塔里木盆地玉北1井原油成因再認(rèn)識(shí)及其意義

孫永革，路清華，何毓新，孔麗姝，劉少杰，顧 憶

(1.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所,江蘇 無錫 214126；3.浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 有機(jī)地球化學(xué)研究組,杭州 310027；4.中國石化 西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，烏魯木齊 830011)

關(guān)于塔里木盆地下古生界含油氣系統(tǒng)的油源問題至今仍存在爭議。HANSON等[1]和ZHANG等[2]最早明確指出中、上奧陶統(tǒng)烴源巖是塔里木盆地下古生界含油氣系統(tǒng)主力油源巖，這在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，是塔里木盆地下古生界含油氣系統(tǒng)油源的主流觀點(diǎn)之一[3-12]。但是，由于寒武系—下奧陶統(tǒng)烴源巖現(xiàn)今已進(jìn)入高—過成熟階段[13-14]，難以利用沉積有機(jī)質(zhì)的原生信息確定其貢獻(xiàn)與否。因此，該觀點(diǎn)一直沒有得到勘探家和地質(zhì)學(xué)家的充分認(rèn)可?；诜囱菟悸?，根據(jù)對(duì)潛在烴源巖發(fā)育古沉積環(huán)境的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，以及指示強(qiáng)厭氧環(huán)境的芳基類異戊二烯烴化合物在原油中的檢出，提出寒武系—下奧陶統(tǒng)的源巖是主力油源巖[15]。穩(wěn)定碳同位素組成[16-17]和硫同位素組成[18-19]也進(jìn)一步支持了該結(jié)論。盡管不斷受到質(zhì)疑，但隨著中深1井(2013年)和輪探1井(2019年)寒武系中油氣的發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在已有更多學(xué)者重新思考寒武系的生油貢獻(xiàn)問題。如根據(jù)露頭剖面，認(rèn)為目前發(fā)現(xiàn)的塔北和塔中海相油氣可能主要來自于下寒武統(tǒng)烴源巖[20]。根據(jù)分子指紋認(rèn)為塔北海相原油主要來自中、上奧陶統(tǒng)烴源巖，塔東海相原油主要來自寒武系烴源巖，而塔中則屬于混源成因[21]。龐雄奇等[22]則進(jìn)一步指出塔中地區(qū)寒武系烴源巖貢獻(xiàn)平均可達(dá)65%。

玉北1井區(qū)位于塔里木盆地西南麥蓋提斜坡(圖1)[23]，含油氣層主要位于中—下奧陶統(tǒng)鷹山組和下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組，同時(shí)發(fā)現(xiàn)部分井區(qū)存在上奧陶統(tǒng)良里塔格組。擠壓式斷層相關(guān)褶皺是玉北地區(qū)主要的構(gòu)造變形樣式[24]。前人對(duì)玉北1井構(gòu)造帶的成藏過程已有過詳細(xì)研究，指出目前發(fā)現(xiàn)的奧陶系油藏，主要為加里東中期—海西早期、海西晚期兩大成藏期的貢獻(xiàn)[24-25]。對(duì)于玉北1井區(qū)油氣藏的成因，目前主要的質(zhì)疑依然是油源。如果是寒武系油源，那么，塔西南地區(qū)寒武系烴源巖沉積環(huán)境是否與臺(tái)盆區(qū)相似？本文試圖從原油分子同位素地球化學(xué)特征入手，嘗試以反演思路作答。

圖1 塔里木盆地玉北1井構(gòu)造位置[23]Fig.1 Location of well Yubei 1, Tarim Basin

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

玉北地區(qū)勘探發(fā)現(xiàn)主要集中在玉北1構(gòu)造，出油井包括發(fā)現(xiàn)井玉北1井，以及評(píng)價(jià)井玉北1-1、玉北1-2X、玉北1-3、玉北1-4、玉北1-5和玉北1-6井。由于均屬于一個(gè)油藏范疇，本次研究主要剖析玉北1井奧陶統(tǒng)鷹山組(O1-2ys，埋深5 714 m)原油樣品，文中引用的塔中、塔北、順北等區(qū)域原油參考樣均來自作者以往研究數(shù)據(jù)[26]，相關(guān)圖件中標(biāo)注了部分原油所在鉆井名稱，基本信息等不再作具體列表說明。

1.1 有機(jī)質(zhì)分離

原油用石油醚(30～60 ℃)沉淀去掉瀝青質(zhì)，將剩余部分進(jìn)行硅膠氧化鋁柱層析，以石油醚(30～60 ℃)、苯、甲醇作為洗脫液，分別獲得飽和烴、芳香烴、非烴組分。其中飽和烴組分通過尿素絡(luò)合法進(jìn)一步分離為正構(gòu)烷烴和異構(gòu)/環(huán)烷烴組分。芳烴化合物進(jìn)一步分離參考JIANG等[27]的工作。取1～10 mg的芳烴組分進(jìn)行氧化鋁柱層析，分別用石油醚/二氯甲烷(99∶1,V/V)、石油醚/二氯甲烷(97∶3,V/V)、二氯甲烷洗脫，獲得單芳組分(AF1)、二芳組分(AF2B)和三環(huán)及三環(huán)以上芳烴組分(AF3C)。再次對(duì)AF3C組分進(jìn)行氧化鋁柱層析，分別用石油醚/二氯甲烷(90∶10,V/V)、二氯甲烷洗脫，收集得到AF3C-1和AF3組分，合并AF2B和AF3C-1即為AF2組分。

1.2 全油氣相色譜分析

儀器為安捷倫5977A氣相色譜儀，配以氫火焰離子化檢測器(FID)。DB-1MS (60 m×0.32 mm×0.25 μm)色譜質(zhì)譜專用柱，分流進(jìn)樣，分流比為10∶1，進(jìn)樣口溫度為290 ℃。升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0℃，恒溫15min，然后以3℃/min的速率升至310 ℃，恒溫30 min。N2作為載氣，流速為1.0 mL/min。輕烴化合物鑒定依據(jù)保留時(shí)間并經(jīng)文獻(xiàn)對(duì)比確定[28]。

1.3 生物標(biāo)志化合物氣相色譜質(zhì)譜分析

對(duì)異構(gòu)/環(huán)烷烴組分進(jìn)行氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)分析以獲得生物標(biāo)志化合物組成和分布。儀器為安捷倫7890B-5977A GC-MS聯(lián)用儀。色譜柱使用DB-1MS彈性石英毛細(xì)管色譜質(zhì)譜專用柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)，色譜進(jìn)樣口溫度290 ℃，無分流模式進(jìn)樣，He為載氣，恒流1 mL/min。色譜升溫程序：始溫60 ℃，保留1 min，3 ℃/min至210 ℃，2 ℃/min至295 ℃/min，恒溫30 min。離子源溫度230 ℃，電子轟擊源(EI，70 eV)，質(zhì)譜掃描采用全掃描加選擇性離子掃描 (Scan+SIM) 模式，范圍30～650 amu，選擇離子分別為：m/z=123, 177, 191, 205, 217, 218, 231, 232。

1.4 氣相色譜同位素比值質(zhì)譜分析

儀器為賽默飛Trace Ultra 氣相色譜—同位素比值質(zhì)譜聯(lián)用儀 (MAT-253)。GC配備了 DB-1MS 毛細(xì)管柱 (60 m×0.32 mm×0.25 μm)，進(jìn)樣口溫度為290 ℃。正構(gòu)烷烴組分色譜升溫程序：初始溫度為50 ℃，保持1 min，以1.5 ℃/min的速率升至120 ℃，然后以5 ℃/min的速率升至300 ℃，保持25 min，He作為載氣, 流速為1.5 mL/min, 無分流進(jìn)樣。二芳組分色譜升溫程序：70 ℃始溫，恒溫5 min，先以3 ℃/min升溫至220 ℃，再以20 ℃/min升溫至310 ℃，保留20 min。He作為載氣，流速為1.0 mL/min，采用無分流模式進(jìn)樣。測試過程使用外標(biāo)來確保測定碳同位素值的準(zhǔn)確性，外標(biāo)由美國印第安納大學(xué)研制，由已知碳同位素的nC16～nC30共15種正構(gòu)烷烴組成。采用V-PDB標(biāo)準(zhǔn), 每個(gè)樣品至少獲得2次平行測試結(jié)果, 標(biāo)準(zhǔn)偏差一般在±0.5‰以內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物標(biāo)志化合物組成及其地球化學(xué)意義

玉北1井區(qū)地面原油密度平均為0.927 0 g/cm3，含蠟11.38‰～18.79%，含硫0.68%～0.81%，運(yùn)動(dòng)黏度134.802 1～299.758 0 mm2/s，自西向東密度、黏度和含蠟量呈現(xiàn)增大趨勢，總體上玉北1井區(qū)原油屬低—中硫、高蠟、高黏度的中—重質(zhì)原油。玉北1井全油色譜揭示，原油不但具有完整的正構(gòu)烷烴分布，同時(shí)又具有高的UCM鼓包(圖2)，與塔河地區(qū)原油非常相似，可能指示了兩期成藏、早期破壞的成藏特征。完整的25-降藿烷系列以及降三環(huán)萜類化合物的出現(xiàn)，進(jìn)一步指示早期油藏遭受過強(qiáng)烈生物降解(圖3)。

圖2 塔里木盆地玉北1井全油色譜特征Fig.2 Chromatographic characteristics of whole oil from well Yubei 1, Tarim Basin

豐富的長鏈三環(huán)萜烷分布(至C31)、升藿烷翹尾巴特征(C35/C34為0.91)、相對(duì)高的伽馬蠟烷含量(GI為0.16)等均揭示了一套發(fā)育于還原環(huán)境的海相沉積烴源巖(圖3)。SUN等[15]的研究成果以及近年來野外露頭和鉆井[19]已經(jīng)揭示塔里木盆地下寒武統(tǒng)發(fā)育一強(qiáng)厭氧環(huán)境下沉積的烴源巖。玉北1井原油中高豐度芳基類異戊二烯烴的檢出進(jìn)一步明確了其與寒武系烴源巖有關(guān)(圖4)。然而，對(duì)比臺(tái)盆區(qū)檢出的芳基類異戊二烯烴分布特征，可以發(fā)現(xiàn)二者在相關(guān)化合物的分布特征上存在著顯著差異。玉北1井原油中除了豐富的2,3,6-芳基類異戊二烯系列化合物外，還檢出相對(duì)高含量的2,3,4-芳基類異戊二烯系列化合物。而臺(tái)盆區(qū)奧陶系原油中2,3,4-芳基類異戊二烯系列化合物相對(duì)含量較低，并且在很多樣品中難以檢出[15]。這兩類化合物的生源形成環(huán)境有一定差異，2,3,6-芳基類異戊二烯系列化合物主要指示綠硫細(xì)菌的貢獻(xiàn)，而2,3,4-芳基類異戊二烯系列化合物則指示紫硫細(xì)菌的貢獻(xiàn)。綠硫細(xì)菌和紫硫細(xì)菌在水環(huán)境中所處的微生物環(huán)境是不同的，前者在水柱底部，后者則在水柱最小氧濃度界面之下[29]。這些細(xì)微的差別可能反映了玉北1井所在塔西南地區(qū)和臺(tái)盆區(qū)寒武系烴源巖在沉積環(huán)境上存在一定的差異。這種差異同樣反映在生源母質(zhì)的宏觀組成上，如圖5所示，玉北1井原油甾烷分布明顯不同于臺(tái)盆區(qū)原油甾烷的“V”字形特征[2]，而呈反“L”型，以C29甾烷優(yōu)勢分布為特征。異常高的重排甾烷指示黏土礦物含量的增加，具典型頁巖特性。而異常高的C26甾烷分布也是有別于臺(tái)盆區(qū)原油的另一個(gè)特點(diǎn)，盡管臺(tái)盆區(qū)下古生界含油氣系統(tǒng)原油中普遍檢出該化合物[1]。

圖3 塔里木盆地玉北1井原油中降三環(huán)萜烷、三環(huán)萜烷、25-降藿烷和藿烷化合物分布Fig.3 Distributions of nor-tricyclic terpanes, tricyclic terpanes,25-norhopanes and hopanes in crude oil from well Yubei 1, Tarim Basin

圖4 塔里木盆地玉北1井(a)和沙116井(b)原油中芳基類異二烯烴分布Fig.4 Distributions of aryl isoprenoids in crude oil from wells Yubei 1 (a) and Sha 116 (b), Tarim Basin

圖5 塔里木盆地玉北1井原油中甾烷分布Fig.5 Distribution of steranes in crude oil from well Yubei 1, Tarim Basin

2.2 原油所揭示的海西晚期成烴特征

前人研究已經(jīng)揭示玉北1井油藏存在兩期成藏過程，第一期為加里東中期—海西早期，第二期為海西晚期，并且早期充注原油已經(jīng)歷嚴(yán)重生物降解[24-25]。雖然從萜類化合物的分布無法區(qū)別加里東期—海西早期和海西晚期的成烴特征，但正構(gòu)烷烴半對(duì)數(shù)分布呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，可能反映了生物降解作用已將早期成藏的正構(gòu)烷烴降解殆盡(圖6)。因?yàn)椋绻缙诔渥⒃徒?jīng)歷后期生物降解后仍殘留有顯著含量正構(gòu)烷烴，那么在正構(gòu)烷烴半對(duì)數(shù)分布模式上將以折線形式出現(xiàn)[30]。另一方面，完整25-降藿烷分布往往指示嚴(yán)重的生物降解，該階段原油中正構(gòu)烷烴和姥鮫烷、植烷等類異戊二烯烴類可能已被徹底降解[31]。同時(shí)，輕烴是最易被生物降解所利用的烴類化合物。因此，目前油藏中所見正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴可能主要是海西晚期成藏產(chǎn)物，包括輕烴分子在內(nèi)的地球化學(xué)信息可能主要反映海西晚期成烴特征，由此可有效刻劃海西晚期成烴特征。

圖6 塔里木盆地玉北1井原油正構(gòu)烷烴摩爾濃度分布Fig.6 Distribution of n-alkanes as expressed by their molarconcentrations in crude oil from well Yubei 1, Tarim Basin

傳統(tǒng)意義上，原油或烴源巖有機(jī)質(zhì)Pr/nC17和Ph/nC18比值隨著熱成熟度的增高而急劇減小[28]。圖7揭示玉北1井原油與其他塔里木盆地下古生界含油氣系統(tǒng)原油相比，具有相對(duì)較高的Pr/nC17和Ph/nC18比值，反映其成熟度較低，這顯然與生物標(biāo)志化合物分布所揭示的不一致，如甾烷異構(gòu)體參數(shù)指示屬于烴源巖正常生油高峰產(chǎn)物(C2920S/(20S+20R)= 0.45)。芳基類異戊二烯烴中高碳數(shù)化合物的完整分布(圖4)，以及升藿烷翹尾巴現(xiàn)象的出現(xiàn)(圖3)，也從另一個(gè)側(cè)面證實(shí)其為烴源巖生油高峰期產(chǎn)物。一種合理的解釋是，雖然玉北1井原油中正構(gòu)烷烴能夠較好地指示海西晚期成烴產(chǎn)物，但對(duì)于類異戊二烯烷烴可能有早期充注原油降解后的殘留疊加。因此，相對(duì)地增加了Pr和Ph的含量，導(dǎo)致Pr/nC17和Ph/nC18比值的增大。

圖7 塔里木盆地部分井原油Pr/nC17和Ph/nC18比值Fig.7 Cross-plots of Pr/nC17 and Ph/nC18in crude oil from some wells, Tarim Basin

另一個(gè)證據(jù)是正構(gòu)烷烴分子碳同位素分布特征。由圖8可見，玉北1井正構(gòu)烷烴分子碳同位素與塔河油田主體是一致的，較端元英買2井內(nèi)幕油藏原油稍偏重，又輕于輪南48井高成熟度凝析油，進(jìn)一步指示了其為烴源巖生油峰期產(chǎn)物。

圖8 塔里木盆地部分井原油正構(gòu)烷烴分子碳同位素組成Fig.8 Stable carbon isotopic compositions of n-alkanesin crude oil from some wells, Tarim Basin

現(xiàn)今玉北1井原油中輕烴是海西晚期成烴的產(chǎn)物。圖9選擇了受揮發(fā)作用影響較小的C7鏈烷烴與C7環(huán)烷烴之比，以及二甲苯與正辛烷之比[6]。玉北1井原油與大部分塔河油田原油落在同一區(qū)域。該結(jié)果不僅說明玉北1井原油成油階段與塔河油田主體原油具有可比性，而且從另一側(cè)面反映了玉北1井早期成藏原油中輕芳烴已揮發(fā)、降解殆盡，其原因是地層抬升，油藏整體暴露于地表。玉北1井較低的環(huán)構(gòu)化和芳構(gòu)化程度，同樣也反映其并沒有經(jīng)歷高的熱演化過程。由于輕烴Mango參數(shù)受揮發(fā)、降解等次生作用影響較小，根據(jù)C7輕烴溫度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得的玉北1井原油形成于120 ℃左右[32]，同樣指示其為生油高峰期產(chǎn)物。

圖9 塔里木盆地部分井原油輕烴分布所揭示的環(huán)構(gòu)化和芳構(gòu)化程度Fig.9 Cyclization and aromatization revealed by light hydrocarbondistribution in crude oil from some wells, Tarim Basin

2.3 兩期充注原油對(duì)應(yīng)烴源巖的異同性及其意義

前人研究和本研究均揭示玉北1井油藏屬于兩期充注成藏，因此，兩期成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)是否存在差異對(duì)于區(qū)域勘探具有重要意義。飽和烴中生物標(biāo)志化合物由于受生物降解作用影響，很難反演相應(yīng)烴源巖特征。相比之下，多環(huán)芳烴化合物具有更強(qiáng)的抗生物降解能力[30-31]。因此，玉北1井芳烴的分布和碳同位素特征更能體現(xiàn)混合作用，可從反演角度揭示兩期成藏過程是否具有一致性。

利用VAN AASSEN等[33]提出的烷基萘成熟度中心，即三甲基萘：TMNr=1,3,7-TMN/(1,3,7-TMN+1,2,5-TMN)、四甲基萘：TeMNr=1,3,6,7-TeMN/(1,3,6,7-TeMN+1,2,5,6-TeMN+1,2,3,5-TeMN)、五甲基萘：PMNr=1,2,4,6,7-PMN/(1,2,4,6,7-PMN+1,2,3,5,6-PMN)三個(gè)比值作為成熟度中心，若偏離中心則指示原油受混合作用影響。由圖10可見，玉北1井顯著偏離成熟度中心，反映油藏系兩期混合結(jié)果，多環(huán)芳烴化合物則是兩期成藏的疊加。

圖10 塔里木盆地部分井原油中三甲基萘、四甲基萘和五甲基萘異構(gòu)體分布Fig.10 Distribution of tri-, tetra-, and penta-methyln-aphthalenes in crude oil from some wells, Tarim Basin

雖然玉北1井原油中多環(huán)芳烴系兩期成藏疊加結(jié)果，然而，獲得的單體分子碳同位素顯示，其組成特征與塔河油田原油具有很好的一致性(圖11)。由于生物降解作用對(duì)于多環(huán)芳烴分子碳同位素的影響十分微小[34]，因此，如果早期和晚期成烴物質(zhì)存在差異性，那么最終分子碳同位素應(yīng)該有顯著分異，顯然，這種現(xiàn)象并沒有在此出現(xiàn)。由此可見，玉北1井加里東期—海西早期成藏和海西晚期成藏在烴源巖地球化學(xué)特征上具有相似性。一種可能是從埋藏、熱史角度，加里東期—海西早期烴源灶位于塘古巴斯坳陷西部地區(qū)，海西晚期烴源灶位于塔西南。兩者由于所處位置不同，埋深不同，經(jīng)歷熱史不同，導(dǎo)致其在成烴時(shí)序上的差異，最終形成不同成藏期，即兩期成藏均得益于同一套烴源巖不同區(qū)域成烴過程。

圖11 塔里木盆地玉北1井原油中芳烴分子碳同位素組成特征注:DMN.二甲基萘，TMN.三甲基萘，Biph.聯(lián)苯，Mebipb.甲基聯(lián)苯Fig.11 Stable carbon isotopic compositions of individual aromaticcompounds in crude oil from well Yuebei 1, Tarim Basin

3 結(jié)論

(1)玉北1井原油作為兩期成藏疊加的結(jié)果，兩期成藏均來源于寒武系烴源巖，其中海西晚期成藏系寒武系烴源巖生油高峰期所致，與臺(tái)盆區(qū)塔河油田主體具有可對(duì)比性。

(2)該區(qū)域寒武系烴源巖的沉積發(fā)育環(huán)境與臺(tái)盆區(qū)可能存在一定差異。兩期成藏可能是由于寒武系烴源巖在不同部位埋深不同，造成了成烴時(shí)序的先后，進(jìn)一步研究需從區(qū)域熱史和生烴史構(gòu)建入手，有望獲得進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。