渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)油源對比及高蠟油成因

刁 帆，王建偉，陳曉娜，王政軍，張永超

(1.東華理工大學(xué) 江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實驗室，南昌 330013；2.東華理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330013；3.中國石油 冀東油田 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004；4.中國石化 中原油田 濮城采油廠 地質(zhì)研究所，河南 濮陽 457000)

高尚堡地區(qū)位于渤海灣盆地黃驊坳陷南堡凹陷北翼，為一長期發(fā)育的背斜構(gòu)造帶，以北西向和北東向斷層為主(圖1)，是南堡凹陷陸上主力產(chǎn)油區(qū)之一。近年來，高尚堡地區(qū)油氣勘探持續(xù)獲得發(fā)現(xiàn)，尤其是深層石油地質(zhì)資源量大幅增加，使得該地區(qū)油氣來源以及深層高蠟油成因備受關(guān)注。前人研究主要關(guān)注南堡凹陷以林雀次洼為生烴灶的油氣成因類型和油氣來源[1-6]，缺乏對高尚堡油田不同層系油氣來源和高蠟油成因的詳細(xì)研究。筆者通過生物標(biāo)志化合物、單體烴同位素特征，對高尚堡地區(qū)原油來源進(jìn)行了探討，并分析了沙三段高蠟油的成因。

圖1 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)位置

1 原油物性特征

原油物性是原油化學(xué)組成的綜合反映，在一定程度上有助于對原油成因進(jìn)行判斷。高尚堡地區(qū)原油具有明顯的平面和縱向分帶性。高柳斷層以北，原油主要聚集在深層沙三段，其原油密度和黏度較低，凝固點和含蠟量較高，其蠟質(zhì)平均含量為19.7%，最高可達(dá)39.4%，為典型的高蠟油(表1)。高柳斷層以南，原油主要集中分布在館陶組、明化鎮(zhèn)和東營組，其中館陶組和明化鎮(zhèn)組由于埋深較淺，原油均遭受不同程度生物降解，其密度和黏度較高，凝固點和含蠟量較低，含蠟量大多低于10%(表1)；埋深相對較大的東營組原油未遭受生物降解，其原油物性介于深部沙三段和淺層明化鎮(zhèn)組—館陶組之間。高尚堡地區(qū)原油平面和垂向上的規(guī)律性分布除了受原油垂向分異作用、運移效應(yīng)和生物降解的影響之外，更可能是其來源的不同造成了原油特征的差異。

2 原油地球化學(xué)特征

2.1 鏈烷烴

高柳斷層以南明化鎮(zhèn)組—東營組原油碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)值分布在1.10～1.20之間，為成熟原油；∑nC21-/∑nC22+值分布在0.46～1.32之間；Pr/Ph值在0.92～1.66之間，Pr/nC17值在0.39～2.11之間，Ph/nC18值在0.29～4.23之間。由于埋深較淺，館陶組和明化鎮(zhèn)組原油受到了不同程度的生物降解，其正構(gòu)烷烴大部分缺失C15之前的部分，甚至基本完全缺失(圖2a，b)。東營組原油基本為正常原油，正構(gòu)烷烴系列保存完整(圖2c，d)，主峰碳多為nC21，未見明顯的生物降解。

表1 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)原油物性特征

注：表中分式含義為：最小值～最大值/平均值(樣品數(shù))。

高柳斷層以北深層沙三段原油氣相色譜譜圖主要有兩種形態(tài)：一種是雙峰態(tài)前峰型，有C15和C23兩個高峰，低碳數(shù)峰略高于高碳數(shù)峰(圖2e)；另一種是雙峰態(tài)后峰型，有C15或C18、C23兩個高峰，高碳數(shù)峰略高于低碳數(shù)峰(圖2f)。這些特征表明低等水生生物和陸生高等植物對生源都有貢獻(xiàn)。原油碳優(yōu)勢指數(shù)值分布在1.10左右，為正常成熟原油；∑nC21-/∑nC22+值分布在0.63～1.44之間；Pr/Ph值在1.05～1.25之間，Pr/nC17值在0.29～0.50之間，Ph/nC18值在0.21～0.59之間，表明原油主要形成于還原環(huán)境中。

2.2 甾烷系列化合物

中淺層館陶組、明化鎮(zhèn)和東營組原油主要表現(xiàn)為重排甾烷含量相對較高(圖3a-c)，重排甾烷/規(guī)則甾烷主要分布在0.1～0.3之間(圖4a)；C27、C28、C29規(guī)則甾烷的相對含量分別為37.2%～47.1%，23.2%～28.0%，26.9%～39.7%(圖4b)，主要呈“V”字形分布，C27規(guī)則甾烷多表現(xiàn)出略高于C29規(guī)則甾烷的特征(圖3a-c)；C304-甲基甾烷含量中等，4-甲基甾烷/C29甾烷小于0.3(圖4c)。

沙三段原油重排甾烷含量明顯低于中淺層原油(圖3d，e)，重排甾烷/規(guī)則甾烷基本分布在0.1附近(圖4a)；C27、C28、C29規(guī)則甾烷的相對含量分別為33.5%～35.2%，21.9%～23.5%，42.4%～50.1%，主要呈“V”字形分布，與中淺層原油相比，其C27規(guī)則甾烷含量略低，C29規(guī)則甾烷含量略高(圖4b)；C304-甲基甾烷含量異常高(圖3d)，C304-甲基甾烷/C29甾烷均大于0.3，明顯高于中淺層原油(圖4c)，說明低等水生生物和高等植物對生源都有貢獻(xiàn)，與正構(gòu)烷烴雙峰特征一致。

2.3 萜烷系列化合物

中淺層館陶組、明化鎮(zhèn)組和東營組原油Ts/Tm分布于1.00～2.29，平均值為1.60，深層沙三段原油Ts/Tm分布于0.86～1.33，平均值為1.18(圖4a)，說明深層沙三段原油成熟度略低于中淺層原油。這種原油成熟度的“倒置”現(xiàn)象也說明高柳斷層兩側(cè)的原油具有不同的來源，分屬于不同的成藏系統(tǒng)。

高柳斷層兩側(cè)原油整體來源于淡水環(huán)境下形成的烴源巖，伽馬蠟烷含量整體較低，伽馬蠟烷/C30藿烷分布于0.04～0.12；但深層沙三段原油具有更低的伽馬蠟烷/C30藿烷，其分布于0.04～0.06，明顯低于中淺層原油(圖4c)，這種差異也說明油氣可能具有不同的來源。

圖2 渤海灣盆地南堡凹陷高柳地區(qū)原油全油氣相色譜

圖3 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)部分原油和烴源巖m/z 191、m/z 217質(zhì)量色譜

圖4 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)油—巖多參數(shù)對比

3 油源分析

3.1 生物標(biāo)志物對比

盡管具有相同來源的原油在經(jīng)過二次運移聚集成藏后，原油的化學(xué)組成會發(fā)生明顯的變化，但原油中的部分甾萜烷生物標(biāo)志物參數(shù)是穩(wěn)定的，受生物降解、成熟度和運移分餾效應(yīng)影響較小，是油源對比的有效參數(shù)[7-12]。由于淺層館陶組和明化鎮(zhèn)組原油遭受了一定程度的生物降解，正構(gòu)烷烴特征被破壞，因此主要選取甾萜烷和類異戊二烯生物標(biāo)志物進(jìn)行對比。

3.2 單體烴碳同位素

原油中的單體烴碳同位素較之全油和族組分碳同位素能從分子級別反映單個化合物的來源，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于精細(xì)油氣源對比[13-14]。高尚堡地區(qū)

深層沙三段原油正構(gòu)烷烴單體烴碳同位素近似表現(xiàn)為一斜線，且隨著碳數(shù)增加，同位素值有逐漸降低的趨勢，尤其是nC17之后的碳同位素值普遍低于-29‰，該特征與G19-10井烴源巖單體烴碳同位素一致，兩者應(yīng)具有油源對應(yīng)關(guān)系(圖5)。與深層高蠟原油相比，中淺層館陶組—東營組原油單體烴碳同位素偏重，碳同位素值普遍大于-29‰，與高21井東三段烴源巖特征較為類似，兩者具有親緣關(guān)系(圖5)。

4 高蠟油成因

中國陸相原油大多具有含蠟量高的特點，諸如大民屯凹陷、東營凹陷、南陽凹陷和泌陽凹陷均發(fā)現(xiàn)了高蠟、特高蠟原油，蠟質(zhì)含量最高可達(dá)67%[15-19]。前人研究表明，高蠟油中的蠟質(zhì)既可以源自高等植物蠟質(zhì)或角質(zhì)、孢粉質(zhì)等，也可以來自藻類和低等水生生物中的藻質(zhì)素[19]。此外，烴源巖熱演化程度、微生物改造、氣洗作用等外部成藏環(huán)境，也是影響高蠟油生成保存的重要因素[20-24]。

圖5 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)不同類型原油單體烴碳同位素曲線分布

圖6 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)油氣分布剖面位置見圖1。

圖7 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)段烴源巖有機(jī)顯微組分特征

有機(jī)質(zhì)的微生物改造是形成高蠟油的重要因素之一，該過程使有機(jī)質(zhì)中類脂化合物富集，有利于高蠟油的生成。甾烷和藿烷的生物前驅(qū)物分別為真核生物(藻類和高等植物)和細(xì)菌，其比值可以反映不同有機(jī)質(zhì)來源對烴源巖的貢獻(xiàn)。與中淺層原油相比，深部沙三段高蠟油和烴源巖均具有相對低的甾烷/藿烷(0.10～0.15)，低于東三段烴源巖甾烷/藿烷(0.12～0.28)，表明其遭受了明顯的微生物改造過程。此外，與大民屯凹陷[23]和東營凹陷[16]發(fā)現(xiàn)的高蠟油特征類似，高尚堡地區(qū)高蠟油中含有豐富的8β(H)-補(bǔ)身烷、8β(H)-升補(bǔ)身烷以及重排系列，尤為明顯的是高蠟油中含有豐富的C15-二環(huán)倍半萜烷(圖8)，說明微生物活動對高蠟油形成起到了重要作用。

對現(xiàn)代植物角質(zhì)蠟的熱模擬實驗表明，高蠟油主要形成于低演化階段的烴源巖[25-26]。高尚堡地區(qū)烴源巖鏡質(zhì)體反射率和沉降史研究表明，該地區(qū)烴源巖長期處于低演化階段，其Ro基本在0.8%以下(圖9)。與正常原油相比，深層沙三段高蠟油C29甾烷αββ/(ααα+αββ)主要分布在0.39～0.45之間，C29甾烷ααα20S/(S+R)主要分布在0.36～0.42之間，原油成熟度處于低成熟與成熟分界附近，原油成熟度不高。其次，深層高蠟油重排甾烷/規(guī)則甾烷與Ts/Tm比值略低于館陶組—東營組原油(圖3c，d)，說明其演化階段略低于高柳斷層以南原油。較低的熱演化程度利于高蠟油形成高碳數(shù)的烴類，蠟質(zhì)含量增加。

圖8 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)高蠟油與正常原油中補(bǔ)身烷特征

異常高壓對高蠟油的生成、聚集和保存起著重要作用，較高的壓力可以大大提高烴類物質(zhì)的穩(wěn)定性，利于高碳數(shù)烴類的保存[27]。高尚堡地區(qū)深層沙河街組埋深大于3200m的地層明顯存在一個異常高壓帶，壓力系數(shù)最高可達(dá)1.5(圖10)。異常高壓有利于烴源巖生成長鏈烷烴，并且不易斷裂。此外，高分子量烴的排出需要極大的動力條件，超壓引起的地層破裂和裂隙能夠瞬間提高泥巖的滲透率，可以有效提升高分子量烴類的排出效率，使高蠟油快速排出，聚集成藏。

圖9 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)烴源巖鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系

圖10 渤海灣盆地南堡凹陷高尚堡地區(qū)

綜上所述，高尚堡地區(qū)烴源巖中豐富的陸源碎屑和藻類為高蠟油形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，微生物的改造對高蠟油的形成作用重大，烴源巖較低的熱演化階段和異常高壓適宜于長鏈烷烴的生成與保存，同時異常高壓還為高蠟油提供了油氣運移的動力。

5 結(jié)論

(2)與正常原油相比，深層沙三段高蠟油的形成具有獨特的地質(zhì)地球化學(xué)條件，烴源巖中豐富的陸源碎屑和藻類為高蠟油形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；微生物的改造更有利于高蠟油的形成，烴源巖長期處于較低的熱演化階段和異常高壓適宜于長鏈烷烴的生成與保存，是高蠟油運聚成藏的關(guān)鍵因素。