蘇北盆地高郵凹陷原油地球化學(xué)特征及成因類型

金秀輝， 李洪波， 張 敏， 田興民

(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， 油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點實驗室， 武漢 430100)

高郵凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷中南部，是晚白堊世儀征運(yùn)動和古新世吳堡運(yùn)動作用下，由于斷塊差異沉降而形成的箕狀凹陷，東西長約110 km，南北寬22～32 km，面積達(dá)2 775 km2[1]，凹陷從南向北按三級構(gòu)造[2]依次可劃分為3個區(qū)塊，如圖1所示，分別為南部斷階帶、中央深凹帶和北部斜坡帶。在20世紀(jì)70年代中期，蘇北盆地高郵凹陷油氣勘探進(jìn)入全面開發(fā)階段，經(jīng)過50多年的勘探，發(fā)現(xiàn)了多個油田，南部斷階帶發(fā)現(xiàn)了邵伯、許淺1和陳堡等油田[3-5]，中央坳陷帶發(fā)現(xiàn)了赤岸、馬家嘴和黃玨等油田，北部斜坡帶發(fā)現(xiàn)了沙埝和瓦莊等油田(圖1)，探明石油儲量超過16 550×104t，呈現(xiàn)出較好的油氣資源前景。

圖1 高郵凹陷構(gòu)造分區(qū)與典型油田樣品

高郵凹陷構(gòu)造復(fù)雜，高郵凹陷兩種主要烴源巖分別為古近系阜二段(E1f2) 和阜四段(E1f4)[5]，存在多種源巖生烴的特點；而該區(qū)大面積形成的斷裂為油氣運(yùn)移提供了良好的運(yùn)輸條件，所以油氣富集程度和規(guī)律在不同區(qū)段上也截然不同，油藏中的油氣來源存在一定的復(fù)雜性[6-8]。在南部斷階帶構(gòu)造特征和沉積特征等方面[9-11]，前人也做過相關(guān)的大量研究，原油成因特征研究局限于南斷階部分油田(馬家嘴、黃玨、邵伯等)[12-15]，高郵凹陷整體油氣描述以及原油成因類型劃分的研究較為鮮見。本文通過對整個高郵凹陷典型油田(沙埝、瓦莊、陳堡、赤岸、馬家嘴、黃玨、邵伯、許淺1)原油地球化學(xué)特征剖析，結(jié)合生源輸入、沉積環(huán)境和原油成熟度特征，劃分原油成因類型，以期為該凹陷下一步勘探提供有力地球化學(xué)特征依據(jù)。

1 樣品與試驗

本研究共選取了赤岸、陳堡、沙埝、瓦莊、馬家嘴、邵伯、許淺1、黃玨等油田中共40個原油樣品，并且原油樣品在平面上覆蓋整個高郵凹陷原油控制區(qū)，在層位上覆蓋到三垛組、戴南組、阜寧組、泰州組等主力產(chǎn)油層位[15]。原油樣品進(jìn)行飽和烴與芳烴氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)分析，在進(jìn)行飽和烴和芳烴色譜-質(zhì)譜分析之前，需要先將原油中瀝青質(zhì)用正己烷沉淀，然后將脫瀝青質(zhì)原油用硅膠/氧化鋁柱色層法分離成飽和烴、芳香烴和非烴。

飽和烴色譜-質(zhì)譜分析條件: HPGC6890/5973MSD色譜/質(zhì)譜儀，GC載氣為99.999%He，載氣流速為1 mL/min；色譜柱為HP-5MS，60 m×0.25 mm×0.25 μm；進(jìn)樣口溫度為300 ℃，升溫程序為80 ℃保持1 min，以3 ℃/min升至310 ℃，然后保持16 min；MS離子化方式為EI, 電子能量為70 eV；數(shù)據(jù)采集方式為全掃描/多離子(SCAN/SIM)。

芳烴色譜-質(zhì)譜分析條件：HPGC6890/5973MSD色譜/質(zhì)譜儀，色譜柱為HP-5MS，60 m×0.25 mm×0.25 μm，汽化室溫度為290 ℃，進(jìn)樣方式是脈沖不分流進(jìn)樣且采用恒流模式，載氣流速為1.0 mL/min。柱爐溫的升溫程序為：以20 ℃/min升至100 ℃，然后再以3 ℃/min至310 ℃，恒溫18 min。質(zhì)譜采用EI電離方式，電子能量為70 eV，接口溫度為280 ℃，采集方式為全掃描模式。掃描質(zhì)量范圍50～450 amu。標(biāo)樣為d10-蒽(全氘化蒽)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油的物性

根據(jù)高郵凹陷統(tǒng)計中的20個原油物性分析數(shù)據(jù)，如圖2所示，絕大多數(shù)原油密度的范圍介于0.80～0.92 g/cm3，原油密度分布特征顯示出高郵凹陷以中質(zhì)油為主。原油黏度集中在5～20 mPa·s，73%的原油黏度落在該區(qū)間；原油凝固點均大于10 ℃，絕大多數(shù)在20～40 ℃，占原油總數(shù)的71%。綜合來看，高郵凹陷以中質(zhì)油為主，原油物性具有凝固點低、黏度低、密度低的“三低”特點。

圖2 高郵凹陷原油密度和黏度散點分布

2.2 原油飽和烴地球化學(xué)特征

2.2.1 鏈烷烴系列化合物

高郵凹陷40件原油油樣飽和烴餾分中，正構(gòu)烷烴整體上呈現(xiàn)單峰態(tài)后峰型布形式。鏈烷烴色譜基線沒有明顯的“鼓包”，說明并未遭受生物降解作用，基線較為平直，碳奇偶優(yōu)勢不明顯，呈現(xiàn)出成熟原油的特征。

正構(gòu)烷烴主要分布于菌、藻類和高等植物等生物體中，在有機(jī)質(zhì)演化過程中最穩(wěn)定的化合物[16]。赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田原油正構(gòu)烷烴主要呈正態(tài)分布，碳數(shù)分布在nC10～nC35之間，主峰碳大多為nC19、nC22和nC25(圖3)，原油的(nC21+nC22)/(nC28+nC29)比值整體偏高，介于1.01～1.64；姥植比介于0.33～0.61，平均值為0.51；原油樣品的CPI和OEP的值均大都分布在1.0左右，表明這類原油處于成熟原油；此類原油一般含有較高豐度的β-胡蘿卜烷，其β-胡蘿卜烷/nC37比值較高，比值一般都在大于3。

馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田原油樣品的正構(gòu)烷烴中，碳數(shù)分布范圍為nC10～nC35,主碳峰大多為nC22、nC23和nC30(圖3)，輕重比∑C21-/∑C22+比值絕大部分介于0.64～1.57，(nC21+nC22)/(nC28+nC29)比值介于0.21～1.70；姥植比比較接近，基本介于0.73～0.94，平均值為0.80；CPI和OEP的值均大都在1.0左右，處于成熟原油；β-胡蘿卜烷/nC37比值基本上小于3。

圖3 高郵凹陷部分典型原油的TIC、191和217質(zhì)量色譜圖

姥鮫烷和植烷的比值(Pr/Ph)以及Pr/nC17與Ph/nC18是反映沉積環(huán)境的重要參數(shù)[17]，從Pr/nC17與Ph/nC18參數(shù)變化圖(圖4)中可以看出，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田以及馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田原油的Ph/nC18和Pr/nC17具有很好的正相關(guān)性，處于還原性沉積環(huán)境中。更進(jìn)一步對比姥植比和β-胡蘿卜烷參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田姥植比低和β-胡蘿卜烷較高，表征出水體更咸鹽度更高還原性更強(qiáng)。相比而言，馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田姥植比上類原油稍高且β-胡蘿卜烷較低，從而表現(xiàn)出水體鹽度相對稍低還原性相對稍弱。

圖4 高郵凹陷原油Ph/nC18和Pr/nC17關(guān)系圖

2.2.2 萜烷類化合物

在m/z 123質(zhì)量色譜圖中，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田以及馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田原油補(bǔ)身烷分布相似，都以補(bǔ)身烷、升補(bǔ)身烷含量較高為特征(圖5)。進(jìn)一步細(xì)分可發(fā)現(xiàn)赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝原油補(bǔ)升烷含量高于升補(bǔ)升烷含量，而馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田補(bǔ)升烷含量要低于升補(bǔ)升烷含量(圖6)。

圖5 高郵凹陷部分原油m/z 123質(zhì)量色譜圖

圖6 原油補(bǔ)身烷/升補(bǔ)身烷與Pr/Ph比值關(guān)系

從m/z 191質(zhì)量色譜圖中可以看出，三環(huán)萜烷整體上呈現(xiàn)出正態(tài)分布(圖3)。赤岸、陳堡、沙埝和瓦莊的原油C21TT/C23TT比值主要介于0.68～0.85，C24Te/C26TT的比值均小于1.0(圖7)，比值介于0.55～0.98，主體范圍為0.68～0.88，平均為0.77；而馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨原油的C21TT/C23TT比值主要介于0.84～1.17，C24Te/C26TT的比值基本上大于1，介于1.18～1.62，主體范圍為1.23～1.58，平均值為1.35。

圖7 原油C27αααR /C29αααR與C24Te/C26TT比值關(guān)系

藿烷類化合物在原油中普遍存在，主要來源于細(xì)菌或原核生物的生物標(biāo)志物[18-19]。赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝原油樣品的伽馬蠟烷/C30藿烷比值介于0.29～0.59，平均值0.45，C29降藿烷/C30藿烷比值介于0.45～0.57，平均值為0.51，Tm值基本上高于Ts值；馬家嘴、邵伯、許淺1和黃玨油田原油的伽馬蠟烷/C30藿烷比值介于0.42～0.52，整體上相較于赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝原油伽馬蠟烷/C30藿烷比值要偏低，這與前文所述的β-胡蘿卜烷參數(shù)表征的水體鹽度分布特征相一致，C29降藿烷/C30藿烷比值介于0.38～0.47，平均值為0.42，Tm值高于Ts值。

原油中規(guī)則甾烷C27、C28和C29的相對含量可以反映有機(jī)質(zhì)母源輸入，一般認(rèn)為規(guī)則甾烷C27來源于藻類或低等水生生物，規(guī)則甾烷C29主要來源于高等植物[18-19]。赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田原油的C27αααR、C28αααR和C29αααR甾烷含量較為接近，C27αααR甾烷分布在30.88%～33.70%，平均為31.85%，C28αααR 甾烷介于23.53%～27.98%，平均為25.75%，其C29αααR甾烷介于40.55%～44.74%，平均為42.40%，即C29%>C27%>C28%，C27αααR/C29αααR比值范圍在0.54～0.68(圖7)，研究區(qū)所有原油樣品均顯示出C29αααR甾烷優(yōu)勢(圖3)。

2.2.3 甾烷類化合物

原油中規(guī)則甾烷C27、C28和C29的相對含量可以反映有機(jī)質(zhì)母源輸入，一般認(rèn)為規(guī)則甾烷C27來源于藻類或低等水生生物，規(guī)則甾烷C29主要來源于高等植物[18-19]。赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田原油的C27αααR、C28αααR和C29αααR甾烷含量較為接近，C27αααR甾烷分布在30.88%～33.70%，平均為31.85%，C28αααR 甾烷介于23.53%～27.98%，平均為25.75%，其C29αααR甾烷介于40.55%～44.74%，平均為42.40%，即C29%>C27%>C28%，C27αααR/C29αααR比值范圍在0.54～0.68(圖7)，研究區(qū)所有原油樣品均顯示出C29αααR甾烷優(yōu)勢(圖3)，顯示出不對稱的反“L”字形，表征原油母質(zhì)來源為混合有機(jī)質(zhì)，陸源高等植物貢獻(xiàn)稍占優(yōu)勢。而與之不同的是馬家嘴、黃玨、許淺1、邵伯油田原油的C27αααR、C28ααα和C29αααR甾烷含量(圖3)， C27αααR和C29αααR甾烷豐富，C28αααR甾烷相對較低，C27αααR甾烷分布平均在31.58%～34.42%，平均為33.47%，C28αααR 甾烷介于28.76%～30.24%，平均為29.46%，C29αααR甾烷介于35.46%～39.12%,平均為37.06%，C27αααR/C29αααR為0.73～0.96，接近于1.0，C27αααR、C28αααR 和C29αααR相對組成分布呈典型對稱的 “V”字形(圖3)，與赤岸和陳堡等油田的特征截然不同，表明母質(zhì)來源是水生生物和高等植物雙重貢獻(xiàn)，高等植物優(yōu)勢不明顯。

從C27-C28-C29ααα(R)甾烷分布三角圖(圖8)中可知，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田以及馬家嘴、黃玨、許淺1、邵伯油田原油樣品點均分布在Ⅲ區(qū)，母質(zhì)來源于混合型。更進(jìn)一步觀察，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田樣品點稍偏向于Ⅱ區(qū)，表明陸源輸入較馬家嘴、黃玨、許淺1、邵伯油田略多一點，整體上仍以混合生源為主。

圖8 原油C27-C28-C29甾烷三角圖

隨著原油成熟度增加，C29甾烷熱穩(wěn)定性差的R構(gòu)型將向S構(gòu)型轉(zhuǎn)變, αα構(gòu)型向ββ構(gòu)型轉(zhuǎn)變，當(dāng)Ro在1.0左右達(dá)到平衡值,因此可以作為衡量原油成熟度的指標(biāo)[18]。從C29-ββ/(ββ+αα)和C29ααα-20S/(20S+20R)比值關(guān)系圖可以看出(圖9)，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田以及馬家嘴、黃玨、許淺1、邵伯油田原油C29-ββ/(ββ+αα)比值介于0.25～0.45，平均值為0.35，C29ααα-20S/(20S+20R)比值介于0.2～0.48，平均值為0.38，均屬于成熟原油。

圖9 原油C29-ββ/(ββ+αα)和C29ααα-20S/(20S+20R)比值關(guān)系圖

2.3 原油芳烴地球化學(xué)特征

芳香烴是原油的另一個重要的族組分，通常占原油15%～30%，可以提供豐富的沉積環(huán)境和有機(jī)質(zhì)熱演化地球化學(xué)信息[20-21]。高郵凹陷各油田芳烴總量平面圖可以看出(圖10)，與飽和烴兩種分布特征一致的是：馬家嘴、黃玨、方巷、邵伯與許淺1原油芳烴總量豐富，濃度大于3.0 mg/g油；而赤岸、陳堡和沙埝原油芳烴總量相對較低，濃度小于3.0 mg/g油。同時馬家嘴、黃玨和邵伯原油萘系列總量多位于2.0 mg/g以上，赤岸與陳堡油田多位于2.0 mg/g以下。菲系列絕對含量差異不明顯，基本都小于1.0 mg/g。

圖10 高郵凹陷原油芳烴絕對含量平面分布

芳烴組成中含氮、氧、硫的二苯并噻吩系列(硫芴-SF)、二苯并呋喃系列(氧芴-0F)和芴(F)，可能來源于同種先質(zhì)，其基本化合物分子骨架中都有一個五元環(huán)。在強(qiáng)還原條件下，如海相、鹽湖相等，硫很容易被替換到芴分子骨架中，從而形成硫芴；在沼澤淺水環(huán)境中有比較豐富的游離氧，從而很容易和芴分子結(jié)合形成氧芴，從而可見，硫芴和氧芴的分布主要受控于沉積環(huán)境[22]。高郵凹陷的原油樣品中硫芴含量大約占20.80%～37.57%。不同地區(qū)原油三芴分布存在一定的差異，馬家嘴油田、邵伯油田和許淺1的原油三芴系列中硫芴相比較赤岸油田稍低；赤岸油田則芴硫芴含量相對稍高(圖11)，表明其源巖沉積環(huán)境還原性相對馬家嘴油田、邵伯油田和許淺1略強(qiáng)，此結(jié)果與前文所述中的赤岸油田姥植比較低、β-胡蘿卜烷較高和伽馬蠟烷稍低等特征相一致。

圖11 高郵凹陷部分原油三芴系列化合物組成三角圖

3 原油成因類型劃分

高郵凹陷發(fā)育的烴源巖主要有兩套，分別為E1f2烴源巖和E1f4烴源巖[23]，基于前文對飽和烴和芳烴地球化學(xué)特征的剖析，剔除受成熟度、運(yùn)移分異或生物降解作用影響明顯的指標(biāo)，本文根據(jù)高郵凹陷典型原油飽和烴和芳烴組成及相關(guān)參數(shù)的分布特征，將高郵凹陷典型原油分為兩大類。

高郵凹陷第Ⅰ類原油一般姥植比一般比較低，介于0.33～0.61，平均值為0.51；在萜烷方面補(bǔ)身烷、升補(bǔ)身烷含量較高，重排補(bǔ)身烷含量較低，補(bǔ)身烷/升補(bǔ)身烷比值一般接近1或者大于1；C21TT/C23TT比值比較低，介于0.67～1.02，平均值為0.86；C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷比值比較小，介于0.60～0.98，平均值為0.83；C29降藿烷/C30藿烷比值介于0.45～0.57，平均值為0.51；伽馬蠟烷/C30藿烷于0.22～0.59，平均值為0.38。在甾烷方面，規(guī)則甾烷C27、C28、C29呈現(xiàn)不對稱“V”型分布，C27規(guī)則甾烷含量低于C29規(guī)則甾烷，其中C27甾烷/C29甾烷的比值介于0.54～0.69，平均值為0.63，C27重排甾烷/C27規(guī)則甾烷比值介于0.05～0.12，平均值為0.08；在芳烴方面，芳烴總量相對較低，濃度小于3.0 mg/g油，硫芴含量相對較高。結(jié)合高郵凹陷阜二段和阜四段主力烴源巖的地球化學(xué)特征[23]，可以判斷Ⅰ類原油來源于阜二段烴源巖，這類原油主要集中分布在赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田。

高郵凹陷第Ⅱ類原油一般比值都在小于2；而姥植比一般比較低，介于0.73～0.94，平均值為0.80；在萜烷方面補(bǔ)身烷、升補(bǔ)身烷含量較高，重排補(bǔ)身烷含量較低，補(bǔ)身烷/升補(bǔ)身烷比值一般都小于1；C21TT/C23TT比值比較高，介于0.81～1.17，平均值為0.91；C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷比值較高，介于1.14～1.68，平均值為1.47；C29降藿烷/C30藿烷比值介于0.38～0.47，平均值為0.42。伽馬蠟烷/C30藿烷比值介于0.37～0.52，平均值為0.45；甾烷方面，規(guī)則甾烷C27、C28、C29呈現(xiàn)典型的“V”型分布，其中C27甾烷/C29甾烷的比值介于0.73～0.91，平均值為0.82，C27重排甾烷/C27規(guī)則甾烷比值介于0.11～0.18，平均值為0.14；在芳烴方面，芳烴總量豐富，濃度大于3.0 mg/g油，硫芴含量相對較低。結(jié)合高郵凹陷阜二段和阜四段主力烴源巖的地球化學(xué)特征[23]，可以判斷Ⅱ類原油來源于阜四段烴源巖，這類原油主要集中分布在馬家嘴油田、黃玨油田、邵伯油田、許淺1油田。

4 結(jié)論

1)高郵凹陷具有兩種不同地球化學(xué)特征原油分布，赤岸、陳堡、瓦莊和沙埝油田原油來源于較還原沉積環(huán)境、母質(zhì)輸入來源于混合型且高等植物稍占優(yōu)勢，屬于成熟原油。馬家嘴、黃玨、邵伯和許淺1油田原油來源于還原沉積環(huán)境、母質(zhì)輸入來源于典型混合型，屬于成熟原油。

2)根據(jù)原油飽和烴生物標(biāo)志化合物和芳烴組成及相關(guān)參數(shù)的分布特征，以及姥植比、補(bǔ)身烷/升補(bǔ)身烷、C24Te/C26TT、C27αααR /C29αααR比值、芳烴總量和硫勿含量等參數(shù)將高郵凹陷典型原油劃分為兩大類，第一大類原油可能來源于阜二段烴源巖，第二大類原油可能來源于阜四段烴源巖。