渤海灣盆地板橋凹陷原油地球化學(xué)特征

楊建磊,尚海港,胡秋媛

(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 油氣工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257061; 2.中石化勝利油田分公司 孤東采油廠,山東 東營(yíng) 257000)

原油地球化學(xué)特征研究一直是油氣勘探開發(fā)中的基礎(chǔ)性工作。20世紀(jì)50年代以來(lái),我國(guó)諸多學(xué)者相繼提出了源控論、陸相生油論、疊合盆地晚期生油理論等獨(dú)具特色的理論,極大程度上豐富了我國(guó)的油氣勘探理論。板橋凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷的主要富油氣凹陷之一,具有良好的含油氣遠(yuǎn)景。張剛慶(2009)、李卓沛(2011)、王偉(2012)、宋璠(2015)等相繼對(duì)板橋凹陷的原油芳烴組成、烴源巖演化、儲(chǔ)層、成藏特征進(jìn)行相關(guān)研究[1-4]。其中,古近系被認(rèn)為是凹陷中唯一生儲(chǔ)油巖層,沙一下亞段和沙三段為主力烴源巖。目前,除常規(guī)原油外,板橋凹陷中還富含多種非常規(guī)油氣資源,油源條件充足,具有良好的勘探潛力。但針對(duì)板橋凹陷原油地球化學(xué)特征尚缺少整體性、系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。因此,筆者綜合運(yùn)用地球化學(xué)手段,對(duì)板橋凹陷的原油物性、族組成、碳同位素組成、甾萜烷組成、芳烴化合物組成、輕烴組成等進(jìn)行綜合研究,明確凹陷內(nèi)原油的地球化學(xué)特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

板橋凹陷在構(gòu)造位置上位于渤海灣盆地內(nèi)黃驊坳陷的中北部,北西以滄東斷層與滄縣隆起相接,南東以港東斷層與北大港構(gòu)造帶相鄰,北抵塘沽新港潛山構(gòu)造帶,南達(dá)沈青莊潛山構(gòu)造帶,整體為北西斷、南東超的箕狀斷陷盆地(圖1)。受北大港構(gòu)造帶影響,研究區(qū)地勢(shì)呈北低南高長(zhǎng)條狀,發(fā)育一系列與滄東斷層平行的NE向斷層,自北向南依次為海河斷層、長(zhǎng)蘆斷層、板橋斷層、大張坨斷層、港西斷層、港東斷層[5]。

板橋凹陷為典型的陸相斷陷盆地,古近紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了初始斷陷、擴(kuò)張斷陷、穩(wěn)定裂陷、衰減4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。凹陷內(nèi)發(fā)育典型的華北型地層,其中,結(jié)晶基底自下而上由太古界、下古生界和中生界構(gòu)成,沉積蓋層自下而上依次發(fā)育古近系沙河街組(Es)、東營(yíng)組(Ed),新近系館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)及第四系平原組(Qp)等5套地層。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置與斷層分布圖

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

本次研究采集了板橋凹陷塘沽地區(qū)、板橋地區(qū)和大中旺地區(qū)的16個(gè)原油樣品,分別來(lái)自于館陶組、東營(yíng)組及沙一段—沙三段(圖2),基本涵蓋了研究區(qū)各種原油類型。原油樣品由中石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫地質(zhì)研究所使用Varian CP-3800氣相色譜儀檢測(cè)。本次實(shí)驗(yàn)針對(duì)上述16個(gè)原油樣品詳細(xì)分析了包括族組分組成、原油碳同位素組成、原油飽和烴氣相色譜、原油甾萜烷組成等在內(nèi)的多種地球化學(xué)特征,以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原油性質(zhì)和形成分布規(guī)律。

圖2 板橋凹陷原油樣品分布

3 原油地球化學(xué)特征

3.1 原油物性

板橋凹陷各層位的原油相對(duì)密度分布于0.71～0.97 g/cm3,包含輕質(zhì)油、正常原油、中質(zhì)油和重質(zhì)油[6]。原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,極少數(shù)超過(guò)1 000 mPa·s。原油含硫量介于0.4%～1.0%,屬低硫原油。原油含蠟量、原油凝固點(diǎn)隨相對(duì)密度變化范圍均較大,其中,含蠟量分布于1.28%～34%,凝固點(diǎn)分布于-30～72 ℃。

3.2 原油生物標(biāo)志化合物特征

3.2.1 原油族組成特征

板橋凹陷不同地區(qū)原油族組成表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。原油族組成三角圖中清晰顯示,板橋凹陷不同地區(qū)原油族組成可分為4個(gè)點(diǎn)群(圖3)。其中,第1點(diǎn)群為以板852-3為代表的板橋地區(qū)埋深較大的原油,飽和烴含量高至65%以上;第2點(diǎn)群為以板64-30k為代表的埋深較淺的原油,其典型特征表現(xiàn)為芳烴含量低,飽和烴、非烴和瀝青質(zhì)含量集中在35%～55%;第3點(diǎn)群為以塘28為代表的塘沽地區(qū)原油,其原油族組成分布介于上述兩個(gè)點(diǎn)群;第4點(diǎn)群為以旺1102為代表的大中旺地區(qū)原油,其典型特征為飽和烴、芳烴含量較低,非烴、瀝青質(zhì)含量高至75%。從整個(gè)板橋凹陷看,原油族組成分布表現(xiàn)出明顯的“南北分區(qū)”。以大張坨斷層為界,研究區(qū)北部族組分分布特征為飽和烴相對(duì)含量較高,非烴和瀝青質(zhì)含量較低,芳香烴含量中等,飽芳較大;而相比之下,南部地區(qū)原油族組成特征相反。

圖3 研究區(qū)原油族組成分布特征

3.2.2 原油碳同位素組成特征

板橋凹陷原油碳同位素值相差較大,分布于-29.1‰～-24.5‰之間,整體表現(xiàn)出與原油族組成相似的特征。其中,板橋地區(qū)第1類原油碳同位素均大于-25.3‰,表明此類原油成熟度水平相對(duì)較高;相比之下,板橋地區(qū)第2類原油碳同位素較輕,且飽和烴、原油、芳香烴、瀝青質(zhì)、非烴表現(xiàn)出依次增加的趨勢(shì);紅8-1井油樣與大中旺地區(qū)的碳同位素與區(qū)內(nèi)其他地區(qū)樣品特征具有顯著差異,在-27‰左右,整體較輕;塘沽地區(qū)原油碳同位素值最輕,均小于-28‰,整體分布趨勢(shì)與板橋凹陷第1類原油一致,但整體上相差3‰。

表1 研究區(qū)原油碳同位素組成特征

3.2.3 原油飽和烴氣相色譜特征

板橋凹陷原油氣相色譜圖表明,板橋凹陷既有保存良好的正常原油,也有正構(gòu)烷烴明顯遭到生物降解的原油。依據(jù)氣相色譜圖特征,可將研究區(qū)原油劃分為4種類型。

板橋凹陷原油飽和烴氣相色譜特征表現(xiàn)出明顯差異。其中,板橋地區(qū)第1類原油的典型特征為峰型完整,正構(gòu)烷烴(nC)分布完整,但環(huán)烷烴(CYC)、異構(gòu)烷烴(iC)含量相對(duì)較低,前鋒型主峰碳優(yōu)勢(shì)明顯,多集中在nC9和nC10,OEP和CPI均趨近于1,表現(xiàn)出成熟原油特征(圖4(a))。此外,原油樣品飽和烴氣相色譜顯示,該類原油特征參數(shù)∑C21-/∑C22+值分別在3.59和42.38之間,Pr/nC17值分別在0.33和0.56之間,Ph/nC18值分別在0.18和0.31之間,Pr/Ph值分布在1.96和2.49之間,以弱姥鮫烷優(yōu)勢(shì)為特征。

板橋地區(qū)埋深較淺的樣品對(duì)應(yīng)該地區(qū)第2類原油,集中于東營(yíng)組(Nd)和館陶組(Ng)。原油樣品飽和烴氣相色譜圖顯示,該類原油以環(huán)烷烴(CYC)為主,正構(gòu)烷烴(nC)和異構(gòu)烷烴(iC)含量均較低,推測(cè)該類原油已遭受嚴(yán)重生物降解(圖4(b))。

大中旺地區(qū)為研究區(qū)典型的第3類原油,飽和烴氣相色譜圖中飽和烴整體含量較低,色譜基線出現(xiàn)明顯的“UCM”鼓包現(xiàn)象(圖4(c)),異構(gòu)烷烴(iC)、環(huán)烷烴(CYC)含量高,而正構(gòu)烷烴(nC)分布不明顯,加之該區(qū)域樣品埋深較淺,推測(cè)此類原油也遭受一定程度的生物降解。

塘沽地區(qū)為研究區(qū)典型的第4類原油,其飽和烴氣相色譜圖中峰型完整,正構(gòu)烷烴(nC)分布完整,但含量明顯低于環(huán)烷烴(CYC)和異構(gòu)烷烴(iC),以nC21、nC23為主峰。原油正構(gòu)烷烴無(wú)明顯的奇偶優(yōu)勢(shì),CPI比值平均為1.15,OEP比值分布于1.05和1.13之間,反映出成熟原油的特征。飽和烴特征參數(shù)∑C21-/∑C22+值分布在0.59和1.31之間,Pr/nC17比值分別在0.48和0.60之間,Ph/nC18比值分別在0.75和0.96之間,Pr/Ph平均比值為0.56,表現(xiàn)出明顯的植烷優(yōu)勢(shì)(圖4(d))。

3.2.4 原油甾萜烷組成特征

3.2.4.1 原油甾烷系列化合物特征

規(guī)則甾烷中重排甾烷、規(guī)則甾烷等參數(shù)可有效指示原油的母質(zhì)差異[7]。依據(jù)m/z217對(duì)板橋凹陷原油甾烷進(jìn)行定量—定性分析表明,研究區(qū)內(nèi)原油甾烷系列化合物的地球化學(xué)特征均表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。

板橋地區(qū)原油中規(guī)則甾烷呈不對(duì)稱V型分布,以C27、C29為優(yōu)勢(shì)(圖5(a)、(b))。甾烷的典型特征為重排甾烷指數(shù)在研究區(qū)含量最高、4-甲基甾烷指數(shù)較高;∑(重排)/∑(規(guī)則)比值分布在0.109和0.340之間,∑(相對(duì)分子質(zhì)量)/∑(規(guī)則)比值分布在0.020和0.072之間(表2)。板橋地區(qū)甾烷構(gòu)成特征隨深度變化呈現(xiàn)出不同規(guī)律,其中,板橋地區(qū)第1類原油的甾烷構(gòu)成特征為規(guī)則甾烷C27/C29比值、∑(重排)/∑(規(guī)則)比值、相對(duì)分子質(zhì)量/∑(規(guī)則)比值、4-甲基甾烷/C29比值等參數(shù)均相對(duì)較高,且C27優(yōu)勢(shì)特征明顯;而板橋地區(qū)第2類原油的上述甾烷參數(shù)則相對(duì)較低。

圖4 板橋凹陷原油飽和烴氣相色譜圖

大中旺地區(qū)原油的質(zhì)量色譜圖中規(guī)則甾烷呈V字型對(duì)稱分布,以C27、C29為優(yōu)勢(shì)(圖5(c))。該類原油的甾烷系列化合物含量總體較低,且樣品中未檢測(cè)到有效的4-甲基甾烷。

圖5 研究區(qū)原油典型質(zhì)量色譜圖

表2 研究區(qū)原油甾烷特征參數(shù)

塘沽地區(qū)原油質(zhì)量色譜圖顯示出,規(guī)則甾烷分布表現(xiàn)出典型的C29優(yōu)勢(shì),為典型的反L型(圖5(d))。該類原油的甾烷系列化合物特征為低分子量/∑(規(guī)則)比值較小;∑(重排)/∑(規(guī)則)平均比值為0.1;4-甲基甾烷含量很低,4-甲基甾烷/C29甾烷分布在0.05和0.08之間。相比板橋地區(qū),塘沽地區(qū)原油的上述甾烷生標(biāo)參數(shù)均較小。

3.2.4.2 原油萜烷系列化合物特征

萜類化合物是原油中分布廣泛的生物標(biāo)志化合物。利用m/z123和m/z191對(duì)原油樣品的倍半萜烷、二萜烷、三環(huán)萜烷等萜類化合物進(jìn)行了定量—定性分析,為研究區(qū)原油類型劃分提供有效依據(jù)。

萜類化合物中三環(huán)二萜烷為來(lái)自高等植物的先質(zhì)[8]。依據(jù)研究區(qū)原油樣品的生物標(biāo)志化合物參數(shù),繪制出原油三環(huán)二萜烷/∑藿烷與二環(huán)倍半萜烷/∑甾烷的相關(guān)圖(圖6)。

圖中清晰顯示,板橋地區(qū)原油樣品可劃分為3種類型,板橋地區(qū)對(duì)應(yīng)可分為第1類和第2類,大中旺地區(qū)原油對(duì)應(yīng)第3類。對(duì)比3類原油的二環(huán)倍半萜烷/∑(甾烷)比值發(fā)現(xiàn),第1類原油中該比值均在2以上,可知該類原油母質(zhì)來(lái)源一致,且含有低等水生植物或較高細(xì)菌的先質(zhì);第2類原油中該比值在0.01～1之間;第3類原油中該比值與三環(huán)二萜烷/∑(藿烷)比值均很低,表明此類原油母質(zhì)的差異性來(lái)源。

圖6 研究區(qū)原油二環(huán)倍半萜烷/∑甾烷與三環(huán)二萜烷/∑藿烷相關(guān)圖

4 原油類型劃分

圖7 板橋凹陷原油聚類譜系圖

前已述及,板橋凹陷原油的族組成、碳同位素組成、飽和烴氣相色譜、甾萜烷組成等地球化學(xué)特征研究表明,研究區(qū)板橋地區(qū)、塘沽地區(qū)和大中旺地區(qū)的原油各具特色,既表現(xiàn)出一定的層位差異,同時(shí)表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。因此,充分利用上述各項(xiàng)生物標(biāo)志化合物特征基礎(chǔ)上,筆者以原油試樣間的相似程度為依據(jù),采用多元統(tǒng)計(jì)方法—Q型聚類分析[9],進(jìn)一步對(duì)研究區(qū)原油樣品進(jìn)行分類,最大限度地利用了生物標(biāo)志化合物的所有成因信息,有效規(guī)避了單一參數(shù)對(duì)比的局限性。本次研究中,以相似系數(shù)0.85為標(biāo)準(zhǔn),采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行聚類分析,得出研究區(qū)聚類譜系圖(圖7)。結(jié)果表明,研究區(qū)原油樣品可劃分為4種典型類型,其中,板橋地區(qū)原油可劃分為兩類,以板852-3和板深5H1為代表的板橋地區(qū)埋深較大的原油定為Ⅰ類原油,以板78-12和板南3-1k為代表的板橋地區(qū)埋深較小的原油定為Ⅱ類原油;以旺1102為代表的大中旺地區(qū)原油定為Ⅲ類原油,以塘28為代表的塘沽地區(qū)原油定為Ⅳ類原油,與前述原油地球化學(xué)特征分析結(jié)果具有極高的吻合度。

5 結(jié) 論

(1)板橋凹陷原油屬典型的低硫原油,含硫量介于0.4%～1.0%,原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,原油含蠟量、凝固點(diǎn)隨相對(duì)密度變化范圍均較大,其中,含蠟量分布于1.28%～34%,凝固點(diǎn)分布于-30～72 ℃。

(2)板橋凹陷原油地球化學(xué)特征表現(xiàn)出顯著的區(qū)域性差異。板橋地區(qū)埋深大的原油飽和烴含量高,碳同位素重,異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴含量低,Pr/Ph值大,C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈不對(duì)稱V型,低分子量甾烷、重排甾烷、4-甲基甾烷含量高,成熟度較高;板橋地區(qū)埋深小的原油飽和烴含量中等,非烴和瀝青質(zhì)含量較高,碳同位素較重,甾萜類化合物與其埋深大的原油相似。大中旺地區(qū)原油碳同位素最輕,飽和烴含量較高, Pr/Ph值小,規(guī)則甾烷以C27、C29為優(yōu)勢(shì),呈反L型分布,成熟度水平相對(duì)較低。塘沽地區(qū)原油碳同位素較輕,非烴和瀝青質(zhì)含量高,規(guī)則甾烷分布表現(xiàn)出典型的C29優(yōu)勢(shì),為典型的反L型,成熟度相對(duì)較低。

(3)Q型聚類分析研究表明,板橋凹陷原油樣品可劃分為4種類型,其中,以板852-3和板深5H1為代表的板橋地區(qū)埋深較大的原油定為Ⅰ類原油,以板78-12和板南3-1k為代表的板橋地區(qū)埋深較小的原油定為Ⅱ類原油;以旺1102為代表的大中旺地區(qū)原油定為Ⅲ類原油,以塘28為代表的塘沽地區(qū)原油定為Ⅳ類原油,與前述原油地球化學(xué)特征分析結(jié)果具有極高的吻合度。