渤海海域渤東低凸起南段原油“蒸發(fā)分餾”地球化學特征及成因

王廣源, 牛成民, 王飛龍, 燕 歌, 李新琦

(中國海洋石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

地下烴類流體的相態(tài)是復雜多變的，在油氣藏的多種次生作用中，“蒸發(fā)分餾”便是較為常見的一種次生作用，它是油藏遭受后期天然氣次生變化改造后普遍存在的一種過程[1-3]。在世界多個含油氣盆地中，凡是存在大量天然氣生成與運聚，就有存在“蒸發(fā)分餾”作用的可能，在墨西哥灣盆地(60%以上原油發(fā)生過“蒸發(fā)分餾”)[4]、桑托斯盆地[5]，以及中國的北海盆地[6]、臺灣K油田[7]、鶯-瓊盆地[8]、柴達木盆地[9]、準噶爾盆地[10]、塔里木盆地[11]和東海盆地[12]等地的原油均發(fā)生過“蒸發(fā)分餾”。

本文的研究區(qū)位于渤海海域渤東低凸起南段，通過對該區(qū)多口探井的錄井、測井、最新地球化學等多種資料進行系統(tǒng)梳理，發(fā)現(xiàn)該區(qū)原油發(fā)生過“蒸發(fā)分餾”作用。由于以往對“蒸發(fā)分餾”不重視，在渤海海域尚未對其開展過系統(tǒng)研究，其地球化學特征不清楚。因此，本文利用大量最新的原油地球化學分析資料，深入研究原油“蒸發(fā)分餾”的特征，同時結(jié)合盆地模擬手段和斷裂系統(tǒng)研究等分析“蒸發(fā)分餾”的形成原因，以期為渤海海域中深層油氣勘探提供新的思路。

1 地質(zhì)概況

渤東低凸起位于渤海中東部海域，處于郯廬斷裂帶與張蓬斷裂帶轉(zhuǎn)換帶上，東西兩側(cè)被渤中和渤東兩個富生烴凹陷所包圍，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，整個低凸起自北向南可以分為北、中、南三段(圖1)。渤東低凸起的油氣勘探研究主要集中在渤東低凸起的南段。渤東低凸起南段為近南北走向的壘塊構造，處于郯廬斷裂帶與張蓬斷裂帶轉(zhuǎn)換帶上，地應力容易聚集和釋放，構造活動十分強烈，致使該區(qū)成為油氣聚集的有利場所；南端以傾沒端的形式延伸至渤中凹陷，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，成藏位置非常有利。

圖1 渤東低凸起南段區(qū)域位置圖Fig.1 Location map of southern section of Bodong lower uplift

目前在PL7-6構造已鉆探9口井，發(fā)現(xiàn)了PL7-6輕質(zhì)中型油田，主要含油層段為明化鎮(zhèn)組下段和館陶組。明化鎮(zhèn)組下段油藏類型為巖性-構造油藏，油藏埋深為 1 375～2 141 m；館陶組油藏類型為構造油藏，油藏埋深為 2 230～3 194 m，主要產(chǎn)天然氣和輕質(zhì)油，館陶組輕質(zhì)油占探明儲量的比率超過70%。根據(jù)最新的測試和取樣資料，PL7-6油田壓力系數(shù)1.005，壓力梯度為9.70 MPa/km，原始地層壓力為13.996～31.366 MPa，溫度梯度為32.7℃/km-，地層溫度為60.7～119.3 ℃，屬正常溫度和正常壓力系統(tǒng)。館陶組深度 2 605 m處原油的PVT分析結(jié)果表明，原油密度為0.615 g/cm3,黏度為0.26 mPa·s，體積系數(shù)為1.619，溶解氣油體積之比為194，具有原油黏度小、溶解氣油比高的特點，為弱揮發(fā)性原油。PL7-6輕質(zhì)中型油田的發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了渤東低凸起輕質(zhì)油田勘探的重大突破。

2 油源分析

渤東低凸起南段緊鄰渤中和渤東兩個富生烴凹陷，凹陷內(nèi)自下而上發(fā)育古近系沙河街組第三段(沙三段)、第一和第二段(沙一、沙二段)、東營組第三段(東三段)3套優(yōu)質(zhì)烴源巖，尤其是沙三段烴源巖分布廣、埋深大、有機質(zhì)豐度高、類型好[13-15]，且有機質(zhì)演化程度高，能為本區(qū)提供充足的油氣源。

為了確定PL7-6油田新近系原油具體來自哪套烴源巖，系統(tǒng)分析了PL7-6構造及附近的蓬萊19-3油田(PL19-3-5井)和蓬萊13-2油田(PL13-2-1D井) 的生標化合物特征。 從生標化合物對比圖(圖2)中可以看出，PL7-6構造新近系原油的萜類化合物中以C30藿烷為主峰，中-低含量伽馬蠟烷，C25-降藿烷幾乎沒有，表明原油幾乎未遭受生物降解影響；甾烷系列化合物形態(tài)完整，中-低含量重排甾烷，中-高含量4-甲基C30甾烷，C27規(guī)則甾烷含量大于C29規(guī)則甾烷含量，呈不對稱“V”字形分布，C29規(guī)則甾烷中的ββ異構化甾烷含量高，表明原油成熟度高。PL7-6構造新近系原油生標化合物特征與PL13-2-1D和PL19-3-5井新近系原油非常相似。鄒華耀等人[14]認為蓬萊19-3油田的PL19-3-5井原油來自渤中凹陷沙三段成熟烴源巖；徐國盛等人[15]認為蓬萊13-2油田新近系原油主要來自渤東凹陷沙三段成熟烴源巖，混有少量沙一段烴源巖生成的原油：因此推斷PL7-6油田新近系原油主要來自渤中凹陷和渤東凹陷沙三段成熟烴源巖。

圖2 PL7-6油田與PL19-3-5/PL13-2-1D原油飽和烴萜烷、甾烷質(zhì)量色譜圖Fig.2 Mass chromatogram of terpanes and steranes of saturated hydrocarbons in crude oil from PL7-6 oilfield and PL19-3-5/PL13-2-1D

3 原油“蒸發(fā)分餾”地球化學特征

“蒸發(fā)分餾”是氣態(tài)物質(zhì)從油藏中分離出來的復雜動態(tài)過程，是大量天然氣進入早期已形成的油藏，在儲層高溫高壓條件下對早期成藏的原油進行溶解抽濾，在壓力平衡被破壞的條件下，溶解于天然氣中的原油的輕餾分(甚至中等分子量的餾分)沿斷裂、不整合面等運移通道攜帶至條件適宜的儲層，形成新的凝析油或輕質(zhì)油藏的分餾過程[2]。凡是發(fā)生過“蒸發(fā)分餾”作用的油氣普遍具有特殊的地球化學特征。

3.1 原油物性

分析渤東低凸起南段館陶組原油樣品，發(fā)現(xiàn)該區(qū)原油類型復雜，存在2種不同物理性質(zhì)的原油，一類是低密度、高含蠟的凝析油和輕質(zhì)油，另一類是高密度的重質(zhì)油(表1)。同時該區(qū)的油氣藏分布具有較為明顯的垂向差異，自下而上依次為重質(zhì)油、輕質(zhì)油和凝析油，總體上呈“下重上輕”的分布特點。

表1 渤東低凸起南段館陶組原油的物理性質(zhì)(w/%)Table 1 Physical properties of crude oil in Guantao Formation from the southern part of Bodong lower uplift

3.2 輕烴特征

發(fā)生過“蒸發(fā)分餾”后的油氣藏，原來的油氣藏(“母體”)將產(chǎn)生多個次生油氣藏(“子體”)，在這個過程中，油氣藏的蒸氣壓大小決定了那些能溶于氣相并被帶走的化合物多少[8]。由于原油中芳烴類化合物比正構烷烴具有更大的極性，同時疊加芳烴類化合物具π鍵結(jié)構，這兩者加強了分子間的相互作用力，在蒸氣壓下降的情況下，芳烴類化合物不會輕易隨著氣相發(fā)生運移，而是更多地殘留在原始油氣藏的原油中。因此，油氣藏發(fā)生 “蒸發(fā)分餾”作用之后，其“母體”中的原油具有高芳香性和低石蠟性的特征，在輕烴組分中表現(xiàn)“一高(甲苯與nC7比值高)一低(nC7與甲基環(huán)已烷比值低)” 的特征，而新形成的輕質(zhì)油或凝析油中芳香烴和環(huán)烷烴減少，低碳數(shù)正構烷烴增加，輕烴組分中甲苯與nC7比值低，nC7與甲基環(huán)已烷比值高。

分析渤東低凸起南段館陶組原油樣品的全油氣相色譜，結(jié)果表明原油碳數(shù)分布范圍為nC3-nC36，主峰碳數(shù)分布范圍為nC9-nC14。K.F.M.Thompson[2]利用芳香烴指數(shù)(甲苯/nC7)和飽和烴指數(shù)(nC7/甲基環(huán)己烷)來鑒別原油經(jīng)歷的次生變化(水洗氧化、蒸發(fā)分餾、成熟演化、生物降解等)，其模式見圖3。本區(qū)樣品的芳香烴指數(shù)和飽和烴指數(shù)特征基本沿“蒸發(fā)分餾”作用的變化曲線分布，表明本區(qū)原油發(fā)生了“蒸發(fā)分餾”作用。圖4是渤東低凸起南段館陶組具有代表性的輕烴色譜圖，其中PL7-6-B井深度 2 985.4 m處原油中同碳數(shù)正構烷烴含量較低，苯、甲苯和二甲苯等芳烴化合物含量較高；nC7與甲基環(huán)己烷比值很低，為0.18；甲苯與nC7的比值高，為3.53：表明該處原油為曾發(fā)生過強烈“蒸發(fā)分餾”作用后的殘余油。PL7-6-A井深度2 605 m處原油中同碳數(shù)正構烷烴含量較高，苯、甲苯和二甲苯等芳烴化合物含量較高，nC7與甲基環(huán)己烷比值較高，為1.07；而甲苯與nC7的比值較低，為0.48：表明該處原油為曾發(fā)生過較強“蒸發(fā)分餾”作用后的殘余油。PL7-6-B井深度2 419.5 m處原油中同碳數(shù)正構烷烴含量較高，苯、甲苯和二甲苯等芳烴化合物的含量較低，nC7與甲基環(huán)己烷比值很高，為1.2；甲苯與nC7的比值很低，為0.17：表明該處原油未遭受“蒸發(fā)分餾”作用，為深部原油遭受“蒸發(fā)分餾”后形成的凝析油。

圖3 渤東低凸起南段館陶組原油輕烴參數(shù)圖Fig.3 Light hydrocarbon parameters of crude oils in Guantao Formation from southern part of Bodong lower uplift

圖4 渤東低凸起南段館陶組原油輕烴色譜圖Fig.4 Chromatogram of crude oil light hydrocarbon from Guantao Formation in southern part of Bodong lower uplift

3.3 正構烷烴

圖5 渤東低凸起南段館陶組原油全油色譜圖Fig.5 Chromatogram of crude oil from Guantao Formation in southern part of Bodong lower uplift

Y.Kissin[16]在研究世界范圍內(nèi)50多個油氣藏的原油后，發(fā)現(xiàn)未遭受任何分餾或次生變化的原油，其原油的碳數(shù)與正構烷烴摩爾濃度對數(shù)值呈線性特征，可表示為

lnmn=a·n+ lnA

(1)

式中：A為歸一化因子；n為正構烷烴碳數(shù)；a為斜率參數(shù)；mn為原油中正構烷烴質(zhì)量摩爾濃度。

S.Losh等[17]利用斜率因子和折點碳數(shù)等參數(shù)來計算原油遭受“蒸發(fā)分餾”作用的強弱，在計算強弱的基礎上，可進一步定量計算出發(fā)生“蒸發(fā)分餾”過程中原油正構烷烴的損失質(zhì)量分數(shù)Q，計算結(jié)果如圖6-A所示，其計算的公式如下

Q= 1-(∑wn1/∑wn2)

(2)

式中：wn1為實際油樣碳數(shù)為n的正構烷烴質(zhì)量分數(shù)；wn2為還原油樣碳數(shù)為n的正構烷烴質(zhì)量分數(shù)。

通過內(nèi)標定量計算求取，Q值為原油在遭受“蒸發(fā)分餾”之后，其損失的正構烷烴質(zhì)量百分比，正構烷烴損失量就是圖6-A中陰影部分。正構烷烴的折點碳數(shù)和損失的質(zhì)量分數(shù)Q值越大，表明原油遭受“蒸發(fā)分餾”作用越強烈。

利用公式(1)計算渤東低凸起南段館陶組原油的正構烷烴摩爾濃度與正構烷烴碳數(shù)的關系，PL7-6-B井深度2 419.5 m處原油正構烷烴的摩爾濃度對數(shù)值與其碳數(shù)呈線性關系(圖6-C)，表明該處原油未遭受“蒸發(fā)分餾”作用。而PL7-6-A井深度2 605 m處原油中高碳數(shù)正構烷烴摩爾濃度與碳數(shù)的關系呈線性關系，但低碳數(shù)正構烷烴摩爾濃度與碳數(shù)的關系明顯偏離(圖6-B)，折點碳數(shù)為25；利用公式(2)求取正構烷烴的損失率Q值為95.9%，表明該處原油曾發(fā)生過較強“蒸發(fā)分餾”作用。

圖6 渤東低凸起南段原油“蒸發(fā)分餾”作用的正構烷烴定量計算圖Fig.6 Quantitative calculation of n-alkanes of evaporative fractionation in southern part of Bodong lower uplift

3.4 穩(wěn)定碳同位素特征

“蒸發(fā)分餾”導致原油及其飽和烴的穩(wěn)定碳同位素值輕于衍生的輕質(zhì)油或凝析油及其飽和烴。直觀地說，基于樣品的物理性質(zhì)，重的物質(zhì)傾向于“下沉”，而輕的物質(zhì)傾向于“上浮”，衍生的輕質(zhì)油或凝析油飽和烴組分中缺失穩(wěn)定碳同位素較輕的高碳數(shù)正構烷烴，因此，它全油的穩(wěn)定碳同位素值重于殘余油[18]。從渤東低凸起南段館陶組全油穩(wěn)定碳同位素分析來看，PL7-6-B井深度 2 985.4 m處全油穩(wěn)定碳同位素為 -27.6‰，PL7-6-A井深度 2 605 m處全油穩(wěn)定碳同位素為 -25.9‰，PL7-6-A井深度 2 605 m處原油的穩(wěn)定碳同位素重于PL7-6-B井深度 2 985.4 m處原油，這反映了渤東低凸起南段館陶組原油發(fā)生“蒸發(fā)分餾”的特征，即PL7-6-A井深度 2 605 m處原油是PL7-6-B井深度 2 985.4 m處原油遭受強烈“蒸發(fā)分餾”作用之后形成的衍生原油(圖5)。

4 原油“蒸發(fā)分餾”的成因

渤東低凸起南段緊鄰渤中和渤東兩個富生烴凹陷，油源對比結(jié)果表明，渤東低凸起南段PL7-6構造原油來自沙三段烴源巖。生烴史模擬表明，在渤中凹陷和渤東凹陷，沙三段烴源巖Ro可達到2.0%以上，局部地區(qū)甚至高達3%以上，進入過成熟階段，能為該區(qū)提供充足的油氣源。渤中凹陷泥巖厚度大，發(fā)育的超壓系統(tǒng)使得深部烴類流體難以發(fā)生垂向運移；隨著壓力的不斷增大，會形成裂縫和斷層，為油氣運移提供通道。渤東低凸起南段潛山的大型斷鼻構造為油氣聚集提供了有利場所，隨著渤東和渤中凹陷沙三段生成的油氣不斷充注，使得潛山圈閉的壓力隨著增大，有利于油氣沿斷裂系統(tǒng)運移至中深層圈閉聚集；隨著中深層圈閉中的外源油氣不斷增補，斷裂系統(tǒng)將再度開啟，油氣沿斷層再次運移至淺層圈閉中聚集成藏(圖7)，大量晚期生成的天然氣充注到早期已形成的油氣藏中，在斷層的幕式開啟下，從而使得潛山和中深層圈閉內(nèi)的油氣藏發(fā)生“蒸發(fā)分餾”作用。

實際上，渤東低凸起南段館陶組原油發(fā)生“蒸發(fā)分餾”作用需要具備以下有利地質(zhì)條件：①充足的氣源是“蒸發(fā)分餾”發(fā)生的必要條件。P.Meulbroek等[19]在實驗室通過原油的流管模擬計算了不同深度條件下，1 mol原油發(fā)生氣侵所需的CH4量，認為在2 km深度的原油，需要15 mol的甲烷氣才能使得原油發(fā)生“蒸發(fā)分餾”作用，并且發(fā)生“蒸發(fā)分餾”的原油深度越淺，所需的甲烷量越多。渤中凹陷生氣量可達373.1×109m3，渤東凹陷生氣量可達50×109m3，巨大的氣源為該區(qū)發(fā)生原油“蒸發(fā)分餾”作用提供了充足的氣量。②原油充注時期早于外來天然氣充注時期。大規(guī)模氣侵分餾作用的發(fā)生，必須是原油充注時期早于外來天然氣充注時期。眾所周知，有機質(zhì)的演化是油早氣晚，但在成藏時間上，如果油氣同期或氣早油晚，那么形成的油氣藏是飽和或欠飽和的油氣藏。PL7-6-A井館陶組2 605～2 619 m深度氣油體積之比高達393，而在實驗室的溶解氣油體積比卻僅為191，說明還有大量的天然氣是沒有壓回到油藏中，是過飽和油氣藏，表明該區(qū)是原油充注時期早于外來天然氣充注時期。③通“源”斷裂的發(fā)育是“蒸發(fā)分餾”的重要條件。渤東低凸起南段發(fā)育的斷裂數(shù)量多，大大小小的各類斷裂可達上百條，有些深大斷裂可以溝通凹陷深部的烴源巖，特別是PL7-6-A/B井區(qū)發(fā)育多條深切潛山的大斷裂，且晚期又發(fā)育數(shù)量眾多的斷裂，這些斷裂的開啟與閉合，有利于深層、中深層的油氣發(fā)生多次“蒸發(fā)分餾”。

綜合以上敘述，渤東低凸起南段有渤東和渤中兩大富生烴凹陷提供充足的天然氣、油氣充注時間匹配及發(fā)育大量的長期活動斷裂，為該區(qū)發(fā)生大規(guī)?！罢舭l(fā)分餾”作用提供了有利的地質(zhì)條件。

5 結(jié) 論

a.原油經(jīng)過“蒸發(fā)分餾”之后，殘余油與衍生油具有同源性，而原油物性、輕烴、正構烷烴及穩(wěn)定碳同位素等地球化學特征卻發(fā)生了明顯的變化，與衍生油相比，殘余油具有原油密度和黏度大、輕烴組分中甲苯/正庚烷高、正庚烷/甲基環(huán)己烷低、正構烷烴中高碳數(shù)烴類含量高、低碳數(shù)烴類含量低、穩(wěn)定碳同位素輕等特征。

b.渤東和渤中2個生烴凹陷埋深大、烴源巖有機質(zhì)豐度高、演化程度高、生氣持續(xù)時間長，能提供充足氣源，為原油發(fā)生“蒸發(fā)分餾”提供必要條件；且數(shù)量眾多的斷裂發(fā)育和原油充注時期早于外來天然氣充注時期等地質(zhì)條件共同作用,使得渤東低凸起南段館陶組原油能夠發(fā)生大規(guī)?！罢舭l(fā)分餾”作用。在空間上，形成了“相似”但又有“差異”的“母體”(殘余油)-“子體”(衍生油)等多個油氣藏，這為在該區(qū)尋找更多的油氣藏提供了新的“立體”勘探思路。