廟西凹陷嚴(yán)重生物降解原油序列中三環(huán)萜烷的異常分布成因初探

程熊，侯讀杰，徐長貴，王飛龍

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院/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 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院/頁巖氣勘察與評價(jià)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452

廟西凹陷嚴(yán)重生物降解原油序列中三環(huán)萜烷的異常分布成因初探

程熊1,2，侯讀杰1,2，徐長貴3，王飛龍3

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院/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 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院/頁巖氣勘察與評價(jià)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083 3.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300452

對渤海灣盆地一系列生物降解原油的色譜—質(zhì)譜分析結(jié)果表明，廟西凹陷PL15-8D與PL9-4井四個(gè)嚴(yán)重生物降解原油三環(huán)萜烷系列分布較為異常，主要表現(xiàn)為以C23為主峰的后峰型、C20與C23為主峰的微弱雙峰型以及以C20與C24為主峰的雙峰型分布模式。強(qiáng)烈的生物降解作用導(dǎo)致C19～C23三環(huán)萜烷優(yōu)先于C24+三環(huán)萜烷被不同程度地侵蝕，是形成這一異常分布的根本原因。三環(huán)萜烷系列相對豐度與絕對濃度的變化規(guī)律表明，不同碳數(shù)三環(huán)萜烷的生物降解作用同時(shí)發(fā)生，但其降解速率有明顯差別，即抗生物降解能力不同。三環(huán)萜烷系列化合物(除C20三環(huán)萜烷以外)的抗生物降解能力具有隨碳數(shù)增加而增強(qiáng)的趨勢，而C20三環(huán)萜烷抗降解能力似乎強(qiáng)于C21～C23三環(huán)萜烷。原油中未檢測到脫甲基三環(huán)萜烷，表明三環(huán)萜烷的降解并非通過微生物的脫甲基化作用，推測其降解途徑是微生物氧化三環(huán)萜烷C環(huán)支鏈末端的甲基，形成對應(yīng)的羧酸化合物。四個(gè)原油樣品甾烷、藿烷與三環(huán)萜烷被微生物嚴(yán)重侵蝕，不能用于油源對比研究，而三芳甾烷未受生物降解影響，可作為研究區(qū)嚴(yán)重生物降解原油油源對比的有效指標(biāo)。

生物降解；三環(huán)萜烷；原油；廟西凹陷；渤海灣盆地

0 引言

1969年Wintersetal.[1]將油藏中原油正構(gòu)烷烴的損失歸因于微生物作用，自此微生物降解作用成為被廣泛接受的概念。Hunt[2]認(rèn)為全球已知油藏中的1/5以上可能被生物降解作用改造或破壞過。生物降解作用嚴(yán)重影響了原油的化學(xué)組成和物理性質(zhì)。隨生物降解作用增強(qiáng)，原油飽和烴含量、API度降低，黏度、密度、硫含量、酸值以及極性化合物含量逐漸增加[3-7]。實(shí)驗(yàn)室和經(jīng)驗(yàn)的觀察表明原油的生物降解作用是一個(gè)準(zhǔn)階梯式的過程，生物標(biāo)志化合物會(huì)依不同的的優(yōu)先次序被消耗掉[8-11]。一般認(rèn)為，生物標(biāo)志化合物抵御生物降解的能力由弱到強(qiáng)的順序?yàn)椋赫龢?gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、類異戊二烯烷烴、二環(huán)倍半萜烷、藿烷(形成25-降藿烷)、甾烷、藿烷(不形成25-降藿烷)、重排甾烷、芳香甾烷、卟啉。

三環(huán)萜烷作為來源于原生動(dòng)物細(xì)胞膜的三環(huán)六異戊二烯醇或三萜類的降解產(chǎn)物，廣泛分布于烴源巖和原油中[4]。Andersetal.[12]首先在Uinta盆地綠河頁巖中檢測到C20～C26三環(huán)萜烷。前人在諸多甾烷與藿烷被不同程度生物降解的原油與油砂抽提物中檢測到三環(huán)萜烷未被微生物侵蝕，因而認(rèn)為它們具有非常強(qiáng)的抗生物降解能力[10-16]，并據(jù)此提出三環(huán)萜烷可用于生物降解原油的油源對比研究。但值得注意的是，在一些深度生物降解的原油與油砂或微生物降解作用模擬實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)了三環(huán)萜烷被微生物降解的直接或間接證據(jù)。Connan[3]發(fā)現(xiàn)St Aubin瀝青中甾烷類、藿烷系列與三環(huán)萜烷被微生物完全消除；Jiangetal.[17]在克拉瑪依油田強(qiáng)烈生物降解原油中檢測到C19～C28脫甲基三環(huán)萜烷，并認(rèn)為它們是由三環(huán)萜烷經(jīng)微生物降解作用所形成的；Cassani[18]與Alberdietal.[19]分別委在內(nèi)瑞拉Cerro Negro與Bolivar Coastal 油田重質(zhì)原油中檢測到C22～C29脫甲基三環(huán)萜烷，也認(rèn)為它們來源于微生物作用下三環(huán)萜烷的脫甲基化作用；Bostetal.[20]在喜氧細(xì)菌模擬生物降解作用的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)C28三環(huán)萜烷相對于C29～C30三環(huán)萜烷被優(yōu)先降解。Alberdietal.[19]的研究表明，C26～C30三環(huán)萜烷每一對非對映異構(gòu)體中后洗脫的異構(gòu)體被優(yōu)先降解；Petersetal.[21]在Maturin盆地強(qiáng)烈生物降解原油中也檢測到類似的現(xiàn)象，但與Alberdietal.[19]的檢測結(jié)果不同的是，該原油中盡管也存在豐富的脫甲基藿烷，但卻不含脫甲基三環(huán)萜烷，表明三環(huán)萜烷的生物降解并非總是脫去C-10位的角甲基形成17-降三環(huán)萜烷。

上述實(shí)例表明，三環(huán)萜烷系列化合物可以被微生物降解是客觀存在的現(xiàn)象，但在強(qiáng)烈生物降解條件下不同碳數(shù)三環(huán)萜烷(尤其是C19～C26三環(huán)萜烷)對生物降解作用易感性的研究仍較為薄弱，三環(huán)萜烷的生物降解機(jī)理也尚無定論。

筆者在研究渤海灣盆地原油時(shí)，在一系列生物降解原油和油砂抽提物中發(fā)現(xiàn)4個(gè)深度降解的原油(廟西北凸起PL15-8D井與PL9-4井原油)飽和烴餾分中三環(huán)萜烷的分布十分異常。深入剖析這些原油中三環(huán)萜烷系列與其他生物標(biāo)志化合物的分布特征，對強(qiáng)烈生物降解原油生物降解級別的精細(xì)度量、三環(huán)萜烷的生物降解機(jī)理、不同碳數(shù)三環(huán)萜烷對微生物降解作用的易感性以及將三環(huán)萜烷等生物標(biāo)志化合物作為生物降解原油油源對比參數(shù)有效性的確定均有所裨益。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

本文中三環(huán)萜烷遭受生物降解的原油樣品采自渤海灣盆地東部廟西北凸起的PL15-8D井與PL9-4井，其埋深分別介于1 031～1 758 m、967～982 m，層位包括明化鎮(zhèn)組上段(N2mu)與下段(N2mL)。

首先用正己烷沉淀原油中的瀝青質(zhì)，然后用柱色層把脫瀝青質(zhì)原油分離成飽和烴(正己烷作沖洗劑)、芳香烴(甲苯作沖洗劑)和非烴(甲苯+乙醇作沖洗劑)。然后對飽和烴餾分進(jìn)行色譜、色譜—質(zhì)譜(GC-MS)分析。

色譜分析：HP6890N氣相色譜儀，HP-PONA毛細(xì)柱，0.23 mm×50 m，膜厚0.5 μm，初始溫度50℃，恒溫3 min，以5 ℃/min速率升溫至300℃后恒溫25 min，氮?dú)饬魉贋?.0 mL/min，分流比為20∶1，進(jìn)樣溫度300℃，F(xiàn)ID檢測器溫度為300℃。

飽和烴色譜—質(zhì)譜分析條件：色譜—質(zhì)譜儀型號為HP GC 6890/5973MSD。色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，以脈沖不分流方式進(jìn)樣，脈沖壓力為15 psi，進(jìn)樣器溫度300℃，He為載氣，流速1 mL/min。升溫程序如下：初始溫度50℃，恒溫2 min后，以3 ℃/min的速率升溫至310℃，并維持恒溫18 min，EI電離方式，電離能量70eV，采用內(nèi)標(biāo)法對正構(gòu)烷烴進(jìn)行定量，正構(gòu)烷烴的標(biāo)樣為C24D50，甾萜類標(biāo)樣為5α-雄甾烷。

2 結(jié)果與討論

2.1 鏈烷烴

鏈烷烴是原油中的優(yōu)勢組分，包括正構(gòu)烷烴和支鏈烷烴，也是最易遭受生物降解的一類化合物。在正常原油中鏈烷烴的相對含量常大于50%，在遭受生物降解作用以后，其含量則大幅降低，在色譜圖上鏈烷烴不同程度的缺失，甚至是形成大量未分辨的復(fù)雜混合物(Unresolved Complex Mixture, UCM)[22]，使色譜基線抬升形成一個(gè)大鼓包，即UCM鼓包。如圖1所示，4個(gè)油樣飽和烴餾分中正構(gòu)烷烴與類異戊二烯烷烴均被完全消除，色譜基線抬升，形成大的UCM鼓包，表明這些原油至少遭受了PM4級生物降解作用[4]。

2.2 甾烷類與三芳甾烷

甾烷類化合物作為一種來源于真核生物的生物標(biāo)記物被廣泛用于有機(jī)質(zhì)生源、熱演化程度與油源對比等研究。一般認(rèn)為規(guī)則甾烷較重排甾烷、孕甾烷與升孕甾烷對生物降解作用更為敏感[4]，即生物降解作用進(jìn)行到一定程度時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先消除規(guī)則甾烷，從而導(dǎo)致重排甾烷、孕甾烷與升孕甾相對于規(guī)則甾烷富集。

PL15-8D與PL9-4井四個(gè)生物降解原油甾烷類分布特征相似，C27～C29規(guī)則甾烷均被大量侵蝕，僅殘留較低豐度的C27ααα20S與C29ααα20S甾烷異構(gòu)體(圖2)。重排甾烷與孕甾烷未受生物降解影響，并相對富集成為優(yōu)勢化合物，四個(gè)油樣C27重排甾烷/∑C27～C29規(guī)則甾烷比值分布范圍為1.08～1.46，(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C27～29規(guī)則甾烷比值介于0.54～0.74。盡管PL15-1井1 683～1 695 m明下段原油C27～C29規(guī)則甾烷各異構(gòu)體分布較為完整，但其藿烷被微生物降解，形成了較高豐度的25-降藿烷，并且孕甾烷與C27重排甾烷豐度相對較高，推測規(guī)則甾烷可能被輕微生物降解。

通常三芳甾烷具有非常強(qiáng)的抗生物降解能力，只有在C27～C29規(guī)則甾烷，藿烷與C27～C29重排甾烷被嚴(yán)重降解時(shí)三芳甾烷才會(huì)被明顯降解。因此，該類化合物被廣泛用于油源對比和烴源巖與原油的成熟度研究[4]。

如圖2所示，PL15-1井1 683～1 695 m明下段原油與PL15-8D、PL9-4井原油具有相似的三芳甾烷分布特征，均以C2620R+C2720S為主峰，C2620S、C2820S、C2720R與C2820R異構(gòu)體豐度相當(dāng)，這些油樣C26～C28三芳甾烷均未受生物降解影響，而普遍缺失C20與C21三芳甾烷則可能是因?yàn)樗鼈儍?yōu)先在水洗作用過程中被消除。由于三芳甾烷未受生物降解影響，其分布的一致性可以作為這些原油具有相同來源的有利證據(jù)。

2.3 藿烷系列

藿烷類化合物是來源于細(xì)菌生源、廣泛分布于地質(zhì)體中的一類生物標(biāo)志化合物[4]。藿烷抗生物降解能力強(qiáng)于鏈烷烴、無環(huán)類異戊二烯烷烴和二環(huán)倍半萜烷等。當(dāng)原油遭受嚴(yán)重生物降解時(shí)，藿烷脫去C-10位的甲基形成25-降藿烷[13-14,22-25]，但也有研究表明藿烷受生物降解作用并非一定形成25-降藿烷[3,16,20,26]。藿烷系列生物標(biāo)志物分子結(jié)構(gòu)中，在失去了C-10位上的角甲基后即轉(zhuǎn)變成25-降藿烷系列。失去了C-10位角甲基的藿烷系列標(biāo)志物在離子源遭受電子轟擊后發(fā)生斷裂時(shí)，其基峰由原來的m/z191變成了m/z177[4,27]。

圖1 原油飽和烴餾分氣相色譜圖Fig.1 Gas chromatograms of saturate fractions of crude oils

如圖3、圖4所示，PL15-8D與PL9-4井四個(gè)原油樣品藿烷系列分布特征十分相似，在m/z191質(zhì)量色譜圖上，常規(guī)藿烷系列化合物(C27、C29～C35藿烷)，尤其是C31～C35升藿烷，幾乎被完全消除，僅殘留低豐度的Ts、Tm、C29降藿烷與C30藿烷同系物，而C2925-降藿烷則占絕對優(yōu)勢。原油飽和烴餾分m/z177質(zhì)量色譜圖上均檢測出完整的25-降藿烷系列化合物(圖3中D26～D34)。25-降藿烷系列化合物分布特征與常規(guī)藿烷相似，只是向下移動(dòng)一個(gè)碳數(shù)。C3017α(H), 21β(H)-藿烷的單個(gè)差向異構(gòu)體對應(yīng)于C2925-降-17α(H), 21β(H)-藿烷(D29)，而每對C31-C3517α(H), 21β(H)-藿烷(22S+22R)的差向異構(gòu)體對應(yīng)兩個(gè)C30-C3425-降藿烷(D30～D34)差向異構(gòu)體，有所不同的是，25-降藿烷系列以C2917α(H), 21β(H)-降藿烷脫甲基形成的C2825-降藿烷(D28)為主峰。25-降藿烷相對豐度的差異反映了原油生物降解程度的差別，生物降解越嚴(yán)重，藿烷消耗越多，25-降藿烷系列化合物相對越富集。PL15-8D井由淺到深3個(gè)油樣的25-降藿烷/C30藿烷比值依次遞增，分別為5.88、5.91、6.16，表明原油生物降解程度依次增加。PL9-4井原油25-降藿烷/C30藿烷比值為7.24，反映了原油生物降解作用之強(qiáng)烈。

2.4 三環(huán)萜烷的異常分布

研究表明，渤海灣盆地渤中凹陷、渤東凹陷以及廟西凹陷主要發(fā)育有沙河街組烴源巖(包括沙一段與沙三段)與東營組烴源巖。沙河街組烴源巖三環(huán)萜烷(TT)系列的分布特征較相似，呈以C21或C23為主峰的正態(tài)分布。東營組烴源巖三環(huán)萜烷呈以C21為主峰的正態(tài)分布，但其中來源于高等植物生源的C19、C20三環(huán)萜烷與C24四環(huán)萜烷(C24TeT)豐度相對高于沙河街組烴源巖。此前在渤海灣盆地已發(fā)現(xiàn)的正常原油和生物降解原油三環(huán)萜烷也均呈以C21或C23為主峰的正態(tài)分布*①張敏等. 廟西北洼生烴潛力研究及有利成藏區(qū)帶預(yù)測. 2014.②侯讀杰等. 黃河口東洼-廟西南洼資源評價(jià)及有利成藏區(qū)帶預(yù)測. 2016.[28-37]。如圖4(a)所示，PL15-1井1 683～1 695 m明下段原油具有典型的沙河街組烴源巖的三環(huán)萜烷分布特征。

本次研究中發(fā)現(xiàn)PL15-8D與PL9-4井四個(gè)嚴(yán)重生物降解原油三環(huán)萜烷的分布與前人報(bào)道的具有顯著的差異性。如圖4所示，PL15-8D井1 031～1 048 m明化鎮(zhèn)組上段(b)原油C19～C21三環(huán)萜烷豐度相對較低，呈以C23為主峰的后峰型分布；1 348～1 362 m明化鎮(zhèn)組下段(c)原油C21三環(huán)烷烴豐度明顯偏低，呈以C20和C23為主峰的微弱雙峰型分布；PL15-8D井1 031～1 048 m明化鎮(zhèn)組下段(d)與PL9-4井967～982 m明化鎮(zhèn)組下段(e)原油C21與C23三環(huán)萜烷豐度更低，而C20三環(huán)萜烷相對豐度變化不大，形成以C20和C24為主峰的雙峰型分布。

2.5 三環(huán)萜烷異常分布的成因

原油的物理性質(zhì)與化學(xué)組成取決于其母巖的性質(zhì)，運(yùn)移分餾以及在儲(chǔ)層中的次生變化。PL15-8D與PL9-4井生物降解原油與沙河街組以及東營組烴源巖三環(huán)萜烷明顯不同，因此，三環(huán)萜烷的這一異常分布模式不可能是繼承于某一套烴源巖或由多套烴源巖多期生排烴混合所致。三環(huán)萜烷為非極性化合物，在運(yùn)移過程中不會(huì)發(fā)生運(yùn)移分餾效應(yīng)，因而運(yùn)移不會(huì)導(dǎo)致三環(huán)萜烷系列分布面貌的改變。前已述及原油規(guī)則甾烷與藿烷系列幾乎被微生物消耗殆盡，重排甾烷與三芳甾烷未受影響，按照Peters與Moldowan的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]，其降解級別已達(dá)到7～8級。在如此強(qiáng)烈的生物降解作用下，三環(huán)萜烷很有可能發(fā)生生物降解，從而形成這一異常分布特征。

圖3 嚴(yán)重生物降解原油三環(huán)萜烷、藿烷與25-降藿烷系列化合物(m/z191, m/z177)分布特征及藿烷生物降解機(jī)理示意圖Fig.3 Mass fragmetograms (m/z191 and m/z177) showing tricyclic terpanes, hopanes and 25-norhopanes in saturate fractions of crude oils and biodegradation mechanism of hopanes

圖4 生物降解原油三環(huán)萜烷與藿烷系列化合物(m/z191)分布特征圖Fig.4 Mass fragmetograms (m/z191) showing tricyclic diterpanes and pentacyclic triterpanes in saturate fractions of crude oils

如圖4(a)所示，PL15-1原油具有典型的三環(huán)萜烷分布特征，盡管藿烷系列被大量侵蝕，形成了高豐度的25-降藿烷，但三環(huán)萜烷的分布并未受生物降解作用影響。PL15-8D井(b)原油生物降解程度明顯增加，藿烷幾乎被消耗殆盡，m/z191質(zhì)量色譜圖以C2925-降藿烷(D29)占絕對優(yōu)勢。該原油C19～C21TT被輕微降解，C23～C26TT與C24TeT相對未受降解影響。PL15-8D井(c)原油C19～C23TT，尤其是C21TT，相對于C24～C26TT與C24TeT進(jìn)一步損失。PL15-8D井(d)與PL9-4井(e)原油生物降解程度更高，其C21～C23TT被大量侵蝕，C20TT受降解影響相對較小，而C24TT～C26TT與C24TeT仍無明顯被侵蝕的跡象。從三環(huán)萜烷的分布來看，這四個(gè)原油三環(huán)萜烷的降解程度依次增加，并且C19～C23三環(huán)萜烷相對于C24+三環(huán)萜烷異常優(yōu)先地被生物降解。

圖5a、5b為C19～C26三環(huán)萜烷分別與孕甾烷、C27重排甾烷(diaC27)比值隨生物降解作用程度的變化趨勢圖。圖5中(a)代表三環(huán)萜烷未受降解的PL15-1井原油，(b)～(d)代表三環(huán)萜烷被生物降解的PL15-8D井原油，其深度與層位信息見圖4。從圖中可知的C19～C26三環(huán)萜烷相對豐度均隨生物降解程度增加而逐漸降，這表明C19～C26三環(huán)萜烷的微生物降解作用是同步進(jìn)行的。但C19～C23TT的相對豐度降低幅度較大，而C24～C26TT相對豐度僅有少量降低，表明C19～C23三環(huán)萜烷相對于C24～C26三環(huán)萜烷優(yōu)先被微生物降解。

研究表明，三環(huán)萜烷被生物降解的PL15-8D與PL9-4井四個(gè)原油以及三環(huán)萜烷未遭受微生物侵蝕的PL9-2、PL9-4、PL9-5、PL13-1D、PL15-1、PL20-1井原油均來源于沙河街組烴源巖(未發(fā)表的數(shù)據(jù))。圖6a、6b分別這些原油C19～C23/C26三環(huán)萜烷、C24～C25/C26三環(huán)萜烷比值與25-降藿烷/C30藿烷比值的關(guān)系圖。圖6b中(b)～(e)代表PL15-8D與PL9-4井四個(gè)油樣，其深度與層位信息見圖4。由圖6a、6b可知，隨生物降解程度增加，C19～C23三環(huán)萜烷相對C26三環(huán)萜烷豐度顯著降低，而C24～C25三環(huán)萜烷相對豐度變化不大，但PL15-8D井三個(gè)油樣C24TT/C26TT與C25TT/C26TT比值略有降低。這表明C19～C23三環(huán)萜烷抗生物降解能力明顯弱于C24～C26三環(huán)萜烷，C24與C25三環(huán)萜烷抗生物降解能力相對弱于C26三環(huán)萜烷。

圖7a為PL15-8D井三個(gè)油樣((b)～(d)，深度層位信息見圖4)中C19～C26三環(huán)萜烷的絕對濃度分布圖。由圖可知，三個(gè)油樣中C19與C21～C23三環(huán)萜烷絕對濃度隨生物降解程度的增加而大量降低；C20三環(huán)萜烷絕對濃度緩慢降低；而C24～C26三環(huán)萜烷絕對濃度變化不大，隨降解程度增加先少量增加，隨后略有降低。這一變化規(guī)律與圖4～6是一致的，均表明C19～C23三環(huán)萜烷的抗生物降解能力弱于C24～C26三環(huán)萜烷，而C20三環(huán)萜烷抗生物降解能力似乎強(qiáng)于C19與C21～C23三環(huán)萜烷。

圖5 三環(huán)萜烷相對豐度隨生物降解程度變化趨勢Fig.5 Diagram showing the biodegradation of C19 to C26 tricyclic terpanes in the severely biodegraded oils

圖6 C19～C25三環(huán)萜烷相對豐度與生物降解作用程度的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Relationship between alteration of C19 to C25 tricyclic terpanes (Cn/C26TT, n=19 to 25) and biodegradation of C30 hopane (C29 25-norhopane/C30 hopane) in crude oils

圖7 PL15-8D井原油C19～C26三環(huán)萜烷絕對濃度分布Fig.7 The absolute concentration of C19 to C26 tricyclic terpanes in oil samples from Well PL15-8D

將PL15-8D井(b)油樣C19～C23三環(huán)萜烷絕對濃度當(dāng)做100%，對(c)與(d)油樣C19～C23三環(huán)萜烷絕對濃度進(jìn)行折算，折算后的三環(huán)萜烷絕對濃度相對百分?jǐn)?shù)如圖7b所示。由圖7b可知，隨PL15-8D井(b)～(d)原油三環(huán)萜烷降解程度逐漸增加，C19～C23三環(huán)萜烷絕對濃度均逐漸降低，除C20三環(huán)萜烷外，C19～C21與C23三環(huán)萜烷絕對濃度相對百分?jǐn)?shù)降低的速率隨碳數(shù)增加而減小。這表明除C20外，C19～C23三環(huán)萜烷的降解速率隨碳數(shù)的增加而降低，即碳數(shù)增加，三環(huán)萜烷的抗生物降解能力增強(qiáng)。

將同源的、三環(huán)萜烷未遭受生物降解原油的CnTT/C26TT(n=19～23)比值的平均值(Rn)定為100%，利用公式(1)可以計(jì)算出原油樣品中三環(huán)萜烷同系物生物降解損失相對百分含量ΔRn(%)。

ΔRn=(Rn-Rnsample)/Rn×100%

(1)

圖8為PL15-8D與PL9-4井四個(gè)油樣C19～C23三環(huán)萜烷被生物降解所損失的相對百分含量ΔRn分布圖。在三環(huán)萜烷降解的初始階段((b)原油)，C19～C21TT相對于C22～C23TT被優(yōu)先降解，隨著生物降解程度增加，C19TT與C21～C23TT降解程度大幅增加，而C20TT受生物降解影響變化不大，這似乎表明C20TT的抗生物降解能力強(qiáng)于C19TT與C21～C23TT，亦有可能是在強(qiáng)烈生物降解過程中有C20TT形成，改變了生物降解對其分布面貌的影響，但是何種化合物降解形成C20TT尚不明確。C21～C23TT則始終具有隨碳數(shù)增加降解相對損耗降低的趨勢，這與其絕對濃度的變化規(guī)律是一致的。但C19三環(huán)萜烷生物降解損失百分含量卻并非總是最大的，這可能是由于C26TT被輕微降解所引起的ΔRn計(jì)算誤差。前已述及這四個(gè)原油中C24～C26TT受生物降解影響較小，并且C24TT與C25TT優(yōu)先于C26TT被降解，結(jié)合Bostetal.[13]的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推斷三環(huán)萜烷系列(除C20TT外)對生物降解作用的易感性具有隨碳數(shù)增加而降低的趨勢。

圖8 不同生物降解程度下C19～C23三環(huán)萜烷生物降解損耗相對百分含量(ΔRn, %)分布圖Fig.8 Relative depletion of C19～C23 tricyclic terpanes of crude oils with different biodegradation levels

2.6 三環(huán)萜烷的降解途徑

Howelletal.[38]首次在Los Llanos盆地的輕微生物降解原油和正常原油中檢測到碳數(shù)分布范圍為C22～C28的脫甲基三環(huán)萜烷，并認(rèn)為它們來源于烴源巖成烴母質(zhì)或三環(huán)萜烷的生物降解作用。然而Jiangetal.[17], Cassanietal.[18]與Alberdietal.[19]的研究表明，脫甲基三環(huán)萜烷是由三環(huán)萜烷失去C-10位上的甲基基團(tuán)而形成，其形成機(jī)理類似于藿烷的微生物蝕變產(chǎn)生25-降藿烷(圖3)。

如圖3所示，在m/z191質(zhì)量色譜圖上，藿烷幾乎被完全消除，C19～C23三環(huán)萜烷也被大量侵蝕。在m/z177質(zhì)量色譜圖上可見分布完整的25-降藿烷系列化合物(D26～D34)，但并未檢測到脫甲基三環(huán)萜烷。這表明，三環(huán)萜烷可能與藿烷一樣，也可以在不形成脫甲基化合物的情況下被降解[21]。

參考藿烷的生物降解途徑[39]，推測三環(huán)萜烷可能具有以下幾種生物降解途徑(以C23三環(huán)萜烷為例)：①三環(huán)萜烷支鏈末端的甲基被氧化，形成三環(huán)萜烷酸；②三環(huán)萜烷直接脫去C-10位的甲基，形成脫甲基三環(huán)萜烷，即17-降三環(huán)萜烷；③首先按途徑①形成三環(huán)萜烷酸，三環(huán)萜烷酸再脫去C-10位的甲基，形成脫甲基三環(huán)萜烷酸，然后發(fā)生脫羧反應(yīng)，形成脫甲基三環(huán)萜烷(圖9)。由于PL15-8D與PL9-4井原油中未檢測到脫甲基三環(huán)萜烷，據(jù)此推測三環(huán)萜烷可能是按途徑①發(fā)生的生物降解作用。

圖9 三環(huán)萜烷生物降解途徑(以C23三環(huán)萜烷為例)Fig.9 Biodegradation pathways of C23 tricyclic terpane

此外，需要指出的是，將三環(huán)萜烷用于生物降解原油的油源對比研究的前提是三環(huán)萜烷未受生物降解的影響。而上述四個(gè)強(qiáng)烈生物降解原油中三環(huán)萜烷已被微生物不同程度的改造，其宏觀分布特征及其構(gòu)建的各種參數(shù)已不能反映原油的原始生源構(gòu)成，沉積環(huán)境和熱演化程度等地球化學(xué)信息。因此，在研究生物降解原油，尤其是降解程度較高的原油時(shí)，首先要判斷所用的生物標(biāo)志物或芳烴是否被生物降解作用所改造，慎重選擇未受生物降解作用影響的化合物構(gòu)建相應(yīng)地球化學(xué)指標(biāo)。

3 結(jié)論

(1) PL15-8D與PL9-4井原油發(fā)生強(qiáng)烈生物降解作用，C27～C29規(guī)則甾烷與藿烷系列幾乎被消耗殆盡，C19～C23三環(huán)萜烷相對C24+三環(huán)萜烷異常優(yōu)先地被侵蝕，形成了以C23為主峰的后峰型、以C20與C23為主峰的微弱雙峰型以及以C20和C24為主峰的雙峰型的異常分布模式。

(2) C19～C26三環(huán)萜烷/孕甾烷、C19～C26三環(huán)萜烷/C27重排甾烷、C19～C25三環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷比值與三環(huán)萜烷絕對濃度的變化規(guī)律表明，不同碳數(shù)三環(huán)萜烷的生物降解作用是同時(shí)發(fā)生的，三環(huán)萜烷系列化合物抗生物降解能力隨碳數(shù)增加而增強(qiáng)，而C20三環(huán)萜烷似乎具有比C21～C23三環(huán)萜烷更強(qiáng)的抗生物降解能力，亦或是在生物降解過程中某類高分子化合物降解時(shí)形成了C20三環(huán)萜烷。

(3) 原油中C19～C26三環(huán)萜烷被不同程度地降解，但并未檢測到脫甲基三環(huán)萜烷，表明三環(huán)萜烷可以在不形成脫甲基化合物的情況下被降解。其生物降解途徑可能是C環(huán)支鏈末端的甲基被微生物氧化成羧基，從而形成三環(huán)萜烷酸。

(4) 三芳甾烷蘊(yùn)含豐度的地質(zhì)地化信息，且未受生物降解影響，適用于研究區(qū)嚴(yán)重生物降解原油的油源對比研究。

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Abnormal Distributions of Tricyclic Terpanes and Its Genesis in Severely Biodegraded Oils from the Miaoxi Depression, Bohai Bay Basin

CHENG Xiong1,2，HOU DuJie1,2，XU ChangGui3，WANG FeiLong3

1. Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism, Ministry of Education, School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China 2. Key Laboratory of Shale Gas Exploration and Evaluation, Ministry of Land and Resources, School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China 3. Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300452, China

A series of biodegraded crude oils collected from Bohai Bay Basin, China, has been characterized by gas chromatography and gas chromatography-mass spectrometry. The results show that the distributions of tricyclic terpanes are abnormal in four severely biodegraded crude oil samples collected from Well PL15-8D and PL9-4. The four crude oils subjected to severe biodegradation which removed all regular steranes and most of the pentacyclic triterpanes, leaving the 25-norhopane as a dominant component in the m/z191 mass chromatograms of the saturated hydrocarbon fraction. However, the pregnanes, diasteranes and triaromatic steroid hydrocarbons appear to be relatively unaffected. The tricyclic terpanes show three abnormal distribution patterns, namely, predominant by C23, C20and C23, C20and C24components, respectively, which are totally different from the source rocks and other crude oils from the Bohai Bay Basin. These abnormal distribution patterns of tricyclic terpanes are due to the preferential removal of C19～C23over C24+tricyclic terpanes. The ratios of the C19～C26tricyclic terpanes to pregnane and the C19～C26tricyclic terpanes to C27diasteranes decrease with increasing biodegradation, but with different rates, indicating that alteration of tricyclic terpanes with different carbon numbers occurs concurrently and the C24+tricyclic terpanes are much more resistant to microbial degradation than the C19～C23compounds. The changes of the ratios of C19～C25tricyclic terpanes to C26tricyclic terpane also suggest that the C19～C23tricyclic terpanes are more susceptible to biodegradation than C24～C26tricyclic terpanes and C24～C25tricyclic terpanes are more susceptible to biodegradation than C26tricyclic terpanes. The absolute concentration of C19to C26tricyclic terpanes and the relative depletion of C19～C23tricyclic terpanes show that the susceptibility of C19to C26tricyclic terpanes to biodegradation decreases with increasing carbon number of the components. In general, the resistance to biodegradation of tricyclic terpane series is found to increase with increasing of the carbon number, except for the C20tricyclic terpane. No demethylated tricyclic terpanes were detected in these severely biodegraded oils, suggesting that the degradation pathway of tricyclic terpanes occurred in reservoirs might be similar to hopanes, namely, they could be degraded without forming demethylated counterparts. A putative biodegradation pathway is that the methyl on the side chain of the C cycle was oxidized to carboxyl. The prerequisite of taking tricyclic terpanes as indicators for correlating degraded oil is that they are unaffected by microbe. The regular steranes, hopanes and tricyclics which have been degraded can not be used for oil-source correlation research, while, the triaromatic steranes are non-degraded and can be used for such purpose.

biodegradation; tricyclic terpanes; curde oil; Miaoxi Depression; Bohai Bay Basin

1000-0550(2017)01-0193-10

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.019

2016-03-25；收修改稿日期： 2016-05-09

中海石油(中國)有限公司天津分公司科技項(xiàng)目(CCL2015TJXZSST0436) [Foundation: Science and Technology Project of Tianjin Branch of CNOOC, No. CCL2015TJXZSST0436]

程熊，男，1989年出生，博士研究生，油氣成藏地球化學(xué)，E-mail: zhangdadexiaoxiong@163.com

侯讀杰，男，教授，E-mail: houdj@189.cn

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A