xiàn)了鹽湖相有機質來源具有其自身的特殊性。

從檢出的類異戊二烯烴來看,姥鮫烷和植烷較豐富.r/C17與Ph/C18關系圖(圖3)反映了鹽間段特征明顯區(qū)別于其他兩段,數(shù)據(jù)點相對分散,表現(xiàn)為類異戊二烯烴類對正構烷烴的優(yōu)勢,而鹽上與鹽下兩段樣品數(shù)據(jù)點在Pr/C17與Ph/C18均小于0.1的范圍之內。高豐度的類異戊二烯烴是我國咸化湖典型特征之一,同時表明菌藻類在鹽間段發(fā)育[7],可能是沉積有機質的主要來源。另外,鹽間段烴源巖抽提物中所檢出較其他兩段豐富的三環(huán)萜類也表明了該段沉積有機質中咸化湖低等水生生物的突出貢獻。

圖3 東營凹陷深層烴源巖類異戊二烯烴關系圖(YSD:鹽上段;YJD:鹽間段;YXD:鹽下段)Fig.3 Correlation plot of Ph/n C18 vs.Pr/n C17 of deep source rocks from Dongying depression

綜合各種參數(shù),有機質來源主要與氣候條件和河流輸入變化有關[8],鹽上段氣候相對濕潤[9],河流帶來大量陸源有機質,低等水生生物和陸源高等植物構成了有機質的雙重輸入。隨著氣候逐漸干旱[9],河流流量減小導致攜帶的陸源有機質減小,但隨著干旱程度增加湖水鹽度增大,一些嗜鹽菌藻類適應高鹽環(huán)境而大量繁殖,成為沉積有機質主要來源,從而導致鹽間段水生生物占優(yōu)勢。

2.3 有機質沉積與保存環(huán)境

Pr/Ph比值的差異體現(xiàn)了各段有機質沉積環(huán)境不同,鹽間段該參數(shù)明顯低于其他兩段。鹽上段Pr/ Ph比值分布在0.75～1.24之間,鹽間段Pr/Ph比值變化范圍為0.34～0.79,與鹽上段差異較大,而鹽下段Pr/Ph比值分布在0.76～1.19之間,與鹽上段并無明顯差別。據(jù)梅博文等[10]研究,鹽上段以及鹽下半潮濕氣候條件下淡水-微咸水湖還原環(huán)境,而鹽間段屬于半干旱氣候條件下的咸水湖環(huán)境。從伽馬蠟烷相對含量的變化也能夠體現(xiàn)有機質沉積環(huán)境的差異,鹽間段普遍較高。鹽上段伽馬蠟烷/C30藿烷分布在0.04～0.29之間,平均值為0.15,鹽下段伽馬蠟烷/C30藿烷平均值為0.11,與鹽上段差別不大;鹽間段伽馬蠟烷/C30藿烷最低值為0.16,最高值達1.63,平均值為 0.53。伽馬蠟烷含量與水體鹽度有關[11,12],在濟陽凹陷,正常鹽度條件下烴源巖沉積有機質中伽馬蠟烷/C30藿烷比值在 0.09～0.29之間[13],鹽上段與鹽下段樣品伽馬蠟烷指數(shù)分布在此范圍之內,屬于正常沉積,而鹽間段相對含量高的伽馬蠟烷與Pr/Ph比值所指示的半干旱氣候條件下咸水湖環(huán)境相吻合。從伽馬蠟烷含量與Pr/Ph比值(圖4)也能夠看出鹽間段高伽馬蠟烷指數(shù)對應于Pr/Ph比值的低值區(qū),Pr/Ph比值大于0.8的樣品伽馬蠟烷指數(shù)都在0.4以下,其原因可能為:當湖泊鹽度降低時,表現(xiàn)為伽馬蠟烷含量降低,而水體因鹽度差異而產(chǎn)生的分層現(xiàn)象減弱,從而溶解氧能夠進入底層水體導致有機質沉積環(huán)境趨于氧化,使得Pr/Ph比值增大。

表2 東營凹陷深層烴源巖生標參數(shù)Table2 Biomarker parameters of saturated hydrocarbon of the samples

藿烷組分中升藿烷檢出不全,分布無明顯規(guī)律性,不同于低熟烴源巖還原環(huán)境中存的C35>C34> C33的翹尾現(xiàn)象[14]。所研究樣品中大部分有孕甾烷檢出,但含量很低,從F8井單井的各段烴源巖孕甾烷與升孕甾烷相對含量依然能夠看出鹽間段高于其他兩段,具有咸化湖特征,但鹽間段部分樣品因飽和烴中甾烷含量低而無法計算孕甾烷與升孕甾烷的含量。

圖4 東營凹陷深層烴源巖Pr/Ph與伽馬蠟烷指數(shù)關系(YSD.鹽上段;YJD.鹽間段;YXD.鹽下段)Fig.4 Correlation plot of Pr/Ph vs.index of gammacerane of deep source rocks from Dongying depression

2.4 有機質成熟度

對生物標志化合物成熟度指標統(tǒng)計對比發(fā)現(xiàn)各段有機質演化程度不同,以鹽間段最低,鹽上段略高于鹽下段。鹽上、鹽間與鹽下三段烴源巖規(guī)則甾烷C29ααα20S/20(S+R)比值平均值分別為:0.436、0.433、0.413,而藿烷類C31αβ22S/22(S+R)比值各段平均值分別為:0.574、0.527、0.570。盡管兩個參數(shù)所指示各段烴源巖熱演化程度有差異,但其中一個明顯特征是鹽間段成熟度小于鹽上段,鹽下段因樣品數(shù)量少致使可比性較差。通過熱解實驗中成熟度指標Tmax顯示,三段烴源巖自上而下平均值分別為: 443.6℃、395.3℃、438.2℃①見首頁注②,也體現(xiàn)了鹽間段烴源巖成熟度明顯低于上下兩段的現(xiàn)象。膏巖層的存在導致了烴源巖有機質熱演化異常,除有機質特殊沉積與保存環(huán)境外,膏巖層熱導率高導致深部地溫容易傳到淺部也是其中一個重要原因[15]。

3 北坡原油油源探討

Baltes早在1979年就提出膏鹽層的形成環(huán)境有利于有機質保存[16],并為轉化成石油形成物質基礎,其與有機質結合量僅次于黏土或泥巖[17]。前人對膏巖層有機質研究認為:蒸發(fā)巖形成時期,湖盆底部水體近于停滯,使湖盆底部形成弱氧化弱還原環(huán)境,從而有效保存了有機質[18],為烴類的形成提供物質基礎。從東營凹陷北坡深層烴源巖有機地球化學參數(shù)來看,膏巖層作為烴源巖生烴有其自身優(yōu)勢:首先,表征有機質豐度的參數(shù)TOC雖然低于鹽上段,但都在0.5以上,而且有機質類型較其他兩段好,可溶有機質組分以飽和烴為主,少見瀝青質。其次,通過甾、萜烷異構化參數(shù)得到的結果均顯示其成熟度低于其上覆巖層。此外,來源于高鹽度環(huán)境下的細菌和藻類形成的有機質在特殊的沉積與保存環(huán)境中具有可觀的生烴潛力。因此,無論從有機質豐度、類型和成熟度方面都表明膏泥巖混層中有機質易于保存和生烴,在東營凹陷北坡烴源巖研究和油氣勘探中應予以足夠重視。

鑒于此,我們收集了東營凹陷北坡部分原油資料以明確北坡油源。前人通過類異戊二烯烴指標將原油分為兩類:一類具有較高的Pr/Ph比值,較低的Pr/ n C17與 Ph/n C18比值,(Pr/Ph>1,Pr/n C17為0.4～ 0.6,Ph/n C18為0.3～0.6);另一類具有較低的Pr/Ph比值,較高的Pr/n C17與Ph/n C18比值,(Pr/Ph比值介于0.3～0.8,Pr/n C17為0.7～1.1,Ph/n C18介于1.3 ～3.0),后一種原油分布相對于前者更加廣泛[6]?？梢钥闯?第一類原油形成于較氧化環(huán)境,母質類型較差;第二類原油形成于還原環(huán)境,母質類型較好。從本研究所取烴源巖樣品分析結果來看,第一類原油可能來源于鹽上段,Pr/Ph比值大于或接近于1.0, Pr/n C17分布于0.33～0.67,Ph/n C18在0.33～0.93。第二類原油與鹽間段烴源巖特征相吻合,Pr/Ph較低都在0.8以下,Pr/n C17與Ph/n C18較高,分別分布在0.54～2.4和0.87～3.01,巨厚膏巖層存在于東營凹陷北部,也解釋了第二類原油廣泛分布的原因。從圖5中能夠看出北坡原油可以分為明顯的兩類,并且與烴源巖各參數(shù)具有很好的一致性,其中Ⅰ區(qū)原油對應于鹽上段和鹽下段烴源巖,而分布廣泛的Ⅱ區(qū)則對應于鹽間段烴源巖。因此,從可溶有機質角度,可以初步判斷東營凹陷北部供油區(qū)以鹽上段和鹽間段為主。

圖5 東營凹陷北部油源生物標志物對比(YSD:鹽上段;YJD:鹽間段;YXD:鹽下段)Fig.5 Relationships between biomarkers of oil and source rocks from northern Dongying depression

4 結論

通過綜合分析東營凹陷深層烴源巖可溶有機質生物標志化合物特征主要得出以下結論:

(1)烴源巖有機質豐度以鹽上段為最高,鹽間段次之,鹽下段最低;可溶有機質族組成反映出鹽間段有機質類型最好,其次為鹽上段,鹽下段最差。

(2)三段烴源巖有機質來源均存在低等水生生物來源和陸源高等植物輸入的雙重特征,鹽上段與鹽下段有機質來源相似,鹽間段以低等水生生物來源為主,特別是嗜鹽菌藻類。

(3)三段烴源巖有機質沉積與保存環(huán)境鹽上段與鹽下段類似,為半潮濕氣候條件下淡水-微咸水深湖還原環(huán)境,水體鹽度正常;鹽間段特征明顯區(qū)別于其他兩段,屬于半干旱氣候條件下咸水湖環(huán)境,水體鹽度大,屬于強還原環(huán)境。

(4)綜合烴源巖有機質豐度、有機質類型以及有機質成熟度參數(shù),得出東營凹陷深層烴源巖中膏泥巖層具有一定生烴能力,對該區(qū)油氣源有重要貢獻,且北坡原油主要供油區(qū)可能為鹽間段和鹽上段。

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