遼西凹陷A油田特稠油油藏成因探討

趙婷婷，徐長貴，陳保柱

(中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459)

原油分類指出，特稠油代表黏度分布在10000～50000mPa·s(50℃)、密度大于0.95g/cm3(20℃)， 且必須通過熱采技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的原油[1]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對特種重油進(jìn)行了大量研究，但是主要集中在特稠油的油品預(yù)測[2]、油源對比[3]和保存條件[4]等方面，對特種重油來源的研究相對較少。下面，筆者以遼西凹陷 A油田特稠油油藏為研究對象，綜合多種地質(zhì)資料和研究方法對其油源特征、稠化機(jī)制、成藏期和稠化期關(guān)系進(jìn)行了深入研究，明確了油藏形成的必要條件，有利于勘探目標(biāo)的優(yōu)化。

1 基本石油地質(zhì)特征

圖1 研究區(qū)A油田構(gòu)造位置

渤海海域遼東灣坳陷整體呈北東-南西向展布，古近系次級構(gòu)造單元自西向東依次為遼東凹陷、遼東隆起、遼中凹陷、遼西隆起和遼西凹陷，表現(xiàn)為“三凹兩凸”的特點(diǎn)[5～7]。A油田位于遼西凹陷南部(見圖1)，原油主要在淺層明化鎮(zhèn)組和館陶組的斷塊圈閉中聚集，形成典型大規(guī)模塊狀特稠油油藏，其儲集層主要為垂向上連續(xù)沉積的大套河流相砂巖。原油物性分析顯示，地面原油密度在1.004～1.011g/cm3(20℃)， 地面原油黏度為33595～74462mPa·s(50℃)。在東營組辮狀河三角洲前緣砂體中測井解釋基本上為含油水層和油水同層，未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模油氣聚集。已鉆井揭示，該油田油藏模式復(fù)雜，油水關(guān)系倒置，具有波狀起伏的油水界面，且油藏外含油邊界呈不規(guī)則的弧形。

2 特稠油生物標(biāo)志化合物和成藏期次特征

在遼東灣凹陷，沙河街組一段和三段(以下簡稱“沙一段”和“沙三段”)為2套重要的烴源巖[8]。 其中，在沙三段，飽和烴色譜、質(zhì)譜法測得較高含量的C30-4-甲基甾烷(m/z=217)和較低含量的伽馬蠟烷(m/z=191)，芳香族色譜質(zhì)譜法顯示出更高水平的C29-4-甲基-24-乙基三芳甾烷和C29-4，23，24-三甲基三芳甾烷(m/z=245)[9，10]。根據(jù)A油田館陶組飽和烴和芳香族生物標(biāo)志化合物的分析(見圖2(a))，原油飽和烴色譜質(zhì)譜顯示C30-4-甲基甾烷含量較高，伽瑪蠟烷烴含量較低。芳香族色譜質(zhì)譜顯示中等水平的 C29-4-甲基-24-乙基三芳甾烷和高C29-4，23，24-三甲基三芳甾烷，具有明顯的沙三段原油特征。

圖2 A油田原油色譜質(zhì)譜圖

通過對凹陷某處虛擬井的沙河街組中不同深度的烴源巖生烴史進(jìn)行模擬，研究區(qū)不同深度段的烴源巖在東營組末期(30～22Ma)、明化鎮(zhèn)組至現(xiàn)今(5～0Ma)發(fā)生了2次生排烴事件(見圖3)，東營組在末期生烴驅(qū)油規(guī)模較大，有利于砂體中原油的聚集。

圖3 烴源巖生排烴特征

圖4 A油田A-1井東營組有機(jī)包裹體均一溫度分布直方圖

同時，A油田東營組砂巖樣品中可檢出大量烴類包裹體。通過檢測東營組與油包裹體同期的鹽水包裹體均一溫度，結(jié)果表明為2期原油充注(見圖4)，第1期為55～65℃，第2期為65～75℃。利用埋藏史圖投影法[11]，最終得到第1期油氣成藏時間為28～25Ma(東營組沉積末期)，第2期成藏時間為5～0Ma(明化鎮(zhèn)組沉積晚期)，與烴源巖生排烴模擬結(jié)果相符。分析表明，在東營組沉積末期，原油首先在東營組儲集；在明化鎮(zhèn)組沉積期新構(gòu)造運(yùn)動的影響之后[12]，東營組已成藏的原油遭到破壞并再次運(yùn)移至館陶組和明化鎮(zhèn)組，并聚集成藏。從原油的色譜、質(zhì)譜特征來看，東營組原油飽和烴和芳烴的生物標(biāo)志物特征(見圖2(b))和館陶組原油具有一定的對比性。

3 特稠油成因分析

3.1 稠化機(jī)理

原油的稠化包括氧化、水洗和生物降解。從圖2(a)特稠油飽和烴色譜質(zhì)譜可知，在萜烷系列(m/z=191)中，C30藿烷嚴(yán)重降解，并且C25降藿烷含量顯著增加。原油酸值測定表明，特稠油總酸值高達(dá)7.6～9.0mg/g，遠(yuǎn)高于高酸值原油分級標(biāo)準(zhǔn)。對原油含硫量分析表明，隨著原油物性的變差，油質(zhì)的變稠，硫元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與原油密度及黏度呈正相關(guān)關(guān)系(見圖5)。A油田特稠油含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%～0.45%。硫元素的富集、硫酸鹽熱還原反應(yīng)(溫度要大于150℃)與生物降解(優(yōu)先消耗飽和烴，高分子量的雜元化合物很難降解)有關(guān)，但A油田地溫梯度較低，未發(fā)生硫酸鹽還原反應(yīng)。綜上所述，原油特征表明，A油田特稠油的形成主要是由生物降解造成的。

圖5 不同油田的原油物性隨硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

生物降解是一種廣泛存在的原油增稠效應(yīng)，在地層溫度小于100℃時廣泛存在。研究表明，生物降解包括厭氧和嗜氧菌降解[13]。根據(jù)A油田地層水的分析結(jié)果，淺層明化鎮(zhèn)組和館陶組地層水均為CaCl2型。地層封閉條件相對較好，與地表水溝通較差，因此缺乏有氧細(xì)菌作用的條件，原油主要表現(xiàn)為厭氧細(xì)菌的作用。從A油田周圍油田東營組原油伴生氣成分來看，甲烷氣(CH4)、二氧化碳(CO2)以及氮?dú)?N2)含量在原油發(fā)生稠化作用的深度段均出現(xiàn)增大的特征(見圖6)，主要是因?yàn)閰捬蹙褪妊蹙鷮μ細(xì)浠衔镉胁煌难趸捬蹙淖饔檬紫仁钱a(chǎn)生乙烷菌，其次是產(chǎn)甲烷菌，除了合成細(xì)胞質(zhì)成分和產(chǎn)生一些殘留物外，主要產(chǎn)物還有CH4、CO2等；嗜氧菌的主要產(chǎn)物是H2O和CO2，不產(chǎn)生CH4。

圖6 不同油田伴生氣相對體積分?jǐn)?shù)隨深度的變化特征

3.2 初步生物降解稠化

圖7 不同油田原油密度和黏度的變化關(guān)系圖

根據(jù)鉆井和巖心觀察，A油田明化鎮(zhèn)組油層上覆泥巖厚度非常薄，僅1.5～6.0m，館陶組上覆為砂礫巖，無泥巖蓋層。對于常規(guī)原油，根據(jù)計算，其封閉油柱的高度約為1m左右，因此蓋層幾乎沒有封閉能力，可見在聚集前A油田的油品性質(zhì)已經(jīng)變差，其密度接近于水且黏度大，否則油藏中的原油將在大規(guī)模聚集之前沿著上覆蓋層散失，故原油是先成藏、后降解、再進(jìn)一步稠化。根據(jù)成藏期次分析，東營組早期成藏為初步降解作用的發(fā)生提供了必要條件，在成藏之后，由于地層埋深相對較淺，因而遭受一定程度的生物降解，導(dǎo)致原油性質(zhì)初步變差，降低了對保存條件的要求，但又不至于影響原油的運(yùn)移。從周邊油田東營組原油的物性分析可以看出，東營組的原油密度主要分布在0.90～0.99g/cm3(20℃)，原油黏度主要分布在50～10000mPa·s(50℃)，已屬于稠油。此外，原油自身的演化過程也說明了早期稠化作用的發(fā)生，從A油田周邊油田東營組原油密度和黏度的變化關(guān)系來看，兩者有明顯的指數(shù)關(guān)系。以0.95g/cm3為界限，小于該數(shù)值時，隨著密度的增大黏度變化范圍在1000mPa·s以內(nèi)；超過該數(shù)值后，隨著密度增大黏度急劇增加，可以達(dá)到8000mPa·s(見圖7)。通過對油氣來源的分析，東營組儲層形成后，經(jīng)歷了一定程度的原油稠化，油品性質(zhì)已經(jīng)惡化，密度大幅增加，減小了對蓋層條件的要求，為淺層原油聚集創(chuàng)造了條件；同時，黏度的相對變化尚未達(dá)到現(xiàn)狀，對原油的運(yùn)移影響甚微。

3.3 二次稠化過程

在原油積累的第2階段，明化鎮(zhèn)組和館陶組的原油不可避免地遭受強(qiáng)烈的生物降解作用，使得原油物性快速達(dá)到現(xiàn)今狀態(tài)，否則基于上述對蓋層條件的分析，也難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的聚集。如果同一時期捕獲的同一類油源的碳?xì)浠衔锇w具有不同的熒光顏色，則表明原油組分在短時間內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了變化[14]。 根據(jù)A油田明化鎮(zhèn)組和館陶組砂巖樣品烴類包裹體熒光顯微觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同熒光顏色的烴類包裹體(見圖8)，根據(jù)夾雜物的微觀溫度測量結(jié)果，包裹體的均一溫度在55～58℃和60～63℃之間，顯示成熟度較高的特征。表明油藏充滿原油后，巖石顆粒先捕獲的是原油成熟度高的藍(lán)白色熒光油包裹體，原油填充后，經(jīng)歷快速生物降解并改變其組分，從而進(jìn)一步捕獲黃色熒光包裹體，“紅移”現(xiàn)象發(fā)生，與“藍(lán)移”恰恰相反。因此原油第2個成藏期內(nèi)經(jīng)歷了快速生物降解作用，該次生物降解是繼東營組儲層原油初步生物降解之后的第2次生物降解，大大降低了對蓋層條件的要求。

圖8 有機(jī)包裹體熒光顯微觀察照片

4 結(jié)論

1)A油田淺層特稠油油源主要來自于沙三段烴源巖，少部分來自于沙一段烴源巖；東營組經(jīng)歷了2期積聚，第1期成藏時間為28～25Ma，第2期成藏時間為5～0Ma。

2)第1個成藏期東營組儲層的成藏為明化鎮(zhèn)組和館陶組特稠油的大規(guī)模聚集提供了必要條件，該時期原油遭受了初步的降解作用，原油物性變差；在第2個成藏期，原油遭受破壞往淺層明化鎮(zhèn)組和館陶組運(yùn)移， 在差的蓋層條件下得以聚集，同時在原油聚集的過程中又再次遭受快速生物降解，最后在淺層形成了大型超稠油油藏。