东海盆地西湖凹陷原油轻烃地球化学特征及油源区分

吴 江,侯读杰,许汇源,许 婷,徐 发,曹 冰,陈晓东

(1.中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083; 2.中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京 100083; 3.中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200030)

东海盆地西湖凹陷原油轻烃地球化学特征及油源区分

吴 江1,2,侯读杰1,2,许汇源1,2,许 婷1,2,徐 发3,曹 冰3,陈晓东3

(1.中国地质大学(北京)能源学院,北京 100083; 2.中国地质大学(北京)海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室,北京 100083; 3.中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200030)

为了研究西湖凹陷原油轻烃地球化学特征及区分油气来源,利用气相色谱仪分析西湖凹陷16个原油样品,采用庚烷值与异庚烷值对原油成熟度进行划分.结果表明:西湖凹陷原油富含芳烃和环烷烃,直链烷烃含量低,以陆源有机质贡献为主;原油经历较为明显的蒸发分馏作用;异庚烷值与正庚烷值分别介于0.69～1.90和11.5～21.9之间,原油处于成熟油阶段.西湖凹陷不同地区的原油在轻烃组分上存在明显差异,指示原油母质来源的不同.同时,利用原油C7轻烃三角图和Halpern C7星状图,并结合原油碳同位素与芳烷指数,可以进一步区分各地区原油的母质来源.平湖地区原油主要为来自平湖组煤与泥岩的混合贡献,黄岩地区原油主要为花港组与平湖组泥岩贡献.

西湖凹陷;轻烃;油源分析;煤;泥岩;蒸发分馏

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.003

0　引言

轻烃作为石油与天然气重要组成部分,包含丰富的地球化学信息,轻烃包括正构烷烃、异构烷烃、环烷烃和芳香烃类化合物.1978年,Schaefer R G[1]建立毛细管气相色谱技术,之后Leythaeuser D、Snowdon L R、Thompson K F M和Hunt J M等[2-5]对轻烃进行研究.20世纪90年代,林壬子、戴金星和程克明等[6-8]结合中国盆地油气实际,对油气轻烃展开进一步研究.随着轻烃气相色谱技术的进步及轻烃研究的不断深入,发现分析轻烃内所含化合物可以获得一系列地球化学指标,如庚烷值、石蜡烃指数、芳烷指数等,可以对油气的沉积环境、次生变化、成熟度、母质来源,以及油气运移充注等进行深入的研究[9-14].因此,原油轻烃是石油地球化学重要的研究对象之一.

西湖凹陷原油以轻质油和凝析油为主,具有密度低、含蜡量低、饱和烃含量高、姥植比大、树脂成油、碳同位素偏重的特点[15].人们认为原油主要源自平湖组的煤系烃源岩[16-18].由于之前研究区钻井较少,样品数量不足及化验分析不够全面,导致对油气来源煤与泥岩的区分不够明确.区分不同类型的烃源岩,对分析油气的生成、运移、保存、分布及开采等有重要意义.笔者结合轻烃参数及原油碳同位素资料,分析西湖凹陷原油轻烃地球化学特征,探讨原油来源的区分,为研究区原油成因分类及勘探开发提供指导.

1　区域地质概况

东海盆地是中国陆架盆地中面积最大的中、新生代沉积盆地,面积约为25×104km2,沉积岩厚度逾万米,蕴藏丰富的油气资源[19-21].西湖凹陷位于东海陆架盆地东北部,整体上呈北北东向展布,长约为440 km,面积约为4.6×104km2.西湖凹陷总体上从西向东可划分为5个二级构造单元带,即西部斜坡带、西次凹、中央反转带、东次凹和东部边缘断裂带.凹陷内发育的地层从老到新依次为古新统,始新统平湖组,渐新统花港组,中新统龙井组、玉泉组和柳浪组,上新统三潭组及第四系东海群,沉积厚度为9～10 km(见图1).

图1　西湖凹陷区域构造及原油取样井位置Fig.1 Map of Xihu sag showing regional structure and location of crude oil wells sampled

西湖凹陷自下而上发育古新统一上新统5套烃源岩系.烃源岩类型主要为煤与泥岩.西湖凹陷原油主要来源于平湖组煤层、暗色泥岩及花港组泥岩.根据烃源岩的平面展布,西部斜坡带煤层比东部的发育,东部泥岩厚度比西部斜坡带的厚.纵向分布上,平湖组烃源岩厚度比花港组的更大,煤系烃源岩发育.因此,平湖组烃源岩分布广,煤系烃源岩发育,对西湖凹陷油气生成的贡献大.

2　样品与实验

采集平湖地区5口井及黄岩地区4口井共16个凝析油样品,其中有9个油样取自花港组(E3h)地层,其余7个油样来自平湖组(E2p)地层.为了防止油样污染,油样保存于5 m L的玻璃瓶,瓶口垫有锡纸,放置在-6℃温度的冰柜中保存.

测试仪器为美国Abel公司GC8000型气相色谱仪.测试条件:色谱载气,99.999%氦气;进样口温度,300℃;检测器FID温度,300℃;色谱柱,AB-1弹性石英毛细柱(60.00 mm×0.25 mm ×0.25 mm);柱温,初始温度为40℃保持10 min,4℃/min升温至300℃,保持30 min;载气流速,恒流1 m L/min,分流比为60∶1.

3　结果与讨论

3.1原油中轻烃系列分布特征

检测西湖凹陷平湖地区与黄岩地区共16个样品的轻烃地球化学特征(见表1).A-3、A-4和B-7井的轻烃气相色谱图见图2.3口井代表西湖凹陷地区原油3种典型的轻烃分布特征:平湖地区A-3井原油具有相当高的芳烃(苯和甲苯)、甲基环己烷含量,而环戊烷与正构烷烃含量极低;黄岩地区B-7井原油具有比较高的正构烷烃与环戊烷含量,芳烃含量较低;平湖地区A-4井原油甲苯含量相对较高,介于正庚烷与甲基环己烷之间,同时也具有一定含量的正构烷烃与环戊烷.

Leythzeuser D和Snowdon L R等[2-3]研究发现,富含正构烷烃的轻烃馏分来源于腐泥型母质,而富含异构烷烃和芳烃的轻烃馏分来源于腐殖型母质,同时,富含环烷烃也是陆源母质的重要特征.根据轻烃分布特征(见图2),平湖地区A-3、A-4井的原油来源于腐殖型母质,这与平湖组的煤系烃源岩有很大关系;黄岩地区B-7井的原油来源于腐泥型母质,与泥岩的贡献有关.同时,西湖凹陷原油整体上富含芳烃与环烷烃,说明西湖凹陷原油主要来源于陆源有机质.

3.2原油次生变化

Thompson K F M[4]通过实验指出,早先形成的油藏,被晚期生成的天然气充注后带走石油中的轻质部分,并沿断裂、不整合等通道运移至合适的储层,形成新的轻质油藏或凝析油藏,这种现象被称为“蒸发分馏“.当油藏发生蒸发分馏时,其原油中的甲苯/正庚烷值(芳烃指数)上升,正庚烷/甲基环己烷值(饱和烃指数)降低,Thompson K F M[4]制作相应的识别图版(见图3),图版还可以用来识别其他次生变化.

表1　西湖凹陷原油碳同位素与轻烃地球化学参数Table 1 Carbon isotope and light hydrocarbons of the oils in Xihu sag

图2　西湖凹陷原油轻烃色谱Fig.2 Gas chromatograms of crude oil in Xihu sag

西湖凹陷气多、油少,具有多期成藏、早油晚气的特征,并且西湖凹陷内垂向断裂广泛分布,有利于后期生成的天然气沿断裂向上运移,与早期生成的原油混合.由图3可以看出,西湖凹陷蒸发分馏作用明显,其中平湖地区蒸发分馏程度较大,黄岩地区相对较小.并且同一口井原油样品来自不同层段,所处的构造环境也不同,因此受气洗强度也存在差别.此外,西湖凹陷并未发生生物降解或水洗作用等其他次生变化.

3.3原油成熟度

Thompson K F M[4]提出,可以利用庚烷值与异庚烷值划分原油的分类和成熟度.原油的庚烷值、异庚烷值与成熟度呈指数关系,可以将原油成熟度分为4类:生物降解原油、正常原油、成熟原油和高成熟原油.西湖凹陷16口井原油庚烷值介于11.50～21.90之间,异庚烷值介于0.69～1.90之间(见图4).由图4可以看出,西湖凹陷原油庚烷值与异庚烷值的交会点主要分布在图版中正常原油的位置,属于低熟到成熟阶段.考虑西湖凹陷原油遭受气洗作用,原油的轻烃组分发生变化,所以图版中可能并没反映原油真实的成熟度.根据文献[22-24],经历“蒸发分馏“作用的残留油中的正、异庚烷值下降,从而导致成熟度变低的假象.

Mango F D、Bement W O、唐友军等[25-27]研究发现,2,4-二甲基戊烷与2,3-二甲基戊烷的比值(2,4-DMP/2,3-DMP)能够有效地反映烃类生成温度,推导生油层原油最大生成温度(Tmax)的计算公式:Tmax=140+15×ln(2,4-DMP/2,3-DMP).该轻烃温度参数受其他因素影响较小,并且Ro=0.012 3Tmax-0.676 4,可以将油气最大生成温度折算成相应的镜质体反射率(Ro).这种方法计算的成熟度受蒸发分馏作用影响较小,具有参考价值.西湖凹陷油气的最大生成温度和成熟度的计算结果见表2,由表2可以看出,西湖凹陷凝析油成熟度分布在1%左右,处于中等成熟阶段.再结合庚烷值、异庚烷值,可以推断西湖凹陷的凝析油成熟度为成熟阶段早期和中期,属于正常成熟油.

图3　西湖凹陷原油次生变化Fig.3 Secondary changes of crude oil in Xihu sag

图4　原油成熟度判别Fig.4 Identify the maturities of crude oil in Xihu sag

表2　西湖凹陷原油最大生成温度和成熟度计算结果Table 2 The maximum temperatures and maturity calculation results of the oils in Xihu sag

3.4油源区分

3.4.1C7化合物组成

C7化合物中包括具有良好陆源母质特征的甲基环己烷(MCC6);对温度敏感的二甲基环戊烷(DMCC5);受成熟度影响明显的正庚烷烃(nC7).这3类物质的相对组成含量可用于判别原油的有机质来源[5-7].

根据以DMCC5、MCC6、nC7为顶点绘制的C7轻烃三角图(见图5)可知,西湖凹陷原油轻烃组分中MCC6占绝对优势,相对质量分数在50%～70%之间,说明陆源输入明显.胡惕麟[28]等提出划分原油母质类型的标准:MCC6的相对质量分数小于35%为Ⅰ型母质;MCC6的相对质量分数在35%～50%之间为Ⅱ型母质;MCC6的相对质量分数在50%～65%之间为Ⅲ型母质;MCC6大于65%时为煤型母质.梁婉如等[29]利用C7轻烃三角图对煤成油及其他类型原油进行划分(见图5),平湖地区大部分井(A-2、A-3、A-5)的原油落在煤成油区域,黄岩地区所有井的原油与平湖地区少量井(A-4、A-6)原油落在湖相油与煤成油混源油区域,反映平湖与黄岩地区原油母质来源存在差异.

C7星状图(见图6)也显示西湖凹陷原油轻烃组成的差异,基于C7组分比值的5个参数(见表3)受原油次生变化影响较小,因此可以用于有效的油源对比[30-32].图6中红色线代表平湖地区原油,蓝色线代表黄岩地区原油,其中平湖地区A-2、A-3与A-5井原油的轻烃组成分布位置相似,但在参数C2与C3上,与黄岩地区及A-4、A-6井的原油存在明显不同,指示两者原油来源母质的差异.结合C7轻烃三角图的划分结果,可以推断平湖地区大部分井的原油来源于煤系烃源岩,黄岩地区的原油来源于泥岩.

图5　西湖凹陷原油C7轻烃组成Fig.5 C7light hydrocarbon composition of crude oil in Xihu sag

图6　西湖凹陷原油C7星状图Fig.6 C7oil correlation star diagram of of crude oil in Xihu sag

表3　C7星状图参数Table 3 The parameters used for the C7oil correlation star diagram

3.4.2原油碳同位素与芳烷指数

原油碳同位素作为一种全局性指标,能够有效地反映原油的母质来源,不同有机质类型烃源岩生成的原油碳同位素在数值上存在差异,其中来自煤系烃源岩的原油碳同位素要比来自泥岩的要重[33-37].凝析油芳烷指数主要反映芳烃在凝析油中相对含量的大小[38].由于不同有机母质中芳香结构烃类含量不同,因此芳烷指数也可以用来区分原油母质来源,其中煤成油的芳烷指数明显大于泥岩层生成油的.西湖凹陷原油碳同位素与芳烷指数有明显的正相关关系(见图7),其中平湖地区A-3、A-2与A-5井的原油具有相对较重的碳同位素及较高的芳烷指数,说明3口井的原油来源于煤系烃源岩;黄岩地区大部分原油及A-4、A-6井的原油的碳同位素相对较轻,芳烷指数较低,说明它们来源于泥岩.

图7　西湖凹陷原油碳同位素与芳烷指数关系Fig.7 Carbon isotope and aralkyl index diagram of crude oil in Xihu sag

4　结论

(1)西湖凹陷原油轻烃组分富含芳烃与环烷烃,说明原油主要来源于陆源有机质,但不同地区的原油在轻烃分布特征上又存在明显差别,反映原油母质来源的不同.

(2)西湖凹陷原油经历蒸发分馏作用,利用庚烷值与异庚烷值对原油成熟度进行划分,并结合Mango F D生标成熟度法的计算结果,可以判断西湖凹陷原油处于成熟阶段.

(3)西湖凹陷平湖地区大部分原油在轻烃三角图上被划分为煤成油,并且在C7星状图上也与其他井原油存在明显差别.同时,平湖地区原油具有相对较重的原油碳同位素及较高的芳烷指数,说明原油来源于平湖组煤系烃源岩.黄岩地区原油芳烃与甲基环己烷含量相对较低,原油碳同位素较轻,芳烷指数低,具有泥岩贡献的特点.

(4)平面分布上,平湖地区原油主要来源于煤与泥岩的混合贡献,黄岩地区原油主要来源于泥岩的贡献,与西湖凹陷烃源岩横向展布特征吻合.

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TE133

A

2095-4107(2015)05-0023-09

2015-06-08;编辑:陆雅玲

国家科技重大专项(2011ZX05023003-001-010)

吴 江(1991-),男,硕士研究生,主要从事石油地质与成藏地球化学方面的研究.

侯读杰,E-mail:hdj@cugb.edu.cn