民和盆地窯街組烴源巖地球化學特征及油源分析

王文軍,李立武,王作棟,張 婷,符 印,張振華

(1.中國科學院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,甘肅省油氣資源研究重點實驗室,蘭州 730000;2.中國科學院大學,北京 100049;3.窯街煤電集團公司金河煤礦,蘭州 730000)

民和盆地位于甘肅和青海兩省交界地帶,呈北西-東南走向,夾于拉脊山與北祁連山之間,是一個中新生代發(fā)展起來的山間沉積盆地,其構(gòu)造單元劃分為樂都隆起、皋蘭隆起、永巴拗陷共3個一級構(gòu)造單元及7個二級構(gòu)造單元,永巴拗陷是盆地的主體構(gòu)造［1-3］(圖1)。民和盆地基底由中祁連隆起帶震旦系、寒武系變質(zhì)巖及北緣部分地區(qū)的北祁連加里東褶皺帶變質(zhì)巖構(gòu)成,構(gòu)造演化歷經(jīng)了前侏羅紀隆起、侏羅紀-早白堊世斷陷、晚白堊世-第三紀拗陷及第四紀盆地消亡共4個階段,沉積蓋層主要是侏羅系、白堊系、第三系和第四系地層［4-5］。

圖1 民和盆地構(gòu)造單元及窯街組巖性柱狀圖Fig.1 Tectonic units of Minhe Basin and Yaojie Formation lithological column(據(jù)張成功等 ［2］、趙迪斐等 ［3］)

民和盆地侏羅系是一套含油、煤的陸相沉積。中侏羅統(tǒng)窯街組的暗色泥巖、油頁巖、煤及碳質(zhì)泥巖是主要生油巖,其中,暗色泥巖達到“中等”生油巖標準,油頁巖達到“好生油巖”的標準,干酪根類型主要是Ⅰ型及Ⅱ1型,有機質(zhì)類型好,煤達到“中等-好”烴源巖標準,且厚度較大,這些條件為油氣生成奠定了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ),具有良好的勘探潛力［4-8］。另一方面,中侏羅統(tǒng)窯街組煤的鏡質(zhì)體反射率在0.9%左右,油頁巖的鏡質(zhì)體反射率為0.8%～1.1%,指示民和盆地窯街組烴源巖達到生油門限溫度,已經(jīng)開始生烴或排烴［8-9］。然而,民和盆地是一個改造型盆地,它遭受了早白堊世末以及新近紀末兩期強烈的地質(zhì)改造作用,這不同程度地破壞和調(diào)整了盆地內(nèi)部構(gòu)造,同時也改造了盆地內(nèi)部含油氣系統(tǒng)。此外,民和盆地是一個煤、油、氣共生的盆地,海石灣礦煤層中有著大量滲出原油的現(xiàn)象,這些因素導致原油成因較為復雜,油源關(guān)系尚不清楚［8,10］。本次研究借助氣相色譜-質(zhì)譜分析技術(shù),分析民和盆地窯街組烴源巖及海石灣煤層原油的生物標志化合物特征,探討其反映的母質(zhì)來源和沉積環(huán)境,基本確定了烴源巖和原油的母質(zhì)類型與成熟度,建立了較為可靠的油源關(guān)系。

1 樣品與實驗

1.1 烴源巖及原油樣品

本次研究所選取的烴源巖及原油樣品主要來自海石灣煤礦、金河煤礦、窯街三礦,具體采樣信息如表1所示。

表1 窯街組樣品基礎(chǔ)信息Table 1 Basic information of Yaojie Formation samples

1.2 實驗方法

烴源巖樣品粉碎至100目以下,用氯仿索氏抽提72 h,抽提物(氯仿瀝青“A”)經(jīng)正己烷沉淀瀝青質(zhì),其可溶組分經(jīng)濃縮后,通過硅膠-氧化鋁(硅膠：氧化鋁=3：1)層析柱,分別采用正己烷和二氯甲烷依次將飽和烴及芳烴淋洗出來。之后對飽和烴和芳烴組分進行氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析。

氣相色譜-質(zhì)譜分析條件：氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀為美國安捷倫科技有限公司的6890N-GC/5973N-MSD;色譜進樣口溫度：280 ℃;載氣：高純氦氣;載氣流量：1.2 mL/min;載氣線速率40 cm/s;色譜柱：KD-5(30 m×0.32 mm×0.25 μm);程序升溫：80 ℃為起始溫度,以4 ℃/min的速率升至290 ℃,恒溫30 min;質(zhì)譜離子源：EI源;離子源溫度：230 ℃;四級桿溫度：150 ℃;離子源電離能：70 eV;質(zhì)譜與色譜接口溫度：280 ℃;使用NIST02L譜庫對化合物進行定性分析,采用峰面積計算相關(guān)的生物標志化合物參數(shù)。

2 實驗結(jié)果

2.1 烴源巖生物標志化合物特征

芳烴組分中主要檢出萘系列、菲系列、聯(lián)苯、苯并熒蒽、苯并芘、惹烯等。其中,含量最高的芳烴化合物是萘系列化合物和菲系列化合物,萘系列化合物由甲基萘、二甲基萘、三甲基萘及四甲基萘組成,菲系列化合物由菲、甲基菲、二甲基菲及三甲基菲組成。

2.2 原油生物標志化合物特征

原油中輕烴組分的含量也較高,包括丙烷、異丁烷、丁烷、甲基丁烷、戊烷、甲基戊烷、環(huán)戊烷、庚烷及環(huán)己烷等。原油中檢出的芳烴含量較少,主要有乙基苯、二甲基苯、甲基萘、菲、甲基菲、惹烯等。此外,原油中檢出烷基環(huán)己烷系列化合物,碳數(shù)分布范圍為C7～C28。

3 討論

3.1 烴源巖母質(zhì)來源及沉積環(huán)境分析

類異戊二烯烷烴中以姥姣烷(Pr)和植烷(Ph)分布最廣［15-16］。目前觀點認為姥姣烷和植烷主要來源于葉綠素植醇側(cè)鏈,其生源可能為高等植物、藻類、藍細菌等可以進行光合作用的生物或是嗜鹽菌的細胞膜［17-18］。姥植比(Pr/Ph)有助于進一步判識有機質(zhì)的母質(zhì)來源及沉積環(huán)境,母質(zhì)類型的不同會造成Pr/Ph產(chǎn)生差異,有機質(zhì)來源以陸生高等植物為主,Pr/Ph較高,而湖相、湖沼和海相樣品中Pr/Ph一般較低［19］。海石灣油頁巖的Pr/Ph值較大,說明其有機質(zhì)來源中有著陸源植物的混入。此外,高Pr/Ph值(>3)指示氧化環(huán)境,低Pr/Ph值(<1)指示缺氧環(huán)境,1≤Pr/Ph≤3指示介于二者之間的沉積環(huán)境,為貧氧環(huán)境［20-21］。海石灣油頁巖的Pr/Ph值為2.51,說明其發(fā)育于貧氧環(huán)境;海石灣煤、皮帶斜井煤和金河礦煤的Pr/Ph值都大于3,說明它們均發(fā)育于氧化性較高的沉積環(huán)境。伽馬蠟烷的含量可以指示烴源巖沉積環(huán)境的水體分層,水體鹽度的增大會導致較高的伽馬蠟烷指數(shù)(G/C30H)［22］。皮帶斜井煤G/C30H值最大,其他3個烴源巖樣品G/C30H值接近,均值為0.12,說明海石灣油頁巖、海石灣煤和金河礦煤形成于微咸水環(huán)境,而皮帶斜井煤形成于咸水環(huán)境。

高含量的惹烯主要來源于脈管植物針葉樹的樹脂,是陸源高等植物生源的重要指標［23］。民和盆地窯街組烴源巖中均檢出了惹烯,說明它們都有不同程度陸源植物的輸入。另外,皮帶斜井煤和金河礦煤中分別檢出了C32～C35和C32～C34的苯并藿烷。目前沒有在生物體中檢測到苯并藿烷,它們在早期成巖作用階段形成,通常在沼澤環(huán)境產(chǎn)出的煤系、碳質(zhì)頁巖和油頁巖有苯并藿烷的檢出,可能來源于生物體中的細菌藿烷類化合物［24-25］,這說明皮帶斜井煤和金河礦煤可能發(fā)育于沼澤化環(huán)境。

3.2 烴源巖成熟度分析

18α(H)-C27三降藿烷(Ts)和17α(H)-C27三降藿烷(Tm)是常用來判別烴源巖和原油成熟度的生物標志化合物。在后生作用階段Ts的穩(wěn)定性比Tm更強,因此,隨著成熟度的增大,Ts/(Ts+Tm)值逐漸增大［26］,但這個參數(shù)對母質(zhì)來源有很強的依賴性,與烴源巖密切相關(guān),比如苯并藿烷的產(chǎn)出的環(huán)境會抑制Tm向Ts轉(zhuǎn)化［27］。皮帶斜井煤和金河礦煤Ts/(Ts+Tm)值異常低,均值為0.05,這可能是因為其產(chǎn)出苯并藿烷的沼澤化環(huán)境使Tm向Ts的轉(zhuǎn)化受到抑制,因此,Ts/(Ts+Tm)值已經(jīng)不能用來判識民和盆地窯街組烴源巖的成熟度。

碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)和奇偶優(yōu)勢指數(shù)(OEP)可以用來指示烴源巖的成熟度,一般認為成熟烴源巖的CPI值和OEP值接近1.0,正構(gòu)烷烴的奇偶優(yōu)勢逐漸消失［28］。海石灣油頁巖和海石灣煤的CPI值與皮帶斜井煤和金河礦煤的CPI值相比更接近于1,說明海石灣油頁巖及海石灣煤的成熟度大于皮帶斜井煤和金河礦煤。隨著沉積物成熟度的增加,藿烷在C-22位上將發(fā)生異構(gòu)化作用,C3122S/(22S+22R)值逐漸增大,當它接近0.6時,指示烴源巖成熟度將達到平衡點。另外,莫烷較藿烷熱穩(wěn)定性差,因此隨著成熟度的增加,莫烷/藿烷逐漸減小［3］。海石灣油頁巖、海石灣煤和金河礦煤C3122S/(22S+22R)值分別為0.59、0.58和0.60(表2),且它們莫烷/藿烷值均小于1,指示其可能進入成熟階段,皮帶斜井煤與其他樣品相比成熟度較小。

表2 民和盆地窯街組群烴源巖及原油相關(guān)地球化學參數(shù)Table 2 Geochemical parameters related to source rocks and crude oil of Yaojie Formation in Minhe Basin

甲基菲的分布方式受其相對熱力學穩(wěn)定性和形成機制的控制,不同構(gòu)型的甲基菲具有不同的穩(wěn)定性,隨著成熟度的增大,9-MP與1-MP逐漸轉(zhuǎn)化為3-MP與2-MP,因此,甲基菲的相關(guān)參數(shù)是判識有機質(zhì)成熟度的良好指標［29］。海石灣油頁巖、海石灣煤、皮帶斜井煤和金河礦煤的甲基菲指數(shù)1(MPI1)分別是0.48、0.73、0.21、0.39,說明皮帶斜井煤和金河礦煤處于低成熟階段,海石灣油頁巖和海石灣煤處于成熟階段,這與前文依據(jù)正構(gòu)烷烴以及萜烷化合物的成熟度指標所得出的結(jié)論相一致。

結(jié)合不同的生物標志化合物的成熟度指標,對民和盆地窯街組烴源巖的成熟度進行了討論。結(jié)果表明,海石灣煤的成熟度最大,和海石灣油頁巖都處于成熟階段;皮帶斜井煤的成熟度最小,和金河礦煤都處于低成熟階段。

3.3 原油地球化學特征及油源分析

油源對比有助于追蹤油層中原油的來源,具有親緣關(guān)系的原油和烴源巖之間在化合物組成上必然存在一定的相似性,利用單一生物標志化合物很難做到準確對比油源,因此多參數(shù)分析是進行油源對比最有效的手段［32］。根據(jù)烴源巖和原油的飽和烴色譜圖中正構(gòu)烷烴的相對豐度分布,可以非常直觀地看出油源之間的親緣關(guān)系［33］。如圖3-A所示,海石灣煤層原油與海石灣油頁巖的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布范圍都較廣且高碳數(shù)部分曲線相近,說明它們可能具有相同的母質(zhì)來源。通常認為,C27甾烷來源于低等水生生物和藻類,C29甾烷來源于陸源高等植物［34］。民和盆地窯街組烴源巖及煤層原油飽和烴中甾烷的質(zhì)量色譜圖都較為雜亂,不易辨認,但通過提取離子色譜圖,可以看出C27、C28及C29規(guī)則甾烷的相對分布關(guān)系(圖2)。海石灣煤層原油與海石灣油頁巖的C27甾烷豐度都大于C29甾烷,說明其母質(zhì)來源以低等水生生物和藻類為主。另外,二苯并噻吩/菲(DBT/P)和Pr/Ph值之間的二元關(guān)系可以用來判識烴源巖及原油的沉積環(huán)境［35］,海石灣油頁巖與海石灣煤層原油都投在圖中的c區(qū)域,說明它們發(fā)育的沉積環(huán)境類似,可能為半深湖相或濱淺湖相(圖3-B)。

圖2 民和盆地窯街組烴源巖及原油m/z 85、m/z 191及m/z 217質(zhì)量色譜圖Fig.2 Mass chromatograms of source rocks and crude oil m/z 85,m/z 191 and m/z 217 in the Yaojie Formation,Minhe Basin

圖3 民和盆地窯街組烴源巖及原油正構(gòu)烷烴相對含量對比圖及(Pr/Ph)-(DBT/P)二元圖Fig.3 Comparison of the relative content of n-alkanes in the Yaojie Formation source rock and crude oil in the Minhe Basin,binary map of (Pr/Ph)-(DBT/P)

芳烴是原油中的重要成分,可以為油源對比提供重要參數(shù),是對飽和烴研究的有益增補［36］。海石灣煤層原油的芳烴含量較少,主要有乙基苯、二甲基苯、甲基萘、菲、甲基菲等化合物。利用甲基菲指數(shù)1(MPI1)和甲基菲指數(shù)2(MPI2)二元圖,可以有效地對比海石灣煤層原油與源巖間的成熟度關(guān)系(圖4-A),結(jié)果表明,海石灣煤層原油的成熟度最接近于海石灣油頁巖。此外,海石灣煤層原油CPI值為1.16,OEP值為0.95(圖4-B,表2),說明海石灣煤層原油與海石灣油頁巖的成熟度相同,都處于成熟階段。

利用正構(gòu)烷烴、甾烷、芳烴等生物標志化合物,從母質(zhì)來源及沉積環(huán)境和成熟度兩個方面對民和盆地海石灣煤層原油與烴源巖間的油源關(guān)系進行了探討。結(jié)果表明,海石灣煤層原油與海石灣油頁巖的地球化學特征最為相似,它們的母質(zhì)來源以藻類水生生物為主;發(fā)育的沉積環(huán)境為半深湖相或濱淺湖相的還原環(huán)境;成熟度接近,都處于成熟階段。此外,海石灣煤顯微組分以類脂組、腐泥組和少量腐殖碎屑煤組成,屬于腐泥煤中的藻煤類型,成熟度高且孔隙率較大,因此理論上來講其具有一定的生排油能力［37］。綜上所述,認為海石灣煤層原油主要來源于海石灣油頁巖。

3.4 油氣成藏及運移分析

民和盆地后期經(jīng)歷了較強的構(gòu)造運動,侏羅系烴源巖可能經(jīng)歷了燕山晚期及喜馬拉雅末期兩期成烴、成藏作用［38］。其中,燕山晚期成烴作用以成油為主,喜馬拉雅末期成烴作用以成氣為主,前者可能由燕山期古油氣藏重新分配,后者可能是燕山期新生油氣晚期聚集的結(jié)果。因此,民和盆地侏羅系生油條件好、封蓋條件優(yōu)越、燕山期古構(gòu)造發(fā)育,這為形成燕山期古構(gòu)造控制的油氣藏及巖性復合油氣藏提供了有利條件［39］。盆地內(nèi)侏羅系地層以砂巖、泥巖為主,并發(fā)育有煤層,多期構(gòu)造運動產(chǎn)生了一系列不整合面及斷層,它們和連通砂體成為油氣運移的有效通道［10,40-41］,以上因素可能是海石灣礦煤層中大量滲出原油現(xiàn)象重要影響因素。

4 結(jié)論

根據(jù)民和盆地窯街組烴源巖和原油的生物標志化合物特征,分別對其母質(zhì)來源、沉積環(huán)境及成熟度進行了討論,并進行了油源對比。結(jié)果表明：

a.海石灣油頁巖以水生生物為主,發(fā)育在貧氧-微咸水環(huán)境;海石灣煤和金河礦煤的母質(zhì)來源以陸生生物為主,發(fā)育于氧化-微咸水環(huán)境;皮帶斜井煤的母質(zhì)來源以陸生生物為主,發(fā)育于氧化-咸水環(huán)境。

b.海石灣煤成熟度最大,和海石灣油頁巖都處于成熟階段;皮帶斜井煤的成熟度最小,和金河礦煤都處于低成熟階段。

c.海石灣煤層原油的母質(zhì)來源以菌藻類生物為主,發(fā)育于半深湖相或濱淺湖相還原性的沉積環(huán)境,成熟度較高,與海石灣油頁巖的地球化學特征最為接近,認為海石灣煤層原油主要來源于海石灣油頁巖。