渭河盆地新发现原油的特征及其油气地质意义

李玉宏,高 岗,王行运,屈 童,韩 伟,宫振奇,张 文,党文龙

[1.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054; 2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 3.陕西燃气集团渭河能源公司,陕西 西安 710016;4.中国矿业大学(北京),北京 100083]

渭河盆地位于陕西省中部,地处秦岭造山带与鄂尔多斯盆地之间(图1)。20世纪60—70年代,原地质部第三石油普查勘探大队以新生界为目的层对渭河盆地开展过石油普查工作,但由于巨厚的新生界以红层为主,有机质丰度和成熟度低,缺乏有效烃源岩而停止石油普查。近年来渭南市为了推动低碳经济发展,加快地热资源的开发利用,陕西金奥能源开发有限责任公司(渭河能源公司)在渭南地区实施了15口地热探井。地热井以蓝田-灞河组、高陵群热储层为主要目的层,地热开采中自喷压力高,温度高,水量较大。在地热水开采过程中发现了含有较高浓度的伴生氦气和甲烷气资源。由于前人普遍认为渭河盆地不具备石油地质条件,地热井录井项目简单,不取心,没能发现石油显示,也未曾想到地热井中有石油。但高温的地热水经供暖后,发现有石油在回水管线中逐渐析出,并粘附于管壁上,经年累月的积累最终导致管线堵塞破裂,见到了“油饼”,才使人们想到地热水中有石油。通过对2口井安装井口油水分离装置,首次在渭河盆地获得了新生代地层产出的原油数百千克(图2)。原油经有机地球化学分析,表明其与鄂尔多斯盆地已发现的延长组、侏罗系、二叠系等层位的原油都有较大差别,应有其特殊的成因和来源。

图1 渭河盆地大地构造位置Fig.1 Tectonic location of the Weihe Basin

1 原油物性与族组成特征

根据原油样品的物性和族组分分析结果,原油密度和粘度分别为0.82 g/cm3和6.42 mPa·s,原油饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质的相对百分含量分别为82.2%、7.7%、3.8%和6.3%,与鄂尔多斯盆地三叠系及侏罗系原油族组成有明显差异(表1),饱和烃含量明显较高,饱/芳比值高达10.68。另外,原油的含蜡量和含硫量分别为14.89%和0.032 3%。所以,该原油属于正常、含蜡、低硫的轻胶质原油[1-2]。原油的初馏点温度为123.9 ℃,随温度升高,初馏馏分含量增加,50%出馏馏分对应的温度为317.4 ℃(图3)。

图2 渭河盆地地热井产出的沥青(a)和原油(b)照片Fig.2 Photos of asphalt sample (a) and crude oil sample (b) from geothermal wells in the Weihe Basin

表1 渭河盆地原油与鄂尔多斯盆地不同层位原油族组分对比Table 1 Comparison of group compositions for crude oil at different horizons in the Weihe and Ordos Basins

图3 渭河盆地原油馏分分馏与温度的关系Fig.3 Relationship between distillation temperatures and fraction contents of crude oil samples in the Weihe Basin

2 原油饱和烃特征

原油饱和烃气相色谱图(图4)显示,渭河盆地原油正构烷烃碳数从C10到C38,总体呈双峰型,主峰为nC22,次主峰为nC15,这区别于鄂尔多斯盆地各层原油的单峰型特征。原油的CPI和OEP值分别为0.93和0.90,表明原油是成熟的。∑nC21-/∑n-C22+和(nC21+nC22)/(nC28+nC29)分别为1.05和1.55;Pr/Ph，Pr/nC17和Ph/nC18分别为0.82，0.56和0.59。

Pr/nC17和Ph/nC18关系图(图5)显示,其母质应该有藻类等水生生物的贡献,总体显示原油的母质形成于弱还原的沉积环境[5-8]。

3 原油甾烷与萜烷特征

在渭河盆地原油甾烷(m/z217)组成中,孕甾烷、20SC27重排甾烷与20RC27重排甾烷相对含量明显较鄂尔多斯盆地三叠系及侏罗系原油高(图6),其孕甾烷与C27+C28+C29甾烷比值为0.21,(20S+20R)C27重排甾烷与∑(C27+C28+C29)甾烷比值为1.0。C27,C28与C29规则甾烷呈反“L”型分布,与鄂尔多斯盆地侏罗系原油的“L”型特征差异明显,C27与C29甾烷比值和C27与C28甾烷比值分别为0.46和0.96。C27,C28和C29规则甾烷组成三角图(图7)显示,渭河盆地原油母质主要来自浮游水生生物和少量高等植物,高等植物对其贡献比鄂尔多斯盆地延长组原油高[10-11]。此外,原油含有少量4-甲基甾烷,这预示了其母质形成于具有一定盐度的沉积环境,并且藻类有机质对母质也有所贡献(图6)。

C29甾烷异构体中20S/(20S+20R)αααC29,甾烷和,ββ/(ββ+αα)20RC29甾烷是生标物中重要的成熟度参数[13]。原油的ββ/(ββ+αα),αα20S/(20S+20R)C29,甾烷值均为0.56,显示原油母质处于成熟生油的演化阶段。这与OEP和CPI反映的原油母质成熟度一致。

图4 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油饱和烃气相色谱(GC)Fig.4 Gas chromatogram of the saturated fraction of crude oil samples in the Weihe and Ordos Basina.渭河盆地原油;b.鄂尔多斯盆地北部二叠系石盒子组原油[9];c.鄂尔多斯盆地西峰地区三叠系延长组原油;d.鄂尔多斯盆地天环坳陷南段侏罗系原油[4]

图5 渭河盆地原油Pr/nC17与Ph/nC18关系(修编自文献[6])Fig.5 Pr/n C17 vs.Ph/nC18rat ios of crude oil samples from the Weihe Basin(modified from reference[6])

图6 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油甾烷气相色谱-质谱Fig.6 Gas chromatographic-mass spectrometry of crude oil samples from the Weihe and Ordos Basinsa.渭河盆地原油;b.鄂尔多斯盆地天环坳陷南段侏罗系原油[4];c.鄂尔多斯盆地西峰地区三叠系延长组原油

图7 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油规则甾烷C27，C28和C29组成三角图(修编自文献[12])Fig.7 Ternary diagram showing C27,C28 and C29 contents of regular sterane in crude oil samples from the Weihe and Ordos Basins(modified from reference[12])

图8 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油萜烷气相色谱-质谱Fig.8 Gas chromatography-mass spectrometer of terpane of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basinsa.渭河盆地原油;b.鄂尔多斯盆地天环坳陷南段侏罗系原油[4];c.鄂尔多斯盆地西峰地区三叠系延长组原油

原油的萜烷(m/z191)主要由三环萜烷和五环萜烷组成(图8)。三环萜烷相对含量与成熟度和生物降解作用等有关[13-15]。渭河盆地油样C23萜烷明显较高,指示咸化湖和海相环境;三环与五环三萜烷比值较高,为0.97;正构烷烃分布完整,未显示生物降解迹象(图4)。所以,其较高的三环萜烷主要与较高的成熟度有关。Ts[18α(H)-22,29,30-三降藿烷]比Tm([7α(H)-22,29,30-三降藿烷]抵抗成熟的能力强,但也与烃源岩沉积环境有关[16-17]。原油的Ts/Tm值为2.17,这与其较高的母质成熟度是吻合的[18-19]。

原油和烃源岩中的三环萜烷和四环萜烷与有机质来源有关,可用来判断母质形成的沉积环境[5,19](图9)。三环和四环萜烷参数关系显示了原油分布接近盐湖与海相沉积环境。此外,伽马蜡烷含量与沉积环境的水体盐度有关,盐度越高,伽马蜡烷含量越高[16,20-21]。渭河盆地原油伽马蜡烷含量明显很高,伽马蜡烷与C30藿烷比值高达0.91,远高于鄂尔多斯盆地延长组原油(图10)。这表明了渭河盆地原油母质形成于较高盐度沉积环境的水体中。

图9 渭河盆地原油C23三环/(C23三环+C30五环)萜烷-C24四环/(C24四环+C26三环)萜烷关系(修编自文献[19])Fig.9 C23 tricyclic/(C23 tricyclic+C30 pentacyclic)ratios vs.C24 tetracyclic/(C24 tetracyclic+C26 tricyclic)terpane ratios of crude oil sample from the Weihe Basin(modified from reference[19])

图10 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油γ蜡烷/C30藿烷-C35藿烷/C34藿烷关系Fig.10 Gammacerane/C30hopanevs.C35 hopane/C34hopane of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basins

原油五环三萜烷中较高的C35藿烷普遍与海相碳酸盐岩或蒸发环境有关[22-23],也与盐湖沉积有关[24-25]。该油样的C35藿烷相对含量较高,藿烷指数[HHI=C35/(C31—C35)]藿烷为0.15,C35藿烷/C34藿烷值高达1.21,也表明了原油母质形成于较高盐度的沉积水体中。

4 原油饱和烃单体烃碳同位素组成特征

原油饱和烃的单体烃碳同位素组成受控于母质来源与沉积环境,与沉积水体盐度有关,半咸水环境比淡水环境下沉积的有机质及其产物更富集重碳同位素δ13C[26-27]。分析发现,渭河盆地原油中低碳数(C14—C22)的正构烷烃碳同位素值随碳数增加从-27.1‰降低到-30.3‰;当碳数高于C22后,碳同位素值在-29.3‰和-30.4‰变化,其中异构烷烃比正构烷烃的碳同位素值要重一些;姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)的碳同位素值明显要重,分别为-26.1‰和-24.9‰(图11),明显比鄂尔多斯盆地延长组淡水湖湘原油δ13C值-31‰～-34‰重。总的显示出原油母质形成较高盐度的水体中[26-29]。

5 原油芳烃特征

芳烃化合物复杂而稳定,可用来进行油源对比、进行有机质成熟度评价、确定沉积环境以及生油的初次运移[30-32]。三芴系列化合物可用于指示源岩或者原油形成时的沉积环境,渭河盆地原油芳烃“三芴”系列组成中芴、氧芴、硫芴相对含量分别为1.32%，64.51%和34.17%,其形成环境与鄂尔多斯盆地各层位原油有明显差异(图12),并通过Pr/Ph与硫芴/氧芴关系图可看出渭河盆地原油形成于弱氧化-弱还原环境(图13),这与之前所判断的形成于弱还原环境并不矛盾。

6 特殊原油发现的油气地质意义

综合上述地化分析可见,该油样的烃源岩母质主要形成于弱还原的、盐度较高的湖相沉积环境,藻类等水生生物为烃源岩母质的主要有机质来源,有少部分高等植物的贡献,母质处于成熟的生油阶段。这种特征的原油与鄂尔多斯盆地发现的延长组、侏罗系、二叠系等层位中的原油都有较大的差别,显示了其明显的地球化学与成因的特殊性。

图11 渭河盆地原油饱和烃单体烃碳同位素分布Fig.11 Distribution of carbon isotope values of saturated monomer hydrocarbons of crude oil sample from the Weihe Basin

渭河盆地历史上曾经是古生代大华北盆地和中生代大鄂尔多斯盆地的一部分[33],其前新生代地层的沉积、演化必然和鄂尔多斯盆地(华北地块)密切相关,其前新生界烃源岩与鄂尔多斯盆地相关层位烃源岩母质类型应有较多的相关性。渭河盆地新生代以来的断陷沉降和鄂尔多斯盆地走上不同的演化途径,渭河盆地特殊原油与鄂尔多斯盆地发现的中生界及古生界原油都不同[24-36],最大可能来自新生界烃源岩。

渭河盆地新生代沉积最厚可达6 000～7 000 m,发育古近系户县群(红河组、白鹿原组、甘河组),新近系高陵群(冷水沟组、龚家沟组)、蓝田组-灞河组、张家坡组,第四系三门组,自下而上可划分为下粗上细的4大沉积旋回,即古近系上始新统—渐新统(红河组-白鹿原组-甘河组)旋回、新近系中新统(高陵群)旋回、上新统(灞河组-蓝田组-张家坡组)旋回和第四系(三门组—秦川组)旋回[37]。目前钻井仅揭示高陵群以上地层,缺少钻穿古近系钻孔。目前地表露头及钻孔显示渭河盆地新生界初新近系张家坡组局部发育未成熟烃源岩外,主要为红层沉积[38],显然本次发现的特殊原油与张家坡组无关,由于钻井深度有限(高陵群未穿),其烃源岩尚未钻达,即盆地内古近系和露头区应该存在相变,发育有还原环境的较高盐度湖相沉积。目前露头区古近系认为是低盐度河湖相沉积[39],与盆地内古近系沉积相带的空间演化关系需进一步研究。

图12 渭河盆地与鄂尔多斯盆地原油芴、硫芴、氧芴三角图(修编自文献[30][32])Fig.12 Ternary diagram of fluorene,sulfur fluorene and dibenzofuran of crude oil sample from the Weihe and Ordos Basins(modified from reference[30],[32])

图13 渭河盆地原油Pr/Ph与硫芴/氧芴关系(修编自文献[30])Fig.13 Cross diagram between the Pr/Ph and sulfur fluorene/dibenzofuran of crude oil sample from the Weihe Basin(modified from reference[30])

渭河盆地油气勘探的主要矛盾是缺乏烃源岩,已有研究认为渭河盆地可能存在上古生界烃源岩[33,40-41],本次发现揭示渭河盆地还应具有尚未发现的生烃源岩,进一步表明渭河盆地具有油气资源前景,在已发现的“一热两气”(地热、氦气、生物气)基础上,还有石油蕴藏的含油气多能源盆地。

7 结论与认识

渭河盆地新发现的原油属于正常的含蜡、低硫、轻胶质原油,烃源岩母质主要形成于还原的、盐度较高的湖相沉积环境,藻类等水生生物为烃源岩母质的主要有机质来源,有少部分高等植物的贡献,是一种与鄂尔多斯盆地已发现的延长组、侏罗系、二叠系等层位原油都有较大差别的原油,烃源岩以处于成熟生油演化阶段,与渭河盆地已知的新近系张家坡组低熟-未熟烃源岩无关。由于钻井深度有限,未发现烃源岩,但根据地质背景分析渭河盆地应存在尚未发现的生烃源岩,烃源岩层位及其分布有待进一步研究。新发现原油进一步增加了渭河盆地将成为中国又一个含油气盆地的依据,具有重要的油气地质意义,同时也可为鄂尔多斯周缘盆地群新层系油气调查提供借鉴。