冷湖地區(qū)油砂有機(jī)地球化學(xué)特征

梁曉飛，曹占元，吳遠(yuǎn)東，賀 聰，張曉寶

(1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

?

冷湖地區(qū)油砂有機(jī)地球化學(xué)特征

梁曉飛1，2，曹占元2，吳遠(yuǎn)東1，2，賀 聰1，2，張曉寶1

(1.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

柴達(dá)木盆地是中國(guó)油砂資源最為豐富的含油氣盆地之一，對(duì)油砂有機(jī)地球化學(xué)特征研究甚少。依據(jù)油砂生物標(biāo)志化合物指標(biāo)，以探明冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來(lái)源、沉積環(huán)境及成熟度。通過(guò)對(duì)柴北緣冷湖地區(qū)五號(hào)構(gòu)造帶古近系上干柴溝組8個(gè)油砂樣品的質(zhì)譜、色譜分析顯示，油砂常規(guī)甾烷呈不對(duì)稱(chēng)“V”字型分布，ΣC21-與ΣC22+的比值為0.73～2.16，4-甲基甾烷與常規(guī)甾烷比值為0.051～0.143，反映母質(zhì)來(lái)源為水生生物和高等植物混源；C29ββ與C29(ββ+αα)的比值為0.350～0.532，C29ααα-20S與C2920(S+R)的比值為0.397～0.493，Ts與Tm的比值為1.106～1.148，C30βα與C30αβ的比值為0.082～0.189，反映油砂樣品已達(dá)到成熟階段。伽馬蠟烷與0.5C31霍烷比值較低為0.117～0.423，且升霍烷未出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象，反映油砂源巖為淡水沉積環(huán)境。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷較發(fā)育，說(shuō)明其烴源巖與煤系有直接關(guān)系。該研究成果為冷湖地區(qū)油砂下一步勘探開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

地球化學(xué)；母質(zhì)類(lèi)型；沉積環(huán)境；成熟度；色譜質(zhì)譜；油砂；冷湖地區(qū)

0 引 言

油砂又稱(chēng)為焦油砂，由巖石或砂粒、水和稠油組成，其作為一種常規(guī)資源的替代能源近十多年已在世界許多地區(qū)得到開(kāi)發(fā)利用。中國(guó)對(duì)油砂的勘查程度較低，經(jīng)過(guò)新一輪油砂資源地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國(guó)油砂主要集中在各大沉積盆地，包括塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、羌塘盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和準(zhǔn)噶爾盆地。目前，中國(guó)積極開(kāi)展油砂資源開(kāi)發(fā)利用研究工作，在多個(gè)盆地進(jìn)行油砂試開(kāi)采加工，并取得一定經(jīng)濟(jì)效益。柴達(dá)木盆地是中國(guó)油砂主要聚集地之一。盆地地表油砂主要分布在西部坳陷區(qū)(柴西)和北緣斷塊帶(柴北緣)，柴北緣冷湖油砂具有代表性且資源量可觀(guān)。通過(guò)對(duì)冷湖地區(qū)油砂淺鉆井樣品有機(jī)地球化學(xué)分析，系統(tǒng)闡述了其沉積環(huán)境、母質(zhì)類(lèi)型及熱演化程度等有機(jī)地球化學(xué)特征。

1 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地劃分為柴西隆起、一里坪坳陷、三湖坳陷和柴北緣隆起4個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。冷湖五號(hào)構(gòu)造地處柴達(dá)木盆地北緣斷塊帶西段，其西為阿爾金山，北為南祁連山脈的賽什騰山。冷湖五號(hào)構(gòu)造處于冷湖反“S”形構(gòu)造帶由北向南轉(zhuǎn)折的部位[1]。冷湖五號(hào)構(gòu)造是一個(gè)被西傾大斷層切割而復(fù)雜化的背斜構(gòu)造，其與冷湖四號(hào)、六號(hào)構(gòu)造以鞍部相連。構(gòu)造高部位出露地層為上干柴溝組(N1)，到構(gòu)造翼部地層變新，主要為下油砂山組(N21)地層。通過(guò)野外地質(zhì)勘查共發(fā)現(xiàn)7處油砂出露點(diǎn)，厚度為1.0～1.5 m，油砂最大單層厚度約為1.5 m。其巖性為厚層狀至塊狀砂巖和含礫砂巖，以油浸含礫砂巖為主。

2 樣品分析

研究區(qū)8塊油砂樣品均取自柴北緣冷湖地區(qū)LW-2井上干柴溝組(N1)。樣品采集后采取低溫保存，避免烴類(lèi)揮發(fā)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

首先將樣品粉碎至100目，經(jīng)氯仿抽提并沉淀瀝青質(zhì)后，再用硅膠(氧化鋁)分離可溶瀝青質(zhì)。飽和烴、芳香烴、非烴分別用正己烷、甲苯、乙醇沖洗獲得。所得飽和烴用色譜質(zhì)譜儀(GC-MS)進(jìn)行分析鑒定。色譜儀型號(hào)為6 890 N，色譜柱為HP-5(30 m×0.25 mm)，進(jìn)樣口溫度為280 ℃，載氣為氦氣。起始溫度為80 ℃，以4 ℃/min速率升溫至290 ℃，恒溫30 min。質(zhì)譜儀型號(hào)為5 973 N，離子源溫度為：250 ℃，電子能量為70 eV[2]。

3 結(jié)果與討論

3.1 族組分

油砂樣品族組分分析結(jié)果顯示(表1)，冷湖油砂樣品中飽和烴含量為40%～83%，平均為69%；芳烴含量為3%～12%，平均為8%；非烴含量為4%～56%，平均為21%；瀝青質(zhì)含量為1%～3%，平均為2%。

表1 油砂抽提物分析資料

3.2 油砂油母質(zhì)來(lái)源

油砂油正構(gòu)烷烴組成與分布常用于反映其母質(zhì)輸入類(lèi)型，∑C21-與∑C22+的比值常用于判別母質(zhì)類(lèi)型，該值越大，表明浮游植物對(duì)母質(zhì)的貢獻(xiàn)越大[3-6]。冷湖油砂樣品正構(gòu)烷烴呈單駝峰分布，碳數(shù)分布為C12—C38，主峰分布在C18前后；∑C21-與∑C22+的比值為0.73～2.16(表2)，2個(gè)樣品顯示為高碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢(shì)，其余樣品顯示為低碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢(shì)，反映浮游動(dòng)植物和高等植物為重要母質(zhì)輸入。

表2 油砂中正構(gòu)烷烴和類(lèi)異戊二烯分析資料

∑(C27+C29)與∑C31+的比值是判識(shí)樣品有機(jī)質(zhì)母質(zhì)類(lèi)型的重要參數(shù)，C27和C29藿烷主要是陸源母質(zhì)的貢獻(xiàn)，C31以后的長(zhǎng)鏈藿烷主要來(lái)源于藻類(lèi)及細(xì)菌微生物[7]。該比值越大，表明陸源貢獻(xiàn)大；該比值越小，表明浮游植物貢獻(xiàn)大。冷湖油砂∑(C27+C29)與∑C31+的比值為0.974～1.304，平均值為1.046(表3)，反映高等植物和浮游植物母質(zhì)輸入相當(dāng)。

表3 飽和烴中三環(huán)、四環(huán)和五環(huán)萜烷化合物參數(shù)

甾烷類(lèi)物質(zhì)因具特殊碳骨架而顯示較好熱穩(wěn)定性，在地質(zhì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)組成較不易遭受破壞，能夠較好反映生源物質(zhì)組成，故其常用于母質(zhì)類(lèi)型的判定。甾烷類(lèi)物質(zhì)來(lái)源于甾醇化合物，不同甾醇化合物存在于不同生物之中。一般浮游動(dòng)植物富含C27膽甾醇，高等植物富含C29豆甾醇，C27、C28、C29甾烷的相對(duì)含量反映其母質(zhì)類(lèi)型[8-9]。圖1顯示，

圖1 油砂規(guī)則甾烷分布特征

冷湖油砂分布較集中，位于混合源區(qū)，反映源巖成烴母質(zhì)浮游動(dòng)植物和高等植物均為重要組成成分。同時(shí)圖2顯示冷湖油砂常規(guī)甾烷呈不對(duì)稱(chēng)“V”字型分布，C27和C29常規(guī)甾烷含量相當(dāng)。

圖2 C29甾烷20S與(20S+20R)比值和C29甾烷ββ與(ββ+αα)比值關(guān)系

油砂油不但含有常規(guī)甾烷，而且含有相當(dāng)數(shù)量4-甲基甾烷和重排甾烷。已有研究結(jié)果表明，4-甲基甾烷常來(lái)自藻類(lèi)[4，8]，油砂油4-甲基甾烷與常規(guī)甾烷比值為0.051～0.143(表4)，顯示藻類(lèi)是母質(zhì)組成重要成分。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發(fā)育，降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷主要來(lái)源于高等植物，且與煤系直接有關(guān)[10]。這些結(jié)果顯示，冷湖油砂母質(zhì)以浮游生物和高等植物組成為主，并有一定數(shù)量的藻類(lèi)輸入，且可能與煤系直接相關(guān)。

3.3 油砂油沉積古環(huán)境

冷湖油砂OEP值為0.96～1.10，平均值為1.03(表2)，表現(xiàn)為奇偶優(yōu)勢(shì)。Pr與Ph比值為1.16～1.42(表2)，顯示為姥鮫烷優(yōu)勢(shì)，表征了弱還原—弱氧化沉積環(huán)境[11]。Pr與nC17、Ph與nC18的比值可以很好地反映油砂的沉積環(huán)境。研究表明，冷湖油砂分布較集中，形成于淡水湖沼相沉積環(huán)境。伽馬蠟烷具有強(qiáng)的抗生物降解作用，具有很好的環(huán)境指示意義[12-13]。高鹽度環(huán)境下，伽馬蠟烷含量較高，且會(huì)出現(xiàn)升霍烷翹尾[9，14-15]。冷湖油砂顯示，伽馬蠟烷與0.5C31比值較低，為0.117～0.423，且升霍烷未出現(xiàn)翹尾(圖3)，反映淡水沉積環(huán)境。冷湖油砂∑三環(huán)與∑五環(huán)的比值為0.120～0.259，顯示為淡水環(huán)境，與伽馬蠟烷及升霍烷所表征環(huán)境一致。

表4 油砂中甾烷分析資料

3.4 油砂油成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度增加促使一些不穩(wěn)定生物標(biāo)志化合物向穩(wěn)定型轉(zhuǎn)變，故通過(guò)研究不同構(gòu)型生物標(biāo)志化合物的比值可以較好地反映成熟度[16]。用生物標(biāo)志化合物指示成熟度較為重要的指標(biāo)是C29ααα甾烷2種異構(gòu)體(20R、20S)，常用20S/20(R+S)比值。C29ααα甾烷20R是生物體原始構(gòu)型，隨有機(jī)質(zhì)趨于成熟20R逐漸向20S轉(zhuǎn)化[17]，當(dāng)20S/20(R+S)接近0.5時(shí)反應(yīng)趨于平衡狀態(tài)。另外，C29ααα甾烷20R和20S發(fā)生異構(gòu)化作用使ββ/(αα+ββ)比值逐漸增加直至達(dá)到平衡狀態(tài)(0.7左右)。C29ββ/(αα+ββ)與母質(zhì)無(wú)關(guān)，在高成熟階段具有更好的指示作用[18]。C29ββ/(αα+ββ)對(duì)20S/20(R+S)曲線(xiàn)在原油成熟度方面具較好指示作用。

圖3 冷湖油砂質(zhì)譜圖

冷湖油砂C29ααα-20S與20(S+R)比值為0.397～0.493(表4)，C29ββ與(ββ+αα)比值為0.350～0.532間(表4)，接近反應(yīng)平衡值，反映油砂已達(dá)到成熟。圖2顯示油砂樣品分布較集中。研究表明，βα-莫烷會(huì)隨著成熟度的增加逐漸向αβ-霍烷轉(zhuǎn)化，故βα-莫烷與αβ-霍烷比值越小指示成熟度越高[19-20]，當(dāng)βα-莫烷與αβ-霍烷比值小于0.15時(shí)，指示其已達(dá)到成熟階段。冷湖地區(qū)油砂樣品C30βα與C30αβ比值為0.082～0.189，指示冷湖油砂達(dá)到成熟階段。另外，18α(H)三降霍烷與17α(H)三降霍烷的比值、C31霍烷異構(gòu)體值和重排甾烷與常規(guī)甾烷比值均指示冷湖油砂達(dá)到成熟階段(表3、4)。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)冷湖地區(qū)油砂進(jìn)行生物標(biāo)志物組成及分布研究顯示，冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來(lái)源為混源母質(zhì)輸入，主要為高等植物和浮游生物，并有藻類(lèi)母質(zhì)輸入顯示。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發(fā)育，說(shuō)明其與煤系有直接關(guān)系。

(2) 冷湖地區(qū)油砂沉積古環(huán)境為淡水湖沼相，具有弱氧化—弱還原性，其成熟度已達(dá)到成熟階段。

(3) 通過(guò)對(duì)冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來(lái)源、沉積環(huán)境及成熟度的研究，表明了冷湖地區(qū)油砂油已達(dá)到成熟階段且飽和烴組分含量較高，埋深較淺，具有很好的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

[1] 門(mén)相勇，趙文智，余輝龍.柴達(dá)木盆地北緣冷湖地區(qū)油氣成藏條件研究與勘探建議[J].石油勘探與開(kāi)發(fā)， 2001， 28(4)：4-7.

[2] 陳琰，張敏，馬立協(xié)，等. 柴達(dá)木盆地北緣西段石炭系烴源巖和油氣地球化學(xué)特征[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2008，30(5)：512-517.

[3] 傅家謨，盛國(guó)英. 中國(guó)陸相原油的成因和生物標(biāo)志物組成特征[J]. 沉積學(xué)報(bào)，1991，9(5)：1-8.

[4] 段毅，張勝斌，鄭朝陽(yáng)，等. 鄂爾多斯盆地馬嶺油田延安組原油成因研究[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào)，2007， 81(10)：1407-1415.

[5] DUAN Y， WANG J， WU B， etal. Geochemical characteristics and genesis of crude oils from Gasikule oilfield in Western Qaidam Basin， China[J]. Geochemical Journal. 2009， 43(5)： 293-304.

[6] LI M W， LIN R Z， LIAO Y S， etal. Organic geochemistry of oils and condensates in the Kekeya Field， Southwest Depression of the Tarim Basin (China)[J]. Organic Geochemistry，1999，30(1)：15-37.

[7] 陳迎賓，胡燁，王彥青，等.柴達(dá)木盆地鄂博梁Ⅲ號(hào)構(gòu)造深層天然氣成藏條件[J].油氣地質(zhì)與采收率，2015，22(5) ： 34-39，63.

[8] DUAN Y， WANG C Y， ZHENG C Y， etal. Geochemical study of crude oils from the Xifeng oilfield of the Ordos basin， China[J]. Journal of Asian Earth Sciences. 2008，31(4)： 341-356.

[9] 施洋，包建平，朱翠山，等. 柴達(dá)木盆地西部七個(gè)泉與咸水泉油田原油地球化學(xué)特征對(duì)比研究[J]. 天然氣地球科學(xué)，2010，21(1)：132-138.

[10] 段毅，王智平，張輝， 等. 柴達(dá)木盆地原油烴類(lèi)地球化學(xué)特征[J]. 石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2004， 26(4)：359-364.

[11] 段毅，王傳遠(yuǎn)，鄭朝陽(yáng)，等. 柴達(dá)木盆地西部尕斯庫(kù)勒油田原油地球化學(xué)特征及成因[J]. 礦物巖石，2006，26(1)：86-91.

[12] 包建平，朱翠山，汪立群. 柴達(dá)木盆地西部原油地球化學(xué)特征對(duì)比[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2010，31 (3)：353-359.

[13] PHILP R P， Fan P， Lewis C A， etal. Geochemical characteristics of oils from the Chaidamu，Shanganning and Jianghan Basins，China[J].Journal of Sourtheast Asian Earth Science，1991，20(5)： 351-358.

[14] 高紅梅，高福紅，樊馥，等. 雞西盆地早白堊世烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)特征[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版)，2007，37(1)：86-90.

[15] 朱揚(yáng)明，蘇愛(ài)國(guó)，梁狄剛，等. 柴達(dá)木盆地咸湖相生油巖正構(gòu)烷烴分布特征及其成因[J]. 地球化學(xué)，2003，32(2)：117-123.

[16] 郭艷琴，李文厚，陳全紅，等. 鄂爾多斯盆地安塞—富縣地區(qū)延長(zhǎng)組—延安組原油地球化學(xué)特征及油源對(duì)比[J]. 石油與天然氣地質(zhì)，2006， 31(2)：218-224.

[17] 段毅，馬春林，余永進(jìn)，等. 鄂爾多斯盆地董志—正寧地區(qū)原油地球化學(xué)特征與成因[J]. 沉積學(xué)報(bào)，2011，29(5)：1002-1009.

[18] 張曉麗，段毅，何金先，等. 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)延長(zhǎng)組下油層組原油地球化學(xué)特征及油源對(duì)比[J]. 天然氣地球科學(xué)，2011， 22(5)：866-873.

[19] 曹占元，梁曉飛，張曉寶，等. 魚(yú)卡地區(qū)油砂礦地質(zhì)特征及其成礦模式[J]. 特種油氣藏，2015， 22(4)：47-50.

編輯 張 雁

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.008

20150922；改回日期：20151117

中國(guó)科學(xué)院2012年度“西部之光”人才計(jì)劃支持項(xiàng)目“馬海地區(qū)深層構(gòu)造特征及油氣藏成因類(lèi)型研究”(1308RJZA310)

梁曉飛(1988-)，男，2012年畢業(yè)于昆明理工大學(xué)資源勘查工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事石油與天然氣地質(zhì)研究工作。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0033-05