川中地區(qū)侏羅系烴源巖和原油中三環(huán)萜烷分布特征及指示意義

楊巖巖，唐友軍，洪海濤，李美俊，吳長江，張吉振，盧曉林

1.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；3.中國石油西南油田分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041；4.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點實驗室/地球科學(xué)學(xué)院，北京102249

0 引言

三環(huán)萜烷系列化合物普遍存在于原油和烴源巖抽提物中，是飽和烴組分中重要的組成部分［1-2］，其分布特征可提供大量的地質(zhì)及地球化學(xué)信息，包括沉積環(huán)境以及有機(jī)質(zhì)輸入特征［3］等.一般情況下湖相陸源沉積物以高含量的C21三環(huán)萜烷為特征，而河流/三角州相及沼澤相烴源巖和原油中，則明顯富含C19和C20三環(huán)萜烷［3-4］.來自高等植物輸入的陸相原油或抽提物中，富含C19和C20長鏈三環(huán)萜烷，缺乏C20以上化合物，而鹽湖相或海相烴源巖及其原油中以C23長鏈三環(huán)萜烷占優(yōu)勢，更富集高碳數(shù)三環(huán)萜烷化合物［5-8］.目前對四川盆地侏羅系大安寨段的烴源巖及原油的研究多集中于三環(huán)萜烷的分布特征及影響因素，尚無三環(huán)萜烷對沉積環(huán)境的指示意義的研究.筆者在對大安寨段烴源巖及原油樣品進(jìn)行常規(guī)地球化學(xué)分析的基礎(chǔ)上，通過與前人研究結(jié)果的分析對比，揭示淡水環(huán)境烴源巖及原油中C19+20TT、C21TT、C23TT 相對百分含量的分布特征，并主要討論C19—C23三環(huán)萜烷分布對大安寨段沉積環(huán)境及母質(zhì)來源的影響，以期為研究區(qū)的油氣勘探提供依據(jù).

1 地質(zhì)背景和樣品實驗

四川盆地是中國西南部重要的含油氣盆地，在寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)等時期經(jīng)歷了多期復(fù)雜的構(gòu)造運動，形成了四面造山帶的構(gòu)造格局［9］.盆地東北和西北分別以大巴山褶皺帶和龍門山褶皺帶為界，東南和西南分別以大婁山褶皺帶和大相嶺褶皺帶為界［10］（圖1）.本研究的對象為川中侏羅系大安寨段，主要分布在盆地中部.川中地區(qū)自晚三疊世開始進(jìn)入陸相沉積階段，經(jīng)歷了印支運動早晚幕后，龍門山、大巴山相繼抬升，婁山與江南古陸連為一體，進(jìn)入“環(huán)形凹陷”演化階段［11-13］.中侏羅世早期四川盆地南部因燕山運動早幕抬升運動的影響，在大安寨段沉積之后，至沙溪廟組沉積前，四川盆地經(jīng)歷了大安寨段、涼高山組兩次較大規(guī)模的湖盆沉降抬升活動，盆周隆起，構(gòu)成西南高、東北低的古構(gòu)造格局，凹陷中心由大安寨時期的儀隴-平昌-達(dá)縣一帶移至達(dá)縣地區(qū)［14-16］.晚侏羅世晚期，龍門山進(jìn)一步抬升，四川盆地物源供應(yīng)充分［17］.

圖1 四川盆地及采樣井位分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［9-10］修編）Fig.1 Distribution of sampling wells in Sichuan Basin（Modified from References［9-10］）1—鉆井（borehole）；2—剖面（section）；3—地名（place name）；4—取樣井（sampling well）；5—盆地邊界（basin boundary）；6—構(gòu) 造 帶（tectonic zone）

研究樣品采自川中油氣區(qū)取樣井的大安寨段烴源巖.將采集的烴源巖樣品進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行粉碎處理，再將粉末樣品放入烤箱進(jìn)行烘干.首先對烴源巖樣品進(jìn)行有機(jī)碳、鏡質(zhì)體反射率分析，獲取樣品基礎(chǔ)信息；然后基于傳統(tǒng)的索氏提取法提取72 h，獲取氯仿瀝青“A”；然后再把烴源巖的氯仿瀝青“A”和原油樣品進(jìn)行柱層析分離，對飽和烴和芳烴進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析.氣相色譜分析試驗過程依據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T13610—2014，采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的7890A 色譜儀進(jìn)行，該儀器配備熱導(dǎo)檢測器和火焰離子化檢測器（FID）.烘箱溫度設(shè)定為以4 ℃/min的速率從40 ℃升高到300 ℃，然后在300 ℃下保持20 min.使用帶有50 m × 0.25 mm 熔融石英毛細(xì)管柱的GC-MS（氣相色譜質(zhì)譜）分析儀，氣相色譜儀直接連接到離子源（電子能量電離電壓70 eV，發(fā)射電流100 mA，界面溫度250 ℃）［18-19］.

2 結(jié)果與討論

2.1 烴源巖與原油地球化學(xué)特征

大安寨段沉積相帶具有明顯的環(huán)帶狀分布特征，湖盆中心發(fā)育暗色泥頁巖為主的烴源巖，向外圍隨著湖水變淺，烴源巖厚度逐漸減薄，生油條件也逐漸變差，大安寨段烴源巖分布范圍廣［20-22］.烴源巖樣品TOC分布范圍為1%～2%，生烴潛量（S1+S2）分布范圍為2×10-3～10×10-3，為中等—好烴源巖.HI 分布于150×10-3～300×10-3，指示有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型到Ⅲ型，以Ⅱ型為主.正構(gòu)烷烴分布特征呈單峰態(tài)均勢分布，碳數(shù)分布介于nC12—nC35，主峰碳為C18—C24，輕重比C21-/C22+值均大于1.0，指示有機(jī)質(zhì)來源為湖相低等水生生物及高等植物貢獻(xiàn).Ro介于0.5%～1.5%，Tmax分布范圍為440～480 ℃，正構(gòu)烷烴無明顯奇偶優(yōu)勢，指示烴源巖處于成熟階段.烴源巖Pr/Ph 值分布于1.2～2.0，呈較明顯的姥鮫烷優(yōu)勢，指示其沉積于偏氧化的環(huán)境（圖2）.

圖2 大安寨段烴源巖及原油正構(gòu)烷烴分布特征Fig.2 Distribution characteristics of n-alkanes in source rocks and crude oil of Da’anzhai Member

大安寨段原油正構(gòu)烷烴分布完整，均為單峰態(tài)均勢型的分布，碳數(shù)分布范圍為nC13—nC34，多數(shù)樣品主峰碳為nC23，無明顯奇偶優(yōu)勢，指示原油成熟度較高.姥植比介于1.1～1.41，表明其源巖沉積于弱還原環(huán)境，沉積水體具有一定的深度，母質(zhì)來源為混源有機(jī)質(zhì)，既有低等的水生生物，又存在高等的陸源植物（圖2）.

2.2 烴源巖與原油三環(huán)萜烷分布特征及差異性

在飽和烴m/z 191 質(zhì)量色譜圖中可清晰地檢測出C19—C29三環(huán)萜烷.完整且豐度較高的C19—C29三環(huán)萜烷系列一般指示低等生物藻類的貢獻(xiàn)，不完整的C19—C29三環(huán)萜烷和高含量的四環(huán)萜烷系列通常存在于微生物活動強(qiáng)烈的煤系烴源巖及其生成的原油中［23］.在大安寨段烴源巖三環(huán)萜烷的分布中，大部分樣品三環(huán)萜烷系列化合物分布呈現(xiàn)出以C21為主峰的近正態(tài)分布，C23三環(huán)萜烷含量較低（圖3）.川中大安寨段原油樣品的低三環(huán)萜烷含量、以C21為主峰碳的特征，均指示其原始有機(jī)質(zhì)以淡水湖相輸入為主.C24四環(huán)萜烷的相對含量也與沉積環(huán)境相關(guān).一般而言，陸源烴源巖和相關(guān)的原油中具有相對較高的C24四環(huán)萜烷，C24TeT/C26TT 值介于1.33～1.63，表明大安寨段烴源巖的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定.

圖3 大安寨段烴源巖與原油C19—C26 三環(huán)萜烷分布特征Fig.3 Distribution characteristics of C19-C26 tricyclic terpanes in source rocks and crude oil of Da’anzhai Member

如圖3 所示，大安寨段烴源巖樣品C19+20三環(huán)萜烷占優(yōu)勢，少部分樣品C23三環(huán)萜烷占優(yōu)勢.C24四環(huán)萜烷也存在兩種不同的分布特征：一部分樣品的C24TeT/C26TT 值介于1.04～2.08，四環(huán)萜烷的豐度明顯高于C26三環(huán)萜烷，而其余樣品的C24TeT/C26T 比值小于1，表明四環(huán)萜烷的豐度較低.大安寨段原油三環(huán)萜烷系列分布特征相近，大部分樣品C19—C29三環(huán)萜烷呈現(xiàn)C21優(yōu)勢，其他三環(huán)萜烷分布完整，C24TeT/C26TT 值介于1.33～1.63.值得注意的是，PL10 井大安寨段烴源巖頂?shù)變啥蔚拇笠粊喍巍⒋笕齺喍我越闅せ規(guī)r為主，大一亞段、大三亞段的中部以黑色泥巖為主，樣品具有更高的C19TT 和C20TT 含量，指示具有更高比例的陸源高等植物母質(zhì)輸入.川中大安寨段不同地區(qū)烴源巖和原油三環(huán)萜烷系列分布特征，表明其形成于水體較淺、還原相對較弱的環(huán)境，指示其母質(zhì)來源于陸源高等植物和低等水生生物的雙重貢獻(xiàn).

2.3 三環(huán)萜烷在指示沉積環(huán)境中的應(yīng)用

為了進(jìn)一步證實研究結(jié)論，將其與前人對淡水湖相烴源巖和原油的研究成果進(jìn)行對比.三環(huán)萜烷對于區(qū)分各套烴源巖特征具有明顯指示作用，其中C23/C21三環(huán)萜烷可以反映水體咸化程度的差異，通常水體越咸化，C23三環(huán)萜烷越富集.準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷［24］二疊系下烏爾禾組瑪東、瑪西地區(qū)烴源巖和佳木河組夏子街和中拐地區(qū)的烴源巖樣品指示，烏爾禾組及佳木河組烴源巖C21三環(huán)萜烷為高峰，C23/C21三環(huán)萜烷與C21/C20三環(huán)萜烷的相對含量均較低，成熟度相對大安寨段較低，咸化程度較高于大安寨段，總體來說其水體環(huán)境為相對淡水的弱還原環(huán)境（圖4）.

圖4 淡水湖相烴源巖和原油C23/C21 與C21/C20 三環(huán)萜烷關(guān)系圖Fig.4 Relationship between C23/C21 and C21/C20 tricyclic terpanes in source rocks and crude oil of freshwater lake facies1—瑪湖凹陷佳木和組烴源巖（source rock of Jiamuhe fm.in Mahu sag）；2—瑪湖凹陷烏爾禾組烴源巖（source rock of Wuerhe fm.in Mahu sag）；3—公山廟大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Gongshanmiao oilfield）；4—八角場大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Bajiaochang gas field）

Ph/nC18-Pr/nC17交會圖（圖5）顯示，烏爾禾組樣品成熟度較高，佳木河組烴源巖TOC 和熱解數(shù)據(jù)整體更差，處于高熟—過熟的演化階段，樣品總體上分布于過渡環(huán)境區(qū)域，指示其母質(zhì)來自陸源高等植物和低等水生生物的雙重貢獻(xiàn).準(zhǔn)噶爾盆地阜康斷裂帶二疊系蘆草溝組［25］原油的Pr/nC17值和Ph/nC18值比川中地區(qū)侏羅系大安寨段相對較大，大安寨段成熟度相對較高，但蘆草溝組原油樣品整體也分布于過渡環(huán)境區(qū)域，表明生烴母質(zhì)形成于較封閉的湖相還原環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)兼有陸源有機(jī)質(zhì)和低等水生生物的貢獻(xiàn).

圖5 淡水湖相烴源巖和原油Ph/nC18-Pr/nC17 交會圖Fig.5 The Ph/nC18-Pr/nC17 crossplot for source rocks and crude oil of freshwater lake facies1—阜康斷裂帶蘆草溝組油（oil of Lucaogou fm.in Fukang fault zone）；2—瑪湖凹陷佳木和組烴源巖（source rock of Jiamuhe fm.in Mahu sag）；3—瑪湖凹陷烏爾禾組烴源巖（source rock of Wuerhe fm.in Mahu sag）；4—公山廟大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Gongshanmiao oilfield）；5—八角場大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Bajiaochang gas field）

根據(jù)前人研究的遼河盆地、塔里木盆地、非洲乍得Bonger 盆地、蘇丹Muglad 盆地等不同盆地的淡水湖相烴源巖和原油［26］，以及阜康斷裂帶二疊系蘆草溝組原油，發(fā)現(xiàn)整體上C19—C23三環(huán)萜烷大多具有C21TT 優(yōu)勢，其相對百分含量較高，分布范圍廣，平均值為35%，而C19+20TT 和C23TT 的相對百分含量均較低，分別為15%～50%和20%～40%.如圖6 所示，不同盆地的淡水湖相烴源巖及原油樣品在C19+20TT-C21TT-C23TT三角圖中整體上聚在一起，C20-C21-C23三環(huán)萜烷組成特征與大安寨段原油樣品分布相似，進(jìn)一步證實了前文所述三環(huán)萜烷對于川中侏羅系大安寨段的烴源巖及原油樣品沉積環(huán)境具有很好的指示意義.

圖6 淡水湖相烴源巖和原油中C19+20TT、C21TT 和C23TT的相對百分含量Fig.6 Relative percentages of C19+20TT，C21TT and C23TT contents in source rocks and crude oil of freshwater lake faciesA—海相/咸水湖相（marine/saline lake facies）；B—淡水-微咸水湖相（freshwater-brackish water lake facies）；C—沼澤相（swamp facies）；D—河流/三角洲相（fluvial/delta facies）；1—塔里木盆地煤系烴源巖（coal measure source rock in Tarim Basin）；2—遼河盆地淡水湖相烴源巖（source rock of freshwater lake facies in Liaohe Basin）；3—Muglad 盆地淡水湖相原油（crude oil of freshwater lake facies in Muglad Basin）；4—Bonger 盆地淡水湖相烴源巖（source rock of freshwater lake facies in Bonger Basin）；5—公山廟大安寨段 油（oil of Da’anzhai mem.in Gongshanmiao oilfield）；6—八角場大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Bajiaochang gas field）；7—金華大安寨段油（oil of Da’anzhai mem.in Jinhua）；8—阜康斷裂帶蘆草溝組油（oil of Lucaogou fm.in Fukang fault zone）

綜上所述，應(yīng)用三環(huán)萜烷分布特征指示沉積環(huán)境具有一定的現(xiàn)實意義，川中大安寨段沉積環(huán)境偏弱還原，母質(zhì)兼有湖相低等水生生物及高等植物輸入，烴源巖及原油中三環(huán)萜烷以C21為主峰碳，C19+20和C23的相對百分含量較低，表現(xiàn)出原始有機(jī)質(zhì)以淡水湖相沉積為主.

3 結(jié)論

1）四川盆地侏羅系大安寨段烴源巖及相關(guān)原油中三環(huán)萜烷表現(xiàn)出以C21為主峰碳，C19+20和C23的相對百分含量較低，烴源巖樣品較原油樣品具有更高的C19TT和C20TT 含量，指示有更高比例的陸源高等植物母質(zhì)輸入.正構(gòu)烷烴系列分布完整且不具明顯的奇偶優(yōu)勢，姥植比較低，指示了烴源巖及原油形成于氧化—弱還原的淡水環(huán)境.

2）結(jié)合前人對淡水湖相的烴源巖和原油的研究成果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，淡水環(huán)境下的烴源巖與原油C20-C21-C23三環(huán)萜烷組成特征相似，均呈現(xiàn)出以C21為主峰的近正態(tài)分布，低C23三環(huán)萜烷含量，有機(jī)質(zhì)輸入兼有湖相低等水生生物及高等植物貢獻(xiàn)，與三環(huán)萜烷在判識沉積環(huán)境及有機(jī)質(zhì)來源方面結(jié)果一致，表明三環(huán)萜烷系列生物標(biāo)志物具有較好的應(yīng)用效果，可作為研究區(qū)有機(jī)質(zhì)輸入類型、沉積環(huán)境的有效判識指標(biāo).