川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段及須五段烴源巖生物標(biāo)志物特征和生源構(gòu)成

張吉振，唐友軍，洪海濤，李美俊，盧曉林，吳長江，何大祥，黃亞浩，潘珂，楊孝勇

1.非常規(guī)油氣省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長江大學(xué))，湖北 武漢 430100 3.長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100 4.中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610041 5.中國石油西南油田分公司勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610041 6.油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249

四川盆地侏羅系具有較長的勘探開發(fā)歷史，先后經(jīng)歷了5個(gè)階段的勘探開發(fā)進(jìn)程，已發(fā)現(xiàn)多個(gè)大型油田，為穩(wěn)定我國原油供給，應(yīng)對能源挑戰(zhàn)做出了重要貢獻(xiàn)[1-4]。早期勘探目標(biāo)主要為盆地西南部構(gòu)造圈閉，發(fā)現(xiàn)了平落壩、白馬廟、蘇碼頭等構(gòu)造背景下的巖性圈閉氣藏[5-7]；目前常規(guī)油氣資源逐漸向深層、超深層邁進(jìn)，給油氣資源的穩(wěn)產(chǎn)、上產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。然而，非常規(guī)油氣資源的發(fā)展和進(jìn)步為我國應(yīng)對能源挑戰(zhàn)帶來希望，近年來，川中油氣區(qū)侏羅系致密油氣資源勘探在秋林、金華、八角場一帶取得重要突破，為實(shí)現(xiàn)四川盆地油氣資源增產(chǎn)增儲提供重要支撐[8-10]。

四川盆地侏羅系油氣資源主要集中于盆地中部(川中油氣區(qū))，其中金華地區(qū)地層發(fā)育多套供烴層位，儲層分類評價(jià)較困難，主力烴源巖層位及各烴源巖層位供烴貢獻(xiàn)比例不甚明確，不利于致密油氣資源富集規(guī)律的探究、有利儲層的優(yōu)選評價(jià)及有利區(qū)的優(yōu)選[11-14]。對烴源巖進(jìn)行地球化學(xué)分析可以為儲層評價(jià)、油源對比提供重要科學(xué)依據(jù)，為此，筆者基于飽和烴氣相色譜、色譜-質(zhì)譜等技術(shù)，對川中油氣區(qū)金華地區(qū)自流井組大安寨段和須家河組五段(以下簡稱須五段)2套主要供烴層位的烴源巖樣品的生物標(biāo)志化合物特征進(jìn)行研究(見圖1)，對比分析了不同層位烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型、熱演化程度、沉積環(huán)境和生源構(gòu)成，為研究區(qū)侏羅系油氣資源儲層分析評價(jià)和有利區(qū)優(yōu)選提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 川中油氣區(qū)取樣井位分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[15-17]整理編繪)Fig. 1 The distribution map of sampling wells in central Sichuan oil and gas region (It was compiled and edited according to the literature [15-17])

1 地質(zhì)背景

四川盆地的演化經(jīng)歷古生代-中三疊世克拉通和晚三疊世-新生代陸相前陸盆地兩大階段[15]。四川盆地是中國西南部重要的含油氣盆地，在寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)等經(jīng)歷了多期復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動，形成了四面造山帶的構(gòu)造格局[16，17]。整個(gè)四川盆地堆積了晚三疊世須家河組至侏羅系巨厚的陸相地層，最大厚度可達(dá)11000余米，總體特征為西厚東薄、北厚南薄。

須家河組分為6個(gè)巖性層段，從下到上依次為須一段～須六段(見圖2)。須一段、須三段、須五段以湖泊沉積為主，且含豐富的植物化石，含煤層，是須家河組的主要?dú)庠磶r；須二段、須四段、須六段以三角洲沉積為主，含少量的植物化石，間夾煤線，是主要的儲集層。侏羅系自下而上劃分為自流井組、涼高山組、沙溪廟組、遂寧組和蓬萊鎮(zhèn)組等多套地層[14-16]。

自流井組大安寨段巖性以泥灰?guī)r、砂泥巖為主，主要發(fā)育湖泊沉積體系，往盆地邊緣厚度減薄，為濱岸環(huán)境沉積。大安寨段湖盆發(fā)展經(jīng)歷了水進(jìn)拓展期、最大進(jìn)水期、水退萎縮期3個(gè)階段，湖盆震蕩導(dǎo)致湖水大范圍的收縮與拓展，使頁巖和介殼灰?guī)r頻繁交互，為生儲組合提供了較為有利的條件[15-17]。

圖2 四川盆地中生界地層綜合柱狀剖面圖Fig. 2 The comprehensive columnar section of Mesozoic stratum in Sichuan Basin

2 樣品及試驗(yàn)方法

研究樣品采自川中油氣區(qū)取樣井的大安寨段和須五段2套地層的烴源巖，共計(jì)27塊巖心樣品。將采集的烴源巖樣品進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行粉碎處理，再將粉末樣品放入烤箱進(jìn)行烘干，然后基于傳統(tǒng)的索氏提取法提取72h。氣相色譜分析試驗(yàn)過程依據(jù)中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然氣的組成分析 氣相色譜法》(GB/T 13610—2014)，采用美國安捷倫公司生產(chǎn)的7890A色譜儀進(jìn)行，該儀器配備熱導(dǎo)檢測器和火焰離子化檢測器(FID)。烘箱溫度設(shè)定為以4℃/min的速率從40℃升高到300℃，然后在300℃下保持20min。使用帶有50m×0.25mm熔融石英毛細(xì)管柱的GC-MS(氣相色譜-質(zhì)譜)分析儀，氣相色譜儀直接連接到離子源(電子能量電離電壓70eV，發(fā)射電流100mA，界面溫度250℃)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選定離子監(jiān)測功能允許對特定離子進(jìn)行監(jiān)測，如正構(gòu)烷烴(m/z85)、三環(huán)萜烷和藿烷(m/z191)和甾烷(m/z217)。通過測量m/z191和m/z217色譜圖的峰高，計(jì)算三環(huán)萜烷和甾烷的相對豐度。載氣為氦氣，流速為1.1mL/min。

3 分子生物標(biāo)志化合物特征

3.1 正構(gòu)烷烴與植烷系列

正構(gòu)烷烴是烴源巖的一種主要化學(xué)組分，具有多種成因和來源，其組成和碳數(shù)分布能夠反映有機(jī)質(zhì)類型、沉積環(huán)境性質(zhì)和熱演化程度。正構(gòu)烷烴主峰碳數(shù)(Cmax)和碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)等可以作為有效的地球化學(xué)參數(shù)指標(biāo)。地質(zhì)沉積物中正構(gòu)烷烴的來源可以通過地球化學(xué)參數(shù)指標(biāo)Cmax、CPI、奇偶優(yōu)勢指數(shù)(OEP)來進(jìn)行判別[18-20]。

植烷系列化合物中的姥植比(Pr/Ph)是常用于確定沉積環(huán)境氧化還原性的有效地球化學(xué)指標(biāo)。由于姥鮫烷是氧化環(huán)境產(chǎn)物，而植烷是還原環(huán)境產(chǎn)物，因此Pr/Ph>1，且該值越高，其成烴古環(huán)境氧化程度越高，同時(shí)表明古環(huán)境水體越淺(沼澤、濕地、海陸交互相等)，常稱之為姥鮫烷優(yōu)勢[21-23]；Pr/Ph<1，且該值越低，其成烴古環(huán)境還原程度越強(qiáng)，同時(shí)表明古環(huán)境水體深(淡水、咸水湖相和海相)，稱之為植烷優(yōu)勢[21-23]。

注：TIC為總離子流色譜圖。圖3 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖正構(gòu)烷烴分布特征Fig. 3 Distribution characteristics of n-alkanes of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

圖4 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖 Ph/nC18-Pr/nC17關(guān)系圖Fig. 4 Relationship diagram of Ph/nC18-Pr/nC17 of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.2 三環(huán)萜烷系列

三環(huán)萜烷在石油和沉積有機(jī)質(zhì)中廣泛分布，指示低等生物藻類的貢獻(xiàn)，而其分布特征則與沉積環(huán)境的性質(zhì)密切相關(guān)。C19和C20三環(huán)萜烷(C19+20TT)可能來自二萜類先質(zhì)，反映高等植物生源貢獻(xiàn)；海相、咸水湖相烴源巖及相關(guān)原油常表現(xiàn)出C23三環(huán)萜烷(C23TT)占優(yōu)勢的特征；淡水湖相烴源巖及相關(guān)原油常表現(xiàn)以C21三環(huán)萜烷(C21TT)為主[24，25]。大安寨段烴源巖的三環(huán)萜烷系列化合物的分布特征與須五段烴源巖不同，C19+20TT占有絕對的優(yōu)勢，C23TT次之(見圖5)。

圖5 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖C19+20TT、C21TT 和C23TT相對含量三角圖版Fig. 5 Triangle chart of relative content of C19+20TT, C21TT and C23TT of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

圖6為研究區(qū)大安寨段和須五段烴源巖萜烷系列分布特征，可以看出， PL10井大安寨段烴源巖的C24四環(huán)萜烷的豐度低于C26三環(huán)萜烷，表明PL10井區(qū)大安寨段烴源巖的沉積環(huán)境較為恒定；而X28井大安寨段烴源巖的C24四環(huán)萜烷的豐度高于C26三環(huán)萜烷，表明X28井區(qū)受須五段烴源母質(zhì)影響，沉積環(huán)境處于一種過渡漸變的環(huán)境；須五段烴源巖大部分樣品的萜烷系列分布是以C23為主峰的近正態(tài)分布，C19+20TT含量較低，C24四環(huán)萜烷的豐度高于C26三環(huán)萜烷，C19三環(huán)萜烷顯著低于大安寨段，表明須五段烴源巖的沉積環(huán)境與大安寨段有較大差異。

3.3 藿烷系列

石油和沉積有機(jī)質(zhì)中的藿烷系列來自原核生物的細(xì)胞膜，是主要的三萜類生物標(biāo)志化合物。越靠近湖盆邊緣，沉積的陸源有機(jī)質(zhì)越多，泥巖抽提物C30D(降藿烷)相對含量越高。大安寨段烴源巖抽提物飽和烴中檢測出豐富的藿烷系列(見圖7)，普遍出現(xiàn)早洗脫重排藿烷(C30E)。其中，大安寨段烴源巖的C30D/C30H(藿烷系列化合物)和C30E/C30H的變化范圍大，比值最高可達(dá)11.07。該次研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)大安寨段和須五段烴源巖重排藿烷系列含量與有機(jī)質(zhì)豐度具有一定的正相關(guān)關(guān)系。此外，絕大多數(shù)烴源巖中伽馬蠟烷的含量低，表明大安寨段沉積時(shí)期存在多期湖水漲退的旋回和區(qū)域性或間歇性湖盆咸化[26]。須五段烴源巖從C29αβ藿烷到C35αβ藿烷系列發(fā)育較為完整，以C30αβ藿烷系列為主峰，C29～C35αβ藿烷系列隨著碳序升高其豐度逐漸降低。C30D和C30E的含量普遍較低，表明須五段烴源巖沉積時(shí)期，海相有機(jī)質(zhì)供給較少[27]。

圖6 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖萜烷系列分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of terpane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

圖7 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖藿烷系列分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of hopane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.4 甾烷系列

C27-29甾烷的分布與組成特征不僅與原始生烴母質(zhì)關(guān)系密切，而且還受控于沉積環(huán)境的性質(zhì)(如水體古鹽度的高低和氧化還原性)及烴源巖的巖性，其異構(gòu)體比值還能判斷原油的成熟度[26-28]。一般而言，C27和C28甾烷主要來源于低等生物藻類，而C29甾烷與陸源有機(jī)質(zhì)有關(guān)。此外，高鹽度、強(qiáng)還原的沉積環(huán)境中形成的烴源巖與所生原油常貧重排甾烷，而淡水、偏氧化的沉積環(huán)境形成的烴源巖常明顯富含重排甾烷[28]。研究區(qū)烴源巖甾烷分布與組成特征差異較小，規(guī)則甾烷分布均呈C27>C28、C28

注：化合物符號“R”、“S”分別代表手型碳原子的異構(gòu)化形態(tài)為R型和S型。圖8 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖甾烷系列分布特征Fig. 8 Distribution characteristics of sterane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

圖9 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖C27-28-29甾烷碳數(shù) 組成關(guān)系圖Fig. 9 Diagram of carbon number composition of C27-28-29 steranes of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.5 芳烴系列

芳烴化合物是烴源巖中沉積有機(jī)質(zhì)的熱演化產(chǎn)物。相對于常規(guī)的生物標(biāo)志物，它們包含著更為特殊的地球化學(xué)信息，被廣泛應(yīng)用于判識有機(jī)質(zhì)生源及其沉積環(huán)境和確定熱演化程度[29]。常見有萘系列、菲系列、“三芴”、聯(lián)苯等等。該次研究在充分分析芳香烴色譜色質(zhì)數(shù)據(jù)后，篩選出芳烴系列中芘和螢蒽類烷基同系物參數(shù)、三芳甾類系列參數(shù)來刻畫烴源巖的地球化學(xué)特征：芘和螢蒽類烷基同系物主要來源于煤、石油、礦物燃料以及植物燃燒產(chǎn)物。

研究區(qū)大安寨段烴源巖抽提物中含有豐富的芘和螢蒽類化合物。在m/z216質(zhì)量色譜圖上檢測出甲基芘(MPy)及其同系物甲基螢蒽(MFla)，大安寨段烴源巖MFla/MPy整體較低(介于0.042～0.30之間)(見圖10)；須五段烴源巖中芘和螢蒽類化合物呈現(xiàn)出與大安寨段完全不同的分布特征，MFla豐度占有絕對優(yōu)勢，MFla/MPy介于0.80～1.78之間(見圖10)。

圖10 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖甲基芘系列分布Fig. 10 Distribution of methyl pyrene series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

三芳甾烷系列化合物主要包括以m/z231為基峰的三芳甾烷系列和以m/z245為基峰的甲基三芳甾烷系列、三芳甲藻甾烷，它們是生物體內(nèi)具有甾類骨架的前身物，如甾烯(烷)醇、酮在成巖和熱演化過程中發(fā)生脫官能團(tuán)形成甾烯[30]，然后脫氫經(jīng)單芳甾類發(fā)生進(jìn)一步芳構(gòu)化作用后的產(chǎn)物，如C27單芳甾可以轉(zhuǎn)化成為C26三芳甾烷，因此C26-C27-C28三芳甾烷相對含量同樣可以用來判識原油有機(jī)質(zhì)的生源構(gòu)成[31,32]。但是，常規(guī)芳烴色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析得到的m/z231質(zhì)量色譜圖上，C26R和C27S三芳甾烷往往共流出，所以該參數(shù)并沒有得到廣泛應(yīng)用。研究區(qū)大安寨段和須五段烴源巖樣品中檢測出豐富的三芳甾烷，大安寨段和須五段烴源巖C27/C2820R TAS(C27-20R/C28-20R)均較低(見圖11)。

三芳甲藻甾烷來自于甲藻甾烷，從結(jié)構(gòu)上來講與4,23,24-三甲基膽甾醇有關(guān)，作為一類重要的表征年代的生物標(biāo)志物，一般認(rèn)為三芳甲藻甾烷主要出現(xiàn)自早侏羅紀(jì)時(shí)期，其生物前驅(qū)物與溝鞭藻類有關(guān)。PETERS等[33]認(rèn)為三芳甲藻甾烷主要富集于中生代之后的樣品中，古生代海相有機(jī)質(zhì)及原油中因含量低于檢測極限而無法識別，但是，后來陸續(xù)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，即使在早古生代亦有三芳甲藻甾烷類化合物的出現(xiàn)，尤其是寒武紀(jì)時(shí)期三芳甲藻甾烷相對含量很高。TDSI(三芳甲藻甾烷指數(shù))被用來表示樣品中三芳甲藻甾烷的相對含量(TDSI=三芳甲藻甾烷/(三芳甲藻甾烷+3-甲基-24-乙基三芳甲藻甾烷))。研究區(qū)大安寨段和須五段烴源巖樣品中檢測出豐富的三芳甲藻甾烷，且2套烴源巖三芳甾烷分布特征相差不大，TDSI總體介于0.38～0.92之間，多數(shù)處于0.5～0.85之間(見圖12)。

3.6 不同層位烴源巖分子地球化學(xué)特征對比

不同層位烴源巖的分子地球化學(xué)特征記錄著各自在生源、沉積環(huán)境及成熟度等方面的信息。研究區(qū)大安寨段和須五段烴源巖的分子地球化學(xué)特征差異較為顯著。由于四川盆地?zé)N源巖本身非均質(zhì)性較強(qiáng)，特征較為復(fù)雜，很難用單一2種參數(shù)對烴源巖特征進(jìn)行區(qū)分。因此該次研究選取了Pr/Ph、C19+20TT/C23TT、C30E/C30H、C30D/C30H、C27D/C27R、C27/C28TAS等參數(shù)對大安寨段和須五段烴源巖地球化學(xué)特征進(jìn)行了描述(見圖13)，以期為油源對比提供依據(jù)。由圖13可以看出，大安寨段烴源巖地球化學(xué)特征總體上呈現(xiàn)中等Pr/Ph，中等C19+20TT/C23TT，中等C30D/C30H、C30E/C30H，高C27D/C27R，相對低C27/C28TAS；須五段烴源巖總體上呈現(xiàn)低-中等Pr/Ph，低C19+20TT/C23TT、C30D/C30H、C30E/C30H，中等C27D/C27R，相對高C27/C28TAS。

注：圖中數(shù)字代表TDSI參考值。圖12 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖甲基三芳甾烷和三芳甲藻甾烷分布特征Fig. 12 Distribution characteristics of methyltriarylstane and triarylsterone of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

圖13 川中油氣區(qū)金華地區(qū)大安寨段和須五段烴源巖地化特征折線圖Fig. 13 The line chart of geochemical characteristics of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

4 烴源巖生源構(gòu)成

生物標(biāo)志化合物可以直接反映出不同類型的生源特征，綜合多種生物標(biāo)志化合物組合特征，可以較為有效地反映出烴源巖中有機(jī)質(zhì)的生源構(gòu)成信息[33-35]。有機(jī)質(zhì)的生源類型主要包括高等植物生源、水生菌藻生源、細(xì)菌生源等主要類型。根據(jù)多種生物標(biāo)志化合物反映出的生源信息進(jìn)行相對百分含量計(jì)算，可以獲取烴源巖有機(jī)質(zhì)的生源構(gòu)成參數(shù)，為揭示烴源巖的母質(zhì)來源提供直接證據(jù)。

大安寨段烴源巖菌藻類生源占32.4%～55.2%(平均48.2%)，高等植物生源占39.5%～62.1%(平均47.4%)，細(xì)菌類生源占2.2%～5.6% (平均4.4%)，顯示出豐富的水生菌藻類和陸生高等植物混源輸入為主的特征。須五段烴源巖高等植物生源占48.0%～66.4%(平均57.2%)，菌藻類生源占31.4%～49.5%(平均40.4%)，細(xì)菌類生源占2.3%～2.5%(平均2.4%)，顯示出陸源高等植物生源為主的特征。

5 結(jié)論

1)大安寨段烴源巖地球化學(xué)特征總體上呈現(xiàn)中等Pr/Ph，中等C19+20TT/C23TT，中等C30D/C30H、C30E/C30H，高C27D/C27R，相對低C27/C28TAS。須五段烴源巖總體上呈現(xiàn)低-中等Pr/Ph，低C19+20TT/C23TT、C30D/C30H、C30E/C30H，中等C27D/C27R，相對高C27/C28TAS。

2)大安寨段烴源巖以水生菌藻類和陸生高等植物混源輸入為主，須五段烴源巖以陸源高等植物生源為主。