原油轻烃地球化学及其应用意义

李洪波

（长江大学地球环境与水资源学院油气资源与勘探技术教育部重点实验室 （长江大学），湖北 武汉 430100）

原油轻烃是指原油中C1－C9低碳数烃类化合物。轻烃含量 （质量百分含量）一般占到了原油的30%，在一些凝析油和轻质油中含量可以高达80%～90%［1］。因此，轻烃化合物在一定程度上蕴含含量仅1%的原油生物标志物所不具有的地质－地球化学信息，尤其对于一些生物标记物浓度较低的凝析油和轻质油。同时，轻烃分析技术有着方便快捷的优势。越来越多的研究表明［2－6］，原油轻烃技术在油－油、油－源对比和识别次生作用等方面有着极大的应用潜力。

1 原油轻烃成因理论的发展沿革

对于原油轻烃的成因，长期以来传统的干酪根和高分子的热降解成因占据主导优势［7］。Thompson［8］研究沉积岩石中轻烃随地层温度变化时，提出环戊烷和环己烷由较高碳数稠环化合物 （如甾烷和五环三萜类）热降解生成。Kissin［9－11］通过一系列模拟试验研究分别阐述了轻烃中不同族组成化合物的形成途径，与Thompson不同的是其认为轻烃前身物均为高碳数正构烷烃和脂肪酸，形成机制仍属于热降解成因的范畴。

Mango［12］在1987年研究了北美的2000余件原油样品后发现，异庚烷比值 （2－甲基己烷＋2，3二甲基戊烷）／（3－甲基己烷＋2，4二甲基戊烷）存在惊人的不变性，并将其定义为K1值，K1≈1，由此提出了轻烃形成的稳态催化理论。之后，Mango［13，14］先后通过胆甾烷和正十八烷的热模拟试验反驳了Thompson的轻烃热降解成因理论，并强调过渡金属元素在催化过程中重要性，指出C7轻烃形成过程中的三环优势 （3RP）、五环优势 （5RP）和六环优势 （6RP）分别控制链烷烃、环戊烷以及环己烷与苯系列化合物的生成。进一步的研究［1，14］表明，受烃源岩沉积环境控制的过渡金属配位体组成主要影响了环优势 （RP）的差异，而对K1值影响较小；干酪根的自由体积仅能控制环优势变化，而不影响K1值。这在北美不同地区原油 （Sabine和Midland）成因分类中得以证实。Mango轻烃理论的提出全面革新了传统的轻烃成因认识。

Van Duin等［15］从反应动力学角度阐述了C7庚烯烃到2－、3－甲基己烷的形成过程，为Mango理论提供了一种新的思考方向。近来，Mango［16］指出轻烃为原油转变成天然气过程中的中间产物，建立了从干酪根到干气的完整形成模式 （见图1）。

图1 Mango轻烃理论中干酪根到干气的形成模式图

2 原油轻烃应用研究

2.1 轻烃分子组成特征

虽然轻烃的成因理论还没有得到统一认识，但是轻烃分子组成特征仍被广泛应用于油气地球化学研究，尤其是成熟度判识和油－油与油－源对比研究。Chung等［3］研究了不同有机质来源且不同成熟度的原油轻烃2，4－DMP／2，3－DMP参数，通过不同有机质类型生烃的成熟度差异，很好的解释了2，4－DMP／2，3－DMP与生源参数具有相关性的表象，该参数仍是良好的成熟度参数。Thompson提出的庚烷值（H）和 异庚烷值（I）［8，17］也是良好的成熟度参数［4，6，17］。新的研究表明，水洗、蒸发分馏等次生作用和原油混源也可影响H和I，因此在利用其评价原油成熟度时要慎重［18］。H和I也受有机质类型影响，不同类型有机质的H和I随成熟度变化的分布范围也不一样，由此可以较好地区别脂肪类干酪根和芳香类干酪根［17］。

C7轻烃化合物组成 （nC7、DMCC5和MCC6）和C5－C7饱和烃组成 （正构、异构和环烷烃）三角图是常用的区分不同有机质来源油的图版，其主要根据是不同有机质类型富含不同的轻烃族组成，如芳烃苯化合物主要来源于陆相有机质［3］，正构烷烃主要来源于藻类和细菌，为腐泥型有机质来源等。戴金星［19］利用上述2个分布图较好地鉴别了腐泥型有机质与腐殖型有机质。胡惕麟等［20］将六元环化合物在五元环、六元环化合物和nC7中所占百分率命名为甲基环己烷指数 （IMCC6），以 （50±2）%为标准划分了腐泥型和腐殖型有机质也取得了较好的效果。

Odden等［21］的研究将轻烃应用逐渐引入到了C8化合物，发现海相泥岩及其原油轻烃明显富集环戊烷和链烃类，而煤和煤系泥岩及其原油轻烃明显富集芳烃和环己烷，提出了间＋对－二甲基／nC8的鉴别参数。王培荣等［22］率先将轻烃的研究逐步推向了中碳数分子 （C8－C13）。在对中国不同沉积环境盆地、不同有机相和不同岩性烃源岩所生原油进行了C5－C13轻烃分析后，对286个色谱峰进行了族组分定性。研究认为原油成熟度等因素会影响原油C6－C13轻馏分族组成，但它似乎主要受烃源岩沉积水体盐度的控制。原油的C6－C13轻馏分族组成特征，有可能作为油－油对比研究的一种新参数。

2.2 Mango轻烃参数特征

Mango［1］划分了2类Mango轻烃参数:第1类为K1值，并认为K1值在不同成因类型原油中是恒定的，即使存在变化也较小的，因此K1值在油－油对比中的作用是有限的；第2类为变化的环优势指数，由异构烷烃／环戊烷和环戊烷／环己烷比值来进行表征，可以较好地区分不同成因类型原油。Ten Haven［2］认为Mango参数区分原油类型的前提就是K1值是变化的，并利用K1值和环优势指数区分了非洲西南部安哥拉地区、东南亚地区以及南美洲原油成因类型，但同时也发现，对于同一原油成因类型，Mango参数还不能与具体的干酪根类型和沉积环境联系起来，这也是其局限之处。另外，Mango参数在美国蒙大拿地区［4］、北海地区［3］以及台湾西北部盆地［6］原油地球化学研究上都取得了良好的效果。值得注意的是这些研究在充分展示Mango参数在油－油与油－源对比优势时，多是建立在原油生物标志物和稳定碳同位素组成研究基础之上。目前仅凭Mango参数进行油－油与油－源对比的广泛应用报道鲜见。然而，Mango参数还是为油－油与油－源对比提供了一个新手段，特别在原油生物标志物应用受到局限的情况下 （如高成熟度原油）更具活力。

在国内，Mango轻烃参数主要应用于塔里木盆地原油研究。不少研究［5，23，24］均运用Mango轻烃参数良好地区分了盆地内陆相油与海相油。然而，遗憾的是未能运用Mango参数进行进一步原油成因分类研究。针对目前争议的海相油来源，寒武系－下奥陶统与上奥陶统为2套不同沉积环境发育的烃源岩［25］，按照Mango理论，上述2套烃源层会产生Mango参数差异。许多学者发现塔中低隆中央断垒带原油具有明显的高K1值，有学者认为可能为混源油的特征［5］，也有学者认为是由于不同地区烃源岩沉积介质中酸性催化剂催化作用的强弱不同造成的［23］。王培荣等［26］发现江汉盆地盐湖相原油轻烃K1值也具有高值，平均达到1.42，指出K1值的偏高可能与独特的沉积环境有关。这与阿根廷西北盆地原油特征一致［2］。偏高的K1值是否缘于沉积环境的差异造成，Mango理论中沉积环境的变化如何控制K1值以及K1值多大程度的变化才能成为划分原油类型的指标等问题，还需要从稳态催化化学反应动力学与沉积环境控制的过渡元素分布关系上深入研究。

2.3 原油轻烃单体烃碳同位素组成

轻烃单体烃碳同位素也是非常有效的地球化学方法。通常来讲，低分子量烃类的同位素分馏效应要强于较高分子量烃类化合物。与分子化合物含量组成相比，样品储存与分析过程中的蒸发作用、油藏中物理分异等对轻烃单体烃碳同位素组成影响较小［27，28］。轻烃中正构烷烃碳同位素分馏效果最为明显。随成熟度增加，低碳数正构烷烃 （＜nC10）碳同位素相对于高碳数正构烷烃 （＞nC10）可从偏轻变为偏重［27］。Rooney等［29］进行了原油中沥青质的热模拟试验，发现随温度的增加，热解产物轻烃中正构烷烃和异构烷烃碳同位素较原油增加了2‰～4‰，而环戊烷、环己烷和甲基苯碳同位素并没有明显的变化，并通过不同族轻烃化合物碳同位素组成的差异解释了生物降解油藏中两期充注原油的油源问题。Whiticar等［30］和Harris等［31］对西加拿大盆地原油研究发现，轻烃单体烃碳同位素组成作为油－油和油－源对比手段非常有效，支链烷烃碳同位素组成要较其他化合物具有更强对比能力。从以上研究来看，随成熟度增加，轻烃中的环烷烃和芳烃碳同位素组成变化有限。同时，MCYC6和甲苯化合物可能来源于特定的生物前身物［3，20］。因此，MCYC6和甲苯碳同位素组成可作为区分源岩有机质类型的有效指标。需要注意的是，试验分析时太低的轻烃化合物含量或相邻化合物的供溢会使碳同位素值存在较大误差［27］。

3 塔北隆起原油轻烃地球化学应用

为更好阐述原油轻烃的应用效果，笔者选取了塔北隆起北部原油样品对常见的集中轻烃指标进行应用探讨 （见图2）。图中雅克拉与于奇地区原油落入脂肪线上及其附近，推断为海相油；而大涝坝、轮台和库车原油落入芳香线及其附近，推断为陆相油。图2中油样分布良好的展示了不同成因原油的分布特征。

C5－C7和C7的族组成也是常用的轻烃指标。图3和图4展现了不同成因原油的轻烃组成特征，其中大涝坝、轮台和库车原油具有较高的芳烃和环己烷含量，展现了典型的陆相油特征，同时雅克拉和于奇地区具有较高的支链烷烃含量，为典型的海相油。从以上的轻烃组成特征说明，原油不同的成因类型在轻烃组成上会有直接的反映，有机质类型对原油轻烃组成的控制由此可见一斑。

Mango参数K1值在2类原油中展现惊人的一致性 （见图5），其中雅克拉和于奇地区原油的4个异庚烷含量稍高，这与前面的轻烃组成研究也是一致的。在Mango提出的子母图中 （见图6），可以很好地将原油分为3个族群。仅凭轻烃特征还无法判断出这3类原油的具体成因特征，这也正是目前轻烃应用比较棘手的问题，缺少像生物标志物那样与原油生成有机相具有特征关联的指标或标准。但其优势在于能很好地展现不同成因类型原油的显著差异，特别是对生标浓度过低的凝析油和轻质油。

图2 塔北原油轻烃庚烷值 （H）与异庚烷值 （I）分布图

4 原油轻烃地球化学研究存在的问题及可能发展方向

图3 塔北原油轻烃中C7化合物组成分布图

图4 塔北原油轻烃中C5－C7化合物组成分布图

图5 塔北原油Mango轻烃2－甲基己烷＋2，3二甲基戊烷与3－甲基己烷＋2，4二甲基戊烷分布图

图6 塔北原油Mango轻烃理论子母图

原油轻烃分子组成、Mango参数和单体烃碳同位素组成特征等都展示了较强的地球化学研究潜力，但目前的原油轻烃地球化学研究还未像大分子化合物研究 （如生物标志物）成熟。目前，原油轻烃成因仍存争议，如环己烷和苯系列化合物具有明显的生物来源特征［3，20］；Mango理论中环优势是受控于沉积环境［1］还是生源输入［3］。油藏中生物降解、水洗作用和热化学硫酸盐还原反应，以及原油采样和储存过程都较易影响原油轻烃组成，这也在一定程度上制约着原油轻烃地球化学研究。同时，轻烃组成与原油有机相的关系亟待深入研究。根据目前研究进展来看，今后可能存在以下发展方向:

1）原油轻烃单体烃碳同位素仍然是非常准确有效的手段之一。它较少受到轻烃挥发等因素的影响，容易区分成熟度和源岩类型对轻烃组成的影响，也可有效指示生物降解作用。原油轻烃单体烃碳同位素组成之间不同的变化规律有利于更深刻地认识原油地球化学特征。

2）Mango提出了不变的K1值，但一些地区原油中存在异常高K1值，对K1值的控制因素还存在广泛争议。另外，从同位素的角度探讨Mango理论合理性应该是一个新的方向，目前这方面研究还很缺乏。

3）从C8轻烃组成划分烃源岩和原油的成因类型、C8－C13较高分子量化合物族组成指示烃源岩沉积水体的盐度等研究来看，轻烃向中分子量化合物地球化学研究推进也是极有潜力的一个发展方向。

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