柴达木盆地北缘牛东地区原油地球化学特征

吴浩，包建平，朱翠山

(油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) 长江大学资源与环境学院，湖北武汉430100)

柴达木盆地油气资源丰富，经过50多年的勘探，先后发现了十多个大中型和小型油气田。前人对产自上述油田原油的地球化学特征及油源进行了一定程度的研究，并取得了一些有益的认识[1～4]。柴达木盆地北缘阿尔金山前牛东地区由于靠近长期活动的阿尔金山断裂带，处于沉积物源区，储盖组合配置差，以往没有给予足够的关注。2012年以来，在牛东鼻隆的侏罗系获得了高产油气流，展示该区具有较好的勘探前景，但目前尚未对该区新发现的油气进行系统的分析研究。笔者试图通过对新发现原油中各类生物标志物的分布与组成特征的分析研究，明确其成因，确定其来源，为该区后续的油气勘探提供地球化学依据。

1 地质背景

牛东地区位于柴达木盆地北缘阿尔金山前东段，其中牛东地区和东坪地区为阿尔金山前东段两个鼻状构造。区内自西向东为尖北斜坡、东坪鼻隆、牛中斜坡、牛东鼻隆和冷北斜坡，整体上表现出“两隆三带”的构造格局。东部为昆特依侏罗系残余生烃凹陷及冷湖构造带，东南部紧邻坪东-一里坪凹陷，面积近5000km2(图1)[3]。牛东地区主要发育中-新生界沉积地层，中生代现今残余主要为侏罗系，白垩系大多缺失，新生代现今残余主要为古近系路乐河组(E1+2)和干柴沟组(E3)[5]。

阿尔金山前东段地区主要经历了3 次大的构造演化阶段，分别为燕山早期断陷阶段、中生代(侏罗纪)的伸展断陷阶段和喜山早期断坳阶段(路乐河组-下干柴沟组上段的拉分断陷阶段)。该区域内发育坪东、牛中、鄂南等深大断裂及一系列小断层，各个构造带内形成相应的背斜、断背斜及断块等圈闭形态。该时期东坪地区在断裂的控制下，具有了古斜坡背景；喜山中晚期挤压反转阶段和上干柴沟组-下油砂山组沉积时期的坳陷阶段，东坪地区形成古隆起，并形成了现今的构造形态[3,5]。

图1 柴达木盆地牛东地区构造单元及原油取样位置

2 试验分析

2.1 样品分离

该次所研究10个原油样品取自于柴达木盆地北缘阿尔金山前东段牛东地区牛东鼻隆构造上牛3井、牛4井、牛1井、牛102井及牛1-2-12井(图1)，产层分别为古近系和下侏罗统。用正己烷沉淀原油中的沥青质，而后采用硅胶/氧化铝柱色层法把脱沥青质原油分离成饱和烃、芳香烃和非烃。

2.2 饱和烃色谱质谱分析

饱和烃色谱质谱分析仪器为惠普公司GC6890/5973MSD气相色谱/质谱联用仪。色谱柱为HP-25ms石英弹性毛细柱(30m×0.25mm×0.25μm)。升温程序为：50℃恒温2min，从50～100℃的升温速率为20℃/min，100～310℃的升温速率为3℃/min，达到310℃时恒温15.5min。进样器温度为300℃,载气为氦气，流速为1.04mL/min，扫描范围为50～550amu。检测方式为全扫描。电离能量为70eV，离子源温度为230℃。

3 结果与讨论

3.1 链烷烃分布特征

在未遭受生物降解的情况下，正构烷烃系列是原油中的重要组成部分，而且其分布与组成特征可以提供丰富的涉及有机质类型、有机质成熟度及烃源岩形成的沉积环境等地球化学信息。

表1 牛东地区原油中链烷烃地球化学参数

图2 牛东地区牛东鼻隆构造上原油正构烷烃分布特征

3.2 C14-16补身烷系列

通常情况下，C14-16补身烷系列是在微生物的作用下，由细菌藿烷先质在成岩作用阶段初期发生降解、开环断裂而形成[12,13]。而重排补身烷的形成则受到烃源岩中有机质成熟度以及沉积环境共同的影响，高成熟度和氧化的沉积环境更有利于生成重排补身烷[14～16]。

图3 牛东地区原油中C14-16补身烷系列分布特征

该区原油的C14-16补身烷系列总体上呈现为重排补身烷丰富(diaC15)、8β(H)-补身烷和升补身烷含量中等的特征(图3)，反映出其烃源岩形成于该类标志物的沉积环境。仔细对比可以发现，牛东地区古近系和侏罗系储层所产原油在C14-16补身烷系列组成特征存在一定差异，表现为前者重排补身烷与8β(H)-补身烷和升补身烷比值分别大于3.0和4.0，而后者中两比值则介于1.5～3.0之间，该差异可能与其成熟度不同或各自的源岩特征存在差异有关。

3.3 三环萜烷与四环萜烷

牛东地区原油中的三环萜烷系列其不同碳数化合物相对丰度的变化均呈现出C19>C20>C21>C23>C24>C25>C26阶梯状分布特征，且四环萜烷(C24Te)丰度远高于相邻的C26三环萜烷(C26TT，图4)，可能指示该类原油的烃源岩中陆源生源贡献较大[17]，这与该地区发育的下侏罗统烃源岩形成于湖沼环境的特征是一致的[8～11]。比较而言，牛东地区古近系储层所产原油中上述三环萜烷和四环萜烷的丰度明显低于侏罗系储层所产原油，如前者C19三环萜烷与C30藿烷的比值(C19TT/C30H)大于0.80，而后者该比值大多小于0.25，这可能与原油运移过程中不同类型的生物标志物具有不同的分异效应有关。因为三环萜烷系列与藿烷系列的分子大小存在一定差异，那么在运移过程中运移距离越长，对分子量较小的化合物产生的分馏效应越大，并会呈现相对富集的现象[6]。由于研究区古近系储层所聚集的原油经历的运移距离应该大于侏罗系储层所聚集的原油，前者相对富含三环萜烷系列显然是符合运移规律的。

图4 牛东地区原油中三环萜烷系列和四环萜烷分布特征

3.4 三萜烷类

藿烷系列是一类在地质体中分布极为广泛的生物标志物，它们代表了原核生物细菌的生源输入[18]。C31～C35升藿烷系列分布特征可以指示沉积水体的古盐度，高盐度沉积环境的地质样品中常呈现C34和C35升藿烷丰度升高的“翘尾巴”现象，而在淡水湖相地质样品中，该系列化合物的丰度呈现随碳数增大而下降的“阶梯状”特征。伽马蜡烷来源于原生动物四膜虫醇，可以结合上述C31～35升藿烷的分布特征指示沉积水体的古盐度[19,20]。前人的研究认为，地质样品中重排藿烷的形成需要酸性的介质条件和黏土矿物的催化作用，在弱氧化-氧化环境中形成的地质样品中常富含该类标志物[18,21～24]。新藿烷相对丰度受岩性[22～25]、成岩环境的氧化还原电位(Eh)-pH[21]值和母质来源的影响[21,24]。

牛东地区原油中检测的三萜烷类标志物主要包括藿烷系列、新藿烷系列、重排藿烷系列和伽马蜡烷，图5展示了相关原油中上述标志物的分布特征。总体上看,牛东地区的原油中藿烷系列丰富，新藿烷系列和重排藿烷系列中等,伽马蜡烷含量很低，其伽马蜡烷/C30藿烷均<0.10，且C31-35升藿烷系列呈现“阶梯状”下降特征，这与柴北缘地区其他构造所产原油中的三萜烷特征相似[2,8,11]，表明它们也应该来源于侏罗系淡水湖沼相烃源岩。但对比发现研究区不同储层所产原油之间在某些化合物的组成特征上还是存在差异的，如古近系储层所产原油中重排藿烷丰度较高，其diaC30H/C30H大于3.50，而侏罗系储层所产原油中该比值基本都小于0.20(表2)，该现象也可能与不同储层原油所经历的运移分异效应存在差异有关，因为同类标志物中重排构型化合物的分异效应明显大于非重排构型化合物，如重排甾烷会随原油运移距离增加而逐渐富集[18]。此外，可以表征原油成熟度的Ts/Tm呈现出古近系储层所产原油总体上高于侏罗系储层所产原油的特征，该现象暗示着前者的成熟度总体上高于后者，也可能意味着古近系储层聚集的烃源岩在后期高成熟阶段生成的原油。

图5 牛东地区原油三萜烷分布特征

3.5 甾烷系列

甾烷是一类指示真核生物输入的生物标志物，原油中甾烷系列的分布与组成可以提供丰富的地球化学信息，如生源和成熟度等。一般来说，C27～C29规则甾烷相对组成受控于有机质的性质，C27甾烷和C29甾烷分别代表了低等水生藻类生物和陆源高等植物输入的贡献。重排甾烷的形成除了与成熟度有关以外，还与烃源岩中黏土矿物和酸性介质条件密切相关[18,22]，因为甾类分子结构中甲角基只有在偏酸性的介质和较高Eh的条件下才会发生重排[26]。

牛东地区原油的甾烷分布总体上呈现相对富含重排甾烷，表明其源岩应该形成于淡水湖沼相环境；在C27-29甾烷碳数组成中C29规则和重排甾烷的丰度明显高于C27和C28甾烷，其C27R、C28R、C29R规则甾烷构成反“L”型(图6)，显示陆源有机质是其主要原始生烃母质，这与柴北缘地区发育侏罗系湖沼相烃源岩的石油地质背景相符合。原油中甾烷成熟度参数C2920S/(20S +20R)和C29ββ/(αα+ββ) 均大于0.40[27](表2)，表明这些均属成熟原油。但是，不同储层所产原油中的甾烷组成特征也存在一定差异，如古近系储层所产原油相对富含重排甾烷，如其C29重排比规则甾烷(diaC29/reC29)值介于0.46～0.98之间，而侏罗系储层所产原油中该比值则介于0.26～0.45之间，这也可能与不同储层所产原油经历的运移分异作用和成熟度存在差异有关。此外，不同原油中C27-29的碳数组成也存在一些差异，有的原油中指示低等生物藻类贡献的C27R和C28R丰度极低，其C27R/C29R和C28R/C29R小于0.20，而有的原油中这两个比值可以大于0.40(表2)，该现象说明牛东地区原油的原始生烃母质是存在差异的。那些相对贫C27和C28甾烷的原油可能主要来源于侏罗系煤系烃源岩，而相对富含C27和C28甾烷的原油可能主要来源于侏罗系湖相烃源岩，前者属于煤成油，而后者则属于湖相原油。因此，根据原油中甾烷的碳数组成特征可以判断两类烃源岩相对贡献的大小。

表2 牛东地区原油中三萜烷和甾烷参数

注：a为G/C30H；b为diaC30H/C30H；c为C29Ts/C29H；d为Ts/Tm；eC2920S/(20S+20R)；f为C29ββ/(αα+ββ)；g为diaC27/regC27；h为diaC29/regC29；i为C27R/C29R；j为C28R/C29R；G为伽马蜡烷；H为藿烷；diaC30H为重排藿烷；Ts为新藿烷。

图6 牛东地区原油中甾烷系列分布特征

富含重排类生物标志物是牛东地区原油的重要特征，包括重排补身烷、重排藿烷系列和重排甾烷系列，而且已有的研究结果认为重排类生物标志物的形成可能是在相似的地球化学条件，如淡水的沉积环境、酸性的介质条件和黏土矿物的催化作用，由此也表明牛东地区的原油来源于相似环境下形成的烃源岩，即在成因上是相近的。牛东地区不同储层所产原油中重排类标志物的相对丰度存在一定差异，主要表现为古近系储层所产原油该类标志物的丰度较高，而侏罗系储层所产原油中则相对偏低(图7)，该现象暗示了其源岩形成的沉积有机相带可能不尽相同。

但值得注意的是，影响地质样品中重排类标志物丰度的因素除了沉积-成岩条件和烃源岩的岩石学特征外，还有成熟度和运移分异作用，尤其是对原油。因此，牛东地区不同储层所产原油中重排类标志物相对丰度的差异可能也有成熟度和运移分异作用的影响。如古近系储层原油中Pr/nC17和Ph/nC18是所有原油中最低的，且它们的Ts/Tm也高于侏罗系储层的原油，均表明上述原油相对于其他原油具有较高的成熟度。而运移分异作用的影响则从其产层上更好理解，因为牛东地区的原油无疑应该来源于相邻生烃凹陷中发育的侏罗系烃源岩，显然进入古近系储层较进入侏罗系储层应该经历较长的运移距离，该过程也会影响到原油中重排类标志物的相对丰度。

图7 牛东地区原油中不同类型重排类标志物相对组成间的关系

4 结论

1)牛东地区原油具有较高的姥植比、三环萜烷系列呈“阶梯状”分布，重排类标志物相对丰富，且伽马蜡烷异常偏低，该系列特征与冷湖构造带上的原油十分相似，表明它们来源于相邻凹陷中发育的侏罗系淡水湖沼相烃源岩。

2)正构烷烃系列没有碳数优势和C29甾烷成熟度参数大于0.40等特征表明这些原油属于成熟原油。但牛东地区古近系储层所产原油在重排类标志物相对丰度和三萜烷成熟度指标上明显高于侏罗系储层所产原油，该现象可能与前者较后者成熟度高，并经历了较强的运移分异作用有关。不同原油中C27-29甾烷碳数组成上的差异反映出侏罗系的煤系源岩和湖相源岩对牛东地区原油均有贡献，因而呈现煤成油和湖相原油并存的格局，而冷湖构造带上的原油则主要是湖相原油。

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