北部灣盆地福山凹陷原油物理性質(zhì)及地球化學(xué)特征

時 陽 郭 浩 廖飛燕 程 剛 李曉寒

(中國石油南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究中心 海南?？?570216)

福山凹陷位于北部灣盆地東南部，其南半部屬于海南島北部，北半部屬于瓊州海峽(圖1)。該凹陷為新生代箕狀斷陷，面積2 920 km2，近NEE向展布，受臨高斷裂、長流斷裂和定安斷裂控制而形成特殊的三角形結(jié)構(gòu)[1-2]，沉積地層自下而上依次為古近系長流組、流沙港組(可細分為流三段、流二段和流一段)、潿洲組以及新近系和第四系[3-4]。

圖1 福山凹陷構(gòu)造單元劃分及原油采樣點分布圖

福山凹陷中部為福山鼻狀隆起，隆起西側(cè)為皇桐洼陷，東側(cè)為白蓮?fù)菹輀3,5]，目前已發(fā)現(xiàn)的8個油氣田主要圍繞這2個洼陷呈環(huán)帶狀分布[6]，油氣主要來源于流沙港組湖相泥巖[6-8]。其中，東部油氣田主要位于白蓮?fù)菹菽喜浚饕ɑ▓?主要產(chǎn)層為流一二段和流三段)、花東(主要產(chǎn)層為流一二段和流三段)、白蓮(主要產(chǎn)層為流一二段、流三段和潿洲組)、金鳳(主要產(chǎn)層為流三段)等油氣田；西部油氣田主要位于環(huán)皇桐洼陷周緣，主要包括博厚-朝陽(主要產(chǎn)層為流一二段和流三段)、美臺(主要產(chǎn)層為流三段)、紅光(主要產(chǎn)層為流三段)、永安(主要產(chǎn)層為流一二段和潿洲組)等油氣田。

目前針對福山凹陷原油地球化學(xué)特征研究的文獻相對較少，且已發(fā)表的研究成果多集中于花場油氣田。例如，包建平 等[9-10]對福山凹陷花場油氣田原油地球化學(xué)特征進行了分析，結(jié)果表明其原油與潿西南凹陷和烏石凹陷相比具有更高的姥植比和奧利烷含量，原始生烴母質(zhì)中陸源有機質(zhì)貢獻較大。李美俊 等[11-15]利用油藏地球化學(xué)方法分析了花場油氣田油氣運移方向，結(jié)果表明其流三段上部油氣主要來自白蓮?fù)菹荩蜌庵饕亓鞫魏土魅沃g的不整合、流三段扇三角洲前緣砂體和斷層構(gòu)成的輸導(dǎo)體系運移至花場凸起有利圈閉中聚集成藏。盧政環(huán) 等[16]分析了福山凹陷西部地區(qū)原油的地球化學(xué)特征和成因，結(jié)果表明在不同區(qū)塊和層位的原油成熟度略有差異，但原油母質(zhì)類型相似，主要為陸源高等植物和低等水生生物的混合來源；進一步油源對比結(jié)果顯示，美臺-紅光地區(qū)原油來自皇桐洼陷流三段和流二段下部烴源巖，而永安地區(qū)原油可能來源于皇桐洼陷流一段烴源巖。本文主要是在福山凹陷已發(fā)現(xiàn)的8個油氣田中系統(tǒng)采集了91個原油樣品，開展了原油族組分分離、飽和烴氣相色譜(GC)和飽和烴、芳烴組分色譜-質(zhì)譜(GC-MS)等分析，研究了原油性質(zhì)差異，并探討了其沉積環(huán)境，以期為該地區(qū)下一步油源對比、油氣成藏機理及分布規(guī)律研究提供參考。

1 原油物理性質(zhì)

分析結(jié)果表明，福山凹陷原油API度為16.95～59.99(密度為0.73～0.86 g/cm3)，除了F23、F29井以外，其他井原油API度均大于32，原油黏度為0.46～10.36 mPa·s，屬于陸相成因輕質(zhì)油、凝析油，具有低含硫(為0.02%～0.65%)和中—低含蠟(為0.33%～21.67%)特征(表1)。

表1 北部灣盆地福山凹陷部分典型原油物理性質(zhì)

平面上，福山凹陷不同油氣田原油物理性質(zhì)略有差異(表1)。其中，凹陷東部花場、花東、白蓮、金鳳地區(qū)主要產(chǎn)油層為流一二段和流三段，原油API度為32.2～59.9(密度為0.739～0.864 g/cm3)，平均為42.8(密度為0.812 g/cm3)，平均黏度為1.34 mPa·s，平均含蠟量為4.80%，平均含硫量為0.06%，屬于低黏度、低含硫、低含蠟的凝析油和輕質(zhì)油；同時，流一二段原油API度總體上小于流三段原油API度。凹陷西部博厚-朝陽、紅光、美臺、永安地區(qū)原油主要產(chǎn)自流一二段、流三段和潿洲組，原油API度為16.95～44.18(密度為0.805～0.953 g/cm3)，平均為36.74(密度為0.841 g/cm3)，平均黏度為5.00 mPa·s，平均含蠟和含硫分別為8.66%和0.10%，屬于中等含蠟、低含硫的輕質(zhì)油。

垂向上，福山凹陷原油API度隨著深度的增加而增加(圖2)，原油的密度主要受成熟度、干酪根類型和次生變化的控制[17]。除了博厚-朝陽地區(qū)2個埋深較淺的井(即F23、F29井)原油API較低以外，其他井原油API度均大于32，反映原油主要為陸源有機質(zhì)和藻類混合的D/E相源巖(II/III型干酪根)在成熟階段排出的產(chǎn)物[18-20]。分析認為，福山凹陷原油物理性質(zhì)與深度有明顯的正相關(guān)，反映烴源巖灶在不同階段排出的油氣在空間上以差異聚集的方式運移成藏，即早期生成的成熟度較低的烴類往往運移到淺部，而晚期生成的烴類一般為較深層、近烴源巖灶聚集。

圖2 北部灣盆地福山凹陷原油API與深度的關(guān)系

此外，福山凹陷原油族組分特征在各地區(qū)表現(xiàn)出高度一致性，以飽和烴為主，飽和烴質(zhì)量分數(shù)分布范圍為46.51%～93.85%(平均為80.24%)，芳烴平均質(zhì)量分數(shù)13.70%，飽芳比平均為7.57，非烴和瀝青質(zhì)的含量很低(平均為6.07%)。總體上，福山凹陷原油具有高飽和烴、高飽芳比、低“非烴+瀝青質(zhì)”的特征，各地區(qū)原油在族組成三角圖中都聚為一類(圖3)，反映原油母質(zhì)來源的一致性。

圖3 北部灣盆地福山凹陷原油族組分三角圖

2 原油地球化學(xué)特征

2.1 正構(gòu)烷烴及類異戊二烯烷烴類化合物特征

福山凹陷原油樣品飽和烴氣相色譜圖顯示正構(gòu)烷烴完整，未遭受生物降解作用(圖4、表2)。其中，凹陷東部花場、白蓮、金鳳地區(qū)流三段原油主要為單峰態(tài)前峰型，無明顯的奇偶優(yōu)勢，CPI值主要分布范圍為0.81～1.17，表現(xiàn)為成熟烴類特征；流一二段原油表現(xiàn)出雙峰型，CPI值主要分布范圍為1.13～1.27，呈弱奇偶優(yōu)勢。凹陷西部博厚-朝陽、美臺、紅光、永安地區(qū)原油主要產(chǎn)自流一二段和流三段，特征相似，均呈現(xiàn)出雙峰型，CPI值介于1.05～1.24，奇偶優(yōu)勢不明顯。上述正構(gòu)烷烴特征反映凹陷東部流三段原油成熟度高于東部流一二段和西部原油，但均顯示出成熟原油特征，且原油母質(zhì)類型相似，具有低等水生生物和陸源高等植物雙重來源特征[21]。

注：Ts為18α(H)-22，29，30三降藿烷；Tm為17α(H)-22，29，30三降藿烷；DH為C30重排藿烷；Ol為18α(H)-奧利烷；Ga為伽馬蠟烷

表2 北部灣盆地福山凹陷部分典型原油地球化學(xué)特征

姥植比(即Pr/Ph)是最常用地球化學(xué)參數(shù)[22-24]，成熟度對其有一定影響[25-26]。但對于中國湖相含油氣盆地，Pr/Ph值仍是有效的判斷沉積環(huán)境的參數(shù)[27]，相對低的Pr/Ph值反映還原性沉積環(huán)境，相對高的Pr/Ph值反映氧化性沉積環(huán)境。福山凹陷原油均呈現(xiàn)出姥鮫烷優(yōu)勢，大部分原油樣品Pr/Ph值均大于3.2(博厚-朝陽地區(qū)Chao2井除外，Pr/Ph值為1.13)，反映原油母質(zhì)沉積環(huán)境為偏氧化環(huán)境。

Ph/nC18和Pr/nC17值通常反映原油成熟高低，同時也受母質(zhì)來源的影響[22]。如圖5所示，福山凹陷原油樣品Ph/nC18為0.07～0.76，Pr/nC17值0.21～2.81，Ph/nC18和Pr/nC17值分布在一個較窄的范圍內(nèi)，反映原油母質(zhì)沉積環(huán)境相似，為偏氧化環(huán)境的陸源III型母質(zhì)，同時整體上流三段原油成熟度高于流一二段和潿洲組原油。此外，美臺和紅光地區(qū)流三段原油Ph/nC18和Pr/nC17值相對較高，數(shù)據(jù)點與花場、白蓮地區(qū)流一二段原油重疊，表明二者原油成熟度相近。

圖5 北部灣盆地福山凹陷原油Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系圖(底圖據(jù)文獻[22])

2.2 甾烷類化合物特征

甾烷類化合物是重要的地球化學(xué)參數(shù)，其中C27、C28、C29規(guī)則甾烷是被廣泛用于研究有機質(zhì)來源的生物標志化合物，其相對含量反映有機質(zhì)的生源構(gòu)成[28]。福山凹陷原油檢測出的規(guī)則甾烷相對組成中，C27和C29甾烷含量相近，C27甾烷相對含量為24.76%～58.02%(平均值為40.51%)，C29甾烷相對含量為27.57%～57.15%(平均值為41.24%)，而C28甾烷相對含量較低，為8.66%～28.65%(表2、圖6)；C27-C28-C29ααα-20R甾烷在譜圖上主要呈現(xiàn)“V”字型分布(圖4)，表明原油母質(zhì)來源主要為高等植物和水生生物雙重貢獻。

圖6 北部灣盆地福山凹陷原油C27-C28-C29規(guī)則甾烷三角圖

湖相環(huán)境中C304-甲基甾烷被認為主要來源于藻類[29-31]，因此C304-甲基甾烷也是常用的油源對比參數(shù)。如圖4所示，福山凹陷原油中均檢測出C304-甲基甾烷的存在，但相對豐度較低。分析認為，由于福山凹陷原油C304-甲基甾烷相對豐度與烏石凹陷WS-5井原油相似，且明顯低于潿西南凹陷原油及烏石凹陷WS-7、WS-4井原油，反映福山凹陷原油母質(zhì)類型相對較差[32]。

2.3 萜烷類化合物特征

福山凹陷原油中富含奧利烷(圖4)，而奧利烷主要來源于被子植物。在珠江口盆地中，往往高的奧利烷指數(shù)(奧利烷/C30藿烷)反映母質(zhì)以陸源有機質(zhì)為主[33]。區(qū)域上，凹陷東部白蓮地區(qū)流一二段與流三段原油的奧利烷指數(shù)分別為0.18～1.54和0.2～1.5，花場地區(qū)流一二段與流三段原油的奧利烷指數(shù)分別為0.44～0.61和0.34～0.62，雖然這兩個地區(qū)流一二段和流三段原油的奧利烷指數(shù)范圍相似，但從圖7中可以看出流一二段原油的奧利烷指數(shù)相對集中在0.25左右，流三段原油的奧利烷指數(shù)相對分散，且大于0.3的數(shù)據(jù)點較多；而凹陷西部環(huán)皇桐洼陷的永安、博厚-朝陽地區(qū)流一二段原油的奧利烷指數(shù)相對較高，且高于美臺和紅光地區(qū)流一二段原油。分析認為，奧利烷指數(shù)的高低反映了陸源輸入量的差異，因此凹陷東部白蓮、花場地區(qū)流三段原油和西部永安、朝陽-博厚地區(qū)流一二段原油的奧利烷指數(shù)相對較高反映其母質(zhì)中具有更高的陸源物質(zhì)輸入。

圖7 北部灣盆地福山凹陷原油奧利烷/C30藿烷與C29藿烷/C30藿烷的關(guān)系

伽馬蠟烷/C30藿烷是常用反映水體鹽度的指標，其中高值往往指示高鹽度的分層水體，低值表明沉積環(huán)境主要為偏氧化的碎屑沉積[34]。福山凹陷原油中伽馬蠟烷豐度低，伽馬蠟烷/C30藿烷值均小于0.4(圖8)，表明原油母質(zhì)主要沉積于偏淡水的氧化環(huán)境，與Pr/Ph值反映的沉積特征一致。

圖8 北部灣盆地福山凹陷原油Pr/Ph與伽馬蠟烷/C30藿烷的關(guān)系

2.4 多環(huán)芳烴類化合物特征

“三芴”參數(shù)是指芴、氧芴和硫芴的相對含量，是重要的母質(zhì)環(huán)境判斷指標。其中，硫芴相對含量高，指示強還原環(huán)境；氧芴相對含量高，指示弱氧化—弱還原環(huán)境；以芴、硫芴為主，則指示正常還原環(huán)境[35-36]。如圖9所示，福山凹陷原油中硫芴相對含量較低，一般小于30%；氧芴相對含量變化較大，為0～70%；芴的相對含量最高，主要為70%～90%，指示原油母質(zhì)沉積于偏氧化湖沼相沉積環(huán)境。

圖9 北部灣盆地福山凹陷原油“三芴”系列組成三角圖(底圖據(jù)文獻[37])

2.5 成熟度特征

原油成熟度評價是原油地球化學(xué)分析的重要工作之一，原油的物理性質(zhì)也可以反映出原油的成熟度。如前文所述，福山凹陷原油具有相似的來源，API度的大小可以反映出成熟度的高低，其中東部白蓮?fù)菹菽喜康貐^(qū)流三段原油API度整體上高于流一二段原油，說明流三段原油成熟度高于流一二段原油；西部環(huán)皇桐洼陷地區(qū)不同層位原油API度分布范圍與東部地區(qū)流一二段原油相似，表明二者成熟度相近。

Ts/(Ts+Tm)、C29Ts /(C29Ts+C29藿烷)、C2920S/(20S+20R)、C29ββ/(αα+ββ)三甲基萘比值(TMNr)、四甲基萘比值(TeMNr)、甲基菲比值(MPR)和甲基菲指數(shù)(MPI1) 均是常規(guī)成熟度參數(shù)[38-41]。如圖10所示，福山凹陷原油Ts/(Ts+Tm)和C29Ts/(C29Ts+C29藿烷)具有很好的相關(guān)性，總體上凹陷東部流一二段原油成熟度低于流三段原油，凹陷西部美臺和紅光地區(qū)流三段原油成熟度介于凹陷東部流一二段和流三段原油之間，而凹陷西部博厚-朝陽和永安地區(qū)流一二段、潿洲組原油成熟度與凹陷東部流一二段原油相近。另外，福山凹陷原油C29甾烷20S/(20S+20R)和C29甾烷ββ/(αα+ββ)兩個參數(shù)均大于0.3，且部分參數(shù)基本達到異構(gòu)化終點，表明凹陷原油主要為烴源巖在成熟階段排出。

圖10 北部灣盆地福山凹陷原油Ts/(Ts+Tm)與C29 Ts/(C29 Ts+C29H)和C29 20S/(20S+20R)與C29 ββ/(αα+ββ)的關(guān)系

由于福山凹陷原油主要為輕質(zhì)油和凝析油，原油中生物標志物濃度相對較低，因此用芳烴成熟度參數(shù)可以更好地表征原油相對成熟度的高低。如圖11所示，福山凹陷原油TeMNr與TMNr和MPR與MPI1兩組參數(shù)均隨著成熟度的增長而增加，且具有很好的相關(guān)性。根據(jù)MPI1與等效鏡質(zhì)體反射率(Rc)的換算關(guān)系式[40]，福山凹陷西部博厚-朝陽、美臺、紅光地區(qū)流三段原油MPI1值介于0.37～0.81，其Rc值為0.62%～0.88%；凹陷東部花場-花東-白蓮地區(qū)流一二段原油MPI1值為0.76～0.93，其Rc值為0.85%～0.96%，而流三段原油MPI1值介于0.39～1.50，其Rc值為0.63%～1.55%。也就是說，總體上福山凹陷東部花場-花東-白蓮地區(qū)流三段原油成熟度高于該地區(qū)流一二段和西部博厚朝陽-美臺-紅光地區(qū)原油。

圖11 北部灣盆地福山凹陷原油TMNr與TeMNr和MPR與MPI1的關(guān)系

3 原油類型劃分及成因分析

雖然Ph/nC18和Pr/nC17兩個參數(shù)特征顯示福山凹陷原油母質(zhì)為III型有機質(zhì)，但是Pr/Ph、規(guī)則甾烷、C304-甲基甾烷和奧利烷指數(shù)等參數(shù)特征表明凹陷原油母質(zhì)類型和沉積環(huán)境相似，為同一來源。研究表明，福山凹陷主力烴源巖為流沙港組泥巖，其烴源巖類型相對于潿西南凹陷和烏石凹陷較差，主要形成于偏氧化的沉積環(huán)境，有機質(zhì)為藻類和高等植物混合來源[42]。對原油API度、Pr/nC18、Ts/(Ts+Tm)、奧利烷指數(shù)和TeMNr等參數(shù)在SPSS Statistics軟件上對原油進行聚類分析，結(jié)果表明福山凹陷原油可大致分為2個油族：油族I主要為花場、花東、白蓮、金鳳、永安地區(qū)流三段原油，具有相對較高的成熟度和高奧利烷指數(shù)的特征；油族II主要為花場、花東、白蓮、金鳳、博厚-朝陽地區(qū)流一二段原油和紅光、美臺流三段原油，原油成熟度相對較低(圖12)。

圖12 北部灣盆地福山凹陷原油聚類分析

研究表明，流二段和流三段暗色泥巖是福山凹陷主力烴源巖，且進入生油窗的烴源巖主要分布在皇桐洼陷和白蓮?fù)菹?，但兩個洼陷烴源巖的成熟度Ro值略有差異，其中白蓮?fù)菹萘魅螣N源巖Ro值最高達1.7%，而皇桐洼陷流三段烴源巖Ro值略低，最高僅達1.3%左右[6,42-43]。根據(jù)原油的成熟度和空間分布可以看出，福山凹陷西部博厚-朝陽、美臺、紅光、永安地區(qū)原油主要來源于皇桐洼陷，原油往往具有相對較低的成熟度；而凹陷東部花場、花東、白蓮地區(qū)原油主要來源于白蓮?fù)菹?。此外，凹陷東部花場、花東、白蓮地區(qū)已發(fā)現(xiàn)更多成熟度相對較高的原油，這與兩個洼陷源巖灶成熟度的分布是一致的。

4 結(jié)論

1) 福山凹陷原油以輕質(zhì)油或凝析油為主，具有高API度、低黏度、低含硫量、中—低含蠟量的特征；原油族組分中飽和烴含量高，非烴和瀝青質(zhì)含量低。Pr/Ph、甾烷、萜烷和芳烴等化合物特征顯示，福山凹陷原油生烴母質(zhì)具有相似的沉積環(huán)境，為藻類與高等植物雙重貢獻，沉積環(huán)境為淡水偏氧化湖相或湖沼相。

2) 原油的物理性質(zhì)、類異戊二烯與正構(gòu)烷烴相對含量、奇偶優(yōu)勢比等參數(shù)特征表明，福山凹陷原油均為烴源巖在成熟階段排出的產(chǎn)物，原油可以分成2個油族，其中油族I主要以東部花場、白蓮、花東、紅光地區(qū)流三段原油為主，具有相對較高的成熟度和奧利烷指數(shù)；油族II主要以東部花場、白蓮、花東地區(qū)流一二段和西部博厚-朝陽、美臺等地區(qū)流三段原油為主，具有相對較低的成熟度。