溱潼凹陷斜坡帶原油物性和地化特征及成因

昝靈，柴方園，印燕鈴

中石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院，南京 210019

0 引言

隨著勘探開發(fā)對象由中淺層轉(zhuǎn)向深層、常規(guī)轉(zhuǎn)向非常規(guī)，沉積學(xué)在淺水和深水沉積砂體分布規(guī)律、深層—超深層儲集層發(fā)育機理、富有機質(zhì)頁巖發(fā)育模式及非常規(guī)儲層特征等研究方面取得重要進展[1]。筆者嘗試通過原油的物性和生物標(biāo)志物特征分析，揭示優(yōu)質(zhì)烴源巖形成環(huán)境，豐富富有機質(zhì)頁巖發(fā)育模式，分析形成于不同沉積環(huán)境的烴源巖生成原油的差異性。我國老一代油氣地質(zhì)學(xué)家提出的陸相生油論對于陸相湖盆油氣發(fā)現(xiàn)起到巨大推動作用[2]，當(dāng)時認為大型淡水湖泊是陸相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的有利環(huán)境[3]。但越來越多的研究表明，無論是海相還是陸相優(yōu)質(zhì)烴源巖均形成于咸化環(huán)境[4-9]，咸化環(huán)境烴源巖具有排烴早、時間長、效率高的特點。蘇北盆地古近系烴源巖形成時間為65～51 Ma，此時東部湖盆氣候較干燥，渤海灣盆地主要為紅層沉積，局部發(fā)育膏巖沉積。溱潼凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在泰州組二段、阜寧組二段中下部和阜寧組四段上部[10-11]，有機質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，Pr/Ph偏低，β-胡蘿卜烷和伽馬蠟烷含量較高，形成于較強的還原環(huán)境。

溱潼凹陷位于蘇北—南黃海盆地東臺坳陷的東南部，介于吳堡低凸起與泰州凸起之間（圖1），南部連江都隆起，東北部接梁垛低凸起，呈北東東向展布，面積約1 100 km2。自東向西可劃分為斷階帶、深凹帶和斜坡帶。經(jīng)過多年勘探，目前已發(fā)現(xiàn)帥垛、茅山等十七個油田，提交探明儲量四千五百余萬噸。溱潼凹陷古近系原油具有明顯的低熟特征[12-15]，C29甾烷ααα20S（20S+20R）值小于0.29，高等植物和菌藻類微生物是低熟原油最為重要的成烴母質(zhì)。低熟油在斷階帶、坡壘帶及外斜坡均有分布[15]。原油在地質(zhì)歷史時期經(jīng)過了初次運移、二次運移，物性受到母源、運移距離、保存條件等多種因素影響[16-19]，是油藏形成過程的綜合反映。原油中的生物標(biāo)志化合物能揭示形成環(huán)境、母質(zhì)類型、成熟度等信息，且受到地質(zhì)歷史時期各種因素的影響較小，是研究油氣運移的重要指標(biāo)。原油在運距過程中會形成成熟度差異[20]，油氣從成熟度高的部位向成熟度低的部位運移[21-30]，因此可以根據(jù)原油成熟度的變化趨勢推測原油充注方向，原油成熟度最高點被認為是油氣的充注點。硫含量也是油源對比的一個有效指標(biāo)，高含硫原油形成于鹽湖—咸化烴源巖，低含硫原油來自淡水—微咸水烴源巖，中等含硫原油多為混源油[31]。筆者以溱潼凹陷原油物性資料和生物標(biāo)志物信息為基礎(chǔ)，結(jié)合成藏條件研究，剖析原油性質(zhì)、分布規(guī)律及形成原因，為尋找有利區(qū)帶提供參考。通過深化優(yōu)質(zhì)烴源巖沉積環(huán)境、生烴演化認識，推動非常規(guī)油氣沉積學(xué)快速發(fā)展，助力非常規(guī)油氣資源探索。

圖1 溱潼凹陷原油密度變化趨勢圖Fig.1 Variation trend chart of crude oil density in Qintong Sag

1 原油性質(zhì)及分布規(guī)律

溱潼凹陷由西向東依次發(fā)育港口、儲家樓、時堰三個主生油洼陷，阜二段烴源巖生成的油氣沿著斷層、火山通道逐漸向外坡運聚成藏，具有多層系立體含油的特征。不同區(qū)帶的油源、運移、聚集和保存條件等存在明顯差異，原油性質(zhì)差異較大。根據(jù)原油物性及構(gòu)造背景將溱潼凹陷原油劃分為超重油、重質(zhì)油、中質(zhì)油3類，以中質(zhì)油為主，其次為重質(zhì)油和超重油（表1）。

表1 溱潼凹陷原油物性分類Table 1 Physical classification of crude oil in Qintong Sag

三種原油生標(biāo)特征差異也比較大，中質(zhì)油地球化學(xué)特征如下（圖2a）：總粒子流圖上正構(gòu)烷烴碳數(shù)呈正態(tài)型分布，主峰碳為C22，奇偶優(yōu)勢不明顯，Ph含量>Pr含量，Pr/Ph為0.74；β-胡蘿卜烷含量很低或不含；三環(huán)萜烷含量中等，C20、C21、C23三環(huán)萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量不高，伽馬蠟烷/C30藿烷為0.15，Ts含量高于Tm，Ts/Ts+Tm為0.58；ααα20RC27、C28、C29甾烷呈“V”型分布，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27，ααα20RC27/C29為0.69，孕甾烷、升孕甾烷含量較高，孕甾烷含量高于升孕甾烷。原油對應(yīng)的Ro值約為0.87%，屬于成熟油。

重質(zhì)油正構(gòu)烷烴碳數(shù)呈正態(tài)型分布（圖2b），主峰碳為C22，奇偶優(yōu)勢不明顯，Ph含量>Pr含量，Pr/Ph為0.23，β-胡蘿卜烷含量較高；三環(huán)萜烷含量中等，C20、C21、C23三環(huán)萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量很高，伽馬蠟烷/C30藿烷為0.78，Ts含量低于Tm，Ts/（Ts+Tm）為0.14，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27甾烷，幾乎不含孕甾烷、升孕甾烷。C29甾烷αα20S（20S+20R）值為0.19，C31升藿烷22S/（22S+22R）值為0.54，原油成熟度較低，屬于典型的咸化烴源巖產(chǎn)物[14]。

超重油飽和烴生物標(biāo)志物特征（圖2c）：無正構(gòu)烷烴與異構(gòu)烷烴的分布，可見藿烷系列化合物的分布，存在明顯鼓包，遭受生物降解，β-胡蘿卜烷豐度較高，形成于咸化環(huán)境。C20、C21、C23三環(huán)萜烷呈上升型分布，總體豐度較低，三環(huán)萜烷/藿烷為0.50，（C19+C20）三環(huán)萜烷/藿烷值為0.07，Ts比Tm豐度低，Ts/（Ts+Tm）值為0.36，伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.34，升藿烷指數(shù)為0.07，孕甾烷與升孕甾烷的豐度中等，重排甾烷豐度較低，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27甾烷，C29甾烷αα20S（20S+20R）值為0.31，C31升藿烷22S/（22S+22R）值為0.59，原油成熟度中等至低。

圖2 原油飽和烴生物標(biāo)志物特征Fig.2 Biomarkers of saturated hydrocarbons in crude oil

從原油物性和地化參數(shù)來看，中質(zhì)油具有相對密度較低，黏度低，硫含量低，無植烷優(yōu)勢，伽馬蠟烷含量低的特征，主要分布在內(nèi)斜坡阜三段。超重油具有相對密度高、黏度大、凝固點低、初餾點高的特征，缺少正構(gòu)烷烴，β-胡蘿卜烷豐度高，主要分布在淺層三垛組。重質(zhì)油物性介于二者之間，植烷優(yōu)勢明顯，伽馬蠟烷含量較高，主要分布在外斜坡阜三段和戴南組（圖1）。

2 原油性質(zhì)的主要影響因素

原油的性質(zhì)受到水介質(zhì)條件、母質(zhì)類型、盆地演化史及油氣運移、保存條件多因素控制。其中，油源差異是內(nèi)因，運移和保存條件是外因，分別影響原油性質(zhì)的不同方面。

2.1 油源差異

2.1.1 油源分析

烴源巖的形成環(huán)境、類型及熱演化程度影響了原油的組成及性質(zhì)。從生標(biāo)譜圖和生標(biāo)指紋圖對比來看，溱潼凹陷原油主要來自阜二段烴源巖[11-13]（圖3，4）。原油和阜二段烴源巖的正構(gòu)烷烴，甾、萜烷化合物特征比較相似，總粒子流圖上正構(gòu)烷烴碳數(shù)呈正態(tài)型分布，奇偶優(yōu)勢不明顯，Ph含量>Pr含量，C20、C21、C23三環(huán)萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量中等，Ts含量高于Tm，ααα20RC27、C28、C29甾烷呈不對稱“V”型分布，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27。原油的生標(biāo)參數(shù)差異主要為伽馬蠟烷含量以及成熟度指標(biāo)，Gr/C30H為0.15～0.7，C29甾烷ααα20S（20S+20R）為0.19～0.55。

圖3 溱潼凹陷原油和阜二段烴源巖對比圖Fig.3 Comparison diagram of source rock between crude oil in Qintong Sag and the E f2 members

2.1.2 阜二段烴源巖形成環(huán)境分析

東部斷陷湖盆沉積環(huán)境研究表明[32-33]，受古氣候、古水體鹽度、古水深和古物源影響，巖性從灰?guī)r到泥質(zhì)灰?guī)r—灰質(zhì)泥巖—泥巖，有機質(zhì)豐度先升高后降低[11]，紋層狀沉積構(gòu)造逐漸減少，沉積環(huán)境的還原性逐漸減弱，半潮濕氣候、半咸水、深水的還原環(huán)境最有利于形成富有機質(zhì)泥頁巖。溱潼凹陷阜二段底部為厚層泥灰?guī)r夾薄層粉砂質(zhì)泥巖，泥灰?guī)r厚度最大可達10 m，中部為泥巖、灰質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r組合，頂部發(fā)育厚層深灰色泥巖，局部含粉砂質(zhì)泥巖。阜二段沉積早期，由于氣候比較干燥，蒸發(fā)量大于降水量，地表淡水注入少，水體介質(zhì)鹽度高，表現(xiàn)為黃鐵礦、伽馬蠟烷含量高，鍶鋇比高，不利于有機質(zhì)生長，陸源物質(zhì)輸入較少，在凹陷西部和北部，有少量粉砂質(zhì)輸入，有機質(zhì)豐度不高，烴源巖品質(zhì)一般。阜二段沉積中期，湖平面逐漸上升，降雨頻發(fā)，湖平面震蕩頻繁，氣候由干熱向潮濕過渡，高等植物和菌藻類等較發(fā)育，水體鹽度適中，有利于有機質(zhì)繁殖和保存，發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖。阜二段沉積晚期，湖平面相對降低，處于潮濕氣候，有利于有機質(zhì)生長，但蒸發(fā)量小于降水量，水體為弱還原—淡水環(huán)境，不利于有機質(zhì)保存，在北部斜坡帶有少量粉砂質(zhì)輸入，烴源品質(zhì)較差。阜二段烴源巖發(fā)育受到氣候變化、降水強度、水體鹽度和陸源物質(zhì)供給等因素影響（圖5），阜二段中部為最有利烴源巖發(fā)育段，底部次之，頂部品質(zhì)最差[11]。

圖4 溱潼凹陷原油和烴源巖萜烷化合物指紋圖（E f3、E d、E s為原油；E f2為烴源巖）化合物代號，藿烷：T1?C19三環(huán)萜烷；T2?C20三環(huán)萜烷；T3?C21三環(huán)萜烷；T4?C22三環(huán)萜烷；T5?C23三環(huán)萜烷；T6?C24三環(huán)萜烷；T7?C25三環(huán)萜烷；T8?C24四環(huán)萜烷；T9?C26三環(huán)萜烷；T10?C26三環(huán)萜烷；T11?C28三環(huán)萜烷；T12?C28三環(huán)萜烷；T13?C29三環(huán)萜烷；T14?C29三環(huán)萜烷；T15?Ts；T16?Tm；T17?降藿烷；T18?18α（H）?30?降新藿烷（C29Ts）；T19?18α（H）?重排藿烷；T20?17β（H），21α（H）?30?降莫烷；T21?17α（H）,21β（H）?藿烷；T22?17β（H），21β（H）?莫烷；T23?17α（H），21β（H）?30?升藿烷（22s）；T24?17α（H），21β（H）?30?升烷（22R）；T25?伽馬蠟烷；T26?17β（H），21α（H）?30?升莫烷（20R）；T27?17α（H），21β（H）?30，31?二升藿烷（22S）；T28?17α（H），21β（H）?30，31?二升藿烷（22R）；T29?17α（H），21β（H）?30，31，32?三升藿烷（22S）；T30?17α（H），21β（H）?30，31，32?三升藿烷（22R）；T31?17α（H），21β（H）?30，31，32，33?四升藿烷（22S）；T32?17α（H），21β（H）?30，31，32，33?四升藿烷（22R）；T33?17α（H），21β（H）?30，31，32，33，34?五升藿烷（22S）；T34?17α（H），21β（H）?30，31，32，33，34?五升藿烷（22R）Fig.4 Terpane fingerprints of crude oil and source rock in Qintong Sag(crude oil of the E f3,E d and E s members;source rock of the E f2 members)

圖5 阜二段烴源巖沉積模式及形成環(huán)境分析Fig.5 Analysis of sedimentary model and formation environment of source rock in the E f2 members

2.1.3 原油組成差異影響因素分析

從內(nèi)坡到外坡，原油成熟度不斷降低（圖6），受烴源巖平面熱演化差異性影響，深凹帶阜二段烴源巖Ro大于0.9%，外斜坡Ro介于0.5%～0.7%（圖7）。從內(nèi)坡到外坡，原油的密度、含硫量和伽馬蠟烷含量不斷增加（圖8、圖9a），飽芳比不斷降低（圖9b），受到烴源巖形成環(huán)境和成熟度共同影響。原油的Gr/C30H最低值為0.15，最高值為0.7，證明微咸—半咸水還原環(huán)境是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的有利沉積環(huán)境，水體鹽度太低不利于有機質(zhì)保存，太高不利于有機質(zhì)繁殖。阜二段中下部咸化的泥灰?guī)r早期生成的原油成熟度較低，低熟油具有低飽芳比、高植烷優(yōu)勢、高伽馬蠟烷、高含硫的特征，低成熟原油先期充注，不斷通過斷砂輸導(dǎo)體系向外斜坡運聚成藏。后期阜二段中部低咸化的灰質(zhì)泥巖生成的原油成熟度較高，飽芳比高，無植烷優(yōu)勢，伽馬蠟烷、含硫量中等，高成熟原油后期充注，不斷驅(qū)替低熟原油向外斜坡聚集。咸化烴源巖在低熟階段生烴在江漢盆地、渤海灣盆地廣泛存在，可能原因是木栓質(zhì)體、菌藻類組分早期成烴[15]。

圖6 溱潼凹陷原油甾、萜烷成熟度參數(shù)相關(guān)圖Fig.6 Correlation diagram of steroidal and terpene maturityparameters of crude oil in Qintong Sag

圖7 阜二段中部烴源巖R o（%）等值線圖Fig.7 R o(%)contour map for middle hydrocarbon source rock of the E f2 members

圖8 溱潼凹陷原油密度和含硫量相關(guān)圖Fig.8 Correlation diagram of crude oil density and sulfur content in Qintong Sag

圖9 原油成熟度與形成環(huán)境、原油組分變化關(guān)系圖Fig.9 Crude oil maturity and formation environment,crude oil component change diagram

2.2 次生變化

在油氣運聚、成藏過程中，地層水的氧化作用、生物降解作用以及保存條件對原油物理、化學(xué)性質(zhì)的影響較大，這些因素在油藏形成的不同階段發(fā)揮不同作用。

2.2.1 油氣運移

從深層到淺層，原油物性逐漸變差（圖10），比如三垛組發(fā)現(xiàn)的基本都是稠油油藏，戴南組部分原油也有輕度生物降解，主要是由油氣運移和油藏所處環(huán)境的差異所致。溱潼凹陷主要發(fā)育阜二段中下部生、阜三段儲的成藏組合，阜二段優(yōu)質(zhì)烴源巖與阜三段儲層不直接接觸，中間間隔一百米左右泥巖段，油氣垂向運移需要晚期活動的深大斷層溝通阜二段中下部烴源巖。原油由深層向淺層、凹陷中心向邊緣運移的過程中，氧化作用使原油中的輕組分不斷散失，保存重組分，造成原油物性逐漸變差。其次，原油沿縱向輸導(dǎo)斷層從深部向淺部運移過程中，溫度、壓力不斷降低，溶解氣也不斷散失，使原油物性變差。三垛期是重要油氣成藏期[12-14]，三垛期活動斷層是重要的垂向輸導(dǎo)斷層（圖11），尤其在西部內(nèi)斜坡帶，輸導(dǎo)斷層比較發(fā)育，油氣沿斷層運移過程中，原油物性逐漸變差，且運移距離越遠，輕質(zhì)組分散失越多，油質(zhì)越差。運移效應(yīng)也使得低熟原油主要分布在外斜坡和淺層。

圖10 原油物性隨深度變化趨勢圖Fig.10 Trend chart of changes in crude oil properties with depth

圖11 溱潼凹陷斜坡帶油氣成藏模式圖Fig.11 Oil and gas accumulation model diagram of Qintong Sag slope belt

2.2.2 油藏保存條件

保存條件也是影響原油性質(zhì)的重要因素，主要包括氧化作用和生物降解作用。在斷層和不整合面附近油藏最容易遭受次生改造，容易形成稠油油藏，比如在外斜坡帶北漢莊和興北油田（圖1，11），阜三段地層遭受剝蝕，直接與三垛組底塊砂巖呈不整合接觸，靠近凹陷邊緣，地表水活躍，使得阜三段和三垛組原油遭受氧化、生物降解等次生變化[17]，原油物性變差。內(nèi)斜坡阜三段雖然斷層發(fā)育，但地層封閉性好，油藏保存條件好，原油密度和黏度均較低。同時在戴南組、三垛組等中淺層，由于地溫較低、封閉性相對較差，原油容易遭受次生改造。油水界面附近原油密度、黏度變大的現(xiàn)象說明了水洗作用明顯。

3 油氣成藏過程分析

溱潼凹陷斜坡帶主要發(fā)育兩類斷層[12,34-35]（圖1，11），北東向斷層形成于吳堡期，主要起側(cè)向封堵作用，分布在外斜坡。近東西向斷層形成于三垛期，與油氣成藏期向匹配，主要起縱向輸導(dǎo)作用，分布在內(nèi)斜坡。內(nèi)斜坡順向斷層在三垛期開始活動，不斷溝通阜二段中下部烴源巖，生成的油氣沿三垛期斷層垂向運移至阜三段、戴南組。在構(gòu)造圈閉發(fā)育區(qū)，油氣在阜三段、戴南組內(nèi)部側(cè)向運移至高部位構(gòu)造圈閉成藏。在構(gòu)造圈閉不發(fā)育區(qū)，油氣沿反向正斷層向外斜坡運移，在阜三段、戴南組砂巖尖滅帶聚集成藏。

深凹帶阜二段烴源巖在三垛初期生成低熟油（圖12），三垛末期生成成熟油，低熟油先充注，后期成熟原油驅(qū)替早期低熟油向外坡運移聚集。從內(nèi)坡向外坡，原油成熟度逐漸減小、物性變差，且外斜坡原油普遍具有高伽馬蠟烷、低姥植比、較高含硫量等特征，說明溱潼凹陷斜坡帶油源相對比較充足，原油經(jīng)過較長距離運移，外斜坡阜三段剝蝕帶也是有利的勘探區(qū)。油源差異和油氣運移對原油性質(zhì)的環(huán)帶狀分布起主要作用。

圖12 溱潼凹陷深凹帶和外斜坡單井熱演化史圖Fig.12 Thermal evolution history of single well in deep depression zone and external slope of Qintong Depression

4 結(jié)論

（1）溱潼凹陷的原油劃分為超重油、重質(zhì)油、中質(zhì)油三類。平面上，相同層系的原油從深凹帶向外斜坡帶物性逐漸變差，同時含硫量增加?？v向上，從深層向淺層原油物性逐漸變差。

（2）原油成熟度與形成環(huán)境具有良好相關(guān)性，低熟原油形成于咸化泥灰?guī)r。外斜坡普遍發(fā)育低熟油，后期成熟油驅(qū)替低熟油不斷運聚到外斜坡成藏。溱潼凹陷斜坡帶油源比較充足，原油經(jīng)過較長距離運移，阜三段剝蝕帶也是有利的勘探區(qū)。

（3）溱潼凹陷斜坡帶原油物性受到油源、油氣運移、氧化作用、生物降解等因素影響，油源差異和油氣運移對原油物性的環(huán)帶狀分布起主要作用，而保存條件對于局部原油物性變化起重要作用。