不同沉積環(huán)境原油輕烴單體烴碳同位素組成特征

李洪波，張 敏油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢

不同沉積環(huán)境原油輕烴單體烴碳同位素組成特征

李洪波1,2，張 敏1,2
1油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢2長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢

http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383020

Received: Mar. 22nd, 2016; accepted: May 29th, 2016; published: Sep. 15th, 2016

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對塔里木盆地與吐哈盆地不同沉積環(huán)境原油進(jìn)行了全烴色譜–同位素質(zhì)譜檢測分析，獲得了輕烴單體烴碳同位素組成，據(jù)此剖析了其地球化學(xué)特征。研究表明，支鏈烷烴與環(huán)己烷和甲基環(huán)己烷的碳同位素在海相油、湖相油與煤成油中呈現(xiàn)顯著差異性。由于不同盆地有機(jī)質(zhì)特征不同，吐哈盆地煤成油在上述化合物中的碳同位素值(δ13C)小于塔里木盆地的湖相油與煤成油。以mCYC6的δ13C值作為海、陸相原油的典型區(qū)分標(biāo)志，大于?25‰為陸相油，小于?25‰為海相油。針對塔里木盆地而言，陸相原油中mCYC6的δ13C大于?20‰可作為煤成油的鑒別標(biāo)志，位于?22‰～?20‰之間可作為湖相油鑒別標(biāo)志。

地球化學(xué)，原油，輕烴，碳同位素

1. 引言

輕烴作為原油較為重要的組成部分，尤其是在凝析油與輕質(zhì)油中，常?？梢蕴峁┍瘸Ｒ?guī)生物標(biāo)志物更為精準(zhǔn)的地質(zhì)與地球化學(xué)信息。輕烴化合物組分含量雖已較好地應(yīng)用于國內(nèi)塔里木與柴達(dá)木等盆地[1] [2]，但仍存在受采樣與試驗(yàn)前處理等因素的影響而導(dǎo)致組分含量出現(xiàn)誤差。20世紀(jì)90年代初興起的輕烴單體烴碳同位素在線分析可以較好地獲得單體烴碳同位素[3]。利用單體烴碳同位素組成挖掘原油的地質(zhì)地球化學(xué)信息可以較好地克服化合物組分含量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[4] [5]。隨著色譜柱分離效果越來越好，輕烴化合物碳同位素組成的測試也越來越準(zhǔn)確。目前，對不同盆地不同沉積環(huán)境原油輕烴單體烴碳同位素組成的相關(guān)研究文獻(xiàn)還較為鮮見。

筆者主要以不同沉積環(huán)境烴源巖所生原油為對象，觀察其輕烴單體烴碳同位素的組成差異。從不同結(jié)構(gòu)的多個典型輕烴化合物碳同位素組成著手，剖析其在海相油、湖相油與煤成油之間的差異，尋找能作為不同成因原油區(qū)分標(biāo)志的單體化合物碳同位素，以期能為輕烴單體烴碳同位素判識原油成因提供借鑒與參考。

2. 地質(zhì)背景與樣品情況

筆者主要采集了塔里木盆地與吐哈盆地的原油樣品。塔里木盆地為我國西北部典型的復(fù)雜疊合盆地，蘊(yùn)含大量油氣資源，且油氣成因類型多樣[6]。吐哈盆地是我國西部一個中型的陸相富煤盆地，是我國“煤成油”理論的發(fā)源地[7]。研究中主要采集了塔里木盆地塔中與塔北地區(qū)的海相原油樣品14個，塔北隆起上的湖相油樣品5個、煤成油樣品2個以及吐哈盆地紅臺構(gòu)造帶、鄯勒構(gòu)造帶、勝北構(gòu)造帶與溫吉桑構(gòu)造帶中的典型煤成油樣品4個。樣品分布特征與地質(zhì)信息詳見表1。

Table 1. Compound-specific carbon isotope compositions of light hydrocarbons in crude oils from different sedimentary environments表1. 不同沉積盆地原油輕烴特征化合物碳同位素組成

3. 試驗(yàn)方法與條件

原油輕烴單體烴碳同位素分析采用全油進(jìn)樣方式進(jìn)行，分析儀器為 Agilent 6890N 色譜與 Finngen-MAT252質(zhì)譜儀。色譜柱為HP-PONA，50 m × 0.20 mm × 0.5 μm。升溫程序?yàn)?5℃，保持20 min，以1℃/min升至60℃，保持5 min，然后以10℃/min升至300℃，保持2 min。氧化爐接口溫度350℃，爐溫850℃，汽化室溫度為220℃。分析精度控制在0.2‰以內(nèi)，溶解分離樣品的試劑為CCl4，置于800℃條件下燃燒，然后在250℃條件下還原后，用?289℃的液氮冷卻；δ13C值輸出標(biāo)準(zhǔn)為PDB (碳同位素國際標(biāo)準(zhǔn))，檢測穩(wěn)定碳同位素組成誤差范圍為±0.1‰。

4. 結(jié)果與討論

4.1. 典型輕烴化合物碳同位素組成

不同結(jié)構(gòu)輕烴化合物在不同原油之間的差異性顯著不同。Whiticar和Snowdon [8]對加拿大盆地泥盆系–白堊系的原油進(jìn)行系統(tǒng)分析認(rèn)為，支鏈烷烴呈現(xiàn)較好的原油成因區(qū)分能力。同時，筆者在塔里木盆地原油輕烴研究中同樣發(fā)現(xiàn)，支鏈烷烴、環(huán)己烷較環(huán)戊烷而言具有更好的成因判識能力。在以上認(rèn)識基礎(chǔ)上，結(jié)合化合物的分離效果與豐度，盡量考慮碳同位素測試較為準(zhǔn)確的化合物，從塔里木盆地與吐哈盆地原油輕烴化合物中選取了8個較為典型的化合物進(jìn)行差異性分析。

圖1中展示了上述8個典型化合物碳同位素組成。對于nC7與nC8可以看出，在塔中與塔北地區(qū)的海相原油中呈現(xiàn)明顯的貧δ13C的特征，同位素值明顯偏負(fù)，與塔北隆起北緣的湖相油和吐哈盆地煤成油呈現(xiàn)明顯的差異。碳同位素值之間的最小差異達(dá)到4‰以上，可見該差異性并非成熟度等其他因素導(dǎo)致，而是反映了沉積環(huán)境控制下的原油特征。在陸相原油樣品之間進(jìn)一步觀察可發(fā)現(xiàn)，除塔北隆起北緣煤成油樣品碳同位素最高外，其他湖相油與吐哈盆地煤成油差別不明顯。

針對塔里木盆地原油的研究來看，支鏈烷烴碳同位素具有較高的原油成因區(qū)分能力。在圖1中選取了2mC5、3mC5與3mC6共3個支鏈烷烴化合物可以看出，其碳同位素基本呈現(xiàn)4階分布。碳同位素值最高的為塔北隆起北緣的YL2井與S49井中的煤成油；其次為塔北隆起北緣的湖相油與吐哈盆地疙2井中的煤成油；再次為吐哈盆地的煤成油；最低的是塔中與塔北地區(qū)的海相原油。以上特征中最為典型的是海相原油與陸相原油在碳同位素上呈現(xiàn)的明顯差異。

Figure 1. Variation of carbon isotopic compositions of typical compounds of light hydrocarbons in crude oils from different sedimentary environments圖1. 不同沉積環(huán)境原油輕烴典型化合物碳同位素組成變化

而對于環(huán)己烷化合物，不同成因原油的CYC6與mCYC6碳同位素分布差異明顯，同樣呈現(xiàn)4階分布，分布特征與支鏈烷烴類似。Tol在不同原油之間的差異性弱于環(huán)己烷系列。

就以上不同結(jié)構(gòu)化合物來看，支鏈烷烴與環(huán)己烷化合物對不同沉積環(huán)境原油區(qū)分效果最為明顯。較為意外的是，吐哈盆地煤成油碳同位素值低于塔北湖相油。張文正等[9]曾對黃驊坳陷扣16井泥巖樣品進(jìn)行了生烴模擬，表明隨著成熟度升高，正異構(gòu)碳同位素分餾明顯，而環(huán)烷烴與芳烴相對較弱。圖1中顯示出的支鏈烷烴與環(huán)己烷化合物系統(tǒng)性差異，由此來看，不應(yīng)為成熟度影響，主要應(yīng)為不同沉積盆地有機(jī)質(zhì)輸入的差異性。

4.2. 甲基環(huán)己烷碳同位素組成區(qū)分不同成因原油

由于甲基環(huán)己烷具有明顯的生源意義，胡惕麟等[10]提出了利用甲基環(huán)己烷指數(shù)ImCYC6為標(biāo)志來區(qū)分不同成因原油。張敏等[11]對塔里木盆地原油的統(tǒng)計結(jié)果也表明，一般海相油ImCYC6為15%～35%，湖相油為35%～65%，煤成油大于65%。由此可見，mCYC6的含量具有明顯的原油成因意義。也有研究表明，mCYC6的碳同位素可作為劃分煤型氣與油型氣的參數(shù)之一[12]。在烴源巖熱解生油的過程中，湖相泥巖所生成mCYC6中碳同位素明顯低于煤系與炭質(zhì)泥巖所生成的，其差值可達(dá)3‰以上[9]。另外，張文正等[9]進(jìn)行的單井模擬試驗(yàn)也表明，mCYC6中的 δ13C受成熟度影響較小，完全可以作為油氣成因的良好判識標(biāo)志。

基于以上認(rèn)識，筆者特選擇支鏈烷烴中的3mC6與mCYC6繪制了δ13C關(guān)系圖(圖2)。圖中兩者的δ13C值顯示出良好的相關(guān)性，說明均主要受沉積環(huán)境控制。利用3mC6與mCYC6中δ13C為?25‰為標(biāo)準(zhǔn)，可以較好地劃分海相油與陸相油。上述結(jié)論與胡國藝等[12]將mCYC6中δ13C為?24‰作為劃分油型氣與煤型氣的標(biāo)準(zhǔn)較為一致。

圖2中顯示塔里木盆地塔北隆起北緣的煤成油具有最高的mCYC6碳同位素值，其δ13C值高于?20‰，塔北隆起北緣湖相油基本位于?22‰～?20‰之間，塔中與塔北海相油低于?28‰。吐哈盆地煤成油mCYC6中相對較低的δ13C值表明，不同盆地之間陸相原油受到特定生烴母質(zhì)的影響，可能存在一定差異性。因此，在不同盆地之間進(jìn)行了陸相原油成因判識時，利用mCYC6中的δ13C需要謹(jǐn)慎。

Figure 2. The relationship of δ13C in 3mC6and mCYC6in crude oils from different sedimentary environments圖2. 不同沉積環(huán)境原油3mC6與mCYC6中δ13C值關(guān)系圖

5. 結(jié)論

1) 利用典型的支鏈烷烴與環(huán)己烷化合物碳同位素可以較好地區(qū)分不同沉積環(huán)境原油。對于塔里木盆地，煤成油、湖相油與海相油支鏈烷烴與環(huán)己烷化合物碳同位素值依次降低，顯示出較為清晰的差異性分布。對于吐哈盆地煤成油，支鏈烷烴與環(huán)己烷化合物碳同位素值低于塔里木盆地湖相油，說明不同盆地之間上述碳同位素組成難以成為進(jìn)一步區(qū)分陸相原油的標(biāo)志。

2) 甲基環(huán)己烷碳同位素值可作為不同沉積環(huán)境原油的良好區(qū)分參數(shù)，將δ13C為?25‰作為海、陸相原油的判識標(biāo)準(zhǔn)值。針對塔里木盆地而言，陸相原油中mCYC6的δ13C大于?20‰可作為煤成油的鑒別標(biāo)志，位于?22‰～?20‰之間可作為湖相油鑒別標(biāo)志。

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Characteristics of Carbon Isotope Composition of Light Hydrocarbon Monomer Hydrocarbon of Crude Oils in Different Sedimentary Environments

Hongbo Li1,2, Min Zhang1,2
1Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan Hubei2School of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan Hubei

Large amounts of crude oil from different sedimentary environments in Tarim and Tuha Basin were analyzed by GC-IRMS. The composition of light hydrocarbon and monomer hydrocarbon isotope was obtained, by which its chemical characteristics were analyzed. Study indicates that the carbon isotopic compositions of branched alkanes and cyclohexane and methyl cyclohexane show significant difference in marine oil, lacustrine oil and coal oil. Because of particularity of organic matter in Tuha Basin, the δ13C of branched alkanes and cyclohexane compounds in coal-formed oils from Tuha Basin was less than that in lacustrine oil and coal-formed oil from Tarim Basin. Compound-specific carbon isotope composition of mCYC6was established to distinguish between marine oil and continental oil.is greater than ?25‰ in continental oil and less than?25‰ in marine oil. In Tarim Basin, the δ13C value of mCYC6in terrigenous crude oils that is higher than ?20‰ can be taken as the marker for identifying coal derived oil, while the δ13C value of mCYC6between ?22‰ - ?20‰ can used as the marker for identifying lacustrine oil.

Geochemistry, Crude Oil, Light Hydrocarbon, Carbon Isotope

李洪波(1981-)，男，博士，副教授，主要從事油氣地球化學(xué)的教學(xué)與研究工作。

2016年3月22日；錄用日期：2016年5月29日；發(fā)布日期：2016年9月15日

湖北省自然科學(xué)基金項目(2015CFC856)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金新教師類資助課題(20124220120001)；油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項目(K2015-19)。

文章引用: 李洪波, 張敏. 不同沉積環(huán)境原油輕烴單體烴碳同位素組成特征[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2016, 38(3): 17-22. http://dx.doi.org/10.12677/jogt.2016.383020