松遼盆地西部圖牧吉油砂地球化學(xué)特征

李寧熙，黃海平,2，孫晶晶 ，劉 梅，張海峰，蔣文龍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083； 2.卡爾加里大學(xué) 地球科學(xué)系，阿爾伯塔 卡爾加里 T2N 1N4)

松遼盆地西部圖牧吉油砂地球化學(xué)特征

李寧熙1，黃海平1,2，孫晶晶1，劉 梅1，張海峰1，蔣文龍1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083； 2.卡爾加里大學(xué) 地球科學(xué)系，阿爾伯塔 卡爾加里 T2N 1N4)

油砂是重要的非常規(guī)油氣資源，對(duì)油砂的地球化學(xué)研究可以更好地指導(dǎo)油砂資源潛力評(píng)價(jià)。收集了13件松遼盆地西部圖牧吉農(nóng)場(chǎng)的油砂樣品，并做了含油率、族組成以及色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示圖牧吉油砂含油率較高，族組分中以非烴含量為最高。GC-MS分析飽和烴和芳香烴餾分中大部分化合物被降解，其中正構(gòu)烷烴、藿烷和甾烷系列均受到不同程度降解，三環(huán)萜烷抗降解能力較強(qiáng)未受影響。芳烴化合物中萘和菲等化合物都已消失，三芳甾系列較完整。油砂中沒有出現(xiàn)25-降藿烷系列，降解程度為6～8級(jí)，通過抗降解能力較強(qiáng)的化合物判斷，原油基本來自同一油源。

生物降解；地球化學(xué)；非常規(guī)油氣；油砂；圖牧吉；松遼盆地

我國(guó)的油砂資源分布較廣，在準(zhǔn)噶爾、柴達(dá)木、松遼和四川盆地等都發(fā)現(xiàn)了油砂的分布[1]。但我國(guó)的油砂工業(yè)起步相較于西方國(guó)家晚，尚處于普查和初步研究階段[2-3]。在松遼盆地的西坡圖牧吉農(nóng)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了大面積的油砂礦分布區(qū)。劉興兵等[4]對(duì)圖牧吉地區(qū)油砂發(fā)育主要地質(zhì)影響因素進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為圖牧吉地區(qū)油砂礦的形成與松遼盆地的構(gòu)造演化、地層發(fā)育以及油氣聚集都有很大關(guān)系；拜文華等[5]對(duì)圖牧吉油砂的油質(zhì)進(jìn)行了分析,油砂的烷烴含量為38.5%～58.4%，芳烴含量為12.4%～ 22.1%，瀝青質(zhì)含量為1.3%～4%，非烴+瀝青質(zhì)含量為15.5%～42.3%，油質(zhì)局部因氧化或地下水侵蝕、細(xì)菌分解等作用變差，粘稠度增高；鄒才能等[6]通過對(duì)比西斜坡稠油和坳陷內(nèi)原油，認(rèn)為西斜坡稠油來自盆地中央坳陷，經(jīng)長(zhǎng)距離運(yùn)移且遭受生物降解等次生蝕變而成。

在松遼盆地北部的西部斜坡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)富拉爾基稠油油田，有可能由北向南形成較大規(guī)模的稠油聚集帶[7-9]，這將是保持油田的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)的重要后備勘探和儲(chǔ)量接替地區(qū)，本文針對(duì)油砂的地球化學(xué)特征深入探討進(jìn)而為下一步勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

松遼盆地是中國(guó)最大的陸相含油氣盆地，發(fā)育中-新生代地層，面積約為26×104km2(圖1)[10-12]。圖牧吉油砂位于盆地西部邊緣超覆帶上，出露地層不同于盆地內(nèi)部，主要發(fā)育古生界下二疊統(tǒng)的索林組和大石寨組，中生代發(fā)育中-上侏羅統(tǒng)的下興安嶺組和上興安嶺組。油砂主要儲(chǔ)存于新生界較淺的地層之中。新生界廣泛發(fā)育，有古近系半膠結(jié)的粘土頁(yè)巖、礫巖以及新近系的松散沉積。油砂賦存于古近系，頂板為含油粉砂巖，底板為粘土巖與油砂互層，厚度5～15 m[13]。

圖1 松遼盆地構(gòu)造及樣品位置

2 樣品及實(shí)驗(yàn)條件

收集的13件油砂樣品(均為鉆井樣品)，呈糖粒狀、染手(圖2)。將油砂粉碎至80目后用三氯甲烷浸泡，得到抽提物通過氧化鋁/硅膠柱層析分離出飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)組分，其中飽和烴和芳烴組分進(jìn)行色譜-質(zhì)譜分析。

圖2 松遼盆地圖牧吉油砂樣品

飽和烴與芳烴色質(zhì)分析通過Agilent 6890 GC-5975i MS色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，配置DB-5熔硅彈性毛細(xì)柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)和NIST2.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。色譜分析條件：程序升溫至80 ℃并保持恒溫1 min，以3 ℃/min速率升至300 ℃，再恒溫15 min；采用氦氣載氣，氣化室保持300 ℃。質(zhì)譜分析條件：離子源采用電子轟擊(EI)方式，電離電壓70 eV，發(fā)射電流300 μA，信號(hào)倍增電壓1 000 V，質(zhì)量掃描范圍為m/z50～600。

3 結(jié)果分析

3.1 油砂抽提物及其族組分特征

油砂的含油率從5.2%～32.0%都有分布，埋深較大的樣品含油率偏低，但樣品整體含油率較高，屬于品質(zhì)較好的油砂。從表1中可以看出，油砂抽提物的飽和烴組分分布在24.8%～42.3%，而盆地中心凹陷

表1 松遼盆地油砂抽提物和原油的族組成以及含油率

里的正常油分布在76.5%～78.7%，油砂飽和烴含量明顯較低。芳烴組分分布在11.0%～29.6%，相比正常油的12.1%～14.1%要高一些。飽和烴是對(duì)生物降解作用最敏感的化合物系列[14-15]，油砂的飽和烴比松遼盆地正常原油顯著偏低，非烴和瀝青質(zhì)比正常油明顯偏高，認(rèn)為是受到了生物降解作用的影響。飽和烴與瀝青質(zhì)的含量呈反比，說明生物降解消耗飽和烴產(chǎn)生了極性化合物。

3.2 鏈烷烴特征

圖3是代表樣品的飽和烴總離子流(TIC)以及m/z85質(zhì)量色譜圖，與盆地中央南2-5-2225井正常原油比較，可以看出油砂受到了不同程度的降解，飽和烴TIC中大部分化合物都被消耗掉，二環(huán)倍半萜、三環(huán)萜、五環(huán)萜和甾烷分布都有不同程度的改變，有些樣品中C29藿烷明顯高于C30藿烷。在m/z85質(zhì)量色譜圖上，正烷烴和異戊二烯烴基本消失，圖譜上基線大幅度隆起，形成UCM，這些都反映了強(qiáng)烈生物降解特征。盆地中央凹陷的正常油樣品各個(gè)化合物系列分布完整，顯示沒有遭受降解的影響。

3.3 甾烷和萜烷分布特征

從圖4中可以看到油砂樣品重排甾烷系列較規(guī)則甾烷相對(duì)含量低，規(guī)則甾烷抗降解能力中等，因此分布

也受到了一定影響。C28甾烷的含量相對(duì)較低，且C27>C28?C29，呈反“L”型的分布。甾烷的抗生物降解能力與碳數(shù)有關(guān)，總體上，碳數(shù)越高抗降解能力越強(qiáng)。正常原油的常規(guī)甾烷中C27為主峰，且C27?C28

原油中三環(huán)萜烷抗降解能力較強(qiáng)，是重要的生物標(biāo)志物系列[16]。其分布范圍從C19到C26比較完整，以C21三環(huán)萜烷和C23三環(huán)萜烷為主峰(圖5)，明顯區(qū)別于海相原油，認(rèn)為生油母質(zhì)來自湖相沉積有機(jī)質(zhì)，C24四環(huán)萜烷豐度較高也證明了這個(gè)觀點(diǎn)。由于三環(huán)萜烷比藿烷和重排甾烷的抗降解能力更強(qiáng)，且沒受到任何影響，從其和正常油的譜圖對(duì)比可以看到峰型極為一致，應(yīng)為同源產(chǎn)物。

油砂樣品的藿烷系列化合物從C27—C35都有分布，升藿烷系列相對(duì)含量通常隨碳數(shù)增加而降低，C35升藿烷異常升高認(rèn)為與強(qiáng)還原條件或水體分層有關(guān)[17]。有關(guān)升藿烷生物降解順序存在兩種情形，如果降解從藿烷核心開始，C35升藿烷比其它升藿烷降解慢，如果降解從藿烷側(cè)鏈開始，C35升藿烷比其它升藿烷降解快，樣品中C35升藿烷相對(duì)于其他升藿烷系列濃度低，表明松遼盆地油砂藿烷降解從側(cè)鏈開始。C30藿烷比C29藿烷降解速度要快，在降解程度較低的樣品中，C30藿烷的相對(duì)含量較高，與正常油樣品的譜圖有很好的對(duì)比性；而降解程度較高的樣品C29藿烷的相對(duì)含量較高(圖6)，表現(xiàn)為C29藿烷/C30藿烷比值隨生物降解程度升高而增大。伽馬蠟烷是高鹽度以及水體分層的標(biāo)志。前人研究表明伽馬蠟烷的抗降解能力比藿烷要強(qiáng)[18]，從伽馬蠟烷/C30藿烷比值可以看出這個(gè)趨勢(shì)(圖7)。根據(jù)五環(huán)三萜分布特征，松遼盆地油砂至少遭受過6級(jí)左右生物降解程度的影響，但樣品中沒有檢測(cè)到25-降藿烷系列，這可能與樣品所經(jīng)歷的降解路徑或氧化還原條件有關(guān)，25-降藿烷只能在厭氧條件下產(chǎn)生，氧化條件下的藿烷降解不會(huì)產(chǎn)生25-降藿烷。

圖3 松遼盆地油砂和原油樣品飽和烴TIC和m/z85質(zhì)量色譜

圖4 松遼盆地油砂和原油樣品飽和烴m/z217質(zhì)量色譜

圖5 松遼盆地油砂與原油樣品三環(huán)萜烷質(zhì)量色譜

圖6 松遼盆地油砂與原油樣品藿烷質(zhì)量色譜

圖7 松遼盆地C29藿烷/C30藿烷與伽馬蠟烷/C30藿烷相關(guān)圖

3.4 芳烴分布特征

油砂樣品芳烴餾分中烷基苯、C20—C25烷基萘系列、C20—C22烷基二苯并噻吩和C20—C23烷基菲系列化合物都已消失，螢蒽和芘等四環(huán)芳烴也已被消耗，只有三芳甾系列保存的比較完整，與盆地中心正常油的峰型一致，具有較低的C26TAS含量以及含量較高的C28TAS。(圖8)。

大部分可用于評(píng)價(jià)成熟度的指標(biāo)在受降解程度較高的油砂樣品中已無法應(yīng)用。而三芳甾的分布可以從另一個(gè)角度反映成熟度[19-21]。其中一個(gè)參數(shù)是短側(cè)鏈三芳甾比長(zhǎng)側(cè)鏈三芳甾[C21/(C21+C28)]，但這個(gè)參數(shù)也受到了降解作用的影響，因?yàn)镃20和C21三芳甾的抗生物降解能力較弱。另外一個(gè)是甾烷的芳構(gòu)化參數(shù)[TAS/(TAS+MAS)](TAS是全部三芳甾系列而MAS是全部C27—C29單芳甾系列)，當(dāng)成熟度升高時(shí)，單芳甾濃度會(huì)相對(duì)下降，而生物降解作用沒有影響到這個(gè)參數(shù)。0.4～0.8的分布范圍顯示樣品總體的成熟度較高。Ts/(Ts+Tm)的比值為0.61～0.73，同樣反映了高成熟的特點(diǎn)。

3.5 生物降解的程度

根據(jù)Peters和Moldowan的生物降解分級(jí)[16]，圖牧吉油砂遭受到了6～8級(jí)不同程度的降解。幾乎所有樣品的正烷烴和類異戊二烯烴都已被消耗，所以油砂樣品至少遭受了5級(jí)以上生物降解程度的影響。從m/z217質(zhì)量色譜圖中可以看到，與同源的正常原油相比，孕甾烷和重排甾烷都沒有受到降解作用的影響，而常規(guī)甾烷中，油砂中C27甾烷的濃度明顯低于未降解原油，且按照降解的難易順序C27>C28>C29甾烷，說明C27甾烷遭受了降解，降解級(jí)別達(dá)到了6級(jí)。從藿烷系列的圖譜中可以看到，部分樣品的藿烷系列和正常油一致，而部分樣品的C30藿烷相對(duì)含量要低很多，且C29降藿烷的濃度較高。說明部分油砂樣品的藿烷系列也遭受了降解，降解程度達(dá)到了7～8級(jí)。

圖8 松遼盆地原油和油砂樣品三芳甾(m/z231)質(zhì)量色譜

4 結(jié)論

1) 松遼盆地西斜坡的油砂來源于湖相有機(jī)質(zhì)，油砂為成熟正常原油遭受生物降解所致。油砂含油率較高，品質(zhì)較好。

2) 原油分子組成可以反映生物降解作用影響程度，飽和烴中正烷烴、類異戊二烯烷烴都被降解，藿烷和甾烷系列被部分降解，三環(huán)萜烷抗降解能力較強(qiáng)未受影響。芳烴中萘系列、菲系列和二苯并噻吩等都被降解，只有芳甾系列較為完整，認(rèn)為降解程度較高，達(dá)到6～8級(jí)。根據(jù)抗降解化合物分析認(rèn)為油砂為同源產(chǎn)物。

致謝：中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院郜建軍教授給本文提出了建設(shè)性的修改意見，特此感謝。

[1] 胡見義,牛嘉玉.中國(guó)重油瀝青資源的形成于分布[J].石油與天然氣地質(zhì),1994,15(2)：105-112. Hu jianyi,Niu jiayu.Formation and distribution of heavy oil bitumen resources in China[J].Oil & Gas Geology,1994,15(2):105-112.

[2] 單玄龍,車長(zhǎng)波,李劍，等.國(guó)內(nèi)外油砂資源研究現(xiàn)狀[J].世界地質(zhì),2007,26(4):459-464. Shan xuanlong,Che changbo,Li jian，et al.Present status of oil sand resources at home and abroad[J].Global Geology,2007,26(4):459-464.

[3] 劉亞明,謝寅符,馬中振，等.Orinoco重油帶重油成藏特征[J].石油與天然氣地質(zhì),2013,34 (3):315-322. Liu Yaming,Xie Yinfu,Ma Zhongzhen，et al.Heavy oil accumulation characteristics of the Orinoco heavy oil belt[J].Oil & Gas Geology,2013,34(3):315-322.

[4] 劉興兵,黃文輝.內(nèi)蒙古圖牧吉地區(qū)油砂發(fā)育主要地質(zhì)影響因素[J].資源與產(chǎn)業(yè),2008,10(6)：83-86. Liu Xingbing,Huang Wenhui.Geological controls of oil sands in Tumuji,Inner Mongolia[J].Resources & Industries,2008,10(6)：83-86.

[5] 拜文華，劉人和，李鳳春，等.中國(guó)斜坡逸散型油砂成礦模式及有利區(qū)預(yù)測(cè) [J].地質(zhì)調(diào)查與研究，2009，33(3)：228-235. Bai Wenhua,Liu Renhe,Li Fengchun，et al,Formation model and prospect of the slope spill-scattered type oil-sand in China[J].Geological Survey and Research,2009，33(3)：228-235.

[6] 鄒才能，王兆云，徐冠軍.松遼盆地西斜坡稠油特征及成因[J].沉積學(xué)報(bào)，2004，22(4)：700-705. Zou Caineng,Wang Zhaoyun,Xu Guanjun.Characteristics and genesis of the western slope thick oils in songliao Basin[J].Acta Sedimentologica Sinica,2004，22(4)：700-705.

[7] 馮子輝，廖廣志，方偉，等.松遼盆地北部西斜坡區(qū)稠油成因與油源關(guān)系[J].石油勘探與開發(fā)，2003，30(4)：25-27. Feng Zihui,Liao Guangzhi,Fang Wei et al.Formation of heavy oil and correlation of oil-source in the western slope of the northern Songliao Basin[J].Petroleum exploration and development,2003，30(4)：25-27.

[8] 張妍,楊輝,文百紅，等.松遼西斜坡超覆帶油藏重力異常特征[J].石油地球物理勘探，2005，40(5)：591-593. Zhang Yan,Yang Hui,Wen Baihong，et al.Gravitational anomaly feature of reservoir in overlap zone of Songliao west slope[J],Oil Geophysical Prospecting,2005，40(5)：591-593.

[9] 牛軍平，關(guān)淑妍，吳東銘，等.應(yīng)用化探方法在松遼盆地西部地帶確定油砂[J].吉林地質(zhì)，2009，28(1)：64-68. Niu Junping,Guan Shuyan,Wu Dongming，et al.Application of geochemical exploration technology in oil sand exploration of western clinoform of Songliao Basin[J].Jinlin Geology,2009，28(1)：64-68.

[10] Ren,J,Tamaki.Late Mesozoic and Cenozoic rifting and its dynamic setting in Eastern China and adjacent areas[J].Tectonophysics.2002：344,175-205.

[11] Feng.Z Q,Jia C Z,Xie X N,et al.Tectonostratigraphic units and stratigraphic sequences of the nonmarine the Songliao Basin,northeastChina[J].Basin Research，2010，22：79-95.

[12] 何坤,張水昌,王曉梅，等.松遼盆地白堊系湖相Ⅰ型有機(jī)質(zhì)生烴動(dòng)力學(xué)[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(1): 42-49. He Kun,Zhang Shuichang,Wang Xiaomei et al.Hydrocarbon generation kinetics of type-Ⅰ organic matters in the Cretaceous lacustrine sequences,Songliao Basin [J].Oil & Gas Geology,2014,35(1):42-49.

[13] 中國(guó)地質(zhì)礦業(yè)內(nèi)蒙古公司.內(nèi)蒙古自治區(qū)扎賚特旗圖牧吉牧場(chǎng)含油砂石詳查報(bào)告[R].內(nèi)蒙古國(guó)土信息院.2006. Chinese mining geologyInner Mongolia Company.Report of oil-sand in Zhalaite banner Tumuji,Inner Mongolia[R].The Information Institute of Inner Mongolia Land and Resources.2006.

[14] Connan J.Biodegradation of crude oils in reservoirs[M].London：Academic Press,1984,299-335.[15] 國(guó)朋飛,何生,朱書奎，等.泌陽(yáng)凹陷生物降解油“基線鼓包”成因及化合物組成[J].石油與天然氣地質(zhì),2014,35(3) :317-325. Guo Pengfei,He Sheng,Zhu Shukui,et al.Genesis and composition of ‘baseline hump’ in biodegraded oil samples from Biyang Depression [J].Oil & Gas Geology,2014,35(3):317-325.

[16] Peters K E,Moldowan J M.The Biomarker Guide:Interpreting Molecular Fossils in Petroleum and Ancient Sediments[M].New Jersey:Preentice Hall，Englewood Cliffs，1993.

[17] Larter,S R,Wilhelms A,Head I,et al.The controls on the compositon of biodegraded oils in the deep subsurface:(Part1)Biodegradation rates in petroleum reservoirs[J].Organic Geochemistry，2003：34,601-613.

[18] Seifert,W K,Moldowan J M,Demaison G J.Source correlation of biodegraded oils[J].Organic Geochemistry，1984,6：633-643.

[19] Seifert W K,Moldowan J M.The effect of thermal stress on source-rock quality as measured by hopane stereochemistry[J].Physics and Chemistry of the Earth，1980,12：229-237.

[20] Sinninghe Damsté J S,Kenig F,Koopmans M P.Evidence for gammacerane as an indicator of water column stratification[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1995,59：1895-1900.

[21] Lafargue,E,Barker C.Effect of water washing on crude-oil compositions[J].AAPG Bulletin，1988，72(3)：263-276.

(編輯 張玉銀)

Geochemical characteristics of Tumuji oil sands in western Songliao Basin

Li Ningxi1，Huang Haiping1，2，Sun Jingjing1，Liu Mei1，Zhang Haifeng1，Jiang Wenlong1

(1.SchoolofEnergyResource,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.DepartmentofGeoscience,UniversityofCalgary,2500UniversityDriveNW,Calgary,AB，T2N1N4,Canada)

Being one of the important unconventional oil resources,oil sand is well worth of geochemical study so as to better guide its resource assessment.Thirteen oil sand samples were collected from Tumuji ranch in western Songliao Basin and analyzed for oil yield,bulk composition and GC-MS.The result shows that the oil yield of oil sand is high,and non-hydrocarbon components dominate the bulk composition.Most compounds in saturated and aromatic hydrocarbon fractions were largely biodegraded.The n-alkanes,isoprenoid alkanes,hopanes and steranes were all degraded in varying degree except for tricyclic terpanes.No 25-norhopane series has been detected in the studied sample suite. The naphthalene and phenanthrene series were all destroyed but the triaromatic steroids are intact.These oils are derived from single source rock system on the basis of biodegradation resistant compound signatures.

biodegradation,petroleum geochemistry，unconventional oil resource,oil sand，Tumuji，Songliao Basin

2015-04-15;

2015-05-20。

李寧熙(1986—)，男，博士生，油氣地球化學(xué)。E-mail:ningxili@foxmail.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41273062)。

0253-9985(2015)04-0581-06

10.11743/ogg20150407

TE122.1

A