渭河盆地新發(fā)現(xiàn)原油的特征及其油氣地質(zhì)意義

李玉宏,高 崗,王行運(yùn),屈 童,韓 偉,宮振奇,張 文,黨文龍

[1.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054; 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249; 3.陜西燃?xì)饧瘓F(tuán)渭河能源公司,陜西 西安 710016;4.中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083]

渭河盆地位于陜西省中部,地處秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地之間(圖1)。20世紀(jì)60—70年代,原地質(zhì)部第三石油普查勘探大隊(duì)以新生界為目的層對渭河盆地開展過石油普查工作,但由于巨厚的新生界以紅層為主,有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度低,缺乏有效烴源巖而停止石油普查。近年來渭南市為了推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展,加快地?zé)豳Y源的開發(fā)利用,陜西金奧能源開發(fā)有限責(zé)任公司(渭河能源公司)在渭南地區(qū)實(shí)施了15口地?zé)崽骄?。地?zé)峋运{(lán)田-灞河組、高陵群熱儲(chǔ)層為主要目的層,地?zé)衢_采中自噴壓力高,溫度高,水量較大。在地?zé)崴_采過程中發(fā)現(xiàn)了含有較高濃度的伴生氦氣和甲烷氣資源。由于前人普遍認(rèn)為渭河盆地不具備石油地質(zhì)條件,地?zé)峋浘?xiàng)目簡單,不取心,沒能發(fā)現(xiàn)石油顯示,也未曾想到地?zé)峋杏惺?。但高溫的地?zé)崴?jīng)供暖后,發(fā)現(xiàn)有石油在回水管線中逐漸析出,并粘附于管壁上,經(jīng)年累月的積累最終導(dǎo)致管線堵塞破裂,見到了“油餅”,才使人們想到地?zé)崴杏惺?。通過對2口井安裝井口油水分離裝置,首次在渭河盆地獲得了新生代地層產(chǎn)出的原油數(shù)百千克(圖2)。原油經(jīng)有機(jī)地球化學(xué)分析,表明其與鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)的延長組、侏羅系、二疊系等層位的原油都有較大差別,應(yīng)有其特殊的成因和來源。

圖1 渭河盆地大地構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of the Weihe Basin

1 原油物性與族組成特征

根據(jù)原油樣品的物性和族組分分析結(jié)果,原油密度和粘度分別為0.82 g/cm3和6.42 mPa·s,原油飽和烴、芳香烴、非烴和瀝青質(zhì)的相對百分含量分別為82.2%、7.7%、3.8%和6.3%,與鄂爾多斯盆地三疊系及侏羅系原油族組成有明顯差異(表1),飽和烴含量明顯較高,飽/芳比值高達(dá)10.68。另外,原油的含蠟量和含硫量分別為14.89%和0.032 3%。所以,該原油屬于正常、含蠟、低硫的輕膠質(zhì)原油[1-2]。原油的初餾點(diǎn)溫度為123.9 ℃,隨溫度升高,初餾餾分含量增加,50%出餾餾分對應(yīng)的溫度為317.4 ℃(圖3)。

圖2 渭河盆地地?zé)峋a(chǎn)出的瀝青(a)和原油(b)照片F(xiàn)ig.2 Photos of asphalt sample (a) and crude oil sample (b) from geothermal wells in the Weihe Basin

表1 渭河盆地原油與鄂爾多斯盆地不同層位原油族組分對比Table 1 Comparison of group compositions for crude oil at different horizons in the Weihe and Ordos Basins

圖3 渭河盆地原油餾分分餾與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between distillation temperatures and fraction contents of crude oil samples in the Weihe Basin

2 原油飽和烴特征

原油飽和烴氣相色譜圖(圖4)顯示,渭河盆地原油正構(gòu)烷烴碳數(shù)從C10到C38,總體呈雙峰型,主峰為nC22,次主峰為nC15,這區(qū)別于鄂爾多斯盆地各層原油的單峰型特征。原油的CPI和OEP值分別為0.93和0.90,表明原油是成熟的?！苙C21-/∑n-C22+和(nC21+nC22)/(nC28+nC29)分別為1.05和1.55;Pr/Ph，Pr/nC17和Ph/nC18分別為0.82，0.56和0.59。

Pr/nC17和Ph/nC18關(guān)系圖(圖5)顯示,其母質(zhì)應(yīng)該有藻類等水生生物的貢獻(xiàn),總體顯示原油的母質(zhì)形成于弱還原的沉積環(huán)境[5-8]。

3 原油甾烷與萜烷特征

在渭河盆地原油甾烷(m/z217)組成中,孕甾烷、20SC27重排甾烷與20RC27重排甾烷相對含量明顯較鄂爾多斯盆地三疊系及侏羅系原油高(圖6),其孕甾烷與C27+C28+C29甾烷比值為0.21,(20S+20R)C27重排甾烷與∑(C27+C28+C29)甾烷比值為1.0。C27,C28與C29規(guī)則甾烷呈反“L”型分布,與鄂爾多斯盆地侏羅系原油的“L”型特征差異明顯,C27與C29甾烷比值和C27與C28甾烷比值分別為0.46和0.96。C27,C28和C29規(guī)則甾烷組成三角圖(圖7)顯示,渭河盆地原油母質(zhì)主要來自浮游水生生物和少量高等植物,高等植物對其貢獻(xiàn)比鄂爾多斯盆地延長組原油高[10-11]。此外,原油含有少量4-甲基甾烷,這預(yù)示了其母質(zhì)形成于具有一定鹽度的沉積環(huán)境,并且藻類有機(jī)質(zhì)對母質(zhì)也有所貢獻(xiàn)(圖6)。

C29甾烷異構(gòu)體中20S/(20S+20R)αααC29,甾烷和,ββ/(ββ+αα)20RC29甾烷是生標(biāo)物中重要的成熟度參數(shù)[13]。原油的ββ/(ββ+αα),αα20S/(20S+20R)C29,甾烷值均為0.56,顯示原油母質(zhì)處于成熟生油的演化階段。這與OEP和CPI反映的原油母質(zhì)成熟度一致。

圖4 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油飽和烴氣相色譜(GC)Fig.4 Gas chromatogram of the saturated fraction of crude oil samples in the Weihe and Ordos Basina.渭河盆地原油;b.鄂爾多斯盆地北部二疊系石盒子組原油[9];c.鄂爾多斯盆地西峰地區(qū)三疊系延長組原油;d.鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南段侏羅系原油[4]

圖5 渭河盆地原油Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系(修編自文獻(xiàn)[6])Fig.5 Pr/n C17 vs.Ph/nC18rat ios of crude oil samples from the Weihe Basin(modified from reference[6])

圖6 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油甾烷氣相色譜-質(zhì)譜Fig.6 Gas chromatographic-mass spectrometry of crude oil samples from the Weihe and Ordos Basinsa.渭河盆地原油;b.鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南段侏羅系原油[4];c.鄂爾多斯盆地西峰地區(qū)三疊系延長組原油

圖7 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油規(guī)則甾烷C27，C28和C29組成三角圖(修編自文獻(xiàn)[12])Fig.7 Ternary diagram showing C27,C28 and C29 contents of regular sterane in crude oil samples from the Weihe and Ordos Basins(modified from reference[12])

圖8 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油萜烷氣相色譜-質(zhì)譜Fig.8 Gas chromatography-mass spectrometer of terpane of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basinsa.渭河盆地原油;b.鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南段侏羅系原油[4];c.鄂爾多斯盆地西峰地區(qū)三疊系延長組原油

原油的萜烷(m/z191)主要由三環(huán)萜烷和五環(huán)萜烷組成(圖8)。三環(huán)萜烷相對含量與成熟度和生物降解作用等有關(guān)[13-15]。渭河盆地油樣C23萜烷明顯較高,指示咸化湖和海相環(huán)境;三環(huán)與五環(huán)三萜烷比值較高,為0.97;正構(gòu)烷烴分布完整,未顯示生物降解跡象(圖4)。所以,其較高的三環(huán)萜烷主要與較高的成熟度有關(guān)。Ts[18α(H)-22,29,30-三降藿烷]比Tm([7α(H)-22,29,30-三降藿烷]抵抗成熟的能力強(qiáng),但也與烴源巖沉積環(huán)境有關(guān)[16-17]。原油的Ts/Tm值為2.17,這與其較高的母質(zhì)成熟度是吻合的[18-19]。

原油和烴源巖中的三環(huán)萜烷和四環(huán)萜烷與有機(jī)質(zhì)來源有關(guān),可用來判斷母質(zhì)形成的沉積環(huán)境[5,19](圖9)。三環(huán)和四環(huán)萜烷參數(shù)關(guān)系顯示了原油分布接近鹽湖與海相沉積環(huán)境。此外,伽馬蠟烷含量與沉積環(huán)境的水體鹽度有關(guān),鹽度越高,伽馬蠟烷含量越高[16,20-21]。渭河盆地原油伽馬蠟烷含量明顯很高,伽馬蠟烷與C30藿烷比值高達(dá)0.91,遠(yuǎn)高于鄂爾多斯盆地延長組原油(圖10)。這表明了渭河盆地原油母質(zhì)形成于較高鹽度沉積環(huán)境的水體中。

圖9 渭河盆地原油C23三環(huán)/(C23三環(huán)+C30五環(huán))萜烷-C24四環(huán)/(C24四環(huán)+C26三環(huán))萜烷關(guān)系(修編自文獻(xiàn)[19])Fig.9 C23 tricyclic/(C23 tricyclic+C30 pentacyclic)ratios vs.C24 tetracyclic/(C24 tetracyclic+C26 tricyclic)terpane ratios of crude oil sample from the Weihe Basin(modified from reference[19])

圖10 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油γ蠟烷/C30藿烷-C35藿烷/C34藿烷關(guān)系Fig.10 Gammacerane/C30hopanevs.C35 hopane/C34hopane of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basins

原油五環(huán)三萜烷中較高的C35藿烷普遍與海相碳酸鹽巖或蒸發(fā)環(huán)境有關(guān)[22-23],也與鹽湖沉積有關(guān)[24-25]。該油樣的C35藿烷相對含量較高,藿烷指數(shù)[HHI=C35/(C31—C35)]藿烷為0.15,C35藿烷/C34藿烷值高達(dá)1.21,也表明了原油母質(zhì)形成于較高鹽度的沉積水體中。

4 原油飽和烴單體烴碳同位素組成特征

原油飽和烴的單體烴碳同位素組成受控于母質(zhì)來源與沉積環(huán)境,與沉積水體鹽度有關(guān),半咸水環(huán)境比淡水環(huán)境下沉積的有機(jī)質(zhì)及其產(chǎn)物更富集重碳同位素δ13C[26-27]。分析發(fā)現(xiàn),渭河盆地原油中低碳數(shù)(C14—C22)的正構(gòu)烷烴碳同位素值隨碳數(shù)增加從-27.1‰降低到-30.3‰;當(dāng)碳數(shù)高于C22后,碳同位素值在-29.3‰和-30.4‰變化,其中異構(gòu)烷烴比正構(gòu)烷烴的碳同位素值要重一些;姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)的碳同位素值明顯要重,分別為-26.1‰和-24.9‰(圖11),明顯比鄂爾多斯盆地延長組淡水湖湘原油δ13C值-31‰～-34‰重?？偟娘@示出原油母質(zhì)形成較高鹽度的水體中[26-29]。

5 原油芳烴特征

芳烴化合物復(fù)雜而穩(wěn)定,可用來進(jìn)行油源對比、進(jìn)行有機(jī)質(zhì)成熟度評價(jià)、確定沉積環(huán)境以及生油的初次運(yùn)移[30-32]。三芴系列化合物可用于指示源巖或者原油形成時(shí)的沉積環(huán)境,渭河盆地原油芳烴“三芴”系列組成中芴、氧芴、硫芴相對含量分別為1.32%，64.51%和34.17%,其形成環(huán)境與鄂爾多斯盆地各層位原油有明顯差異(圖12),并通過Pr/Ph與硫芴/氧芴關(guān)系圖可看出渭河盆地原油形成于弱氧化-弱還原環(huán)境(圖13),這與之前所判斷的形成于弱還原環(huán)境并不矛盾。

6 特殊原油發(fā)現(xiàn)的油氣地質(zhì)意義

綜合上述地化分析可見,該油樣的烴源巖母質(zhì)主要形成于弱還原的、鹽度較高的湖相沉積環(huán)境,藻類等水生生物為烴源巖母質(zhì)的主要有機(jī)質(zhì)來源,有少部分高等植物的貢獻(xiàn),母質(zhì)處于成熟的生油階段。這種特征的原油與鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)的延長組、侏羅系、二疊系等層位中的原油都有較大的差別,顯示了其明顯的地球化學(xué)與成因的特殊性。

圖11 渭河盆地原油飽和烴單體烴碳同位素分布Fig.11 Distribution of carbon isotope values of saturated monomer hydrocarbons of crude oil sample from the Weihe Basin

渭河盆地歷史上曾經(jīng)是古生代大華北盆地和中生代大鄂爾多斯盆地的一部分[33],其前新生代地層的沉積、演化必然和鄂爾多斯盆地(華北地塊)密切相關(guān),其前新生界烴源巖與鄂爾多斯盆地相關(guān)層位烴源巖母質(zhì)類型應(yīng)有較多的相關(guān)性。渭河盆地新生代以來的斷陷沉降和鄂爾多斯盆地走上不同的演化途徑,渭河盆地特殊原油與鄂爾多斯盆地發(fā)現(xiàn)的中生界及古生界原油都不同[24-36],最大可能來自新生界烴源巖。

渭河盆地新生代沉積最厚可達(dá)6 000～7 000 m,發(fā)育古近系戶縣群(紅河組、白鹿原組、甘河組),新近系高陵群(冷水溝組、龔家溝組)、藍(lán)田組-灞河組、張家坡組,第四系三門組,自下而上可劃分為下粗上細(xì)的4大沉積旋回,即古近系上始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)(紅河組-白鹿原組-甘河組)旋回、新近系中新統(tǒng)(高陵群)旋回、上新統(tǒng)(灞河組-藍(lán)田組-張家坡組)旋回和第四系(三門組—秦川組)旋回[37]。目前鉆井僅揭示高陵群以上地層,缺少鉆穿古近系鉆孔。目前地表露頭及鉆孔顯示渭河盆地新生界初新近系張家坡組局部發(fā)育未成熟烴源巖外,主要為紅層沉積[38],顯然本次發(fā)現(xiàn)的特殊原油與張家坡組無關(guān),由于鉆井深度有限(高陵群未穿),其烴源巖尚未鉆達(dá),即盆地內(nèi)古近系和露頭區(qū)應(yīng)該存在相變,發(fā)育有還原環(huán)境的較高鹽度湖相沉積。目前露頭區(qū)古近系認(rèn)為是低鹽度河湖相沉積[39],與盆地內(nèi)古近系沉積相帶的空間演化關(guān)系需進(jìn)一步研究。

圖12 渭河盆地與鄂爾多斯盆地原油芴、硫芴、氧芴三角圖(修編自文獻(xiàn)[30][32])Fig.12 Ternary diagram of fluorene,sulfur fluorene and dibenzofuran of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basins(modified from reference[30],[32])

圖13 渭河盆地原油Pr/Ph與硫芴/氧芴關(guān)系(修編自文獻(xiàn)[30])Fig.13 Cross diagram between the Pr/Ph and sulfur fluorene/dibenzofuran of crude oil sample from the Weihe Basin(modified from reference[30])

渭河盆地油氣勘探的主要矛盾是缺乏烴源巖,已有研究認(rèn)為渭河盆地可能存在上古生界烴源巖[33,40-41],本次發(fā)現(xiàn)揭示渭河盆地還應(yīng)具有尚未發(fā)現(xiàn)的生烴源巖,進(jìn)一步表明渭河盆地具有油氣資源前景,在已發(fā)現(xiàn)的“一熱兩氣”(地?zé)?、氦氣、生物?基礎(chǔ)上,還有石油蘊(yùn)藏的含油氣多能源盆地。

7 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

渭河盆地新發(fā)現(xiàn)的原油屬于正常的含蠟、低硫、輕膠質(zhì)原油,烴源巖母質(zhì)主要形成于還原的、鹽度較高的湖相沉積環(huán)境,藻類等水生生物為烴源巖母質(zhì)的主要有機(jī)質(zhì)來源,有少部分高等植物的貢獻(xiàn),是一種與鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)的延長組、侏羅系、二疊系等層位原油都有較大差別的原油,烴源巖以處于成熟生油演化階段,與渭河盆地已知的新近系張家坡組低熟-未熟烴源巖無關(guān)。由于鉆井深度有限,未發(fā)現(xiàn)烴源巖,但根據(jù)地質(zhì)背景分析渭河盆地應(yīng)存在尚未發(fā)現(xiàn)的生烴源巖,烴源巖層位及其分布有待進(jìn)一步研究。新發(fā)現(xiàn)原油進(jìn)一步增加了渭河盆地將成為中國又一個(gè)含油氣盆地的依據(jù),具有重要的油氣地質(zhì)意義,同時(shí)也可為鄂爾多斯周緣盆地群新層系油氣調(diào)查提供借鑒。