車排子凸起東翼石炭系稠油特征及成因分析

徐佑德

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257015)

0 引 言

車排子凸起位于準噶爾盆地西北緣，在構造上屬于準噶爾盆地西部隆起，西北部緊鄰扎伊爾山，東以紅車斷裂帶為界、與沙灣凹陷及中拐凸起相接，西南以艾卡斷裂為界、與四棵樹凹陷相鄰。車排子凸起東翼石炭系火山巖是近幾年油氣勘探的重要增儲領域，中國石化探區(qū)共發(fā)現(xiàn)石油儲量7 300多萬噸。石炭系目前發(fā)現(xiàn)的油藏具有埋藏淺、油質(zhì)稠等特點。前人對車排子凸起稠油研究相對較少，且多針對中、新生界儲層中的稠油，余琪祥等[1]認為稠油主要來自于東部沙灣凹陷二疊系烴源巖，經(jīng)紅車斷裂帶運移至研究區(qū)，大致經(jīng)歷了白堊紀晚期、喜山晚期兩期油氣充注，原油在運移和聚集成藏過程中遭受大氣水淋濾、氧化及嚴重生物降解，導致稠油形成；趙曉東等[2]認為沙灣組稠油主要是輕質(zhì)油經(jīng)過氧化、邊底水的沖洗和微生物降解而形成；張枝煥等[3]通過對中、新生界原油地球化學特征進行分析，認為稠油成因為生物降解作用；趙子俊[4]認為石炭系原油經(jīng)過長距離搬運，輕質(zhì)組分蒸發(fā)、逸散，聚集成藏后受邊底水的沖洗和微生物的降解作用不斷稠化，最終形成稠油，但沒有提供典型的地球化學證據(jù)?？傮w上，目前對車排子東翼石炭系稠油分布規(guī)律、成因機理認識不清，制約了該區(qū)下步勘探部署。在對車排子凸起東翼石炭系稠油基本特征研究的基礎上，采用地質(zhì)、地球化學等技術手段，選取研究區(qū)9口石炭系重點探井油樣進行地球化學分析，闡明稠油地質(zhì)和地球化學特征，揭示稠油成因機理，為該區(qū)下步勘探部署提供借鑒。

1 稠油特征

1.1 原油物性

研究區(qū)石炭系原油主體屬于高黏度原油、重質(zhì)油，但黏度變化較大，為38.5～48 990.0 mPa·s；含蠟量為0.65%～8.09%，其中，多數(shù)含蠟量低于1.50%，屬低含蠟原油；含硫量為0.06%～0.20%，屬于典型的低硫原油。平面上，車排子凸起東翼石炭系原油密度也呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，東部相對較稀，西部較稠。原油密度與黏度總體上呈指數(shù)正相關，同時，原油密度與埋深有較好的相關性，隨著埋深的增加，原油密度減小，表明淺層地質(zhì)作用對原油組成具有顯著影響。

1.2 原油族組成

原油族組成是反映油氣成因與來源的重要基礎參數(shù)[5]，對采集的9件原油樣品進行了族組成分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)原油與鄰區(qū)紅車斷裂帶樣品[6]相比，具有相對低飽和烴含量(44.45%～64.38%)，高非烴與瀝青質(zhì)含量(16.27%～34.94%)，以及較低的飽和烴與芳烴比值(1.92～4.88)。原油密度與非烴和瀝青質(zhì)含量呈現(xiàn)良好的正相關性，而與總烴含量呈負相關性，展示出原油化學組成對物性的影響。

1.3 原油飽和烴組成

1.3.1 原油鏈烷烴組成

原油的飽和烴總離子流譜圖具有高度相似的特征，譜圖基線呈現(xiàn)明顯的“鼓包”狀態(tài)，反映色譜分析未分辨的復雜混合物的主要成分是環(huán)烷烴及異構烷烴，稱之為UCM峰，該現(xiàn)象通常作為原油遭受生物降解作用的標志。正構烷烴和類異戊間二烯烷烴損失嚴重，但仍可見不同程度的少許分布(圖1)。

1.3.2 甾萜類化合物分布

甾萜類化合物有相對較好的抗降解能力[7-10]，但不同類化合物之間存在差異。9個原油樣品均檢測出相對完整且豐富的三環(huán)萜烷及藿烷系列化合物，三環(huán)萜烷化合物的豐度普遍較高(圖2)。其中，排668、排60井等7口探井原油三環(huán)萜烷系列豐度要遠高于藿烷系列，而排665、排685井原油m/z217質(zhì)量色譜圖中以25-降藿烷為主峰，三環(huán)萜烷系列與藿烷系列豐度大體相當，但均損失嚴重。因此，可以看出車排子凸起東翼石炭系原油總體成熟度較高，且經(jīng)受了較強的生物降解作用，特別是排665、排685井降解最為嚴重。

同時，根據(jù)原油m/z217質(zhì)譜分析，石炭系原油均具有較高的孕甾烷和升孕甾烷，其中，排66、排661、排666井原油中孕甾烷和升孕甾烷含量略低于C27—C29規(guī)則甾烷系列，C21—C22與C27—C29甾烷值之比較小，為0.10，其余6口探井原油中孕甾烷和升孕甾烷豐度均遠高于C27—C29規(guī)則甾烷系列，甾烷系列幾乎消失殆盡，C21—C22與C27—C29甾烷值之比為0.35～0.89。除了可能存在較小的成熟度差異外，更重要的是其生物降解極為強烈，甾烷系列都發(fā)生了嚴重損耗。

1.4 三芳甾烷系列分布

三芳甾烷類具有非常強的抗生物降解能力。車排子地區(qū)石炭系原油中三芳甾烷系列分布非常相似，含量豐富，且分布完整，C20、C21三芳甾烷含量較低，均以C27三芳甾烷為主峰(圖3)。

圖1石炭系原油總離子流譜圖

圖2石炭系原油m/z217色質(zhì)譜圖

圖3石炭系原油m/z231色質(zhì)譜圖

2 稠油成因機理分析

稠油的形成主要包括原生型和次生型2種[11-16]。通過對研究區(qū)石炭系原油族組成及生物標志化合物特征進行剖析發(fā)現(xiàn)，生物降解作用是該區(qū)原油蝕變發(fā)生稠化的主要原因。為了對研究區(qū)稠油的形成機制提出全面合理的解釋，在重點討論原油生物降解作用的同時，也從氧化作用、水洗作用、擴散作用等其他的蝕變作用進行了分析。

2.1 生物降解作用

根據(jù)m/z191和m/z217色質(zhì)譜圖分析，研究區(qū)原油藿烷與甾烷均發(fā)生一定程度的生物降解。C21—C22甾烷具有與重排甾烷相近的較強的抗生物降解能力，因此，可以選取C21—C22甾烷及重排甾烷的相對豐度及其與規(guī)則甾烷的比值進行原油生物降解程度的判斷。同時，所有原油樣品均檢測到完整的25-降藿烷系列，并且C30藿烷的缺失與25-降藿烷的富集存在良好的相關性，使得C2925-降藿烷與C30藿烷比值成為藿烷降解與程度判定的有效證據(jù)[17]。由圖4可知，雖然三環(huán)萜烷具有高度的抗生物降解能力，通常在藿烷消除后依然保存下來，但由于研究區(qū)原油經(jīng)歷了劇烈的生物降解作用，其三環(huán)萜烷也受到了影響。隨著生物降解程度的增加，藿烷消耗殆盡，25-降藿烷逐漸成為主峰，同時，三環(huán)萜烷也逐漸發(fā)生降解?？傮w上，隨著降解程度的遞增，C21—C22甾烷及重排甾烷的相對豐度及其與規(guī)則甾烷的比值逐漸增加，C2925-降藿烷與C30藿烷比值也隨降解程度的增加而增大。

圖4 甾烷與藿烷參數(shù)判定原油生物降解程度

對研究區(qū)石炭系原油進行生物降解程度的定量分析表明，原油普遍經(jīng)歷了嚴重的生物降解改造，使得原油中正烷烴、類異戊間二烯烴等基本損失殆盡，藿烷和規(guī)則甾烷亦遭受重大損失，個別原油中抗生物降解非常強的重排甾烷、三環(huán)萜烷都受到了消耗。降解程度與原油密度、原油黏度呈良好的正相關性，進一步說明了生物降解是原油稠化的主要蝕變因素。

2.2 氧化作用

對車排子凸起東翼石炭系地層水性質(zhì)分析表明，研究區(qū)地層水礦化度較高，水型主要為CaCl2型，也存在NaHCO3型。CaCl2型地層水形成于地殼深部封閉性良好、水體交替停滯、利于油氣藏保存的還原環(huán)境。根據(jù)水型判斷研究區(qū)的油水界面處于偏還原環(huán)境中，但較低礦化度NaHCO3型地層水的存在，也反映局部地區(qū)可能有偏氧化環(huán)境。研究區(qū)地層水PH值顯示，地層水為中—堿性，密度較大的稠油PH值為6.5～7.5，此環(huán)境適宜大多數(shù)細菌生存。因此，研究區(qū)氧化作用對原油稠化的貢獻較小。

2.3 水洗作用

水洗作用會使得原油中溶解度高的組分含量減少甚至消失。原油族組分中飽和烴的溶解度要比芳烴的溶解度低得多，因此，可以根據(jù)原油中芳烴含量、飽和烴與芳烴含量比值判斷水洗作用對原油稠化的影響[18-19]。研究區(qū)原油均經(jīng)歷嚴重的生物降解作用，在判斷水洗作用對原油密度的影響時，應排除生物降解作用的影響。因此，選取降解程度基本相同的排60、排61和排668井進行分析，研究結果表明，在降解程度基本相同的情況下，隨著原油密度的增加，芳烴含量下降，飽和烴與芳烴含量比值增加。水洗作用對原油稠化存在貢獻(表1)。

表1 降解程度基本相同的原油密度及飽和烴芳烴含量特征

結合研究區(qū)油水分布特征，認為研究區(qū)原油遭受水洗作用，但由于與細菌活動同處相同的深度或溫度帶，故其特征可能已被細菌作用掩蓋，從烴類的分布特征上不易識別。但是，從稠油密度的分布上可看出水洗作用的影響，如稠油密度最大的排662井正是地層水富集的油水并存帶，研究表明，地層水對原油進行了沖刷、溶解，進而加劇了蝕變作用的強度。

2.4 擴散作用

擴散作用即分子揮發(fā)和逸散的物理作用。這種作用主要發(fā)生在較淺部地層或地表，特別是瀝青脈或瀝青礦床往往標志著這種作用過程。對于研究區(qū)的稠油來說，其具有明顯的生物降解特征，且氧化作用及水洗作用均在劇烈的生物降解作用下難以明顯識別，而且根據(jù)研究區(qū)地層水水型判斷研究區(qū)稠油成藏后所在環(huán)境多數(shù)為較為封閉的偏還原環(huán)境，故擴散作用對原油稠化的貢獻較小。

3 原油充注方向與稠化模式

油氣運移是貫穿整個成藏過程的紐帶，油氣運移路徑和方向的識別對于確認有利富集區(qū)至關重要。在油藏的充注過程中，后期成熟度較高的原油驅(qū)動先期成熟度較低的原油，以“波陣面”的推進方式，持續(xù)向前運移、充注，直到充注過程全部完成，從而導致油藏內(nèi)部原油存在一定的成熟度差異，以及原油化學組成、物理性質(zhì)的非均質(zhì)性。因此，可以依據(jù)先、后期注入原油的成熟度的微細差異，表征原油的運移、充注過程，即從原油成熟度相對較高的部位，向成熟度相對較低部位的指向或路線，可以示蹤石油運移、油藏充注的方向與途徑；油藏內(nèi)成熟度最高的地點最接近于烴源灶的位置，可以標志油藏充注點的位置所在[20-21]。

3.1 示蹤參數(shù)的優(yōu)選

由于研究區(qū)稠油生物降解嚴重，有些生物標志物消耗殆盡，無法識別，而有些生物標志物雖然可以識別，但是受到生物降解影響顯著，已不能準確代表其原始地球化學意義。故必須首先對其是否可以作為有效示蹤油氣運移路徑的參數(shù)進行分析討論。

由于藿烷、規(guī)則甾烷系列化合物遭受到不同程度的生物降解改造，不能準確反映其成熟演化程度。因此，針對抗生物降解能力極強的重排甾烷，特別是基本沒受到生物降解影響的三芳甾烷進行了分析，顯示示蹤效果較好。因此，主要選用三芳甾類(Ⅰ)/三芳甾類(Ⅰ+Ⅱ)、C26TAS20S/(20S+20R)、C28TAS20S/(20S+20R)進行油氣運移示蹤分析。在較高成熟度條件下這3項參數(shù)比單芳甾烷更為靈敏，沿油氣運移方向上其比值逐漸減小。

分析表明，研究區(qū)石炭系原油主要有2個充注方向：一是從排661井東南向西部排666井、北部排66井運移；二是從排668井南部沿排663井、排685井向北部運移(圖5)，在運移過程中原油密度逐漸增大，表明運移過程中發(fā)生了原油的稠化。南、北方向各井位密度較大，表明原油聚集成藏后，也發(fā)生了成藏后階段的稠變。

圖5原油生物標志化合物示蹤油氣充注路徑與方向(底圖為石炭系頂面構造圖)

3.2 油氣充注與原油稠化模式

結合油氣成藏期次研究及構造演化[22]，認為車排子凸起東翼石炭系原油主要經(jīng)歷了以古近紀和新近紀兩期構造拉伸引起油藏平衡條件改變而發(fā)生調(diào)整運移過程中的2次稠化過程。

3.2.1 古近紀末石炭系首次油氣充注成藏

紅車斷裂自二疊紀晚期至今一直保持著繼承性活動；侏羅系毯砂形成于扇三角洲前緣水下分流河道微相，是一套厚度大、平面分布面積廣、中高孔、中高滲的優(yōu)質(zhì)輸導毯，可長時間作為高效的橫向運移通道。通過紅車斷裂和侏羅系毯砂復合輸導體系，沙灣凹陷二疊系烴源巖和車排子凸起東翼石炭系圈閉建立了良好的源圈關系。

古近紀末發(fā)生的構造拉伸產(chǎn)生了大量正斷裂，導致原生油藏平衡條件改變，油氣沿著紅車斷裂向上運移，至石炭系不整合淋濾帶橫向運移，并在控圈斷裂橫向運移終止，在石炭系頂面?zhèn)认蜻\移至不整合淋濾帶。石炭系頂面風化殼不整合面，不整合面上底礫巖的連通孔隙和半風化巖石的風化裂縫系統(tǒng)構成了油氣運移的雙重通道，在這種長距離、活動劇烈、嚴重開啟的運移路徑上，原油的生物降解作用、氧化作用、水洗作用等都比較強烈，使得石炭系原油劇烈稠變而形成高密度、高黏度稠油油藏。

3.2.2 新近紀末石炭系第二期充注成藏

新近紀車排子地區(qū)北部差異抬升，構造格局由南高北低逐漸演變?yōu)楸备吣系?。紅車斷裂帶及鄰區(qū)的油藏再次調(diào)整改造，通過封閉能力相對較弱的紅車斷裂南部向車排子凸起石炭系進行二次充注，主要由排662井沿著斷裂一直向北運移(排668、排683、排685、排60井)至排687井；另一方面，部分地區(qū)第一期充注形成的油氣藏由于發(fā)生構造調(diào)整，使得部分油藏中的油氣沿斷裂和不整合面向北部構造高部位發(fā)生調(diào)整運移，至排672井一線。因此，在北部構造高部位普遍接受了兩期油氣充注(排672、排687井)，但二者的兩期混合來源存在差異。由于再次運移的指向為凸起構造高部位的北部、西部，油藏埋深較淺，溫度、壓力較低，系統(tǒng)開啟，原油的生物降解作用、氧化作用、水洗作用繼續(xù)使原油稠化，氣體或輕質(zhì)組分不斷發(fā)生揮發(fā)擴散，使運移距離愈長的原油愈稠、密度愈大。因此，研究區(qū)東南部是石炭系生物降解作用相對較弱、原油物性相對較好的有利區(qū)域。

4 結 論

(1) 研究區(qū)石炭系原油主體屬高密度、高黏度、低蠟、低硫稠油，平面上呈現(xiàn)西稠東稀、北稠南稀的特點，縱向上原油密度隨著埋深的增加而減小。

(2) 嚴重的生物降解作用是區(qū)內(nèi)石炭系原油稠化的主要因素，氧化作用、水洗作用對原油稠化的影響較小。

(3) 研究區(qū)石炭系原油經(jīng)歷了兩期充注與稠化過程，分別為古近紀末、新近紀末，充注方向為自東向西、自南而北，主要是紅車斷裂帶構造拉張產(chǎn)生系列小斷層，破壞了油藏平衡，古油藏調(diào)整后充注成藏，運移過程中遭受嚴重生物降解形成稠油。