柴西油沙山地區(qū)油沙有機地球化學(xué)特征研究

宋紅莎，韓梅梅，曹占元, 張曉寶，陳文磊

(1.甘肅礦業(yè)開發(fā)研究院，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學(xué)院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；3.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081；4.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

隨著我國經(jīng)濟的快速增長，我國原油對外依存度逐年遞增。近年來，非常規(guī)油氣資源開發(fā)得到了高度重視，并已帶來全球能源行業(yè)資源供需格局、開采方式、技術(shù)創(chuàng)新等方面全方位的重大轉(zhuǎn)變[1]。油沙資源作為重要的非常規(guī)油氣資源，逐漸進入人們的視線。我國油沙資源豐富，地質(zhì)儲量59.7×108t，可開采資源量為59.7×108t[2]，開發(fā)利用初具規(guī)模，作為一種重要的非常規(guī)油氣資源，其開發(fā)利用日益?zhèn)涫芨叨戎匾?。截止目前，在?zhǔn)噶爾、柴達木、松遼、鄂爾多斯、塔里木等大盆地已開展油沙資源開發(fā)[3-4]。柴達木盆地作為典型的油沙資源盆地，目前已于油沙山、魚卡、干柴溝等地發(fā)現(xiàn)20余處油沙礦。對該區(qū)內(nèi)的油沙礦成礦規(guī)律的研究，不僅將有助于該區(qū)的油沙資源的勘探開發(fā)，也將有助于我國油沙資源成礦規(guī)律的研究。本文擬通過油沙山地區(qū)上干柴溝組(N1)8個油沙樣品進行色譜-質(zhì)譜分析，對油沙生油母質(zhì)的沉積環(huán)境、成熟度及母質(zhì)來源進行分析，以期為該區(qū)的油沙勘探提供有益借鑒。

1 基礎(chǔ)地質(zhì)背景及油沙特征

柴達木盆地是中國西北地區(qū)重要的含油氣盆地之一，隸屬于青藏高原北部，三面環(huán)山，北方與祁連山相連，西方與阿爾金山相接，南方與昆侖山相鄰[5]。柴達木盆地總體具有南北向?qū)_、中央坳陷的三分地質(zhì)構(gòu)造，與此同時，東西部存在較大差異。油沙山油田位于柴達木盆地西部南區(qū)，油沙山地表背斜構(gòu)造頂部平緩，北翼緩(3°～25°)，南翼陡(30°～75°)，為北西～南東向不對稱半箱狀背斜構(gòu)造，軸線走向N105°～N113°，構(gòu)造西高東低，長軸約8.15km，短軸約1.6km。研究區(qū)含油地層主要由下油沙山組(N21)和上干柴溝組(N1)兩套地層，研究區(qū)含油層主要為上干柴溝組(N1)，油沙山油沙出露在油沙溝口往里0.8km處(圖1)，并向東延伸至瀝青溝，露頭南北寬約0.75km，東西長約1.2km，面積約1.5km2，出露的油沙厚度74.14m[6]。

圖1 油沙山地區(qū)油沙分布圖

Fig.1 Oil sands distribution in the Youshashan area, western Qaidam Basin

油沙山油沙礦位于斷層發(fā)育的油沙溝高點，出露的油沙以夾層狀產(chǎn)出于地層中，油沙層產(chǎn)狀較為平緩，多以凸透鏡狀和脈狀產(chǎn)出，不具明顯的成層性，其單層厚度多分布在0.2～9.85m之間，在平面上呈現(xiàn)出單層厚度由西向東逐漸增厚的特征。油沙層四周均出露于地表，不均圈閉條件。鉆探資料顯示，區(qū)內(nèi)油沙礦含油率較高，其中以位于Ⅱ斷塊上的YZK12孔、YZK13孔、YZK14孔、YZK15孔、YZK17孔油沙含油率最高，以飽含油、富含油以及油浸為主，其含油率主要在2%～5%之間。研究區(qū)內(nèi)油沙礦內(nèi)原油以重質(zhì)油為主，其次為中質(zhì)油，揮發(fā)組分含量低，密度最大值0.935 g/cm3，最小值0.897 g/cm3，平均值0.920 g/cm3。前人研究認(rèn)為，油沙山原油的烴源巖為盆地內(nèi)部半深湖相的下干柴溝組上段和上干柴溝組[7-8]，其中下干柴溝組上段烴源巖主要為砂巖，厚度多在1.1～15m之間，TOC含量在0.07%～2.43%之間，平均值為0.85%，Ro在0.7%～1.0%之間，其內(nèi)干酪根以腐泥型為主。上干柴溝組烴源巖主要為砂巖，厚度多在0.2～11m之間，TOC含量在0.02%～1.89%之間，平均值為0.59%，Ro在0.62%～0.91%之間，其內(nèi)干酪根也以腐泥型為主。

2 樣品及分析方法

研究區(qū)8塊實驗分析樣品采自鉆孔巖心，樣品采集后采用低溫保存，防止烴類的揮發(fā)[9]。選取巖樣并稱取一定重量粉碎至100目，將粉碎后的樣品在索氏抽提器中抽提72小時，抽提出不溶有機質(zhì)以及可溶有機質(zhì)氯仿瀝青A，不溶有機物氯仿瀝青用正己烷脫除瀝青質(zhì)，可溶有機物再經(jīng)層析柱(氧化鋁和硅膠)進行族組分分離，之后用正己烷、二氯甲烷和甲醇淋洗填充柱，可得到飽和烴、芳烴及非烴組分，最后進行飽和烴色譜-質(zhì)譜分析[6]。

實驗儀器選取6890NGC/5973NMS型色譜-質(zhì)譜(GC-MS)儀。色譜條件：進樣口溫度280°C，高純氦載氣，HP-5彈性石英毛細管柱(30m×0.25mm×0.25μm)，以80°C為起始溫度，1min后以4°C/min升溫至290°C，恒溫30min。質(zhì)譜條件：采用EI質(zhì)譜離子源，230°C的離子源溫度，150°C的四極桿溫度，70eV的離子源電離能。色譜儀與質(zhì)譜儀的接口溫度為280°C[10]。

3 分析結(jié)果與分析方法

在油沙的研究過程中，生物標(biāo)志化合物提供的信息能夠反映其古沉積環(huán)境、成熟度及母質(zhì)來源等多方面信息。本文實驗采用色譜-質(zhì)譜技術(shù)對8個油沙樣進行研究，深入解讀其生標(biāo)的分布特征，其地球化學(xué)特征分述如下。

圖2 油沙山地區(qū)飽和烴色譜-質(zhì)譜圖

Fig.2 Chromatograms and mass spectrograms of the saturated hydrocarbons in the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

3.1 生物降解程度與成熟度分析

對油沙樣品進行GC-MS分析，8件樣品中有7件樣品飽和烴TIC掃描時間50min以后均檢測出明顯的藿烷系列，且掃描時間45～55min均出現(xiàn)UCM鼓包(圖2)，表明樣品受到微生物降解作用[11]。樣品雖有鼓包出現(xiàn)，但正構(gòu)烷烴遭受到輕微損失，峰型較完整，綜合離子圖和數(shù)據(jù)分析可知，樣品其他組分完整，未見明顯缺失，表明生物降解等級均不高。依據(jù)Peter和Moldowan的生物降解分級，油沙山油沙樣品的正構(gòu)烷烴受到輕度損失，降解程度為1級[12]。

研究區(qū)8個油沙樣品測試結(jié)果表明(表1)，樣品飽和烴分布介于0.53～0.81之間，平均含量為0.645，其飽和烴含量較高；芳烴分布范圍為0.06～0.11，平均含量為0.084，較正常油的值偏低；非烴含量為0.05～0.34，平均含量為0.221；瀝青質(zhì)分布介于0.01～0.15，平均含量為0.054，飽和烴與芳香烴比值介于6～14，研究區(qū)飽芳比值大，表明生油母質(zhì)類型好，對應(yīng)的原油物質(zhì)好[6]。油沙山地區(qū)油沙油飽和烴含量普遍較高，一般認(rèn)為，原油族組分組成主要受烴源巖有機質(zhì)類型和成熟度等因素影響，通常烴源巖有機質(zhì)類型越好、成熟度越高，飽和烴含量越高。

表1 油沙山地區(qū)油沙抽提物分析

注：中科院蘭州地質(zhì)所測定

正構(gòu)烷烴是反映有機質(zhì)成熟度的重要參數(shù)[13]，OEP值是用正構(gòu)烷烴奇偶數(shù)碳優(yōu)勢來判識有機質(zhì)成熟的重要參數(shù)，該值越接近1，表明成熟度越高，但若OEP值小于1則表明樣品發(fā)生微生物降解，6件樣品的OEP值(表2)小于1，則OEP值不能作為表征原油演化程度的參數(shù)；m(Ts)/m(Tm)值分布在0.297～0.39，顯示油沙油為低成熟油的特征(表3)。

表2油沙山地區(qū)油沙提取物中正構(gòu)烷烴及類異戊二烯烴參數(shù)

Table2Parametersforthen-alkanesandisoprenoidhydrocarbonsintheoilsandssamplesfromtheYoushashanarea,westernQaidamBasin

樣號深度(m)正 構(gòu) 烷 烴類異戊二烯烷烴碳數(shù)分布峰型主峰m(ΣC21?)/m(ΣC22+)OEPm(Pr)/m(Ph)m(Pr)/m(C17)m(Ph)/m(C18)YZK?4?N97．45C12?C38單駝峰nC270．181．190．260．351．14YZK?6?N116．06C12?C39單駝峰nC201．130．910．380．561．66YZK?8?N127．63C12?C38單駝峰nC280．380．970．320．491．27YZK?10?N144．08C12?C38單駝峰nC270．360．930．260．451．32YZK?13?N158．12C12?C38單駝峰nC221．090．990．430．842．46YZK?16?N175．32C12?C39單駝峰nC300．150．860．270．381．29YZK?19?N187．9C12?C37單駝峰nC250．271．010．290．371．32YZK?20?N194．3C12?C38單駝峰nC240．910．910．320．431．49

注：中科院蘭州地質(zhì)所測定

圖3 成熟度參數(shù)關(guān)系圖

Fig.3 Diagram showing the relationship between individual parameters for the the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

油沙山油沙m(∑孕甾烷)/m(∑常規(guī))非常低，最大值0.023，最小值0.016，平均值0.020(8)；m(∑重排)/m(∑常規(guī))較高，最大4.471，最小2.703，平均值3.837(8)；據(jù)成熟度劃分標(biāo)準(zhǔn)，m(C29ββ)/m[(ββ+αα)]最大0.295，最小0.257，平均0.274(8)，位于0.2和0.4之間，屬低成熟油沙油；m(C29ααα-20S)/m[20(S+R)]最大0.313，最小0.274，平均0.294(8)，位于0.2和0.4之間，屬于低成熟油沙油(圖3)；C27ααα-20R%最大值40.764，最小值35.685，平均值38.708(8)，屬Ⅱ1型干酪根。

3.2 氧化還原條件分析

從研究區(qū)8個油沙樣品GC-MS總離子流圖TIC(圖2)和正構(gòu)烷烴及類異戊二烯參數(shù)(表2)可得，油沙山油沙碳數(shù)分布范圍較大，從C12，C13至C37和C38均有分布，多呈單峰型，主峰碳位于C22至C30之間，m(ΣC21-)/m(ΣC22+)分布于1.13～0.15之間，平均0.56(8)；m(Pr)/m(Ph)較低，介于0.43～0.26之間，平均值0.32(8)，表明其源巖沉積在強還原環(huán)境，且水體較深；m(Pr)/m(C17)較高，最大值0.84，最小值0.35，平均值0.49(8)；尤其是m(Ph)/m(C18)較大，最大值2.46，最小值1.14，平均值1.49(8)，源巖沉積在還原海相環(huán)境中(圖4)。

表3 油沙山地區(qū)油沙提取物中萜烷參數(shù)

注：中科院蘭州地質(zhì)所測定

3.3 水體鹽度分析

由表3可得m(C24四環(huán))/m(C26三環(huán))值分布于0.484～0.361之間，平均0.421(8)，反映了一定的高等植物注入；m(∑三環(huán))/m(∑五環(huán))值較高，分布于0.271～0.380之間，平均0.311(8)，表明水體較咸；m(r-蠟烷) 具有較強的抗生物降解能力，m(r-蠟烷)/m(0.5C31)可指示咸水環(huán)境，油沙油樣品m(r-蠟烷)/m(0.5C31)藿烷值最大1.359，最小1.220，平均1.290(8)，均顯示為高鹽度咸水環(huán)境沉積[12]。甾烷C27、C28和C29參數(shù)，可反映母質(zhì)類型，由表4可知，三參數(shù)表現(xiàn)為C27﹥C28﹤C29，成“L”型或“V”型分布，表明油沙油母質(zhì)來源水生生物相對較多，從圖5中可知低等水生生物為重要母質(zhì)類型，有高等植物混入[14]。

表1油沙山地區(qū)油沙提取物中甾烷參數(shù)

Table1ParametersforthesteranesintheoilsandssamplesfromtheYoushashanarea,westernQaidamBasin

樣號m(∑孕甾烷)/m(∑常規(guī))m(∑重排)/m(∑常規(guī))m(C29ββ)/m[(ββ+αα)]m(C29ααα?20S)/m[20(S+R)]C27ααα?20R(%)C28ααα?20R(%)C29ααα?20R(%)YZK?4?N0．0222．7030．2570．28640．76424．99834．238YZK?6?N0．0213．6820．2690．27438．20225．13236．665YZK?8?N0．0184．1580．2670．28439．08726．45734．456YZK?10?N0．0194．0490．2710．29939．7725．66634．563YZK?13?N0．0213．9420．2950．31335．68529．32534．99YZK?16?N0．0174．4710．2720．28638．59525．89435．511YZK?19?N0．0164．430．2750．30138．21827．73234．05YZK?20?N0．0233．2640．2850．30639．34427．01133．645

注：中科院蘭州地質(zhì)所測定

圖4 油沙中m(Pr)/m(C17)與m(Ph)/m(C18)比值關(guān)系

Fig.4m(Pr)/m(C17) vsm(Ph)/m(C18) for the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

圖5 油沙甾烷關(guān)系三角圖

Fig. 5 Triangular diagram of the parameters for the steranes C27, C28and C29

4 結(jié)果與討論

油沙山地區(qū)油沙受到微生物降解，降解程度為1級，低等水生生物為該研究樣品重要母質(zhì)類型，有高等植物混入；油沙的源巖沉積于高鹽度還原海相環(huán)境，熱演化達低成熟階段，樣品均為低成熟油沙油品。

油沙山油沙礦古近紀(jì)就形成了生長背斜，N21時期，上干柴溝組烴源巖開始生烴，油沙山構(gòu)造第一次成藏，形成了原生油氣藏；N23—Q時期，油沙山地層形成了淺層的斷展褶皺，為淺層滑脫構(gòu)造，油氣進行重新調(diào)整，形成淺層次生油氣藏。本文實驗所采樣品抽提的烴類被運移至儲集層時尚未達到完全成熟階段，此后次生油氣藏被抬升剝蝕，致使油藏被破壞，原油在地表受到風(fēng)化作用、生物降解等次生蝕變作用[15]，形成油沙山油沙。