白云凹陷原油氣洗作用

陳 濤， 侯讀杰， 米巨磊， 何大雙， 施和生， 朱俊章

( 1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 廣州 510240 )

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白云凹陷原油氣洗作用

陳 濤1,2， 侯讀杰1,2， 米巨磊1,2， 何大雙1,2， 施和生3， 朱俊章3

( 1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083； 2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083； 3. 中海石油(中國)有限公司 深圳分公司，廣東 廣州 510240 )

白云凹陷天然氣資源豐富，同時(shí)產(chǎn)出一定量輕質(zhì)原油和凝析油.其天然氣成熟度高于原油的，具有油氣同源不同期、早油晚氣的特征，后期充注的天然氣對(duì)早期形成的油氣藏進(jìn)行氣洗分餾改造，導(dǎo)致原油輕組分正構(gòu)烷烴大量損失并形成次生凝析氣藏.基于全油氣相色譜數(shù)據(jù)，計(jì)算原油正構(gòu)烷烴損失量，研究白云凹陷原油氣洗作用強(qiáng)度及成因.結(jié)果表明，研究區(qū)原油多具有氣洗分餾作用殘留油特征，原油氣洗作用主要發(fā)生在珠江組儲(chǔ)層，且東部流花—荔灣構(gòu)造帶氣洗的廣度和強(qiáng)度大于北部番禺低隆起構(gòu)造帶的；東區(qū)LH3構(gòu)造正構(gòu)烷烴損失量最大，達(dá)到90%以上；北部番禺低隆起構(gòu)造帶氣洗程度差異較大，與該區(qū)斷裂發(fā)育程度及與油氣源距離有關(guān).該結(jié)果為尋找富含輕質(zhì)烷烴、貧芳烴的凝析油氣藏提供指導(dǎo).

氣洗； 正構(gòu)烷烴損失量； 蒸發(fā)分餾作用； 白云凹陷

0 引言

當(dāng)油藏中早期形成或運(yùn)移過程中形成的原油與后期注入的高成熟天然氣混合后，原油成分發(fā)生變化，輕質(zhì)組分多溶解到氣相中，飽含原油輕質(zhì)組分的天然氣繼續(xù)運(yùn)移并在合適的條件下形成次生凝析氣藏，被稱為原油的氣洗作用.氣洗作用是相分餾作用的一種，在全球范圍內(nèi)普遍發(fā)生，包括北美墨西哥灣、阿拉斯加近海、印尼近海及北海地區(qū)等，人們研究建立氣洗作用的理論模型.Silverman S R發(fā)現(xiàn)油氣藏在儲(chǔ)層壓力和溫度變化下發(fā)生相分離現(xiàn)象[1].Mcauliffe C D發(fā)現(xiàn)，即使沿同一路徑運(yùn)移，原油在水溶液中和在氣溶液中運(yùn)移所造成的分餾效應(yīng)不同[2].Thompson K F M研究墨西哥灣盆地凝析氣藏成因，提出“蒸發(fā)分餾”理論[3-4]，描述在封閉條件下單次混合相分餾過程，解釋非熱解成因凝析氣藏的形成機(jī)理.Larter S等對(duì)蒸發(fā)分餾理論和實(shí)驗(yàn)做出補(bǔ)充[5].Krooss B M等將氣洗作用描述為“氣—液地質(zhì)色層效應(yīng)”，即運(yùn)移中氣相流體與相對(duì)靜止的液相流體混合、平衡再分離的過程[6].Meulbroek P等拓展Thompson K F M的理論并提出“氣洗”概念，將它描述為在開放體系下持續(xù)混相分餾作用，其中蒸發(fā)分餾可視為一種限定條件下氣洗作用[7].Losh S等提出計(jì)算原油正構(gòu)烷烴損失量Q的方法，并將Q作為定量評(píng)價(jià)氣洗作用強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)[8].也有人通過計(jì)算Q，對(duì)塔河、庫車坳陷和輪南低隆起等地區(qū)的氣洗作用進(jìn)行定量研究[9-12].

白云凹陷是南海地區(qū)油氣重點(diǎn)勘探區(qū)塊.該凹陷天然氣藏屬于典型的晚期成藏類型，成藏時(shí)期晚于距今5 Ma，現(xiàn)今仍在成藏過程中[13]，晚期形成的大量天然氣對(duì)早期充注的原油進(jìn)行次生改造.關(guān)于白云凹陷氣洗作用的研究很少.通過原油氣洗作用研究，筆者分析白云凹陷氣洗作用成因及對(duì)油氣成藏的影響，探討不同構(gòu)造帶氣洗作用強(qiáng)弱的原因，研究原油氣洗作用機(jī)理，為該地區(qū)油氣勘探提供參考.

1 地質(zhì)概況

白云凹陷位于珠江口盆地南部坳陷帶，是珠二坳陷內(nèi)一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，也是珠江口盆地古近紀(jì)最大的沉降及沉積中心，主要包括白云西洼、白云主洼、白云東洼3個(gè)次級(jí)洼陷(見圖1).地震及鉆井資料表明，白云凹陷新生界發(fā)育8組地層，主力烴源巖層發(fā)育在始新統(tǒng)文昌組、始新—漸新統(tǒng)恩平組和漸新統(tǒng)珠海組地層，其中文昌組和恩平組已進(jìn)入高—過成熟階段，珠海組處于成熟階段.主要油氣儲(chǔ)層包括漸新統(tǒng)珠海組、新近系中新統(tǒng)珠江組及韓江組地層.

圖1 白云凹陷區(qū)域構(gòu)造及原油取樣井位置

白云凹陷自古近系至今，主要經(jīng)歷珠瓊運(yùn)動(dòng)二幕、南海運(yùn)動(dòng)和東沙運(yùn)動(dòng)3次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng).東沙運(yùn)動(dòng)發(fā)生于韓江組沉積末期，距今10～5 Ma，運(yùn)動(dòng)形成一系列NWW向以張扭性為主的正斷層，一方面使南海運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成的斷裂再次活動(dòng)，另一方面形成一系列位于T50以上地層的斷裂，對(duì)晚期油氣運(yùn)移輸導(dǎo)具有重要意義.東沙運(yùn)動(dòng)時(shí)期，白云凹陷3套地層中烴源巖已進(jìn)入成熟生烴階段，活動(dòng)的斷裂對(duì)文昌、恩平和珠海組烴源巖的排烴和輸導(dǎo)具有重要作用，決定白云凹陷的油氣成藏與分布.

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

21個(gè)原油實(shí)驗(yàn)樣品主要來自珠江組和珠海組地層，大部分為輕質(zhì)原油.為確定原油中正構(gòu)烷烴組成特征，開展全油氣相色譜(GC)分析，實(shí)驗(yàn)儀器采用美國安捷倫科技公司制造的色譜儀(Agilent 7890A-GC).色譜柱為HP-PONA石英毛細(xì)柱(50.00 m×0.20 mm×0.50 μm)；升溫程序：初溫35.0 ℃，恒溫5 min后，以3.0 ℃/min 速率升至70.0 ℃，以4.5 ℃/min速率升至300.0 ℃，恒溫35 min；采用FID檢測器，溫度為300.0 ℃；分流比為100∶1.

3 結(jié)果與討論

3.1 油氣地化特征

白云凹陷以天然氣藏為主，主要為濕氣藏，含少量干氣藏，氣藏中含有一定量的輕質(zhì)原油和凝析油.該地區(qū)原油以輕質(zhì)油和凝析油為主，w(Pr)/w(Ph)(姥鮫烷/植烷)多大于3.5，w(甾烷)/w(藿烷)小于0.46，w(DBT)/w(P)(二苯并噻吩/菲)小于0.26，w(C29)/w(C27重排甾烷)大于1，表現(xiàn)明顯的C29甾烷優(yōu)勢(見表1)，說明原油來源于氧化條件下陸源Ⅲ型有機(jī)質(zhì)的輸入，主要來自恩平組烴源巖.

白云凹陷原油成熟度較高，難以根據(jù)一般甾萜烷類成熟度參數(shù)準(zhǔn)確判斷,而芳烴可比飽和烴指示更寬的成熟度變化范圍，更好地確定原油成熟度.分別利用甲基菲比值F1(F1=(3-MP+2-MP)/(1-MP+9-MP+3-MP+2-MP)，其中MP為甲基菲)和二苯并噻吩參數(shù)MDR(MDR=4-MDBT/1-MDBT，其中MDBT為甲基二苯并噻吩)作為成熟度參數(shù)，換算原油鏡質(zhì)體反射率Ro1和Ro2，表示為

Ro1/%=2.598F1-0.274 9；

(1)

Ro2/%=0.073MDR+0.51.

(2)

該地區(qū)原油鏡質(zhì)體反射率在0.7%～1.5%之間，不同構(gòu)造帶差異較大，北部番禺低隆起原油成熟度大于東部流花—荔灣構(gòu)造帶的(見表1).北部大部分地區(qū)原油鏡質(zhì)體反射率在1.3%以上，成熟度高，與文昌組高熟油的混入有關(guān)；東部大部分地區(qū)原油鏡質(zhì)體反射率在0.7%～1.1%之間，成熟度較低，與珠海組低熟油的混入有關(guān).

白云凹陷天然氣組分以烴類氣體為主，甲烷占絕對(duì)優(yōu)勢，天然氣干燥因數(shù)大部分在0.92～0.95之間，屬典型的濕氣藏，以來自于恩平組烴源巖的干酪根裂解氣為主，屬高—過成熟階段[14].天然氣成熟度遠(yuǎn)大于原油的，具有油氣同源不同期、早油晚氣的特征，后期大量天然氣的充入對(duì)早期充注的原油改造作用明顯.

表1 白云凹陷原油地球化學(xué)參數(shù)

3.2 原油氣洗作用響應(yīng)

Kissin Y指出，未發(fā)生次生改造的基態(tài)原油正構(gòu)烷烴的摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與其對(duì)應(yīng)的碳原子數(shù)呈線性分布關(guān)系[15]，即

lnyi=axi+lnA,

(3)

式中：yi為原油正構(gòu)烷烴的摩爾分?jǐn)?shù)；xi為i對(duì)應(yīng)的正構(gòu)烷烴的碳原子數(shù)，i≥10；a為斜率；A為歸一化因子.

經(jīng)過氣洗作用改造的原油正構(gòu)烷烴的摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與碳原子數(shù)的分布曲線分為兩部分：高碳數(shù)正構(gòu)烷烴部分曲線保持原有線性分布關(guān)系；由氣洗作用造成的損失導(dǎo)致低碳數(shù)正構(gòu)烷烴部分線性曲線的偏離；兩者的轉(zhuǎn)折點(diǎn)xb稱為拐點(diǎn).當(dāng)i>b時(shí)，lnyi與xi呈線性分布，lnyi=axi+lnA；當(dāng)i

白云凹陷原油中正構(gòu)烷烴分布模式分為兩類：第一類是正?；鶓B(tài)原油，其正構(gòu)烷烴的摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與碳原子數(shù)呈線性關(guān)系;第二類是受氣洗作用改造的原油，其正構(gòu)烷烴的摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與碳原子數(shù)的關(guān)系曲線分為兩段，拐點(diǎn)前發(fā)生線性偏離，拐點(diǎn)后保持線性關(guān)系不變.白云凹陷東部流花—荔灣構(gòu)造帶第二類原油較多，氣洗作用較普遍，絕大多數(shù)原油的正構(gòu)烷烴分布曲線發(fā)生偏離(見圖2(b))；北部番禺低隆起構(gòu)造帶第一類原油較多，大多為正?；蚪?jīng)歷輕微氣洗的原油(見圖2(a)).

圖2 白云凹陷原油正構(gòu)烷烴分布Fig.2 Carbon number vs. the log of mole fraction for the n-alkanes in oils from Baiyun sag

圖3 白云凹陷原油石蠟度與芳香度關(guān)系Fig.3 Relationship between paraffinicity and aromaticity of crude oils in Baiyun sag

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，生物降解和水洗作用能造成原油正構(gòu)烷烴大量損失，但白云凹陷原油正構(gòu)烷烴大量損失與生物降解及水洗作用無關(guān)，原因?yàn)椋?1)一般受生物降解作用影響的原油的w(Pr)/w(nC17)值相對(duì)較高[16]，但白云凹陷正構(gòu)烷烴損失量較大的原油的w(Pr)/w(nC17)值較低，多小于0.83.(2)氣洗作用對(duì)于原油的改造是一個(gè)鏈烷烴貧化、芳烴富集的過程，使原油的芳香度(甲苯/正庚烷值)增加、石蠟度(w(正庚烷)/w(甲基環(huán)己烷)值)降低，是判斷原油受“蒸發(fā)分餾”作用的重要標(biāo)志；而生物降解作用使正構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴及芳烴等全油烴組分整體損失.白云凹陷原油輕質(zhì)組分中芳烴和環(huán)烷烴的含量相對(duì)豐富，普遍存在“蒸發(fā)分餾”特征(見圖3).(3)生物降解作用使原油中正構(gòu)烷烴大量損失，在全烴氣相色譜圖上形成難以識(shí)別的復(fù)雜峰型；而白云凹陷受氣洗作用的原油的全烴氣相色譜圖完整，峰型易于識(shí)別(見圖4).(4)水洗與氣洗作用的區(qū)別在于前者可造成甲苯和環(huán)烷烴的大量損失[17].白云凹陷原油中苯系物含量豐富，正構(gòu)烷烴大量損失的同時(shí)，環(huán)烷烴、菲、萘及二苯并噻吩相對(duì)富集，表明原油主要受氣洗作用影響.

3.3 氣洗作用

原油氣洗作用強(qiáng)度可以通過全油族組分變化進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)以正構(gòu)烷烴為主.原油正構(gòu)烷烴損失量計(jì)算模型見圖5.首先作出實(shí)測樣品中正構(gòu)烷烴摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與碳原子數(shù)的關(guān)系曲線；然后找出實(shí)測樣品曲線拐點(diǎn)的碳原子數(shù)，利用拐點(diǎn)后高碳數(shù)正構(gòu)烷烴摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)與碳原子的線性關(guān)系，得出未經(jīng)氣洗作用改造的原油中正構(gòu)烷烴分布曲線，經(jīng)歸一化處理得到未分餾樣品曲線；在碳原子數(shù)高于拐點(diǎn)的部分，兩條曲線之間存在固定的差值f，將實(shí)測樣品曲線所有碳數(shù)的摩爾分?jǐn)?shù)的對(duì)數(shù)減去f后就得到轉(zhuǎn)換后的樣品曲線.未分餾樣品與轉(zhuǎn)換后樣品曲線之間正構(gòu)烷烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差值百分比即為原油正構(gòu)烷烴損失量Q，表示為

Q=[ 1-∑M1xi/∑M0xi]×100%,

(4)

式中：M1xi為轉(zhuǎn)換后原油樣品正構(gòu)烷烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；M0xi為未分餾原油樣品正構(gòu)烷烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

為了避免氣頂氣逸散及樣品處理等因素造成輕質(zhì)正構(gòu)烷烴組分損失，計(jì)算中不考慮C10以下范圍的烴類.

圖4 受氣洗的原油全烴色譜(以LH2井為例)Fig.4 Gas chromatogram of a gas-washed oil(sample is from well LH2)

圖5 正構(gòu)烷烴損失量計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of the n-alkane mass depletion fraction

通過白云凹陷原油正構(gòu)烷烴的損失量計(jì)算，該地區(qū)東部流花—荔灣構(gòu)造帶原油氣洗作用的廣度與強(qiáng)度大于北部番禺低隆起構(gòu)造帶的，且氣洗作用主要發(fā)生在珠江組儲(chǔ)層(見表2).

白云凹陷東部LH3和LH4井珠江組儲(chǔ)層原油發(fā)生強(qiáng)烈氣洗，正構(gòu)烷烴損失量最高達(dá)到91.16%；同井深度更大的珠海組儲(chǔ)層原油氣洗程度明顯偏低，正構(gòu)烷烴損失量最高僅為20.83%，說明白云凹陷東區(qū)的天然氣主要沿珠江組砂體側(cè)向運(yùn)移.LH3和LH4井處于白云主洼、東洼烴源巖雙向供烴的油氣優(yōu)勢運(yùn)聚地帶，鄰近主凹區(qū)域晚期發(fā)育大規(guī)模底劈構(gòu)造，北部發(fā)育斷開白云東洼的深大斷裂，配合廣泛分布的珠江組三角洲儲(chǔ)層，可作為后期天然氣運(yùn)移的重要輸導(dǎo)通道，為該地區(qū)原油發(fā)生強(qiáng)烈氣洗作用的主要原因(見圖6).

表2 白云凹陷原油正構(gòu)烷烴損失量

北部番禺低隆起構(gòu)造帶原油大多未受氣洗或只受輕微氣洗，只有處于隆起邊緣、靠近凹陷中心的PY5和PY6井珠江組儲(chǔ)層原油受到大強(qiáng)度氣洗，正構(gòu)烷烴損失量平均達(dá)到80%.白云凹陷北部整體斷裂活動(dòng)強(qiáng)度及底辟構(gòu)造發(fā)育規(guī)模小于東部的，是北部氣洗作用強(qiáng)度弱于東部的原因.位于凹陷北緣的PY5和PY6井油氣藏距油氣源較近，發(fā)育的深大斷裂斷入凹陷內(nèi)文昌、恩平組烴源巖，同時(shí)溝通上部珠海、珠江組儲(chǔ)層，并長期活動(dòng)，為白云凹陷油氣縱向輸導(dǎo)運(yùn)移的起點(diǎn)，斷裂與砂體配合對(duì)凹陷內(nèi)油氣向北運(yùn)移具有關(guān)鍵作用，是該油氣藏發(fā)生較大程度氣洗的主要原因(見圖6).斷裂整體活動(dòng)性較弱，使天然氣無法進(jìn)行大規(guī)模、遠(yuǎn)距離側(cè)向運(yùn)移，導(dǎo)致遠(yuǎn)離生油凹陷的北區(qū)油氣藏盡管經(jīng)歷后期烴類氣體的再充注作用，但氣洗作用并不強(qiáng)烈.

圖6 白云凹陷輸導(dǎo)體系與原油氣洗強(qiáng)度

3.4 油氣成藏

白云凹陷具備發(fā)生氣洗分餾作用的兩個(gè)條件：(1)運(yùn)移通道.白云凹陷晚期底辟構(gòu)造的形成和演化、晚期斷裂的活動(dòng)，以及長期活動(dòng)斷裂的存在形成良好的運(yùn)移通道，能破壞早期形成油氣藏的平衡，促使油、氣再分配.(2)過量的外源氣.白云凹陷氣藏具有晚期成藏特征，至今仍在成藏.主力烴源巖文昌、恩平組已進(jìn)入過成熟的產(chǎn)干氣階段，保證充足的氣源供應(yīng).后充注的氣體進(jìn)入油氣藏后打破原來的平衡，對(duì)已生成的原油進(jìn)行氣洗分餾作用改造，原油輕質(zhì)組分甚至中等相對(duì)分子質(zhì)量烴類溶解至天然氣中，繼續(xù)運(yùn)移至合適的圈閉中形成凝析油、輕質(zhì)油藏.

原始油氣藏經(jīng)過氣洗分餾作用后，產(chǎn)生多個(gè)次生的“子體”油氣藏，其中殘留油具有高芳香度和低石蠟度等特征，即輕烴組分中w(甲苯)/w(正庚烷)值高、w(正庚烷)/w(甲基環(huán)已烷)值低.白云凹陷大部分原油具有貧輕質(zhì)烷烴組分，富含輕質(zhì)芳烴，特別是苯、甲苯和甲基環(huán)戊烷、甲基環(huán)已烷等輕環(huán)已烷類的特征，與典型氣洗分餾作用后殘留油特征相符(見圖3).白云凹陷發(fā)現(xiàn)的大多是這類殘留油氣藏，較少發(fā)現(xiàn)富含輕質(zhì)烷烴、貧芳烴的次生“子體”油藏，為下一步勘探凝析油藏指示新的方向.

4 結(jié)論

(1)基于正構(gòu)烷烴損失量的氣洗作用模型，白云凹陷氣洗作用主要發(fā)生在珠江組儲(chǔ)層，東部流花—荔灣構(gòu)造帶氣洗作用的廣度與強(qiáng)度大于北部番禺低隆起構(gòu)造帶的.東部LH3井原油的氣洗程度最高，正構(gòu)烷烴損失量最大達(dá)到91.16%，它位于白云主洼、東洼烴源巖雙向供烴的油氣優(yōu)勢運(yùn)聚區(qū)域，鄰近主凹區(qū)域晚期發(fā)育大規(guī)模底劈構(gòu)造，北部發(fā)育斷開白云東洼的深大斷裂，為后期天然氣運(yùn)移的重要通道.

(2)受運(yùn)移通道、與油氣源的距離等因素影響，白云凹陷北部油氣藏的氣洗作用強(qiáng)度差異較大.位于凹陷北緣的PY5和PY6井距油氣源較近，發(fā)育深大斷裂，原油氣洗程度最大，平均正構(gòu)烷烴損失量達(dá)到80%；凹陷其他部位油氣藏盡管經(jīng)歷后期烴類氣體的再充注作用，但遠(yuǎn)離油氣源，且斷裂活動(dòng)強(qiáng)度不大，氣洗作用并不強(qiáng)烈.

(3)白云凹陷底辟構(gòu)造的形成與演化、晚期斷裂的活動(dòng)和長期活動(dòng)斷裂的存在、大量外源氣的形成為氣洗分餾作用提供基本地質(zhì)條件.目前發(fā)現(xiàn)的原油大多具有氣洗分餾作用殘留油的特征，尋找富含輕質(zhì)烷烴、貧芳烴的凝析油氣藏成為下一步勘探的新方向.

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2015-03-17；編輯：張兆虹

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05025-003)

陳 濤(1989-)，男，碩士，主要從事石油地質(zhì)與成藏地球化學(xué)方面的研究.

侯讀杰,E-mail: hdj@cugb.edu.cn

TE133

A

2095-4107(2015)03-0060-07

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.03.008