王志勇 郑建京 杜宏宇 张 品 王晓华
(1.中国科学院研究生院 北京 100049;2.中国科学院油气资源研究重点实验室 兰州 730000; 3.中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院 新疆哈密 839009)
东疆地区包括吐哈和三塘湖两个含油气盆地,是吐哈油田主要的勘探领域,对东疆地区烃源岩和原油进行了大量的研究,取得了很多重要认识[1~4]。近年来,东疆石炭系油气勘探已成为吐哈油田“开拓找油新层系、新领域,寻找战略接替资源”的重要工作方向,并且已在三塘湖盆地取得石炭系油气勘探的重大突破。针对东疆地区石炭系海/陆相沉积环境判识、高/过成熟热演化程度界定等方面的地球化学研究,仅仅依靠饱和烃类生物标志物还不能充分揭示其相关信息。芳烃是原油和烃源岩中的主要烃类组分,可以提供烃源岩沉积环境、有机质来源、热演化程度和油源对比等多方面信息,并且芳烃类成熟度参数比饱和烃甾萜烷异构化参数具有更宽化学动力学范围[5],在热演化程度确定上具有更宽指示范围的优势。由此开展了对该地区原油芳烃类生物标志物的系统分析,总结其相应地球化学特征及其相关地质意义,重点剖析三塘湖盆地马朗凹陷石炭系原油来源与成因。
根据饱和烃生物标志物特征可将东疆地区原油划分为三种类型。Ⅰ类-中生界煤系原油(主要分布在吐哈盆地台北凹陷诸油田和三塘湖盆地北小湖油田),以水西沟群(J1-2sh)、小泉沟群(T2-3xq)煤系源岩贡献为主。其饱和烃生物标志物表现为姥植比(Pr/Ph)均高于2.5、三环萜烷系列呈现C19、C20高丰度的“前峰”型分布、C24-四环萜烷丰度远高于C26-三环萜烷、伽马蜡烷丰度很低,C27~C29规则甾烷中C29甾烷占绝对优势、C27-28甾烷丰度低,呈反“L”型分布。Ⅱ类-中二叠统湖相原油(主要包括吐哈盆地台南稠油油田和三塘湖盆地稠油油田),吐哈盆地油源为桃东沟群(P2td)、三塘湖盆地为芦草沟组(P2l)湖相源岩。其饱和烃生物标志物表现为姥植比低(0.7~ 1.5)、较高的β-胡萝卜烷含量、三环萜烷系列呈现C21、C23为主峰的倒“V”字型分布、C24-四环萜烷丰度与C26-三环萜烷相当、伽马蜡烷丰度较高、较高C28甾烷丰度、C27~C29规则甾烷整体呈“厂”型分布。Ⅲ类-石炭系原油,目前仅在三塘湖盆地马朗、条湖凹陷有产出,油源确定为区域石炭系源岩。其饱和烃生物标志物表现为姥植比较低(1.0~2.5)、β-胡萝卜烷丰度较低或缺失、三环萜烷系列呈现C21、C23为主峰的倒“V”字型分布、C24-四环萜烷丰度略高于C26-三环萜烷或相当、伽马蜡烷丰度低-较低;C27~C29规则甾烷中C29甾烷仍占优势、但C27甾烷丰度较高,多呈不对称“V”型分布。
芳烃是分子中含有苯环结构的烃类化合物,按照其结构特点,大体上可分单环、双环和多环芳香烃;原油、烃源岩中芳烃主要由萘(N)、菲(P)、联苯(Bp)、(CH)、芘(Py)、芴(F)、氧芴(OF)、硫芴(SF)、苯并藿烷(BH)、三芳甾烷(TA)等系列的烷基取代同系物组成;其他化合物如惹烯、苯并荧蒽、苯并芘、荧蒽、苯并芴等含量少,只占1%左右[6]。
图1 东疆地区原油样品芳烃各系列化合物含量组成Fig.1 The composition of the various series aromatic hydrocarbon of crude oil samples,Eastern Xinjiang
图1显示萘系列、菲系列、联苯系列化合物为原油芳烃中的主要成分,个别样品中三芳甾烷系列化合物有较高含量;三芴系列化合物也是原油芳烃中的重要成分,总体含量可达5%~15%;大多样品中可检出标志陆生高等植物输入的卡达烯、惹烯化合物[7,8]。
Ⅰ类原油(吐哈盆地泉2井、柯19井,三塘湖盆地塘参1井原油)芳烃化合物中萘系列含量最高、达60%左右,其次为菲系列和联苯系列(10%~20%);氧芴系列含量大于5%、硫芴系列含量小于1%,卡达烯、惹烯含量相对较高,显示煤系油源陆源有机质输入丰富、沉积环境偏氧化的特征。
Ⅱ类原油(吐哈盆地玉东6井、连23井原油、三塘湖盆地马6井)为遭受生物降解的二叠系湖相稠油,其芳烃馏分中萘系列有明显损失而含量偏低,联苯系列含量低、三芳甾烷含量高、苯并藿烷与脱羟基维生素明显分布的特点可能与原油成熟度不高有关;吐哈盆地鄯科1井、三塘湖盆地条5井原油成熟度较高,故而表现出联苯系列含量较高、三芳甾烷含量低的迥异面貌。
Ⅲ类原油中,产自上石炭统卡拉岗组(C2k)的塘参3井和马18井的原油,其芳烃化合物中萘系列、菲系列含量高、联苯系列含量次之、三芴系列化合物总体含量不高且以芴系列含量为最高,卡达烯、惹烯有明显检出;产自上石炭统哈尔加乌组(C2h)的马17井原油芳烃化合物面貌与卡拉岗组原油有较大差异,联苯系列含量高达55%以上,萘系列、菲系列含量则较低,这种面貌可能与该原油高成熟-过成熟的演化程度有关,三芴系列化合物总体含量最低且以硫芴系列含量最高,说明其油源具有较为特殊的还原性沉积环境。
前人研究认为:在东准噶尔乃至新疆的广大范围内,晚石炭世基本结束了深海沉积及洋壳组合的演化,进而形成陆间残余海盆;早二叠世是天山及其邻近地区沉积环境从海相转向陆相的重要时期;从二叠纪开始,盆地进人陆相构造演化阶段,陆相沉积组合占据主要地位[9,10]。由上可见三塘湖盆地石炭纪沉积环境以海相为主体,但盆地石炭系原油芳烃生物标志物特征反映其沉积环境与典型海相原油存在差异。
(1)烷基萘异构体分布及其指示意义
烷基萘化合物异构体分布与有机质类型和沉积环境有关[11]。塔里木盆地海、陆相原油的三甲基萘和四甲基萘系列化合物相对含量存在明显差别:三甲基萘系列中,陆相油中1,2,5-三甲基萘相对含量比海相油高一倍左右,湖相油和煤成油的1,2,5-三甲基萘分别占本系列的9.5%和12.5%,而海相中只有5%上下。该化合物是由高等植物中的五环三萜类经降解和重排转变而来,在中生界煤和泥岩芳烃中其含量很高,有的样品芳烃色谱图上这个化合物为主峰,佐证了上述成因;海相油中的该化合物则可能来自二环倍半萜烷或藿烷的演化。不同成因原油中该化合物相对含量的不同反映了其生源上的差异。海、陆相原油之间的四甲基萘异构体分布也存在明显差别,主要反映在1,2,5,6-四甲基萘上;陆相油中其含量较高,在湖相油和煤成油中分别占本系列的23.8%和24.4%;而海相原油中均在10%之下。这个化合物与1,2,5-三甲基萘有相同的生物先质,其生源意义相同。
图2展示了在三塘湖盆地石炭系原油中1,2,5-三甲基萘、1,2,5,6-四甲基萘化合物的检测情况。图3进一步显示盆地石炭系原油与煤系原油、湖相原油芳烃三、四甲基萘系列化合物中1,2,5-三甲基、1,2, 5,6-四甲基构型相对含量指标的分布;石炭系原油中1,2,5-三甲基萘、1,2,5,6-四甲基萘含量较高、均占本系列的10%以上,甚至超过盆地部分煤系、湖相原油中该两化合物含量。以上表现与塔里木典型海相(台地相、局限性海湾相)原油存在显著差异,反映三塘湖盆地石炭系原油母源中包含相当的陆源有机质输入。此外石炭系原油中卡达烯、惹烯的明显检出,个别样品含量还较高,也是其油源岩不乏陆源有机质输入的又一重要证据。
(2)“三芴”系列化合物组成及其指示意义
图2 三塘湖盆地石炭系原油中三甲基萘、四甲基萘、卡达烯和惹烯质量色谱图Fig.2 Mass chromatogram of TMN,TeMN,cadalene and retene of Carboniferous crude oil,Santanghu Basin
“三芴”系列化合物基本骨架相似、可能来自相同的生物先质;该生物先质在沉积演化过程中,环境偏氧化或弱还原则易形成氧芴而导致氧芴含量较高;在正常还原环境中,易形成芴;在咸水湖相或海相等强还原环境中则可被还原成含硫芳烃,以硫芴占优势[12]。三芴系列的相对组成可作为判别成油环境的良好指标,海相及盐湖相原油中硫芴含量较高,淡水、微咸水湖相原油中芴含量较高,而沼泽相原油和煤系油中氧芴更丰富。塔里木盆地海、陆相原油之间芳烃各系列化合物含量差别最显著的是含硫化合物[11],海相原油中二苯并噻吩(硫芴)系列的含量均较高,可占到芳烃总量的7.7%~42.5%。
图3 原油芳烃相对含量分布Fig.3 1,2,5-TMN,1,2,5,6-TeMN distribution of aromatic hydrocarbon in crude oil
图4展示了东疆地区原油三芴系列的组成分布。吐哈盆地侏罗系原油、三塘湖盆地塘参1井原油三芴系列组成基本都分布在沼泽相原油区域;两盆地中二叠统湖相原油虽然表现出较高水体盐度,但总体仍分布在淡水湖相原油区域,个别显示出咸水湖相分布;三塘湖盆地石炭系原油多数分布在淡水湖相区域,个别分布在海相原油区域。
对比塔里木盆地海相原油,三塘湖盆地目前揭示石炭系原油芳烃组成中硫芴系列丰度不高、一般在2%左右,氧芴系列丰度较高、在1.5%~4.5%;表明原油成油母质沉积环境与典型海相沉积存在一定差异,包括水体盐度不高、还原性不强,陆源有机质输入相对丰富等因素。三芴系列相对组成也显示多数样品未分布在典型海相沉积环境区域,仅马17井2 541 ~2 548m原油表现类似海相沉积特点。近期研究认为东疆地区石炭纪-早二叠世南、北分别为北天山洋、克拉美丽洋,东疆“地块”总体“承载”于洋壳俯冲带之上,在“张性”(C-P)环境中地块分裂发育弧后裂谷,呈现三个“微地块”(即现今三个盆地部位)与裂谷相间的总体古构造、古地理面貌。现今三塘湖盆地南缘大黑山剖面位置石炭纪-早二叠世表现为陆缘裂谷盆地沉降区,马朗凹陷则基本处于裂谷盆地与“微地块”的交界边缘,属于比较典型的海陆过渡沉积区;该认识与盆地石炭系原油芳烃生物标志物地球化学研究结果基本一致。
对于芳烃生物标志物热演化指标,国内外学者主要研究应用了萘系列、菲系列、烷基二苯并噻吩系列等相关指标[5,13~25],具体指标包括:
图4 吐哈、三塘湖盆地原油三芴系列组成分布Fig.4 The F,OF and SF distribution of crude oil in Turpan-Hami Basin and Santanghu Basin
萘系列 甲基萘指数(MNR):MNR= (2-MN)/m(1-MN)
三甲基萘指数:TNR-1=(2,3,6-TMN)/(1,4,6-TMN+1,3,5-TMN)
TNR-2=(1,3,7-TMN+2,3,6-TMN)/(1,3,5-TMN+1,3,6-TMN+1,4,6-TMN)
菲系列
MPI-1=[1.5(3-MP+2-MP)]/(P+9-MP+1-MP);
MPI-2=[3(2-MP)]/(P+9-MP+1-MP);
MPI-3=(3-MP+2-MP)/(9-MP+1-MP)
烷基二苯并噻吩系列
甲基二苯并噻吩比值:MDR=[4-MDBT]/[1-MDBT]
DMDBT参数:(2,4-DMDBT)/(1,4-DMDBT); (4,6-DMDBT)/(1,4-DMDBT)
以上所列芳烃热演化指标在本次研究中可能因原油母源有机质类型差异、原油后期改造等原因而表现出规律性较差,应用效果不理想。通过对原油芳烃生物标志物深入细致的对比分析,发现二甲基菲、三甲基菲的两组异构体转化与原油热演化表现出较好相关性,且在高演化阶段未出现逆向转化。
图5 原油芳烃中二甲基菲、三甲基菲异构体检测与转化现象Fig.5 Mass chromatogram of DMP and TMP of aromatic hydrocarbon
图6 DMPI、TMPI热演化相关性分析及演化阶段划分Fig.6 Thermal evolution correlation of DMPI,TMPIand evolution of stages
随着原油热演化程度增加——甾烷异构化指数[C29ααα20S/20(S+R)]从0.32增大到0.50(基本达到演化平衡值),原油芳烃中二甲基菲、三甲基菲的一些构型发生转化、进而造成其丰度的相对变化。图5显示出原油芳烃中二甲基菲50~54号峰、三甲基菲58~62号峰的两组构型明显转化表现。根据这两组构型转化特点构造指标:
二甲基菲指标:DMPI=(51+52+53+54)/ (50)
三甲基菲指标:TMPI=(61+62)/(58+59)
注:50~62为图5中标注峰号相应的化合物
图6中a显示三甲基菲指标(TMPI)与甾烷异构化指数具有良好的相关性和一致性;b展示二甲基菲指标(DMPI)、三甲基菲指标(TMPI)联合应用判识演化阶段。
通过对各类型原油成因、成藏基础的全面分析,认为:三塘湖盆地马6井、马31井原油为中二叠统芦草沟组湖相原油,其油源岩成熟度较低(Ro不超过0.8%),属低熟原油;吐哈盆地玉东6井、连23井为中二叠统桃东沟群湖相稠油、曾经历生物降解,因其成藏较早、相应成藏期时其油源岩成熟度不够高(Ro不超过1.0%),基本属成熟原油;煤系原油、三塘湖盆地多数石炭系哈尔加乌组来源原油成熟度较高,其甾烷异构化指数基本达到平衡值,应该是油源岩生油高峰期的产物(Ro在1.0%~1.2%左右),归属为高成熟原油;三塘湖盆地马17井、牛东103井原油样品可能来自石炭系深层巴塔玛依内山组(C2b)或姜巴斯套组(C1j)源岩,成熟度很高,根据伴生天然气计算其演化程度相当Ro在1.5%以上,基本达到湿气演化阶段、属过成熟原油;马17井、牛东103井原油甾烷异构化指数达到平衡值,无法指示其过成熟的演化程度,但二甲基菲指标、三甲基菲指标却清楚显示其演化程度大大高于煤系及石炭系哈尔加乌组来源的高熟原油,充分说明该两项指标在高演化阶段判识的有效性。
(1)通过对原油饱和烃、芳烃生物标志化合物的分析研究,明确将东疆地区原油划分为三种类型,揭示了不同类型原油的母源沉积环境、水体盐度、还原性、成油母质性质、原油成熟度等特征。
(2)东疆地区原油芳烃中各系列化合物分布特征及不同丰度差异是判识母质类型和沉积环境的有意义参数,淡水、偏氧化煤系地层有机质中以萘、菲、联苯及氧芴相对丰度最高为特征,咸化、深水还原环境低熟有机质中则以高丰度三芳甾烷及明显脱羟基维生素E为特征。三甲基萘和四甲基萘是良好的判识有机质类型、沉积相的参数,湖相沉积尤其高等植物丰富的有机质中1、2、5-三甲基萘,且1、2、5、6-四甲基萘相对丰度大大高于海相沉积有机质。三芴系列相对丰度是判识有机质形成环境的氧化还原、水体咸淡及沉积环境有意义参数。
(3)东疆地区原油芳烃中DMP和TMPI指标是判识有机质进入成熟-过成熟阶段时演化程度高低的良好参数,它们弥补了饱和烃指标中藿烷C31αβ 22S/22(S+R)和C29ααα20S/20(S+R)在有机质进入成熟-过成熟阶段因达到平衡的终点值而失去判识有机质演化程度差异的缺陷。
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