渤海海域萊州灣凹陷高硫稠油成因及其成藏模式

湯國民,王飛龍,王清斌,萬 琳,燕 歌

[中海石油(中國)有限公司 天津分公司 勘探開發(fā)研究院,天津 300452]

對于高硫油的研究起源于20世紀(jì),在80年代引起石油地質(zhì)學(xué)家的重大關(guān)注,至現(xiàn)今國外對高硫油的地球化學(xué)特征及成因已經(jīng)做了一定研究[1-3]。中國目前在濟(jì)陽坳陷、冀中坳陷、東濮坳陷、江漢盆地和蘇北盆地等鹽湖盆地中發(fā)現(xiàn)了高硫油,對其成因和成藏機(jī)理做了大量研究,可將高硫的成因總結(jié)為以下4種[4-10]: ① 原生成因,這類高硫油主要受母源條件控制,硫元素主要以有機(jī)硫的形式存在與富硫干酪根里,其中噻吩類化合物是較為普遍的含硫化合物,與原油中硫的含量關(guān)系密切； ② 熱化學(xué)改造,目前烴源巖熱演化程度對原油硫含量的影響尚不明確,但是在未熟油中硫多以硫醇和二硫化物等形式存在,在成熟油中多以相對穩(wěn)定的噻吩化合物存在； ③ 次生變化,多以微生物降解作用為主,可以導(dǎo)致原油硫含量的提升,但很難造成大幅提升； ④ 硫酸鹽熱化學(xué)還原作用,簡稱TSR作用,此變化多發(fā)生在油藏形成后期,但是對油藏溫度有較高要求,不同學(xué)者對溫度下線認(rèn)識各有不同,一般溫度至少要不低于120 ℃,這種成因的高硫油現(xiàn)今多發(fā)現(xiàn)于塔里木油田。

目前渤海海域已發(fā)現(xiàn)的油田多為常規(guī)原油,高硫原油發(fā)現(xiàn)較少,僅在黃河口凹陷發(fā)現(xiàn)一定量高硫油,但規(guī)模不大,對其研究較少,局限于原油特征和運移方向的研究[4],尚未對高硫油的成因及成藏做過研究。隨著墾利16-1大中型高硫油油田的成功發(fā)現(xiàn),再次引起渤海海域?qū)Ω吡蛴偷闹匾?因此弄清墾利16-1高硫油的來源、成因及成藏模式對下一步渤海海域油氣勘探具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究概況

萊州灣凹陷位于渤海海域南部,由郯廬斷裂的東支和西支夾持,北部緊鄰萊北低凸起,南部緊靠濰北凸起,凹陷整體為北斷南超的構(gòu)造樣式[11-13]。凹陷內(nèi)部可分為2個洼陷和3個構(gòu)造帶,洼陷包括北部主洼和南次洼,構(gòu)造帶由北向南分別為北部陡坡帶、中央構(gòu)造帶和南部緩坡帶?？碧皆缙谟蜌獍l(fā)現(xiàn)主要集中的北部陡坡帶,發(fā)現(xiàn)了KL10-1大中型油氣田,中央構(gòu)造帶也有零星發(fā)現(xiàn),但未形成規(guī)模型油氣田,2016年KL16-1-c井的成功鉆探發(fā)現(xiàn)了大套油層,再次打開了萊州灣凹陷勘探的新局面(圖1)。

從目前探井揭示的地層來看,整個凹陷自下而上沉積了11套地層,其中古近系包括孔店組(Ek)、沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)、沙一段(Es1)、東三段(Ed3)和東二下段(Ed2L),新近系包括館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組下段(NmL)、明化鎮(zhèn)組上段(NmU)以及第四紀(jì)平原組。萊州灣凹陷主要以陸相沉積為主,在沙河街組和東營組沉積時期,主要以湖泊相沉積為主,伴隨有三角洲沉積,同時也是該地區(qū)烴源巖發(fā)育的主要時期,在館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積時期則主要發(fā)育辮狀河和曲流河沉積,發(fā)育了多套沉積砂體。

圖1 萊州灣凹陷構(gòu)造單元劃分及勘探概況Fig.1 Division of structural units and exploration activities of the Laizhou Bay Sag

2 油源特征

2.1 原油基本性質(zhì)

采用候讀杰等(2011)[14]原油性質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn),萊州灣凹陷各構(gòu)造已發(fā)現(xiàn)原油的性質(zhì)分布廣,原油密度為850.0～973.1 kg/m3,平均值為900 kg/m3,從輕質(zhì)油到重質(zhì)油都有分布；原油粘度為6.5～2 283.0 mPa·s,包括了普通原油和稠油；原油中的硫含量變化較大,為0.15%～3.00%,含硫量大于1%的高硫油主要集中在緩坡帶上的墾利16-1油田,墾利11-2油田原油含硫量雖然也超過1%但未形成規(guī)模油藏,陡坡帶和中央構(gòu)造帶上油田都為含硫量小于1%的低硫原油展現(xiàn)出萊州凹陷各構(gòu)造帶原油性質(zhì)的多樣性、油氣來源的廣泛性和油氣成藏的復(fù)雜性。

2.2 烴源巖特征

目前普遍認(rèn)為渤海地區(qū)主要發(fā)育了沙四段、沙三段、沙一段和東三段4套烴源巖,但各套烴源巖品質(zhì)和地球化學(xué)特征都存在巨大的差異性[13,15]。利用萊州灣凹陷已鉆遇烴源巖的實測數(shù)據(jù),萊州灣凹陷烴源巖成熟度Ro(鏡質(zhì)體反射率)大約在2 100 m時達(dá)到0.5%,在2850 m時達(dá)到0.7%(圖2b)。結(jié)合盆模軟件進(jìn)一步分析得到各烴源巖層段Ro平面等值線圖,萊州灣凹陷沙四段烴源巖成熟整體都達(dá)到0.5%,主洼和南次洼的主體部分都已達(dá)到0.7%(圖2a)；沙三段烴源巖成熟度整體也都達(dá)到0.5%,主洼和南次洼的洼陷中心位置成熟度才到0.5%(圖2c)；沙一段烴源巖整體埋深較淺,僅有主洼的東北部烴源巖成熟才達(dá)到0.5%(圖2d)。因此,認(rèn)為萊州灣凹陷僅有沙四段和沙三段烴源巖成熟度達(dá)到生排烴階段,可作為各構(gòu)造帶油氣成藏的供烴源巖。

圖2 萊州灣凹陷各套烴源巖成熟度特征Fig.2 Maturity characteristics of source rocks in the Laizhou Bay Saga.沙四段烴源巖成熟度平面等值線；b.烴源巖實測Ro數(shù)據(jù)；c.沙三段烴源巖成熟度平面等值線；d.沙一段烴源巖成熟度平面等值線

表1 萊州灣凹陷有效烴源巖豐度和類型評價Table 1 Evaluation of the abundance and kerogen types of effective source rocks in the Laizhou Bay Sag

注:表中數(shù)據(jù)為最小值～最大值/平均值。

通過對萊州灣凹陷沙三和沙四段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和有機(jī)質(zhì)類型數(shù)據(jù)分析(表1),沙三段和沙四段都為好-優(yōu)質(zhì)烴源巖,結(jié)合各套烴源巖熱演化程度,可認(rèn)為僅有沙三段和沙四段烴源巖是萊州灣凹陷有效的供烴源巖。

2.3 油源分析

通過分析各油田飽和烴質(zhì)量色譜,發(fā)現(xiàn)墾利10-1/5油田原油具有低伽馬蠟烷,高4-甲基甾烷的特征(圖3a,c),而墾利16-1油田原油為中-高伽馬蠟烷的,中-低4-甲基甾烷的特征,同時還存在C35升藿烷翹尾的特征(圖3d—g),進(jìn)一步說明萊州灣凹陷南北構(gòu)造油源存在巨大的差異性。

在大量數(shù)據(jù)篩選的基礎(chǔ)上,優(yōu)選出伽馬蠟烷、4-甲基甾烷以及甾烷異構(gòu)化參數(shù)有效的區(qū)分了研究區(qū)各油田的油氣來源,萊州灣凹陷烴源巖甾烷異構(gòu)化參數(shù)顯示,沙三段和沙四段烴源巖都處于成熟階段,且沙四段烴源巖成熟度相對較高(圖4a)。對比各油田原油甾烷異構(gòu)化參數(shù),原油成熟度與沙四段烴源巖成熟度相似,說明二者具有良好的親緣關(guān)系(圖4b)。

利用伽馬蠟烷和4-甲基甾烷進(jìn)一步劃分,主洼和南次洼沙三段烴源巖特征相似,伽馬蠟烷和4-甲基甾烷含量都較低(圖4c),各生標(biāo)參數(shù)特征相似,說明沙三段沉積時期主洼和南次洼水體連通,烴源巖非均質(zhì)性相對較弱；而沙四段烴源巖則存在較大的差異性,南次洼沙四段烴源巖具有高伽馬蠟烷、低4-甲基甾烷的特征,主洼沙四段烴源巖具有低伽馬蠟烷、高4-甲基甾烷的特征(圖4c),各生標(biāo)參數(shù)差異較大。結(jié)合主洼和南次洼古生物數(shù)據(jù),在主洼沙四段發(fā)現(xiàn)大量指示淡水環(huán)境的盤星藻,而在南次洼盤星藻相對很少,出現(xiàn)大量指示半咸水-咸水渤海藻、副渤海藻和德弗蘭藻,說明沙地層沉積時期主洼和南次洼水體連通性差,南次洼水體相對主洼更加偏咸化環(huán)境。

對比各油田伽馬蠟烷和4-甲基甾烷參數(shù),墾利10-1/4/5/油田和墾利12-2油田中原油伽馬蠟烷含量普遍較低,4-甲基甾烷含量較高,與主洼沙四段烴源巖特征相同,而墾利16-1油田與墾利12-2油田存在兩種不同的油源,一部分具有高伽馬蠟烷、低4-甲基甾烷的特征,另一部分具有低伽馬蠟烷、較高4-甲基甾烷的特點(圖4d)。

綜上所述,萊州灣凹陷北部陡坡帶和中央構(gòu)造帶原油以主洼沙四段烴源巖供烴為主,混有主洼沙三段烴源巖貢獻(xiàn),緩坡帶墾利16-1油田原油則表現(xiàn)為主洼沙四段和南次洼沙四段烴源巖混合供烴的特征。

3 高硫油稠油來源及成因

3.1 原生成因

前人研究認(rèn)為沉積巖中硫的賦存形式包括以下4種:有機(jī)硫、黃鐵礦硫、單質(zhì)硫和硫酸鹽礦物[16]。有機(jī)硫主要包括干酪根中的硫元素和可溶抽提物中的硫醇、硫酚和硫醚等含硫化合物；硫酸鹽礦物主要包括石膏、芒硝和重晶石等,而硫單質(zhì)多以硫磺的形式存在,他們與黃鐵礦的存在都是有利于高硫油的形成。

萊州灣凹陷現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的高硫油主要集中在墾利16-1油田,墾利11-2油田也有少量發(fā)現(xiàn),結(jié)合前人研究[17]和目前的探井成果來看,以鉆遇的地層中并沒有發(fā)現(xiàn)黃鐵礦和硫單質(zhì),但是在墾利11-2構(gòu)造沙四段中鉆遇到鹽構(gòu)造,位于南次洼北部邊緣帶,對高硫油的形成有一定的影響,但是緊鄰墾利11-2構(gòu)造的墾利12-2油田和墾利11-1油田并未發(fā)現(xiàn)高硫油,因此,墾利11-2構(gòu)造上的鹽構(gòu)造對高硫油的影響范圍較為局限,難以解釋墾利16-1油田高硫油的來源及成因,為厘清墾利16-1油田高硫的成因,做了如下研究。

傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜(FT-ICR MS)是一種具有超高質(zhì)量分辨能力和質(zhì)量精確度的新型質(zhì)譜技術(shù),能夠精確質(zhì)量計算出對應(yīng)分子中C，H，O，N和S元素組成。本次實驗分析儀器為Apex-Ultra9.4T型FT-ICR MS(美國Bruker公司)(實驗原理詳見參考文獻(xiàn)[18]),選取墾利10-1油田一個低硫油和墾利16-1油田一個典型的高硫油進(jìn)行硫化物鑒定。實驗結(jié)果顯示,原油中硫化物主要集中分布在C30和C45之間的大分子化合物之中,其中,低硫油中硫化物的含量整體較低,且含量相似(根據(jù)圖5a中泡泡大小相似),連續(xù)成正態(tài)分布(圖5a)；高硫油中硫化物的含量較高,但是硫化物具有較高的專屬性,主要集中在某些特定的化合物之中(圖5b),具有原生成因高硫油的特點。

圖3 萊州灣凹陷各油田原油飽和烴質(zhì)量色譜Fig.3 Mass chromatograms of the saturated hydrocarbons for the Laizhou Bay Sag oildfiedsa.KL10-1-b井,埋深2 569～2 586 m，沙三上段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為0.2%；b.KL10-1-b井,埋深1 308～1 342 m，明化鎮(zhèn)組下段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為0.6%；c.KL10-5-a井,埋深1 599.5 m，東二下段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為0.5%；d.KL16-1-d井,埋深1 685.09～1 716.4 m，沙三段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為1.0%；e.KL16-1-c井,埋深1 331 m，沙二段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為1.7%；f.KL16-1-b 井,埋深1 105.7 m，沙三段原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為1.0%；g.KL16-1-a井,埋深932-937.5 m，館陶組原油飽和烴色質(zhì),其硫含量為2.9%

圖4 萊州灣凹陷烴源巖和原油的生標(biāo)參數(shù)關(guān)系Fig.4 Parametric relationship of biomarker compounds of oil and source rock samples from the Laizhou Bay Saga.烴源巖C29甾烷αααS/(S+R)與ββ/(αα+ββ)關(guān)系；b.原油C29甾烷αααS/(S+R)與甾烷ββ/(αα+ββ)關(guān)系；c.烴源巖4-甲基甾烷/(C29甾烷+4-甲基甾烷)與伽馬蠟烷/(伽馬蠟烷+C30藿烷)關(guān)系；d.原油4-甲基甾烷/(C29甾烷+4-甲基甾烷)與伽馬蠟烷/(伽馬蠟烷+C30藿烷)關(guān)系

結(jié)合芳烴參數(shù)分析,研究發(fā)現(xiàn)原油中的硫含量與二苯并噻吩和甲基二苯并噻吩的含量有著正相關(guān)關(guān)系(圖6a),原油含硫量越高,其噻吩含量相對越高,同時原油中噻吩含量隨伽馬蠟烷含量的增加而增大(圖6b),利用上述關(guān)系,從而建立原油芳烴與烴源巖芳烴之間的關(guān)系。圖6c中主洼和南次洼沙三段烴源巖噻吩和伽馬蠟烷含量相近,且含量都低,說明萊州灣凹陷沙三段沉積時期,水體相對連通,整體屬于相對淡化的水體環(huán)境,但是沙四段烴源巖卻具有較大的差異性,主洼展現(xiàn)出低伽馬蠟烷、低噻吩含量的特征,而南次洼展現(xiàn)出高伽馬蠟烷、高噻吩含量的特征(圖6d),這與高硫油特征完全相符,說明: ① 沙四段沉積時期水體存在分割現(xiàn)象,南次洼水體相對更加閉塞,比主洼水體咸化,再次印證前文； ② 萊州灣凹陷高硫油來源南次洼沙四段烴源巖,其它各套烴源巖沒有貢獻(xiàn)； ③ 咸化環(huán)境更容易形成富硫干酪根,為高硫油的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)。因此,南次洼沙四段富硫干酪根的形成是萊州灣凹陷高硫油形成的主控因素。

圖5 原油有機(jī)含硫化合物縮合度和碳數(shù)分布對比Fig.5 Comparison of condensation degree and carbon number distribution of organic sulfur compounds in crude oilsa.墾利10-1井低硫油特征；b.墾利16-1井高硫油特征[DBE(Double Bond Equivalent)為等效雙鍵,表示分子中環(huán)和雙鍵的數(shù)量,每種DBE對應(yīng)不同碳原子數(shù)的一個化合物系列。S1代表一類硫化物,其相對豐度在有機(jī)硫化合物中含量最高[18]。]

3.2 硫酸鹽熱化學(xué)還原作用

中央構(gòu)造帶上油氣成藏期大約在8.6 Ma[19],而墾利16-1油田成藏期更晚,大約從4 Ma開始,屬于典型的晚期成藏,自新近系沉積時期,墾利16-1地區(qū)處于穩(wěn)定沉積,未經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造運動,同時,現(xiàn)今實測油藏溫度分布在45～90 ℃,遠(yuǎn)小于硫酸鹽熱化學(xué)反應(yīng)(TSR)的最低溫度120 ℃,說明后期TSR作用對高硫油的形成沒有影響。

3.3 生物降解作用

通過統(tǒng)計萊州灣凹陷原油物性與原油的硫含量之間的關(guān)系,可以看出不論是低硫油還是高硫油,其含硫量與原油物性具有明顯的線性關(guān)系,隨著原油粘度和密度的增加硫含量相對富集(圖7),而生物降解作用越強(qiáng),原油粘度和密度都會隨之增加,但原生低硫油中硫含量隨生物降解作用很難超過1%(圖3b，圖7)。

由于墾利16-1油田油藏埋深較淺,原油粘度、密度較大(圖7),同時質(zhì)譜圖上基線隆起,飽和烴大量缺失,顯示原油遭受生物降解作用明顯(圖3e，g),未遭受或弱生物降解作用的原油硫含量大約為1%,具原生高硫油的特征,而遭受生物降解作用的原油硫含量明顯增加,可達(dá)到2.9%,因此,說明生物降解作用一方面造成墾利16-1油田原油稠化,是形成稠油的主控因素,另一方面可導(dǎo)致其原油硫元素的相對富集(圖2b，圖6)。

4 墾利16-1高硫油油田成藏模式

與傳統(tǒng)生烴模式相比較,咸化環(huán)境形成的富硫干酪根具有生油高峰較早的特點[20]。一般認(rèn)為(S1+S2)/TOC(生烴潛量/有機(jī)碳含量)值的降低意味烴源巖已達(dá)到排烴門限并開始排出烴類,并以其拐點確定為排烴門限深度[21]。從圖2可以看出，南次洼沙四段烴源巖分布范圍非常局限,Ro大于0.7%的范圍較小,結(jié)合地震資料解釋凹陷沙四段最中心位置最大埋深約4 500 m,整體成熟度相對較低。結(jié)合前文分析認(rèn)為,萊州灣凹陷南次洼沙四段烴源巖屬于咸化環(huán)境下形成的富硫干酪根,利用已鉆進(jìn)實測熱解數(shù)據(jù)可以看出,南次洼烴源巖排烴門限深度較淺,大概在2 000 m左右,比主洼排烴門限深度淺1 000 m(圖8b),同時其具有較高的地溫梯度3.7 ℃/100 m,致使南次洼烴源巖排烴時間大大提前至30 Ma(主洼排烴時間約為34 Ma),表現(xiàn)出早生早排的特點。因此,南次洼有效烴源巖分布范圍將增大,生烴能力增強(qiáng),很大程度的提高了墾利16-1油田成藏的可能性。

從目前鉆井情況來看,墾利16-1油田主要在潛山、沙四段、沙三段和館陶組中發(fā)現(xiàn)油氣。潛山面頂部發(fā)育了一套不整合面為深部油氣側(cè)向運移提供有利的運移通道,主洼沙四段烴源巖生成的油氣一部分沿潛山面?zhèn)认蜻\移在KL16-1-a井深部形成潛山油藏,另一部分通過多條深切烴源巖的油源斷層的分流作用運移至淺部地層,利用館陶組的砂體和底部的不整合面?zhèn)认蜻\移聚集成藏。南次洼排烴范圍雖然擴(kuò)大,但結(jié)合包裹體均一溫度分析得到墾利16-1油田成藏期大概從4 Ma開始,具有晚期成藏的特點,KL16-1-d井以南次洼供烴為主形成潛山高硫油藏,淺層油藏由斷層調(diào)整再分配,KL16-1-a井館陶組油藏表現(xiàn)為高硫油的特征正是由于斷層的再分配作用形成的,因此在墾利16-1油田形成了典型的雙洼供烴模式(圖8a)。

圖6 萊州灣凹陷原油硫含量與烴源巖生標(biāo)參數(shù)Fig.6 Sulfur content of crude oil and biomarker parameters of source rocks from the Laizhou Bay Saga.原油中硫含量與噻吩類化合物關(guān)系；b.原油中伽馬蠟烷與噻吩類化合物關(guān)系；c.沙三段烴源巖伽馬蠟烷與噻吩類化合物關(guān)系；d.沙四段烴源巖伽馬蠟烷與噻吩類化合物關(guān)系

5 結(jié)論

1) 萊州灣凹陷主要發(fā)育了沙三段和沙四段兩套有效的烴源巖,是該凹陷油氣成藏的主要來源。陡坡帶和中央構(gòu)造帶上的油田以主洼沙四段烴源巖供烴為主,混有沙三段烴源巖貢獻(xiàn),而緩坡帶上墾利16-1油田則為主洼沙四段和南次洼沙四段烴源巖混合供烴,其中高硫原油主要來源于南次洼沙四段烴源巖。

2) 萊州灣凹陷高硫油主要為原生高硫油,南次洼沙四段烴源巖沉積時期水體相對咸化有利于富硫干酪根的形成,控制著高硫油的形成,是高硫油形成的主要來源。油藏溫度主要在45～90 ℃,適合微生物生存,生物降解作用是導(dǎo)致原油稠化形成稠油的主要原因,而生物降解在造成原油稠化的同時,也使原油中硫的含量相對富集,促使高硫油形成。

圖7 萊州灣凹陷原油物性和含硫量之間的關(guān)系Fig.7 The relationship between the physical property and sulfur content of crude oils from the Laizhou Bay Saga.原油中硫含量與密度關(guān)系；b.原油中硫含量與粘度關(guān)系

圖8 萊州灣凹陷墾利16-1油田成藏模式(a)和萊州灣凹陷排烴模式(b)Fig.8 Diagram showing the accumulation model of Kenli 16-1 oilfield(a)and hydrocarbon expulsion model of the Laizhou Bay Sag(b)

3) 南次洼沙四段烴源巖屬于咸化環(huán)境形成的富硫干酪根,具有早生早排的特點,在墾利16-1油田與主洼構(gòu)成咸化湖盆早生早排雙洼供烴成藏模式。墾利16-1油田新近系中的油藏主要為砂體、不整合面?zhèn)认蜉攲?dǎo),斷裂垂向輸導(dǎo)遠(yuǎn)源成藏模式,其潛山和古近系中的油藏主要為不整合面?zhèn)认蜉攲?dǎo)遠(yuǎn)源成藏模式。因此,圍繞南次洼沙四段烴源巖,古近系和潛山優(yōu)質(zhì)儲層是高硫油聚集成藏有區(qū)帶,南次洼南部緩坡帶將是萊州灣凹陷高硫油下一步勘探的有利方向。