珠江口盆地白云凹陷儲層瀝青成因及其對 油藏調(diào)整改造的啟示

李美俊,張忠濤,陳 聰,楊程宇,盧曉林,付 健,代金慧,唐友軍

[1.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室,湖北 武漢 430100; 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3.中國海洋石油 南海東部公司,廣東 深圳 518000]

白云凹陷是珠江口盆地的一個次級凹陷,以產(chǎn)天然氣為主[1],近些年來隨著勘探的不斷深入,已經(jīng)在凹陷內(nèi)發(fā)現(xiàn)了凝析油、輕質(zhì)油和揮發(fā)性油藏[2]。已發(fā)現(xiàn)油氣藏的儲層主要為古近系的珠海組、珠江組以及恩平組海相砂巖[1]。不同儲層的鉆探資料顯示,白云凹陷油氣藏中的儲層瀝青也很常見。

原油高溫裂解是儲層瀝青較常見的成因,裂解瀝青廣泛存在于石油天然氣儲層、煤層甚至燃燒物中[3]。其本質(zhì)是有機(jī)組份在高溫烘烤的條件下發(fā)生歧化反應(yīng),有機(jī)物分子的一部分碳鏈斷裂形成氣態(tài)烴類,另一部分縮聚形成高密度的硬質(zhì)瀝青[3-5]。因此,在國內(nèi)外文獻(xiàn)中常稱之為干瀝青、脆瀝青、焦瀝青或者熱解瀝青[3,6-8]。除裂解成因以外,瀝青的產(chǎn)生還可能與石油的氧化和生物降解、水洗、氣洗等作用有關(guān),這些使石油的性質(zhì)產(chǎn)生次生變化的作用可以統(tǒng)稱為石油的蝕變作用[9-14]。對儲層瀝青成因的研究可以直觀的表現(xiàn)出油氣藏成藏之后的地質(zhì)作用過程對油氣以及其他地質(zhì)流體的影響。這種影響一方面可能導(dǎo)致已形成油氣藏的破壞,另一方面也可能調(diào)整和改造油氣藏,使油氣藏中油氣的性質(zhì)發(fā)生變化。因此對儲層瀝青成因及其地質(zhì)意義的研究,有利于判識油氣成藏之后的一系列次生作用對油氣藏的影響,從而豐富油氣成藏理論并為進(jìn)一步的勘探?jīng)Q策提供參考。對白云凹陷儲層瀝青的成因及石油地質(zhì)意義研究成果還不多見,本文將綜合儲層瀝青的有機(jī)巖石學(xué)、分子地球化學(xué)特征、石油地質(zhì)背景以及油氣藏性質(zhì),研究白云凹陷儲層瀝青的成因,并分析儲層瀝青形成過程對研究區(qū)油氣藏調(diào)整改造的影響。

1 地質(zhì)背景及樣品采集

白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷內(nèi),是珠江口盆地重要的深水勘探領(lǐng)域。白云凹陷可以劃分為白云主凹、番禺低隆起、東沙隆起、云開低隆起和云荔低隆起等主要構(gòu)造單元[1](圖1)。主要的含油氣構(gòu)造發(fā)育在白云主凹周緣的各個隆起上,白云主凹內(nèi)主要發(fā)育烴源巖,周緣地區(qū)也有部分構(gòu)造圈閉[15]。白云凹陷自下而上發(fā)育古近系文昌組、恩平組和珠海組,新近系珠江組、韓江組、粵海組和萬山組[16](圖2),其中文昌組、恩平組及珠海組是主要的潛在烴源層,其在垂向上和縱向上均存在很強(qiáng)的非均質(zhì)性,烴源巖分布及地球化學(xué)性質(zhì)較為復(fù)雜[1]。

圖1 白云凹陷構(gòu)造分區(qū)及儲層瀝青分析取樣井位置Fig.1 Structural units and location of sampled wells for reservoir bitumen analysis in Baiyun Sag

圖2 白云凹陷新生界地層綜合柱狀圖 [16]Fig.2 Composite stratigraphic column of the Cenozoic strata in Baiyun Sag[16]

分別對白云凹陷的9口井(圖1)巖心以及巖屑樣品中的瀝青進(jìn)行了取樣,并對樣品進(jìn)行了反射光顯微鏡觀察和反射率測定。共制備快光片樣品22件,其中巖心樣品12件,取樣井位于白云凹陷北部、中部和東部;10件巖屑樣品均取自P33井,樣品深度范圍為2 555.0～5 091.7 m (表1)。北部和東部取樣層位均為珠江組,中部樣品來自珠江組、珠海組及恩平組。在所有取樣井中,P33井的含瀝青豐度最高,在珠江、珠海以及恩平組中均發(fā)現(xiàn)了瀝青。因此,選取該井為基準(zhǔn)井,結(jié)合不同深度巖心、巖屑的瀝青反射率制作了瀝青反射率剖面。

2 瀝青產(chǎn)狀及反射率特征

含有儲層瀝青的巖心樣品主要為細(xì)砂巖、中-細(xì)砂巖,僅P33井恩平組為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。白云凹陷東部和北部的5口井樣品中均未觀察到瀝青,含瀝青的井主要位于凹陷中部、西部,其中以P33、P35井豐度較高。樣品中瀝青主要以充填狀出現(xiàn)(圖3a,b),但其充填方式以及相對豐度有明顯差異(表1)。大部分儲層砂巖中的瀝青豐度較低且為零星的無定形充填(圖3a,b),而高瀝青豐度的樣品多為粉砂巖和泥巖 (表1),瀝青常為順層的脈狀充填和裂隙式充填(圖3c,d)。

樣品中的瀝青均沒有表現(xiàn)出各向異性,瀝青反射率值總體偏低并表現(xiàn)出了良好的深度相關(guān)性(圖3e)。通過瀝青反射率校正公式：Rcv(%)=0.618Rb+0.4[3]計算可知,樣品中瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率為0.51%～1.07%。P33井瀝青反射率剖面顯示瀝青反射率無論在校正前后均與深度保持良好線性關(guān)系(圖3e),說明該井中的瀝青形成并沒有受到明顯熱異常事件的影響,而是隨著埋藏升溫正常演化[3]。

表1 白云凹陷儲層瀝青樣品巖性、產(chǎn)狀及反射率Table1 The lithology,occurrence and reflectance of reservoir bitumen samples taken from Baiyun Sag

注:[Rcv(%) =0.618Rb+0.4,據(jù)Jacob,1992];“—”表示沒有數(shù)據(jù)。

圖3 白云凹陷儲層瀝青微觀反射光特征及瀝青反射率剖面(P33井)Fig.3 Micro-reflectance features of reservoir bitumen and bitumen reflectance profiles in Baiyun Sag(Well P33)a.零星分布的充填狀瀝青,W3井,埋深3 161.0 m; b.零星分布的充填狀瀝青,P33井,埋深3 818.0 m; c.脈狀充填瀝青, P35井,埋深4 109.0 m;d.裂隙式充填瀝青,P33井,埋深5 091.7 m;e.瀝青反射率剖面 [Rcv(%) =0.618Rb+0.4,據(jù)Jacob,1992]

3 瀝青抽提物分子地化特征

P33井不同層位儲層瀝青抽提物飽和烴色譜圖(TIC)和三萜類分布圖(m/z191)如圖4所示,明顯看出儲層瀝青飽和烴色譜圖基線平直,沒有明顯“鼓包”(UCM：未分辨的復(fù)雜混合物,在色譜上不能分離而使基線形成的鼓包),正構(gòu)烷烴系列分布完整,沒有明顯的損失,姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)等非環(huán)狀類異戊二烯沒有遭受損失,也未檢測出明顯的25-降霍烷系列(該化合物是一般是原油遭受嚴(yán)重生物降解的標(biāo)志),由此推測瀝青非生物降解成因。

P33井珠海組含瀝青砂巖(埋深3 818.0 m)抽提物地化特征與恩平組煤系泥巖特征相似,例如具有明顯的姥鮫烷優(yōu)勢,Pr/Ph(姥鮫烷/植烷)比值為4.74(圖4b),高的Pr/Ph是恩平組煤系泥巖的典型特征(圖5b,c)。而恩平組含瀝青砂巖(埋深4 302.0 m)和泥巖巖心(埋深5 090.7 m)抽提物總的地球化學(xué)特征與文昌組湖相泥巖相似,例如較低的Pr/Ph比值(圖4c，d),其中4 302.0 m砂巖樣品可能受到恩平組煤系烴源巖生成烴類的混合,其Pr/Ph高于典型的文昌組泥巖 (圖5d),而又低于典型的恩平組煤系泥巖(圖5b，c)。P33井珠江組(埋深3 429.0 m)(圖4a)和H29-1井珠江組(埋深2 480.0 m)含瀝青砂巖抽提物地化特征與珠海組陸棚泥巖相似(圖5b),瀝青可能為來自珠海組的原油遭受后期改造形成。

圖4 白云凹陷P33井瀝青抽提物飽和烴色譜(TIC)及三萜類(m/z 191質(zhì)量色譜圖)分布特征Fig.4 The gas chromatograms of saturates(TIC)and the distribution of triterpanes(m/z 191 mass chromatograms) for saturated hydrocarbons of reservoir bitumen extracts from Well P33 in Baiyun Saga.埋深3 429.2 m,珠江組二段,砂巖巖心,Pr/Ph=0.91;b.埋深3 818.0 m,珠海組,砂巖巖心,Pr/Ph=0.74; c.埋深4 302.0 m,恩平組,砂巖巖心,Pr/Ph=3.29;d.埋深5 090.7 m,恩平組,泥巖巖心,Pr/Ph=1.35

圖5 白云凹陷代表性烴源巖抽提物飽和烴色譜(TIC)圖Fig.5 Gas chromatograms(TIC)of saturate fractions for representative source rock extracts in Baiyun Saga. H34井,埋深3 255.0～3 285.0 m,珠海組陸棚泥巖,Pr/Ph=0.72;b. P33井,埋深4 296.0 m,恩平組煤系泥巖,Pr/Ph=5.54; c. P33井,埋深4 345.0～4 370.0 m,恩平組煤系泥巖,Pr/Ph=3.60; d. W4井,埋深3 410.0～3 440.0 m,文昌組湖相泥巖,Pr/Ph=1.29

4 瀝青成因機(jī)制

4.1 裂解成因

中國諸多含油氣盆地中均發(fā)現(xiàn)過熱解瀝青,例如燕山地區(qū)中上元古界瀝青砂巖中的瀝青[17],四川盆地東部古生界白云巖中的瀝青[18],四川盆地川中古隆起上元古界-古生界瀝青[19]。這些裂解成因的瀝青都具有高反射率(Rb>2.0%),強(qiáng)各向異性的特征。然而研究區(qū)尚沒有發(fā)現(xiàn)高瀝青反射率,并且具有明顯各向異性的儲層瀝青樣品(表1;圖3)。此外,研究區(qū)本文恢復(fù)了白云凹陷西區(qū)和東區(qū)代表性井的埋藏史-熱史(圖6),結(jié)果表明,白云東區(qū)的H29-1井(圖6a),恩平組和文昌組底界的現(xiàn)今最高溫度尚未超過液態(tài)烴裂解的溫度界限150 ℃[20],白云西區(qū)的P33井,位于靠近凹陷中心部分,目前恩平組埋深已超過5 000 m(圖6b),目前高含量瀝青的樣品也主要發(fā)現(xiàn)于該井,從恢復(fù)的埋藏史-熱史曲線看,恩平組底界現(xiàn)今最高溫度約為160 ℃左右(圖6),可能受到一定程度的熱裂解作用(圖6)。因此,研究區(qū)出現(xiàn)大規(guī)模、區(qū)域性裂解瀝青的可能性不大。

裂解瀝青往往會表現(xiàn)出較高的各向異性級別和反射率,而且往往與熱液作用有關(guān)[19]。這種裂解瀝青往往表現(xiàn)出和孔隙性相關(guān),因為熱液更容易烘烤孔隙性較好的儲層,從而產(chǎn)生瀝青。另外,發(fā)生大規(guī)模原油裂解的儲層中往往能發(fā)現(xiàn)純甲烷包裹體和瀝青-甲烷包裹體[21],但上述特征在白云凹陷儲層中都沒有發(fā)現(xiàn)。

在恩平組烴源巖中發(fā)現(xiàn)了豐度較高的瀝青,說明這些瀝青很可能是早期生成的熱成熟度較低階段的原油充填了烴源巖內(nèi)的殘余孔隙,之后在較高溫度下經(jīng)歷裂解作用形成。根據(jù)前人研究,干酪根在低熱演化階段很可能生成瀝青質(zhì)含量較高的重質(zhì)油[22],這些重質(zhì)油比正常原油更易于裂解。同時有研究者認(rèn)為,干酪根晚期產(chǎn)生的天然氣很有可能并不直接來自于干酪根,而是來自于這些低熟油的裂解[23]。因此對白云凹陷凹陷中心恩平組下部和文昌組烴源巖中瀝青的進(jìn)一步分析,有助于深入研究恩平組和文昌組烴源巖的生烴特征。

4.2 氣洗成因

根據(jù)前述的石油蝕變特征,研究區(qū)出現(xiàn)氧化和生物降解作用的可能性并不大,因為地層埋藏史恢復(fù)結(jié)氣洗作用是指大量輕烴進(jìn)入儲層,極性較強(qiáng)的瀝青質(zhì)組分由于石油中輕重組分差異的增大而發(fā)生沉淀[24]。埋藏史研究結(jié)果表明,研究區(qū)文昌組和恩平組烴源巖都已經(jīng)達(dá)到了生氣階段(圖6)。裂解作用和干酪根晚期生氣作用形成的凝析油和天然氣很可能對珠海組、珠江組中充注的正常石油形成氣洗,同時形成少量的瀝青。這些瀝青的形成并沒有經(jīng)過高溫裂解作用,因此瀝青和正常石油相比只是成分產(chǎn)生了變化,而反射率和各向異性并沒有增加,這也與研究區(qū)的實際情況以及瀝青的觀察結(jié)果相符。

圖6 白云凹陷含儲層瀝青代表性井和埋藏史-熱史關(guān)系Fig.6 The reconstructed burial and thermal histories for representative wells bearing reservoir bitumen in Baiyun Saga. H29-1井;b. P33井 N2w+Q.第四系+萬山組;N1y.粵海組;N1h.韓江組;N1z.珠江組;E3z.珠海組;E3e.恩平組;E2w.文昌組

果顯示研究區(qū)儲層沒有經(jīng)歷大幅度的抬升剝蝕,或者遭受大氣淡水的林濾(圖6),而氣洗作用可能是儲層瀝青形成的主要原因。

對含瀝青儲層的抽提物分析顯示,白云西區(qū)P33井恩平組底部泥巖觀測到有瀝青富集,抽提物中瀝青質(zhì)含量高達(dá)53%。正構(gòu)烷烴分布表現(xiàn)為前峰型,主峰碳數(shù)為18,無明顯生物降解特征,與上部珠海組、珠江組及典型恩平組煤系泥巖正構(gòu)烷烴分布均存在較大的差異。白云凹陷珠江組儲層瀝青主要分布于白云東,其正構(gòu)烷烴高碳數(shù)部分豐度較高,Pr/nC17介于0.62～1.87,無明顯UCM鼓包,可能受到了氣洗作用的影響。白云北坡及白云西區(qū)珠海組觀察到有瀝青分布,P35,P33珠海組砂巖抽提物,均無明顯生物降解特征。因此,研究區(qū)儲層中的瀝青可能主要由于氣洗作用造成。

圖7是位于P33井附近的P34井和位于東部的H19井的正構(gòu)烷烴摩爾濃度和碳數(shù)分布關(guān)系圖,可以明顯看出,輕烴部分由于遭受了明顯的損失,前人研究認(rèn)為這種特征是原油氣洗作用造成的[25]。研究人員在塔里木盆地庫車凹陷[26-27]、塔中地區(qū)[28]以及鄂爾多斯盆地[29]等都發(fā)現(xiàn)了氣洗作用造成的儲層瀝青,前人的研究成果也報道過白云凹陷原油的氣洗作用[30],表明氣洗作用是白云凹陷油藏次生改造和調(diào)整的重要因素之一。

5 瀝青成因研究對油氣藏調(diào)整改造的啟示

根據(jù)圖6代表性井埋藏史圖分析,如果珠海組和珠江組中的瀝青源于早期運移石油的裂解,那么這些早期運移石油只可能來自于文昌組烴源層。如果文昌組具有優(yōu)質(zhì)烴源巖并生成了大量石油,那么這些石油在恩平組和珠海組開始大量生油之前就進(jìn)入儲層。同樣如果這些早期運移石油在恩平組和珠江組中形成了古油藏,并保存至該儲層進(jìn)入裂解溫度窗,那么這些早期石油會發(fā)生大規(guī)模裂解并產(chǎn)生大量瀝青和天然氣。但是實際上,恩平組和珠海組的砂巖儲層中發(fā)現(xiàn)的瀝青非常有限,而且前人的研究表明古油藏的大規(guī)模裂解往往會生成干氣為主的次生氣藏[31],這并不符合研究區(qū)儲層中主要保存凝析氣的事實。由此可見,珠海組和珠江組可能并沒有在早期大量生成油氣并形成古油藏。埋藏史分析結(jié)果也表明,真正進(jìn)入石油裂解溫度區(qū)間的地層只有恩平組底部以及文昌組,烴源巖和原油裂解可能為上部儲層提供了氣源。而這些天然氣在構(gòu)造沉降的影響下,進(jìn)入上部儲層并對儲層中的原油進(jìn)行氣洗并形成儲層瀝青。

圖7 白云凹陷P34井(a)和H19井(b)正構(gòu)烷烴摩爾濃度分布和碳數(shù)關(guān)系Fig.7 The relationship between molar concentration of n-alkanes and its carbon number for the oils from Well P34(a)and Well H19(b)

白云凹陷瀝青的形成過程說明,富含烴源巖和儲層的含油氣盆地,不同層位的油氣在縱向上會由于盆地?zé)岢两底饔玫挠绊懚{(diào)整改造[32-33]。早期形成的原油在較淺的地層中雖然不會受到裂解作用的影響而形成瀝青和天然氣,但深部烴源巖晚期生成的天然氣可能會向上運移進(jìn)入淺部儲層,對淺部的油氣藏進(jìn)行氣洗從而調(diào)整改造油氣藏特征和油氣性質(zhì),進(jìn)而形成大量輕質(zhì)油、凝析油以及揮發(fā)油藏等特殊油氣藏。

6 結(jié)論

1) 珠江口盆地白云凹陷古近系部分儲層樣品中發(fā)現(xiàn)了儲層瀝青,零星分布于中部和東部部分井中,在靠近盆地中心的井中較深的地層(文昌組和恩平組)中相對較多。

2) 高溫?zé)崃呀夂蜕锝到庾饔枚疾皇莾訛r青形成的主要原因。絕大部分儲層瀝青均沒有顯示出明顯的各向異性,而且瀝青反射率普遍較低,均小于2.0%,生物標(biāo)志物組成特征也未顯示出明顯的生物降解作用。

3) 白云凹陷淺層儲層中的瀝青主要為氣洗作用成因,深層儲層中的瀝青可能遭受了一定程度的熱裂解作用,深部烴源巖晚期生成的天然氣,向上運移至淺層儲層中并對儲層進(jìn)行氣洗,形成瀝青,同時氣洗作用導(dǎo)致淺部儲層中的正常原油調(diào)整為輕質(zhì)油、揮發(fā)油等特殊油藏類型。