論4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖質(zhì)量的關(guān)系*
——基于北部灣盆地勘探實(shí)踐

傅 寧

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

國內(nèi)外關(guān)于4-甲基C30甾烷的成因及應(yīng)用已有大量的研究報(bào)道[1-6]，歸納起來主要觀點(diǎn)基本相近：認(rèn)為4-甲基C30甾烷主要源自藻類或細(xì)菌，且有溝鞭藻化石或細(xì)菌活動(dòng)的證據(jù)[2-3]；其豐度與藻類(或細(xì)菌)的含量成正相關(guān)[1,3]，可作為指示烴源巖的生源和環(huán)境指標(biāo)[1-6]，主要用于油源對(duì)比。到目前為止，尚未有人提出4-甲基C30甾烷豐度可作為烴源巖質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，特別是對(duì)于中、低豐度4-甲基C30甾烷與烴源巖質(zhì)量的關(guān)系研究更是甚少。

南海北部灣盆地始新世裂陷期沉積了流沙港組湖相烴源巖，其中流二段為中深湖相烴源巖，是該盆地各凹陷的主力烴源巖[7-9]。這套中深湖相沉積層底部的烴源巖通常是以高豐度4-甲基C30甾烷為主要特征，是該盆地各凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖和油源研究的重要標(biāo)志物，但在應(yīng)用時(shí)卻造成了一種“混亂”，即烴源巖和原油中只要檢測到一點(diǎn)豐度不高的4-甲基C30甾烷，就被認(rèn)為來自中深湖相烴源巖，故而推測凹陷深部存在中深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖[10]，其結(jié)果可能會(huì)造成主力烴源巖的誤判以及盆地資源量的錯(cuò)誤評(píng)價(jià)。筆者以北部灣盆地勘探程度較高的潿西南凹陷和烏石凹陷為例，應(yīng)用大量的巖石樣品和原油樣品的地化分析資料，結(jié)合相關(guān)的沉積和地質(zhì)資料，研究4-甲基C30甾烷豐度與湖相烴源巖質(zhì)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并力求從定量的角度加以論證，以希對(duì)正確認(rèn)識(shí)4-甲基C30甾烷豐度的指標(biāo)意義、不同質(zhì)量烴源巖的識(shí)別以及資源量的準(zhǔn)確計(jì)算提供重要的依據(jù)。

1 烴源巖發(fā)育特征

1.1 地質(zhì)背景

北部灣盆地是在南海北部大陸邊緣發(fā)育起來的新生代沉積盆地，其主體位于北部灣海域，總面積約22 000 km2，主要由潿西南、烏石、邁陳、海中、福山等凹陷組成[7-9](圖1)。該盆地新生代可分為斷陷、拗陷2個(gè)構(gòu)造演化階段，其中古近紀(jì)為斷陷期，先后沉積了古新統(tǒng)長流組、始新統(tǒng)流沙港組及漸新統(tǒng)潿洲組，以湖相及河流相沉積體系為主。流沙港組自下而上可進(jìn)一步分為流三段、流二段和流一段。流二段湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)是北部灣盆地最主要的烴源巖，目前盆地所發(fā)現(xiàn)的油氣主要源自該套烴源巖。

圖1 北部灣盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

1.2 烴源巖質(zhì)量非均質(zhì)性

統(tǒng)計(jì)表明，北部灣盆地流沙港組不同層段烴源巖的豐度具有明顯的差異性(表1)。其中,流一段(El1)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品約占17%，其余78.7%左右的樣品為好烴源巖，含煤層;流二段(El2)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品僅占1.4%左右，其余98.4%左右的樣品為好烴源巖，可見流二段主要為湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖;流三段(El3)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品占13.3%左右，其余63.6%左右的樣品為好烴源巖，含煤層。流沙港組各層段其他豐度指標(biāo)與有機(jī)碳含量有相似的變化特征(表1)。

表1 北部灣盆地流沙港組烴源巖特征

統(tǒng)計(jì)表明，流一段含相對(duì)較多的III型干酪根(占38.3%)，II2型和II1型干酪根分別占34.2%和24.2%，典型的I型干酪根很少(僅3.3%)；流二段烴源巖的III 型干酪根很少(僅占4.2%)，II2、II1和I 型干酪根分別占到35.2%、38.4%和22.2%；流三段烴源巖有較多的III和II2型干酪根(分別占32.6%和34.8%)，II1型干酪根占22.5%，典型的I型干酪根為10.1%。這說明流沙港組各層段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型差別較大，存在著非均質(zhì)性。

圖2 北部灣盆地流沙港組二段烴源巖IH與Tmax關(guān)系

特別值得一提的是，流二段烴源巖中I型、II1型、II2型和III型干酪根都有分布(圖2)，顯示了烴源巖較強(qiáng)的非均質(zhì)性。流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖的干酪根類型主要為I型和II1型，湖相好烴源巖的干酪根類型為II1和II2型，湖相一般烴源巖的干酪根類型為II2型和III型。

1.3 烴源巖成熟度

北部灣盆地潿西南、烏石、海中和邁陳凹陷鉆井揭示烴源巖樣最深不超過4 000 m，其實(shí)測的Ro值約為1.0%。以Ro值等于0.5%為生油門限，依此趨勢推斷的各凹陷生油門限深度為：潿西南凹陷約2 300 m，海中凹陷約2 800 m，烏石凹陷約2 500 m，邁陳凹陷約2 600 m，各凹陷深部流二段烴源巖均已達(dá)到成熟—高成熟的生油高峰階段。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 樣品

目前北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷勘探程度較高，潿西南凹陷有探井188口，烏石凹陷有探井53口。本文重點(diǎn)剖面井巖樣取自潿西南凹陷WZ-A井、WZ-B井和烏石凹陷的WS-2井(圖1)，共取巖屑樣品120個(gè)以及各井不同層位的原油樣品約80個(gè)。原油和巖樣的前期處理、色質(zhì)分析均由中國石油大學(xué)(北京)完成，巖石樣品的孢粉-藻類分析由同濟(jì)大學(xué)完成。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1巖石熱解分析

巖石樣品粉碎至60～80目,在Rock-Eval Ⅲ型儀器上做熱解分析。升溫程序?yàn)?加熱至90 ℃恒溫2 min 得S0；加熱至300 ℃恒溫3 min 得S1;加熱至600 ℃得S2；在600 ℃加熱氧化5 min得S4。

2.2.2色質(zhì)分析

巖樣粉碎至80目,用氯仿抽提,抽提物經(jīng)硅膠一氧化鋁色層柱分離,正己烷淋洗獲得飽和烴組分，然后對(duì)飽和烴餾分進(jìn)行色質(zhì)分析；油樣則經(jīng)過脫硫、脫水通過氧化鋁-硅膠色層柱分離獲飽和烴,用分子篩除正構(gòu)烷烴，所獲異構(gòu)烷烴做色質(zhì)分析。色譜質(zhì)譜分析條件：儀器為惠普公司5 809臺(tái)式質(zhì)譜儀,色譜柱為HPG5 ms石英彈性毛細(xì)柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm)；升溫程序:50 ℃恒溫2 min,從50 ℃至100 ℃的升溫速率為20 ℃/min,100 ℃至310 ℃的升溫速率為3 ℃/min,310 ℃恒溫15 min。進(jìn)樣器溫度300 ℃,載氣為氦氣,流速為1.04 mL/min,掃描范圍為50～550 amu；檢測方式為全掃描，電離能量為70 eV,離子源溫度230 ℃。

2.2.3孢粉-藻類分析

巖樣(5～10 g)先用HCl去除碳酸鈣質(zhì)，再用HF去除硅質(zhì)，經(jīng)水洗篩選或重液(密度為2.1 g/cm3)浮選后取得全部篩選或懸浮物質(zhì)，將所得物質(zhì)洗凈后制片作透射光顯微鏡觀察，其中包含孢粉、浮游藻類等有機(jī)壁微體化石及各種有機(jī)屑。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同質(zhì)量烴源巖的地化特征

前人大量研究認(rèn)為，流二段湖相烴源巖是北部灣盆地的主力烴源巖[7-9]。然而，由于湖相烴源巖存在較強(qiáng)的非均質(zhì)性，使得流二段不同位置烴源巖質(zhì)量存在明顯的差異，這種差異可以依據(jù)烴源巖所處的沉積相帶、烴源巖的熱解生烴潛力S2與有機(jī)碳TOC相關(guān)圖得以區(qū)分(圖2、3),可將流二段湖相烴源巖劃分出優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)、好烴源巖(中深湖相泥巖)和一般烴源巖(濱淺湖相泥巖)三類。大量烴源巖和原油樣品的地化分析結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，上述三類不同質(zhì)量的烴源巖對(duì)應(yīng)著不同豐度的4-甲基C30甾烷，并在北部灣盆地各凹陷起著不同的供烴作用。

3.1.1優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)

圖3 北部灣盆地流二段烴源巖TOC-S2關(guān)系

北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷不少探井均鉆遇到流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)，其厚度不等，但以流二段底部厚度最大(約50～100 m)，豐度最高，類型最好(圖2、3)。這種分布特征在3口典型井的地球化學(xué)剖面上也可以得到充分驗(yàn)證(圖4～6)。

地球化學(xué)分析資料統(tǒng)計(jì)顯示，潿西南凹陷和烏石凹陷流二段底部優(yōu)質(zhì)烴源巖有機(jī)碳TOC值主要為2.00%～19.09%(平均4.50%)，S2值主要為7.8～97.4 mg/g(平均22.0 mg/g)，氫指數(shù)(IH)主要為367～873 mg/g(平均499 mg/g)，干酪根以I型為主。顯然，這套富有機(jī)質(zhì)頁巖是優(yōu)質(zhì)烴源巖，具有良好的生油能力。

圖4 潿西南凹陷WZ-A井烴源巖有機(jī)地化剖面

圖5 潿西南凹陷WZ-B井烴源巖有機(jī)地化剖面

圖6 烏石凹陷WS-2井有機(jī)地球化學(xué)剖面

在優(yōu)質(zhì)烴源巖生物標(biāo)志化合的組成特征中，Pr/Ph為0.6～2.5,源于陸生高等植物標(biāo)志物奧利烷含量很低，奧利烷/C30藿烷為0.05～0.20,最為顯著的是甾烷組成中富含極高豐度的4-甲基C30甾烷，4-甲基C30甾烷指數(shù)(∑4-甲基C30甾烷/∑C29ααα甾烷)在1.5以上(圖4～6)，孢粉、藻類組合中浮游藻類的含量可達(dá)60%以上，無定形有機(jī)質(zhì)占有機(jī)屑總數(shù)可達(dá)80%(圖4、6)。

3.1.2好烴源巖

除上述優(yōu)質(zhì)湖相烴源巖外，北部灣盆地流沙港組各層段還可見到不少好烴源巖，這類烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度明顯低于優(yōu)質(zhì)烴源巖，主要分布在流二段的中、上部(圖4、5)。好烴源巖TOC值為0.56%～8.10%(平均1.75%)，S2值為1～24 mg/g(平均6 mg/g)，IH值為108～641 mg/g(平均335 mg/g)，干酪根以II1型為主，含中等豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)為0.5～1.5)(圖4、5)，孢粉-藻類組合中浮游藻類的含量為40%～60%，無定形有機(jī)質(zhì)占有機(jī)屑總數(shù)的40%左右(圖4)。

3.1.3一般烴源巖

一般烴源巖在北部灣盆地流沙港組各層段廣泛分布，其地球化學(xué)豐度指標(biāo)均低于上述兩類烴源巖。如WZ11-2-A井流二段上部烴源巖(圖4)，其TOC值為0.48%～3.68%(平均1.42%)，S2值為0.55～13.80 mg/g(平均3.47 mg/g)，IH值為53～495 mg/g(平均196 mg/g)，干酪根以II2型為主，含低豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)小于0.5),孢粉-藻類組合中浮游藻類的普遍含量低于40%，無定形有機(jī)質(zhì)占有機(jī)屑總數(shù)的40%以下。

3.2 高豐度4-甲基C30甾烷指示高生產(chǎn)力烴源巖

3.2.1北部灣盆地4-甲基C30甾烷的成因

前人研究表明，4-甲基C30甾烷既可由甲藻(或溝鞭藻)形成,也可由某些細(xì)菌產(chǎn)生[3-6]。淡水湖泊相4-甲基甾烷主要為溝鞭藻生源,沉積物中甲藻化石的含量與其豐度呈正相關(guān)[1，3]。北部灣盆地孢粉-藻類分析資料表明，流沙港組沉積時(shí)期湖泊富營養(yǎng)，適宜水生低等生物繁殖，主要發(fā)育的藻類為非海相溝鞭藻(甲藻類)、綠藻和球藻等，且流二段以百色藻-球藻為主[11-12]，其底部為藻類最高富集層段(60%～80%)，形成厚逾300 m的富無定形有機(jī)質(zhì)沉積層(圖7)。而北部灣盆地4-甲基C30甾烷普遍檢出于流二段烴源巖層，且高豐度的4-甲基C30甾烷又主要出現(xiàn)于流二段底部(圖4～6)，這充分證明北部灣盆地流二段烴源巖中的4-甲基甾烷生源為藻類，其豐度與藻類含量呈正相關(guān)。

圖7 潿西南凹陷WZ-A井古近系浮游藻類和無定形含量剖面

3.2.2高豐度4-甲基C30甾烷是藻類勃發(fā)期的產(chǎn)物

劉傳聯(lián) 等[13]研究認(rèn)為，“勃發(fā)”指的是藻類在一定的條件下、在一定的時(shí)期內(nèi)可以形成單屬種的極度生長和富集,形成“白水”、“紅水”或“赤潮”。藻類勃發(fā)現(xiàn)象在古近紀(jì)生油湖泊中相當(dāng)普遍,而且貫穿于各類油源巖的形成過程,這類事件性沉積是湖相油源巖形成的一種重要機(jī)制。藻類化石紋層的存在、油源巖中細(xì)粒方解石紋層的存在以及無定形有機(jī)質(zhì)紋層的存在都是藻類勃發(fā)事件的依據(jù)。

烏石凹陷WS-2井全巖鏡下觀察表明[11]，流二段底部(埋深2 370～2 374 m)優(yōu)質(zhì)烴源巖中富有機(jī)質(zhì)紋層富集，其內(nèi)部發(fā)育大量層狀藻，并含有較多具有熒光顯示的瀝青質(zhì)；而該井的非油頁巖油層中雖然含有機(jī)質(zhì)，但富有機(jī)質(zhì)紋層不發(fā)育，可見分散的孢子體或藻類體，層狀藻不發(fā)育。優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)中富含層狀藻充分證明了流二段底部沉積時(shí)期為藻類勃發(fā)期,因此該層段巖樣中富含的高豐度4-甲基C30甾烷是藻類勃發(fā)期的產(chǎn)物(圖6)。

3.3 烴源巖質(zhì)量與4-甲基C30甾烷豐度的相關(guān)性

3.3.1平面相關(guān)性

潿西南凹陷和烏石凹陷有大量探井鉆遇到流二段烴源巖，統(tǒng)計(jì)其中7口井約80個(gè)烴源巖樣品的分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)烴源巖質(zhì)量(TOC、IH)與4-甲基C30甾烷指數(shù)有較好的線性正相關(guān)性(圖8)。

3.3.2縱向相關(guān)性

由圖4所示的潿西南凹陷WZ-A井流三段至流一段有機(jī)地化剖面的4-甲基C30甾烷的分布可以看出，流二段底部(埋深3 402 m附近)4-甲基C30甾烷豐度最高，4-甲基甾烷指數(shù)普遍大于1.5，對(duì)應(yīng)的是優(yōu)質(zhì)烴源巖層段(高TOC、高S2、高IH、富藻層和無定形有機(jī)質(zhì)層)；中部(埋深3 242～3 344 m)4-甲基C30甾烷的豐度中等，4-甲基甾烷指數(shù)普遍在0.5～1.5，對(duì)應(yīng)的是好烴源巖層段，其各類豐度指標(biāo)(TOC、S2、IH、富藻層和無定形有機(jī)質(zhì)含量)明顯低于優(yōu)質(zhì)烴源巖；上部(埋深3 146 m以淺)4-甲基C30甾烷的豐度更低，4-甲基甾烷指數(shù)普遍低于0.5，對(duì)應(yīng)的是一般烴源巖層段。潿西南凹陷WZ-B井也有類似的分布規(guī)律(圖5)，即流二段底部(埋深2 720～2 900 m)有高豐度的4-甲基C30甾烷分布，其4-甲基甾烷指數(shù)普遍大于1.0，烴源巖質(zhì)量也最優(yōu)；此層段之上為好烴源巖層段，其4-甲基C30甾烷豐度明顯降低，4-甲基甾烷指數(shù)普遍小于1，烴源巖質(zhì)量也隨之有明顯的降低。

圖8 北部灣盆地流二段烴源巖TOC、IH與4-甲基C30甾烷指數(shù)關(guān)系

烏石凹陷上述變化規(guī)律與潿西南凹陷基本相似，即在流二段底部(埋深2 150～2 350 m)4-甲基C30甾烷豐度最高，同時(shí)也對(duì)應(yīng)著高質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)烴源巖層段(圖6)。所不同的是，烏石凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖之上的烴源巖層段均出現(xiàn)4-甲基C30甾烷豐度和質(zhì)量有一個(gè)突降變化，這可能反映了在流二段沉積晚期兩凹陷水體有不同的變化。

總之，從直觀的單井剖面上看，烴源巖的4-甲基C30甾烷豐度基本與富藻層、高無定形有機(jī)質(zhì)層和優(yōu)質(zhì)烴源巖層有明顯的正相關(guān)性，即高豐度的4-甲基C30甾烷預(yù)示著高生產(chǎn)力的優(yōu)質(zhì)烴源巖。與此相反，低豐度的4-甲基C30甾烷自然對(duì)應(yīng)的是較低生產(chǎn)力的烴源巖。因此，4-甲基C30甾烷豐度不僅是常用的油源對(duì)比指標(biāo)，也可作為評(píng)價(jià)烴源質(zhì)量的有效指標(biāo)。

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1油源對(duì)比

依據(jù)4-甲基C30甾烷指數(shù)對(duì)北部灣盆地各凹陷近100個(gè)原油樣品進(jìn)行了詳細(xì)的油源確認(rèn)[14]，結(jié)果表明流二段三類烴源巖均可以找到與之對(duì)應(yīng)的原油(圖4～6，9)，其中潿西南凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的原油占整個(gè)凹陷原油產(chǎn)量的約80%，而烏石凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的原油占比高達(dá)約90%，證明了優(yōu)質(zhì)烴源巖是潿西南凹陷和烏石凹陷真正的主力烴源巖，也再次證明了“4-甲基C30甾烷”指標(biāo)是很好的油源對(duì)比指標(biāo)。

圖9 北部灣盆地原油甾萜生物標(biāo)志化合物分布

3.4.2優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布預(yù)測

北部灣盆地?zé)N源巖的4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖的質(zhì)量成正比關(guān)系，且與原油中的4-甲基C30甾烷具有一一對(duì)應(yīng)的油源關(guān)系。因此，在深部烴源巖沒有揭示的情況下，可以依據(jù)原油中4-甲基C30甾烷豐度來判斷和預(yù)測凹陷中優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布，從而指示油氣勘探的有利方向。

由北部灣盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指數(shù)分布(圖10)可以看出，該盆地原油4-甲基甾烷指數(shù)呈西北高、東南低的分布格局，具有高豐度4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)大于1.5)的原油主要分布在潿西南凹陷全區(qū)和烏石凹陷東洼的東北區(qū)；而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷目前所發(fā)現(xiàn)的原油均顯示出低豐度4-甲基C30甾烷的分布特征，其4-甲基C30甾烷指數(shù)普遍低于1.0。依據(jù)這種分布格局不難得出，北部灣盆地的優(yōu)質(zhì)烴源巖主要集中分布在潿西南凹陷和烏石凹陷東洼的東北區(qū)，而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷可能不發(fā)育大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

需要特別指出的是，福山凹陷是北部灣盆地第3個(gè)富烴凹陷，累計(jì)發(fā)現(xiàn)三級(jí)原油儲(chǔ)量僅為約1億m3。大量烴源巖和原油的分析數(shù)據(jù)表明[15-17],福山凹陷烴源巖不具有潿西南凹陷和烏石凹陷那種優(yōu)質(zhì)烴源巖的特征，其流二段主力烴源巖的TOC值平均約為1.29%，生烴潛力(S1+S2)平均約為4.04 mg/g、氫指數(shù)(IH)普遍小于400 mg/g，且烴源巖和原油中均普遍不含高豐度的4-甲基C30甾烷，原油Pr/Ph普遍大于3，高的可達(dá)10，表明原油形成于偏氧化的沉積壞境，其油氣的生成可能與福山凹陷火山發(fā)育有密切的成因關(guān)系[18]。由此可見，整個(gè)福山凹陷可能都不發(fā)育中深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖，這一結(jié)果無疑進(jìn)一步佐證了上述依據(jù)原油的4-甲基甾烷指數(shù)預(yù)測優(yōu)質(zhì)烴源巖分布方法的正確性。

圖10 北部灣盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指數(shù)分布

4 結(jié)論

1) 北部灣盆地流二段不同質(zhì)量的烴源巖對(duì)應(yīng)不同豐度的4-甲基C30甾烷：湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖)含高豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)大于1.5)；湖相好烴源巖含中等豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)為0.5～1.5)；湖相一般烴源巖則含低豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數(shù)小于0.5)。

2) 高豐度的4-甲基C30甾烷基本與富藻層、高無定形有機(jī)質(zhì)層和優(yōu)質(zhì)烴源巖有明顯的正相關(guān)性，充分證明了4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖質(zhì)量有密切關(guān)系，即高豐度的4-甲基C30甾烷預(yù)示著高生產(chǎn)力的優(yōu)質(zhì)烴源巖。因此，4-甲基C30甾烷不僅是常用的油源對(duì)比指標(biāo)，也是判別烴源巖質(zhì)量的有效指標(biāo)。

3) 依據(jù)原油中4-甲基C30甾烷指數(shù)的分布，推測北部灣盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖主要集中分布在潿西南凹陷和烏石凹陷東洼的東北區(qū)，而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷可能均不發(fā)育大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)烴源巖。