樂安油田多期充注及生物降解作用對(duì)稠油黏度的影響分析

牛 君, 黃海平,2*, 蔣文龍, 李寧熙, 孫晶晶

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樂安油田多期充注及生物降解作用對(duì)稠油黏度的影響分析

牛 君1, 黃海平1,2*, 蔣文龍1, 李寧熙1, 孫晶晶1

(1. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院, 北京 100083; 2. Department of Geoscience, University of Calgary, 2500 University Drive NW, Calgary, AB, Canada T2N 1N4)

樂安油田稠油黏度高, 開采難度大。該區(qū)原油遭受嚴(yán)重生物降解作用以及多期次油氣充注影響, 原油黏度差別較大。運(yùn)用有機(jī)地球化學(xué)方法, 對(duì)樂安油田8口井所采的9件油樣進(jìn)行了生物標(biāo)志物特征分析, 以研究生物降解作用和后期油氣充注對(duì)原油物性造成的影響。研究表明, 原油組分受生物降解作用改造明顯, 生物降解級(jí)別至少在6級(jí)以上, 但是最終的組成成分以及原油黏度主要受后期油氣充注作用影響。25-降藿烷與正構(gòu)烷烴系列共存、重排甾烷和規(guī)則甾烷以及藿烷與25-降藿烷系列絕對(duì)含量的變化關(guān)系均說明樂安油田的原油屬于生物降解和多期充注共同作用的混合原油, 其絕對(duì)含量與生物降解作用和油氣多期充注作用密切相關(guān), 因此通過對(duì)該區(qū)稠油的形成及控制因素加以分析, 可為以后稠油的生產(chǎn)開發(fā)打好基礎(chǔ)。

稠油; 生物降解; 油氣充注; 樂安油田; 東營凹陷

0 引?言

稠油可分為兩類, 即原生未熟稠油和次生稠油。原生稠油是指未經(jīng)后期改造、直接由未熟-低熟烴源巖生成的密度大的原油; 次生稠油是原油在儲(chǔ)層中經(jīng)過次生改造稠化形成的[1]。原油在儲(chǔ)層所經(jīng)歷的次生改造包括氧化作用、生物降解作用、硫化作用、水洗作用、脫瀝青作用、熱蝕變作用、重力分異作用和蒸發(fā)分餾作用等[2]。從資源量來說, 原生稠油所占稠油的比例十分有限, 絕大部分稠油均為次生稠油[3]。早期油氣勘探和研究已經(jīng)證實(shí)東營凹陷存在沙三下亞段和沙四上亞段兩套優(yōu)質(zhì)生油巖, 并且來源于不同生油巖的烴類物質(zhì)具有不同的生物標(biāo)志物構(gòu)成特征[4]。在東營凹陷南緩坡東段, 規(guī)模較大的油砂埋深都在500 m以下, 草橋地區(qū)油砂埋深更是在1000 m以下, 需要注蒸汽才能開采, 這種類型的油砂在各含油氣盆地廣泛分布, 但開發(fā)難度較大, 采收率低。

許多學(xué)者對(duì)稠油的成因和地球化學(xué)特征做了大量研究分析工作[5–20]。樂安油田的原油主要來自牛莊洼陷沙河街組沙三段下部和沙四段上部的烴源巖[21]。本次工作擬運(yùn)用地球化學(xué)方法, 對(duì)生物降解作用以及后期充注對(duì)原油的影響程度進(jìn)行研究, 以期進(jìn)一步了解東營凹陷南斜坡稠油的形成機(jī)理和分布規(guī)律, 分析預(yù)測(cè)稠油易采位置, 為勘探開發(fā)謀取最大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

樂安油田位于濟(jì)陽坳陷東營凹陷南緩坡二級(jí)構(gòu)造帶的純化-草橋鼻狀斷裂帶上, 位于東營箕狀盆地南部緩坡帶的南端, 是一個(gè)三面臨洼、并向盆內(nèi)傾沒的大型邊緣斜坡構(gòu)造帶上形成的鼻狀單斜構(gòu)造[22]。該區(qū)受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)直接影響, 構(gòu)造背景復(fù)雜。在草橋地區(qū)西南部發(fā)育北西走向、左旋張剪斷裂的石村斷層, 該斷層活動(dòng)時(shí)間長, 斷距大, 是廣饒凸起的邊界斷層[23]。受該斷層的掀斜作用影響, 上升盤強(qiáng)烈隆起并遭受剝蝕, 形成了隆起的正向構(gòu)造單元——草橋廣饒凸起。根據(jù)斷裂系統(tǒng)和含油情況, 以斷層作為分區(qū)界限, 草橋地區(qū)可劃分為3個(gè)區(qū): 石村斷層的下降盤為南區(qū), 上升盤的東南部為東區(qū), 西部為西區(qū)(圖1)。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

為了確定樂安油田油氣充注期次與生物降解作用對(duì)稠油的物性影響, 從8口不同的井選取9件油樣進(jìn)行原油族組分分離、不同溫度下原油黏度測(cè)試分析以及飽和烴色譜-質(zhì)譜分析。

圖1 采樣位置及平面示意圖(據(jù)勝利油田地質(zhì)科學(xué)研究院, 2009)

樣品首先用石油醚沉淀脫瀝青質(zhì), 再用氧化鋁/硅膠柱層析進(jìn)行族組分分離, 并分別用石油醚、二氯甲烷與石油醚2︰1混合溶劑和二氯甲烷與甲醇93︰7混合溶劑沖脫飽和烴、芳烴和非烴組分。在上機(jī)進(jìn)行測(cè)試之前, 每件樣品中均加入D50-C24正烷烴10 μg作為內(nèi)標(biāo)物, 通過內(nèi)標(biāo)物與各系列化合物的峰面積比值, 便可獲得系列化合物的絕對(duì)含量。

飽和烴色質(zhì)分析所用儀器為Agilent 6890GC- 5975iMS氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀, 色譜柱為HP-5MS (60 m, 0.25 mm, 0.25 μm)。進(jìn)樣口溫度300 ℃, 載氣為He氣(99.999%), 載氣流速為1.0 mL/min。進(jìn)樣方式為不分流進(jìn)樣。升溫時(shí)初溫為50 ℃, 保留1 min, 然后以20 ℃/min的速率升至120 ℃, 再以3 ℃/min的速率升至310 ℃, 保留25 min。質(zhì)譜離子源為電子轟擊源(EI), 電離電壓為70 eV, 獲取數(shù)據(jù)方式為全掃描與選擇離子同時(shí)進(jìn)行。

3 原油物理性質(zhì)及地球化學(xué)特征

3.1 原油物理性質(zhì)與族組成

如表1所示, 樣品的黏度變化范圍大, 以50 ℃為例, 黏度最小的6號(hào)樣品為448 mPa·s, 黏度最大的3號(hào)樣品為131120 mPa·s, 相差三個(gè)數(shù)量級(jí)。通常情況下, 生物降解作用會(huì)消耗原油中較輕的成分(飽和烴和芳烴), 導(dǎo)致重質(zhì)組分增加(瀝青質(zhì)和非烴)[24?26]。飽和烴和芳烴含量均較低, 飽和烴為19.9%~35.9%, 芳烴為19.9%~40.29%, 瀝青質(zhì)含量與非烴含量較高, 分別為8.06%~26.37%和15.75%~ 30.85%。而在相同飽和烴的條件下, 黏度變化差異較大, 如飽和烴均為27%左右的6號(hào)樣品C104井和2號(hào)、8號(hào)、9號(hào)樣品黏度相差為兩個(gè)數(shù)量級(jí), 且2號(hào)、8號(hào)樣品和9號(hào)樣品的黏度也有較大差異, 這種復(fù)雜性正是原油連續(xù)充注和持續(xù)的生物降解同時(shí)作用造成的。

通常情況下, 強(qiáng)烈的生物降解作用會(huì)導(dǎo)致原油物理性質(zhì)變差, 輕質(zhì)組分降低, 形成黏度較高的稠油。而在樂安油田的這9件油樣中, 可以看出樣品黏度變化較大, 飽和烴與黏度呈一定負(fù)相關(guān)性, 瀝青質(zhì)與黏度則具有較好的正相關(guān)性(圖2, 圖3)。這說明一部分油樣在經(jīng)歷了嚴(yán)重的生物降解作用之后, 還經(jīng)歷了不同程度、不同期次的油氣充注過程, 導(dǎo)致樣品物理性質(zhì)變好, 使得樣品飽和烴含量相對(duì)升高, 瀝青質(zhì)含量相對(duì)降低, 黏度差異巨大。

表1 樂安油田原油樣品黏度及族組分特征

圖2 樂安油田黏度與飽和烴相關(guān)圖

圖3 樂安油田黏度與瀝青質(zhì)相關(guān)圖

3.2 生物降解程度級(jí)別劃分

Peters.將生物降解程度劃分為10個(gè)等級(jí)(圖4), 1級(jí)(PM1)為早期生物降解, 10級(jí)(PM10)為最嚴(yán)重的生物降解[27]。而由于在所有樣品中, 均存在25-降藿烷系列, 并且部分樣品甾烷同樣受到影響, 由此可判斷樂安油田的原油遭受的生物降解程度至少在6級(jí)(PM6)以上, 即原油中的正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烴和部分藿烷受生物降解影響, 部分甾烷、重排甾烷、重排藿烷等部分五環(huán)三萜烷以及芳香烴受降解作用影響較小。生物降解作用導(dǎo)致樣品物理性質(zhì)變化巨大, 黏度升高, 最高可達(dá)131120 mPa·s, 與受后期油氣充注影響的原油樣品黏度相差達(dá)三個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖4 生物降解程度劃分及化合物的序列變化(據(jù)Peters et al.[27])

3.3 正烷烴和類異戊二烯烴分布特征

通常, 在生物降解作用下, 正烷烴是最先被降解的化合物。從圖5所示代表性的原油樣品的總離子流圖(TIC)和85的色質(zhì)圖譜中可以看出, C104井1214~1220 m深度和1166.9~1174.4 m深度的樣品, 均具有基線隆起伴隨全系列正烷烴的特征, C20-1井和C13-87井基線隆起, 但正烷烴幾乎被消耗殆盡。這說明前兩件樣品后期充注的原油未遭受或遭受較弱的生物降解作用, 而后兩件樣品則在后期油氣充注之后遭受強(qiáng)烈的生物降解作用。從圖5中還可以看出, C104井1214 m深度的樣品后期充注的新鮮原油僅含低分子碳數(shù)的正烷烴, 成熟度較高; 而C104井1166.9 m深度的樣品后期充注的則是正常成熟的原油, 說明1214 m深度的樣品其充注時(shí)期相對(duì)1166.9 m深度的樣品較晚; 后兩件樣品也可看出成熟度有所不同, 這同樣證實(shí)該地區(qū)的油氣充注屬于不同時(shí)期的多期次充注, 且一直存在強(qiáng)度不同的生物降解作用。

3.4 萜烷與甾烷分布特征

如圖6所示, 樣品中萜烷分布具有相似性: 三環(huán)萜烷含量較低且均呈現(xiàn)出以C23(C23T)為主峰的近正態(tài)分布, C24四環(huán)萜烷(C24TE)豐度與相鄰的C26三環(huán)萜烷(C26T)豐度相近, 而且由于可以檢測(cè)出少量C28和C29長鏈三環(huán)萜烷, 顯示出湖相或海相原油的特征。在藿烷系列分布與組成特征上, C29Ts與C29H的比值普遍小于0.6(表2), 并且以C30藿烷為主, C31—C35藿烷含量依次降低; 伽馬蠟烷(G)含量較高, 其豐度與C31藿烷(C31H)相當(dāng); 受生物降解作用影響, 部分C30H轉(zhuǎn)化為25-降藿烷。由于伽馬蠟烷抗生物降解能力相對(duì)藿烷較強(qiáng), 雖然伽馬蠟烷與C30H的比值較大, 在0.29~0.75之間, 但考慮到原油受生物降解作用的影響劇烈, 常用的生物標(biāo)志物特征均受到不同程度的影響, 因此不能使用這些參數(shù)進(jìn)行沉積環(huán)境的判斷。

圖5 典型樣品總離子流圖及正烷烴質(zhì)量色譜圖

甾烷系列化合物雖然同樣受到生物降解作用的影響, 但6級(jí)以下的生物降解作用對(duì)甾烷的降解能力有限, 甾烷及其相關(guān)化合物比值沒有可以識(shí)別的改變, 6級(jí)以上的嚴(yán)重生物降解作用才會(huì)對(duì)甾烷生物標(biāo)志物的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生顯著的影響[28]。因此本次樣品甾烷系列同樣受到顯著影響, 但由于指示油源母質(zhì)及成熟度的地球化學(xué)特征仍較為清晰, 那么對(duì)油源及其成熟度的評(píng)價(jià)仍具有一定的參考價(jià)值。

圖6 典型樣品藿烷系列與甾烷系列質(zhì)量色譜圖

表2 樂安油田原油樣品生物標(biāo)志物參數(shù)

從圖6中可以看出孕甾烷和重排甾烷的含量差異均較為明顯, C27、C28和C29甾烷分布也具有不同特征, 主要分為兩類: 一類是C104井和C13-87井分別呈不對(duì)稱以及對(duì)稱的“V”型分布; 另一類是C20-1井呈線型分布, 這與李素梅等對(duì)該地區(qū)甾類化合物的分布特征的研究結(jié)果相符[6], 說明生烴母質(zhì)主要以藻類為主, 沉積環(huán)境偏向于還原性咸水環(huán)境。20S/(S+R)值在0.31~0.54之間, ββ/(αα+ββ)值在0.16~0.35之間(表2), 同樣反映出不同樣品之間具有不同的成熟度。

從甾烷系列分布的種種特征以及不同的成熟度變化可以看出, 其后期充注的原油可能來源于不同時(shí)期、不同層段的烴源巖: C104井和C13-87井等與牛莊洼陷沙四上段的烴源巖具有相似特征。這從側(cè)面反映出樂安油田的油氣充注可能不是單次的, 而是來源于不同油源、不同時(shí)期的多期次油氣充注。

3.5 25-降藿烷分布特征

25-降藿烷系列是藿烷系列在失去C-10位上的角甲基后所形成的, 其由藿烷受微生物影響脫甲基形成的機(jī)理目前已被Bennett.證實(shí)[29], 是分析原油遭受嚴(yán)重生物降解作用重要的生物標(biāo)志物[29?32]。其成因及其地球化學(xué)含義還存在一定爭(zhēng)議, 例如包建平認(rèn)為在未遭降解的低熟原油中同樣存在25-降藿烷, 并伴生25, 30-二降伽馬蠟烷[33]; 鄒賢利等則認(rèn)為25-降藿烷的形成與熱演化程度有關(guān)[34]。而在本次樣品中25, 30-二降伽馬蠟烷含量極低并且埋深均低于2000 m, 演化程度并沒有高到足以使藿烷脫甲基形成25-降藿烷, 由此可以判斷該地區(qū)的25-降藿烷主要還是通過生物降解作用所形成。

圖7可以看出, 25-降藿烷在177譜圖上主要以C28、C29以及C30同系物為主。C29NH/C30H值范圍主要小于0.1, C28NH/C29H值范圍主要小于0.2(圖8)。從C29NH/C30H與C28NH/C29H的散點(diǎn)圖可以看出, 不同樣品受到生物降解作用的影響不同。其比值分布在數(shù)值較小區(qū)域的原因, 一方面可能是由于樣品在遭受生物降解作用之后, 又受到了不同程度的油氣充注, 導(dǎo)致C30藿烷以及C29藿烷絕對(duì)含量升高, 使得C29NH/C30H和C28NH/C29H值降低; 另一方面, 也可能是由于生物降解作用強(qiáng)烈, 甚至消耗了一部分25-降藿烷系列化合物, 導(dǎo)致C29NH/C30H和C28NH/C29H值降低, 如黏度最大的C109井, 其比值并不高, 與其生物降解程度并不相符, 就是一個(gè)最好的例子。

圖7 典型樣品25-降藿烷質(zhì)量色譜圖

圖8 樂安油田C29NH/C30H和C28NH/C29H相關(guān)圖

4 稠油影響因素分析

通過以上分析, 我們認(rèn)為該地區(qū)部分樣品同時(shí)經(jīng)歷油氣充注過程和生物降解作用。之前分析提到, 原油樣品生物降解級(jí)別在6級(jí)左右, 已對(duì)甾烷系列化合物產(chǎn)生影響, 而重排甾烷相對(duì)規(guī)則甾烷具有更強(qiáng)的抗降解能力[28]。如圖9所示, 影響甾烷含量的因素有很多, 但部分樣品(Ⅲ類)的甾烷含量與所對(duì)應(yīng)的重排甾烷含量具有正相關(guān)性, 說明受生物降解作用影響較小; 而Ⅰ類原油樣品, 即1、2、3、9號(hào)樣品, 重排甾烷的絕對(duì)含量與Ⅲ類相似, 但甾烷的絕對(duì)含量均處于低值, 說明受生物降解作用影響明顯; 而Ⅱ類原油介于Ⅰ類和Ⅲ類之間, 說明受生物降解影響較小。

與甾烷系列化合物類似, 藿烷具有相對(duì)較強(qiáng)的抗降解能力, 其絕對(duì)含量會(huì)隨連續(xù)充注過程不斷累積; 而25-降藿烷是在生物降解作用下藿烷脫甲基形成, 因此在這個(gè)連續(xù)的過程中, 藿烷與25-降藿烷的絕對(duì)含量變化是判斷油氣充注和生物降解較為直觀的參數(shù)。如圖10所示, A類樣品, 同樣為圖9中的1、2、3、9號(hào)樣品, 代表油氣充注不連續(xù)并遭受嚴(yán)重生物降解的樣品, 或者是由于樣品所在儲(chǔ)層中存在隔夾層或者儲(chǔ)層的油柱高度達(dá)到最高而不能繼續(xù)進(jìn)行油氣充注時(shí), 油氣充注速率小于生物降解作用速率, 藿烷與25-降藿烷的絕對(duì)含量關(guān)系呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì), 這符合我們的一貫認(rèn)識(shí), 也證實(shí)25-降藿烷的確是由藿烷經(jīng)脫甲基作用所形成的; 而B類樣品, 可能受生物降解作用和油氣連續(xù)充注共同影響, 生物降解作用的速率小于或等于后期油氣充注的速率, 使得藿烷受生物降解作用影響, 不斷脫甲基形成25-降藿烷, 油氣充注又在不斷地補(bǔ)充藿烷含量, 導(dǎo)致其藿烷含量與25-降藿烷含量同時(shí)增長, 呈正相關(guān)趨勢(shì)。這一獨(dú)特的現(xiàn)象恰好說明該地區(qū)受生物降解作用和連續(xù)油氣充注共同影響, 并且達(dá)到相對(duì)動(dòng)態(tài)平衡的一種狀態(tài)。

圖9 樂安油田甾烷與重排甾烷絕對(duì)含量相關(guān)圖

圖10 樂安油田藿烷與25-降藿烷絕對(duì)含量相關(guān)圖

5 結(jié) 論

生物降解作用和油氣的充注過程貫穿該地區(qū)油氣成藏的整個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)期, 導(dǎo)致早期被嚴(yán)重生物降解的原油與后期充注的新鮮原油混合, 形成具有鮮明特征的混合稠油油藏。

(1) 不同原油存在不同程度的生物降解作用和后期油氣充注現(xiàn)象, 導(dǎo)致黏度差異巨大。

(2) 通過對(duì)樣品中正烷烴、甾萜烷以及25-降藿烷系列的分布特征的分析, 認(rèn)為該地區(qū)稠油的形成主要為生物降解作用所導(dǎo)致, 并且判斷生物降解的級(jí)別至少在6級(jí)以上。

(3) 部分樣品受生物降解作用影響嚴(yán)重, 且后期油氣充注作用較弱; 另一部分樣品同時(shí)受油氣連續(xù)充注以及生物降解作用影響, 物理性質(zhì)相對(duì)較好。

由于樂安油田所處區(qū)塊以稠油生產(chǎn)為主, 采油難度大, 生產(chǎn)成本高, 因此對(duì)于后期油氣充注作用較強(qiáng)、生物降解程度偏弱的油藏應(yīng)多加關(guān)注。在今后的分析工作中, 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)原油分子有機(jī)地球化學(xué)方面的研究, 判斷稠油開采的難易程度, 尋找潛在的、開發(fā)難度相對(duì)較小的易采區(qū)塊及層段。

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Factors such as multi-stage charge mixing and biodegradation affecting the viscosity of heavy oil in the Le’an oilfield

NIU Jun1, HUANG Hai-ping1,2*, JIANG Wen-long1, LI Ning-xi1and SUN Jing-jing1

1. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing?100083, China; 2. Department of Geoscience, University of Calgary, 2500 University Drive NW, Calgary, AB, Canada T2N 1N4

Heavy oil in the Le’an oilfield is high in viscosity, hence its exploitation encounters many difficulties. And the viscosities vary significantly because of biodegradation and oil-charge mixing. Thus, it is necessary to systematically study the impact of biodegradation and oil-charge mixing by analyzing nine oil samples from different eight oil wells for their molecular compositions. The results have elucidated that biodegradation has a major impact on many classes of compounds, and the biodegradation scale has a major impact, at least, on 6 grades. However, the ultimate compositions and viscosities of heavy oils are influenced strongly by mixing with late oil charge, subsequent to the process of biodegradation. The oil samples have acomplete series of-alkanes and 25-norhopanes, and changes in the absolute contents of steranes and diasteranes and hopanes and 25-norhopanes reveal that mixing charging and biodegradation are collaborating to the oils from the Le’an oil field. The concentrations of biomarkers are closely related to mixing charging and biodegradation. Therefore, it can be used effectively to analyze the factors affecting multi-stage charge mixing and biodegradation of heavy oils, thus laying the foundation for developing heavy oils.

heavy oil; biodegradation; oil charge mixing; Le’an oilfield; Dongying depression

P593

A

0379-1726(2016)05-0441-10

2015-07-15;

2015-11-02;

2015-12-31

國家自然科學(xué)基金(41273062)

牛君(1986–), 女, 博士研究生, 礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)。E-mail: 362263357@qq.com

HUANG Hai-ping, E-mail: 445061857@qq.com; Tel: +86-10-82320603