東海盆地西湖凹陷高蠟原油分布及控制因素

丁 飛, 劉金水, 趙 洪, 陳曉東, 于仲坤

(中海石油(中國)有限公司 上海分公司，上海 200030)

西湖凹陷油氣資源豐富，凹陷內(nèi)油氣同產(chǎn)但以氣為主，原油主要為凝析油和輕質(zhì)油。隨著勘探程度加深，原油勘探力度不斷加大，高蠟原油成因和分布控制因素作為原油形成過程研究的有效切入點(diǎn)，逐漸引起重視。西湖凹陷油氣主要來源于始新統(tǒng)平湖組煤系烴源巖，煤、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖對(duì)油氣均有貢獻(xiàn)，且以煤和炭質(zhì)泥巖為主[1-3]。受晚期次生作用造成的 “蒸發(fā)分餾”和“混合作用”共同控制，斜坡帶油氣整體呈現(xiàn)“上油下氣”分布規(guī)律[3-9]，針對(duì)高蠟原油成因及分布控制因素缺少系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。本文從西湖凹陷原油物性、含蠟原油分布及色譜特征分析入手，通過烴源巖有機(jī)質(zhì)顯微組分和生烴演化特征研究，結(jié)合油氣充注過程及輸導(dǎo)體系綜合分析，理清高蠟原油成因及主控因素，以期為原油勘探提供支持。

1 地質(zhì)背景

西湖凹陷是東海陸架盆地規(guī)模最大的新生代含油氣凹陷，資源豐富[10]；其總體構(gòu)造格架具有東西分帶、南北分塊特點(diǎn)。凹陷內(nèi)自西向東分為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、東次凹及東部斷階帶等次級(jí)構(gòu)造。其中西部斜坡帶自北向南分為杭州斜坡帶、平湖斜坡帶及天臺(tái)斜坡帶，平湖斜坡帶由北至南又分為孔雀亭、武云亭、寶云亭及平湖油氣區(qū)(圖1)。西湖凹陷演化經(jīng)歷了裂陷、拗陷和區(qū)域沉降3個(gè)階段[11]。凹陷內(nèi)以新生代碎屑沉積為主，自下而上依次發(fā)育始新統(tǒng)八角亭組、寶石組、平湖組，漸新統(tǒng)花港組，中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組，上新統(tǒng)三潭組，以及第四系東海群(圖2)。已鉆遇的平湖組主要發(fā)育受潮汐影響的三角洲及潮坪沉積的煤系地層[2,12]，巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤為主，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2-Ⅲ型。構(gòu)造演化、斷裂特征、烴源巖分布、壓力系統(tǒng)及油氣充注期次等影響不同構(gòu)造帶油氣分布特征[1,4,13-16]。

圖1 西湖凹陷區(qū)域構(gòu)造圖Fig.1 The tectonic background and distribution of tectonic units of Xihu Sag

圖2 西湖凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 The comprehensive stratigraphic column of Xihu Sag

2 高蠟原油分布及特征

2.1 原油物性

西湖凹陷原油密度(ρ)主要為0.75～0.90 g/cm3，平均值為0.81 g/cm3，輕質(zhì)油占90%以上；凝固點(diǎn)溫度大都在20℃以下，與密度呈正相關(guān)；含硫普遍較低，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wS)僅為0.17%，屬于低含硫原油；蠟質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w蠟)主要在0.02%～26.81%，平均值為4.83%，w蠟<2.5%的樣品占60%，w蠟>10%的樣品占34%，對(duì)應(yīng)的凝固點(diǎn)溫度都在20℃以上。整體而言，西湖凹陷原油屬于低凝固點(diǎn)低硫低蠟原油，部分高含蠟(圖3)。

圖3 西湖凹陷原油密度及含蠟量直方圖Fig.3 Histogram of crude oil density and wax content in Xihu Sag

2.2 高蠟原油分布

以蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>10%為標(biāo)準(zhǔn)[17]，西湖凹陷高蠟原油主要分布在平湖斜坡帶，西次凹和中央反轉(zhuǎn)帶原油含蠟量普遍較低。平湖斜坡帶不同油氣區(qū)原油含蠟量差異大(圖4)，孔雀亭油氣區(qū)僅少數(shù)鉆井發(fā)現(xiàn)高蠟原油，如C1井原油樣品蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%以上，而C2井原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為3%；寶云亭-武云亭油氣區(qū)原油含蠟量普遍較高，半數(shù)以上原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>10%，如B2井、D2井原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)25%以上，B1井、B2井原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也達(dá)到15%，構(gòu)造相對(duì)低部位個(gè)別井位原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5%；平湖油氣田原油普遍含蠟，但大部分原油蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<10%，僅A1井和A3井個(gè)別原油樣品蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到15%(圖4)。

圖4 西湖凹陷原油含蠟量隨深度變化圖 Fig.4 Variation of wax content of crude oil with depth in Xihu Sag

2.3 高蠟原油族組分及色譜特征

西湖凹陷原油飽和烴含量高，以寶云亭構(gòu)造B1井為例，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%～95%，平均值為80%。原油含蠟量與飽和烴含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，如深度為3 475 m的原油樣品蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，對(duì)應(yīng)的飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.03%；深度為3 614 m的原油樣品蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.7%，對(duì)應(yīng)的飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為77.15%。全油色譜數(shù)據(jù)顯示原油含蠟量與正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布具有一定相關(guān)性，高蠟原油低碳數(shù)組分含量低、中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量高，對(duì)應(yīng)主峰碳nC23以上、C21-/C22+比值小于1；低蠟原油對(duì)應(yīng)低碳數(shù)組分含量高、中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量低，對(duì)應(yīng)主峰碳nC11左右、C21-/C22+比值可達(dá)30以上(圖5)。

圖5 平湖油氣田A3井原油全烴色譜圖Fig.5 Characteristics of hydrocarbon spectra of crude oils from Pinghu oil field

3 高蠟原油形成控制因素

原油蠟質(zhì)主要由高碳數(shù)正構(gòu)烷烴組成，成油母質(zhì)類型、熱演化程度、運(yùn)移分餾次生變化等對(duì)原油正構(gòu)烷烴組成都有影響[18-20]。

3.1 成油母質(zhì)對(duì)高蠟原油形成的控制作用

平湖組烴源巖沉積環(huán)境以潮汐影響的三角洲及潮坪為主，陸源高等植物是有機(jī)質(zhì)主體[3,9]，具備形成高蠟原油的母質(zhì)基礎(chǔ)[20-23]。斜坡帶平湖組煤與泥巖顯微組分含量相近[24-25]，以鏡質(zhì)組為主，體積分?jǐn)?shù)平均值為87.7%；同時(shí)具有富殼質(zhì)組特征，體積分?jǐn)?shù)在0.42%～33.14%，平均值為10.79%；惰質(zhì)組含量低(圖6-A)。陸源高等植物中殼質(zhì)組是原油蠟的主要貢獻(xiàn)者，包括樹脂體和角質(zhì)體[26]。西湖凹陷殼質(zhì)組中樹脂體占比最高，不同構(gòu)造帶間呈杭州斜坡帶>西次凹>中央帶北部>平湖斜坡帶>中央帶南部的特征(圖6-B)；而高蠟原油主要分布在平湖斜坡帶(寶云亭、孔雀亭)，西次凹及中央帶無高蠟原油分布，兩者相關(guān)性不高：因此，可以推斷樹脂體對(duì)西湖凹陷高蠟原油貢獻(xiàn)有限。角質(zhì)體來源于高等植物角質(zhì)層，是易于轉(zhuǎn)化成高蠟原油的一種顯微亞組分，已有研究提出了多種高蠟原油形成機(jī)理[21,26]。西部斜坡帶煤巖角質(zhì)體含量較高(圖7)，平湖斜坡帶含量最高，體積分?jǐn)?shù)在0%～13.8%，平均值為2.1%；杭州斜坡帶的含量次之，體積分?jǐn)?shù)平均值為1.5%；中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶北部含量最低，體積分?jǐn)?shù)平均值僅為0.4%(圖6)。角質(zhì)體含量與高蠟原油分布具有一致性，平湖斜坡帶高含量角質(zhì)體對(duì)應(yīng)高蠟原油較多，中央帶低含量角質(zhì)體對(duì)應(yīng)原油含蠟量低；西次凹?xì)べ|(zhì)組含量與平湖斜坡帶相當(dāng)，但角質(zhì)體含量低，原油含蠟量低于平湖斜坡帶。因此，高等植物來源的殼質(zhì)組中角質(zhì)體亞組分是西湖凹陷高蠟原油的主體成油母質(zhì)。

圖6 西湖凹陷不同構(gòu)造帶煤巖有機(jī)質(zhì)顯微組分相對(duì)含量Fig.6 Relative content of macerals in organic matter of coal rocks in different structural belts in Xihu Sag

圖7 西湖凹陷有機(jī)質(zhì)角質(zhì)體組分顯微照片F(xiàn)ig.7 Micrographs of cutinite components of organic matter in Pinghu Formation, Xihu Sag (A)角質(zhì)體，線條狀分布，一邊平整、一邊呈鋸齒狀，油浸反射光，C2井，平湖組第一、第二段，深度3 558～3 559 m，Ro=0.57%; (B)角質(zhì)體，內(nèi)側(cè)呈鋸齒狀，暗黃色熒光，油浸熒光，C2井，平湖組第一、第二段，深度3 558～3 559 m，Ro=0.57%; (C)角質(zhì)體(箭頭方向)，一側(cè)呈鋸齒狀，油浸反射光，T1井，平湖組第四段，深度3 920 m，Ro=0.73%; (D)角質(zhì)體，鋸齒狀，油浸反射光，T1井，平湖組第四段，深度3 818 m，Ro=0.7%; (E)角質(zhì)體，內(nèi)側(cè)呈鋸齒狀，油浸反射光，B3井，平湖組第四段，深度3 934 m， Ro=0.59%; (F)角質(zhì)體，油浸反射光， B3井，平湖組第五段， 深度4 084 m， Ro=0.65%

3.2 有機(jī)質(zhì)熱演化對(duì)高蠟原油的控制作用

E.W.Tegelaar等[27]對(duì)植物中角質(zhì)蠟熱模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低溫階段有機(jī)質(zhì)以脫官能團(tuán)為主，形成高碳數(shù)烴類，熱解產(chǎn)物與高蠟原油的正構(gòu)烷烴分布相一致，隨著溫度升高，碳鏈斷裂為低分子化合物，模擬產(chǎn)物與高蠟原油的差異大，表明原油中的蠟質(zhì)主要形成于有機(jī)質(zhì)熱演化程度較低階段。西湖凹陷平湖斜坡帶原油以自生自儲(chǔ)為主，主要來自平湖組中、下段，部分來自寶石組，排油高峰期對(duì)應(yīng)有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.5%～1.0%[28]，處于低熟-成熟階段。煤巖樣品(Ro=0.36%，殼質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)4.63%)金管熱模擬生烴實(shí)驗(yàn)顯示，瀝青(液態(tài)烴)產(chǎn)率隨模擬溫度升高迅速增加，320℃(Ro=0.59%)對(duì)應(yīng)瀝青(液態(tài)烴)產(chǎn)率(占有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù))約50‰；溫度升高至400℃(Ro=0.89%)，瀝青(液態(tài)烴)產(chǎn)率達(dá)到最高，約為80‰(圖8-A)：揭示了西湖凹陷烴源巖在低演化階段具備形成大量液態(tài)烴的特征。瀝青(液態(tài)烴)生成活化能分布的范圍較集中，主要為175～197 kJ/mol；此外，210 kJ/mol也有少量峰出現(xiàn)(圖8-B)，為角質(zhì)體和鏡質(zhì)體生油階段[21]。但鏡質(zhì)體基本不具備形成液態(tài)烴的能力，據(jù)此推測(cè)試驗(yàn)樣品中活化能高于210 kJ/mol生成液態(tài)烴的組分為角質(zhì)體，是高蠟原油形成的主要階段。

圖8 西湖凹陷煤樣瀝青產(chǎn)率擬合曲線與活化能分布Fig.8 Fitting curve and activation energy distribution of bitumen yield from coal samples in Xihu Sag

3.3 油氣運(yùn)聚過程對(duì)高蠟原油的控制作用

3.3.1 高蠟原油生物標(biāo)志化合物特征

有機(jī)質(zhì)顯微組分相對(duì)含量及演化程度不同，決定西湖凹陷不同構(gòu)造帶間高蠟原油分布存在差異，但同一構(gòu)造帶烴源巖有機(jī)質(zhì)顯微組分相近、演化程度差異不大。平湖斜坡帶原油規(guī)則甾烷C27/C29比值主要在0.5～1.0，揭示了陸源高等植物是主要成油母質(zhì)(圖9)。蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于10%的原油樣品成熟度參數(shù)：甾烷C2920S/20(R+S)比值為0.51～0.55，甾烷C29ββ/(αα+ββ)比值為0.44～0.48；蠟的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%的原油樣品成熟度參數(shù)相對(duì)分散，但大部分樣品成熟度在以上相同范圍內(nèi)(圖9)，表明成油母質(zhì)及演化階段并不是造成平湖斜坡帶不同油氣區(qū)間原油含蠟量差異的主要原因。

圖9 西湖凹陷平湖斜坡帶高蠟原油生物標(biāo)志化合物參數(shù)交匯圖Fig.9 Intersection diagram of biomarker parameters of high-waxy crude oil in Pinghu slope zone, Xihu Depression

3.3.2 油氣運(yùn)聚與高蠟原油形成過程分析

西湖凹陷洼隆相間的構(gòu)造格局下發(fā)育多個(gè)生烴灶，包括凹陷中心4個(gè)生烴主洼，斜坡帶2個(gè)生烴次洼[8]，生烴主洼埋藏深，烴源巖熱演化程度高，現(xiàn)已進(jìn)入生干氣階段；生烴次洼埋藏較淺，烴源巖熱演化程度中等，現(xiàn)階段以生油為主，部分進(jìn)入生濕氣階段[28]。多源供烴背景下，平湖斜坡帶油氣存在兩期充注：第一期為原油充注，主要發(fā)生在距今13～10 Ma前，以坡內(nèi)次洼貢獻(xiàn)為主；第二期為天然氣充注，主要發(fā)生在距今5～0 Ma前，以坡外主洼貢獻(xiàn)為主[8]。

孔雀亭油氣區(qū)構(gòu)造以順向斷階為主，平湖組砂體連通性強(qiáng)，有利于油氣從低部位向高部位聚集成藏。距今約13～10 Ma前，平湖斜坡帶富含的角質(zhì)體成油母質(zhì)已處于成熟階段，發(fā)生第一期原油充注，含蠟原油就近聚集成藏；距今5 Ma以來，坡外主洼高成熟度天然氣沿?cái)鄬雍瓦B通砂體向斜坡帶運(yùn)移，發(fā)生第二期天然氣充注，并對(duì)先存油藏產(chǎn)生破壞作用[3]。原油中輕組分溶于天然氣形成次生凝析氣藏，未溶解重組分烴類則在天然氣驅(qū)替下向構(gòu)造高部位運(yùn)移，并呈現(xiàn)相對(duì)高含蠟特征；隨著運(yùn)移距離增加天然氣充注能力下降，高蠟原油在構(gòu)造高部位聚集。由于孔雀亭油氣區(qū)橫向輸導(dǎo)條件好，天然氣供應(yīng)充足，僅個(gè)別井存在高蠟原油(如C1井)。寶云亭-武云亭油氣區(qū)構(gòu)造以斷塊為主，平湖組河道遷移性較差[14]，砂體孤立、連通性弱，整體上不利于油氣運(yùn)移。由于斷塊間油氣輸導(dǎo)體系不發(fā)育[8]，且距離生氣主洼較遠(yuǎn)，晚期天然氣難以長距離大范圍橫向運(yùn)移，導(dǎo)致寶云亭-武云亭油氣區(qū)各斷塊的高蠟原油比孔雀亭油氣區(qū)分布更廣泛。平湖油氣田緊鄰生氣主洼，斷層廣泛發(fā)育[1,4]，油氣以沿通源斷層垂向運(yùn)移成藏為主。主洼高成熟天然氣持續(xù)充注條件下，天然氣與原油相互溶解形成混合流體沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移[29]，隨著運(yùn)移距離增加，地層溫度、壓力逐漸下降[30]，天然氣對(duì)原油溶解能力下降導(dǎo)致混合流體中高碳數(shù)烴類以油相析出，形成高蠟原油。

4 結(jié) 論

a．西湖凹陷高蠟原油主要分布在平湖斜坡帶，其中寶云亭-武云亭油氣區(qū)高蠟原油分布廣、含蠟量高，孔雀亭油氣區(qū)和平湖油氣田高蠟原油分布少、含蠟量中等；中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶以及西次凹高蠟原油少有分布。

b．角質(zhì)體是西湖凹陷高蠟原油主要成油母質(zhì)，其相對(duì)含量及演化程度差異是控制不同構(gòu)造帶間高蠟原油分布差異的主要因素，平湖斜坡帶角質(zhì)體相對(duì)含量高于中央帶及西次凹，且演化程度中等，高蠟原油廣泛分布。

c．油氣運(yùn)聚過程控制了平湖斜坡帶不同油氣區(qū)之間高蠟原油分布差異，天然氣充注強(qiáng)度、砂體橫向連通性及斷層發(fā)育程度共同決定高蠟原油的最終分布。孔雀亭及寶云亭-武云亭油氣區(qū)屬于天然氣次生改造驅(qū)替富蠟?zāi)Ｊ?，高蠟原油主要分布于?gòu)造高部位；平湖油氣田屬于混合流體運(yùn)移分餾富蠟?zāi)Ｊ?，高蠟原油多分布于壓力過渡帶。