渤海灣盆地滄東凹陷古近系孔二段頁巖層系原油地球化學(xué)特征

李文奇，劉小平，關(guān) 銘，劉華欣

(1.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

滄東凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷重要的富油氣凹陷之一，自20世紀(jì)70年代以來，已發(fā)現(xiàn)棗園、王官屯、小集、段六撥、烏馬營、舍女寺、葉三撥等多個常規(guī)油田，自下而上在中生界，古近系孔店組二段、一段，沙河街組三段、二段、一段等多個層系累計探明石油地質(zhì)儲量3.98×108t[1]。其中，孔二段屬于夾薄—中層粉砂巖、中細(xì)砂巖及泥質(zhì)白云巖的富有機(jī)質(zhì)頁巖層系[2-3]。近年來，頁巖油繼頁巖氣之后成為非常規(guī)油氣勘探熱點(diǎn)領(lǐng)域，我國陸相盆地頁巖油(致密油)勘探研究不斷深入[4-7]，滄東凹陷孔二段頁巖油勘探也取得重要進(jìn)展[8-11]。以往研究主要關(guān)注孔二段泥頁巖作為烴源巖的地球化學(xué)特征[12]、頁巖儲層沉積特征[2-3,8-11]和頁巖油(致密油)成藏特征等方面[8,11,13-15]，而對孔二段頁巖層系中原油性質(zhì)及原油地球化學(xué)特征的研究還十分薄弱。原油性質(zhì)及其地球化學(xué)特征對研究頁巖油形成與富集機(jī)理、頁巖油流動性和可采性具有十分重要的意義。本文利用常規(guī)油田開發(fā)井獲取的孔二段頁巖層系原油樣品，探討了孔二段原油的基本性質(zhì)和地球化學(xué)特征，以期為滄東凹陷頁巖油特征及頁巖油成因提供有機(jī)地球化學(xué)證據(jù)。

1 地質(zhì)概況

圖1 渤海灣盆地滄東凹陷構(gòu)造單元及采樣井位Fig.1 Structural units and sample well location in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

2 樣品與分析

為系統(tǒng)分析滄東凹陷孔二段頁巖層系原油地球化學(xué)特征，在滄東凹陷3個不同構(gòu)造單元上19口井孔二段頁巖層系中采集了典型原油樣品，包括孔東斜坡9口井、孔店構(gòu)造帶5口井以及舍女寺斷鼻5口井(圖1)。19個原油樣品在中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室完成了原油基本性質(zhì)(原油物性、族組分分離與定量)、原油母質(zhì)來源以及成熟度方面(飽和烴及芳烴氣相色譜—質(zhì)譜、原油全油及各組分穩(wěn)定碳同位素)的分析測試工作。

3 原油基本性質(zhì)

3.1 原油物性特征

原油物理性質(zhì)與原油的化學(xué)組成、演化歷史及保存環(huán)境條件等密切相關(guān)[20-21]，本次研究對樣品進(jìn)行了密度、黏度、含硫量、含蠟量、凝固點(diǎn)等分析測試。原油樣品密度在0.867 1～0.911 2 g/cm3之間，黏度普遍大于50 mPa·s，含蠟量16.52%～30.88%，凝固點(diǎn)在33～42 ℃之間(表1)。依據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《陸相烴源巖地球化學(xué)評價方法：SY/T 5735—1995》的原油物性分類，滄東凹陷孔二段頁巖層系原油屬于高黏度、高含蠟的中質(zhì)、中凝稠油，原油流動性較差。

3.2 原油族組成特征

原油族組成特征蘊(yùn)含著大量的地球化學(xué)信息，對原油樣品進(jìn)行族組分分離與定量分析有助于判識母質(zhì)類型及其組成、原油熱演化程度、源巖沉積環(huán)境、原油運(yùn)移、聚集及保存過程中遭受的后期改造。在源巖沉積環(huán)境及母質(zhì)組成相近的情況下，高成熟度原油具有烴類組分含量高、極性組分含量低的特點(diǎn)[22-24]。對研究區(qū)孔二段頁巖層系原油樣品進(jìn)行族組分分離與定量分析表明(表2)，飽和烴含量38.70%～64.23%，平均含量53.11%；芳香烴含量18.29%～29.48%，平均含量23.18%；非烴含量9.30%～24.15%，平均含量15.83%；瀝青質(zhì)含量4.38%～13.91%，平均含量7.87%?？傮w上，烴類含量偏低(飽和烴和芳烴含量64.29%～85.92%，平均值76.30%)，極性組分含量偏高(非烴和瀝青質(zhì)含量14.08%～35.71%，平均值23.70%)，飽芳比較低(1.47～3.39)，非瀝比也較低(0.86～3.83)。研究區(qū)孔二段頁巖層系原油族組成特征反映了其成熟度整體上偏低的特點(diǎn)。

表1 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段頁巖層系原油物性數(shù)據(jù)

表2 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段頁巖層系原油族組成及飽和烴氣相色譜參數(shù)

4 原油母質(zhì)來源及其形成環(huán)境

4.1 原油母質(zhì)來源

原油正構(gòu)烷烴分布特征中蘊(yùn)含著豐富的地球化學(xué)信息，這些信息記錄了其母源物質(zhì)的生源構(gòu)成，可用來指示母質(zhì)來源的有機(jī)質(zhì)類型、沉積環(huán)境和熱演化程度等[24-25]。滄東凹陷各構(gòu)造單元孔二段頁巖層系原油具有非常相近的正構(gòu)烷烴色譜參數(shù)與分布特征。色譜圖上(圖2)正構(gòu)烷烴系列化合物均為單峰型，以正態(tài)型分布為主，少量偏后峰型，峰型完整，碳數(shù)范圍C12—C38，主峰碳基本上以C23為主，僅有G962-17井一個樣品主峰碳為C27；C21-/C22+值為0.31～0.57，C21+22/C28+29值為0.86～1.73，輕碳優(yōu)勢不明顯；Pr/nC17值為0.45～1.80，Ph/nC18值為0.49～2.36(表2)。這些指標(biāo)表明，滄東凹陷不同構(gòu)造單元孔二段原油樣品具有相近的有機(jī)母質(zhì)來源，具有湖相低等水生生物和陸源高等植物雙重生源特征。

圖2 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油飽和烴氣相色譜圖Fig.2 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油中甾類化合物分布特征也可以反映原油的母質(zhì)來源[26-27]，ααα(20R)構(gòu)型的C27、C28和C29甾烷與母源性質(zhì)關(guān)系密切，ααα(20R)C27甾烷通常來源于低等水生生物，ααα(20R)C28甾烷多來自湖相藻類的貢獻(xiàn)，ααα(20R)C29甾烷則主要來源于陸源高等植物[28-29]。滄東凹陷不同構(gòu)造單元孔二段頁巖層系原油甾烷指紋特征十分相似(圖3)，總體上以C27、C28、C29規(guī)則甾烷為主，含有少量的孕甾烷、升孕甾烷和重排甾烷。(孕甾烷+升孕甾烷)/ααα(20R)C29為0.01～0.1，平均0.05，指示生源構(gòu)成中低等水生生物的貢獻(xiàn)較少。在規(guī)則甾烷含量中，ααα(20R)C27<ααα(20R)C28<ααα(20R)C29，呈“上升型”分布(圖3)；ααα(20R)C27甾烷含量較低，占14.92%～19.83%，ααα(20R)C28含量占31.92%～34.86%，ααα(20R)C29含量最高，占47.29%～51.79%(圖4)，說明滄東凹陷孔二段頁巖層系原油有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來源具有湖相低等水生生物和陸源高等植物的雙重貢獻(xiàn)，其中陸源高等植物為優(yōu)勢生源。

與原油中甾烷組成類似，全部原油樣品中的萜烷組成特征也十分相似(圖5)，表明原油來源具有高度的一致性。三環(huán)萜烷含量很低，三環(huán)萜烷/C30藿烷為0.04～0.11，平均0.08(表3)，反映陸源高等植物對生源的主要貢獻(xiàn)以及原油具有較低的成熟度。

圖3 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油甾烷(m/z 217)質(zhì)量色譜圖Fig.3 Mass chromatograms of sterane (m/z 217) of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油ααα(20R)C27-ααα(20R)C28-ααα(20R)C29規(guī)則甾烷相對含量三角圖Fig.4 Ternary plots of ααα(20R)C27-ααα(20R)C28-ααα(20R)C29 regular sterane relative contents of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

圖5 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油萜烷(m/z 191)質(zhì)量色譜圖Fig.5 Mass chromatograms of terpanes (m/z 191) of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

芳烴色譜—質(zhì)譜分析檢測到原油中含有150余種芳香烴系列化合物，并檢出熒蒽、苯并熒蒽、芘、惹烯等稠環(huán)芳烴類化合物，表明滄東凹陷孔二段頁巖層系原油的母質(zhì)來源具有高等植物的貢獻(xiàn)。

4.2 母質(zhì)形成環(huán)境

伽馬蠟烷(G)含量可用來判斷母源巖沉積時水體鹽度和水體分層程度[30-32]。從萜烷質(zhì)量色譜圖中可以看出，滄東凹陷不同構(gòu)造單元孔二段原油中均有伽馬蠟烷的存在，但伽馬蠟烷豐度普遍較低(圖5)，伽馬蠟烷指數(shù)(G/C30H)為0.16～0.27，平均0.21(表3)，反映研究區(qū)孔二段烴源巖沉積時的古環(huán)境為淡水—微咸水湖泊環(huán)境。

原油中藿烷(C30H)、重排藿烷(C30*)及藿烷(C29H)相對含量的高低通常反映了烴源巖沉積—成巖時的氧化還原環(huán)境[33-36]?？锥卧椭蠧30H>C29H>C30*，三者呈“V”型分布(圖5)，指示孔二段烴源巖形成于弱氧化—還原環(huán)境。

表3 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油萜烷參數(shù)

Pr/Ph是判識原油母質(zhì)形成環(huán)境的常用指標(biāo)，孔二段頁巖層系原油Pr/Ph值為0.53～1.00(表2)，具有偏植烷優(yōu)勢或姥植均勢的特點(diǎn)，指示原油母質(zhì)沉積環(huán)境為弱氧化—還原環(huán)境。原油芳烴組分中的三芴系列化合物相對含量也是反映母質(zhì)沉積環(huán)境的有效地球化學(xué)指標(biāo)[37]，原油的三芴系列化合物中氧芴(二苯并呋喃)含量最低，為5.5%～10.3%；其次為硫芴(二苯并噻吩)，含量為28.1%～38.3%；芴含量最高，為61.3%～68.4%(圖6)?？偟膩砜?，氧芴含量不高，而芴與硫芴含量相對較高，說明原油母質(zhì)形成于弱氧化—還原環(huán)境。二苯并噻吩/菲也是一個反映原油母質(zhì)沉積環(huán)境的地球化學(xué)參數(shù)，一般在海相碳酸鹽巖中二苯并噻吩/菲大于1.0，湖相源巖該比值小于1.0[38]?？锥卧投讲⑧绶?菲比值為0.03～0.12，指示原油母質(zhì)來源為湖相沉積。結(jié)合Pr/Ph與三芴系列化合物特征表明，孔二段原油母質(zhì)的沉積環(huán)境為弱氧化—還原的湖泊環(huán)境。

圖6 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段 原油三芴系列相對含量三角圖Fig.6 Triangular diagram of relative content of dibenzothiophene, dibenzofuran and fluorine series of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油穩(wěn)定碳同位素組成受有機(jī)母質(zhì)的類型、形成環(huán)境、成熟度及運(yùn)移地質(zhì)色層效應(yīng)等多種因素控制[39-40]。原油一般繼承了有機(jī)母質(zhì)的碳同位素特征，不同沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)來源的烴源巖其碳同位素特征不同，由混合—腐泥型有機(jī)母質(zhì)生成的“油型油”富含12C，而腐殖型生油母質(zhì)所生成的“煤型油”富含13C。但由于生烴演化過程中發(fā)生的同位素分餾作用，原油與母質(zhì)碳同位素組成又會存在一定差異，隨著成熟度的增高，原油碳同位素變重；地質(zhì)色層效應(yīng)引起的同位素分餾會使原油碳同位素變輕[41-42]。滄東凹陷孔二段原油成熟度低且為自生自儲式聚集，因此成熟度和運(yùn)移地質(zhì)色層效應(yīng)對其碳同位素組成影響甚微。19個原油樣品的全油碳同位素值均較輕，分布在-31‰～-32.1‰，最大值與最小值相差僅1.1‰(圖7)，反映原油具有相同的母質(zhì)來源，屬于淡水—微咸水湖相混合型有機(jī)質(zhì)生成的原油。各原油樣品單個組分的碳同位素也非常相近，差值均小于2‰。原油中各組分碳同位素分布規(guī)律也具有很好的相似性，一般為δ13C飽和烴<δ13C原油<δ13C芳烴<δ13C瀝青質(zhì)<δ13C非烴，反映這些原油樣品均來自相同的有機(jī)母質(zhì)，且經(jīng)歷了相似的地質(zhì)分餾過程。

5 原油成熟度

孔二段頁巖層系原油正構(gòu)烷烴分布特征表明，碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)值為1.12～1.32，奇偶優(yōu)勢指數(shù)(OEP)值為1.10～1.35(表2)，表現(xiàn)為奇數(shù)碳優(yōu)勢，反映原油成熟度偏低。

圖7 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油全油及各組分碳同位素分布Fig.7 Carbon isotopic distribution of whole crude oils and group components from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

圖8 渤海灣盆地滄東凹陷孔二段原油甾烷成熟度參數(shù)Fig.8 Sterane maturity parameters of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油樣品中C29甾烷異構(gòu)化指數(shù)可以判別原油成熟度。αββ/(ααα+αββ)C29甾烷值為0.24～0.36，20S/(20S+20R)C29甾烷值為0.20～0.39，也指示各構(gòu)造單元孔二段頁巖層系原油成熟度偏低(圖8)。

藿烷異構(gòu)化特征也可以反映原油成熟度高低[39]，不同構(gòu)型的熱穩(wěn)定性通常表現(xiàn)為αβ>βα>ββ，22S>22R，18α(H)-三降新藿烷(Ts)較17α(H)-三降藿烷(Tm)更加穩(wěn)定。滄東凹陷孔二段原油20S/(20S+20R)C31升藿烷值為0.54～0.57，βαC30莫烷(C30M)/αβC30藿烷(C30H)值為0.12～0.16，Ts/Tm為0.29～1.06，平均0.63；Ts/(Ts+Tm)為0.22～0.51，平均0.37(表3)。這些指標(biāo)均反映了孔二段原油成熟度較低。

6 結(jié)論

(1)滄東凹陷孔二段頁巖層系原油具有高黏度、高含蠟、中等密度、中等凝固點(diǎn)特征，屬于中質(zhì)、中凝稠油，原油流動性較差。原油族組分分析表明，原油中烴類含量偏低，極性組分含量偏高，飽芳比和非瀝比均較低。

(2)孔二段頁巖層系原油的飽和烴色譜—質(zhì)譜、穩(wěn)定碳同位素等特征相似，反映其母質(zhì)來源及生烴演化過程基本一致。飽和烴色譜以正態(tài)分布的單峰型為主，輕碳優(yōu)勢不明顯，具有奇數(shù)碳優(yōu)勢；C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈“上升型”分布；三環(huán)萜烷含量很低；芳烴組分中含熒蒽、苯并熒蒽、芘、惹烯等稠環(huán)芳烴類化合物，反映原油有機(jī)母質(zhì)來源具有湖相水生生物和陸源高等植物的雙重貢獻(xiàn)，陸源高等植物為優(yōu)勢生源。

(3)伽馬蠟烷指數(shù)、Pr/Ph、三芴系列化合物、重排霍烷的含量和分布以及穩(wěn)定碳同位素值等指標(biāo)，反映了滄東凹陷孔二段原油形成于弱氧化—還原和淡水—微咸水環(huán)境。

(4)正烷烴分布特征和奇偶優(yōu)勢比、αββ/(ααα+αββ)C29與20S/(20S+20R)C29甾烷異構(gòu)化指數(shù)以及霍烷異構(gòu)化指數(shù)均指示原油成熟度偏低。