辽西凹陷A油田特稠油油藏成因探讨

赵婷婷，徐长贵，陈保柱

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

原油分类指出，特稠油代表黏度分布在10000～50000mPa·s(50℃)、密度大于0.95g/cm3(20℃)， 且必须通过热采技术进行开发的原油[1]。目前，国内外学者对特种重油进行了大量研究，但是主要集中在特稠油的油品预测[2]、油源对比[3]和保存条件[4]等方面，对特种重油来源的研究相对较少。下面，笔者以辽西凹陷 A油田特稠油油藏为研究对象，综合多种地质资料和研究方法对其油源特征、稠化机制、成藏期和稠化期关系进行了深入研究，明确了油藏形成的必要条件，有利于勘探目标的优化。

1 基本石油地质特征

图1 研究区A油田构造位置

渤海海域辽东湾坳陷整体呈北东-南西向展布，古近系次级构造单元自西向东依次为辽东凹陷、辽东隆起、辽中凹陷、辽西隆起和辽西凹陷，表现为“三凹两凸”的特点[5～7]。A油田位于辽西凹陷南部(见图1)，原油主要在浅层明化镇组和馆陶组的断块圈闭中聚集，形成典型大规模块状特稠油油藏，其储集层主要为垂向上连续沉积的大套河流相砂岩。原油物性分析显示，地面原油密度在1.004～1.011g/cm3(20℃)， 地面原油黏度为33595～74462mPa·s(50℃)。在东营组辫状河三角洲前缘砂体中测井解释基本上为含油水层和油水同层，未发现大规模油气聚集。已钻井揭示，该油田油藏模式复杂，油水关系倒置，具有波状起伏的油水界面，且油藏外含油边界呈不规则的弧形。

2 特稠油生物标志化合物和成藏期次特征

在辽东湾凹陷，沙河街组一段和三段(以下简称“沙一段”和“沙三段”)为2套重要的烃源岩[8]。 其中，在沙三段，饱和烃色谱、质谱法测得较高含量的C30-4-甲基甾烷(m/z=217)和较低含量的伽马蜡烷(m/z=191)，芳香族色谱质谱法显示出更高水平的C29-4-甲基-24-乙基三芳甾烷和C29-4，23，24-三甲基三芳甾烷(m/z=245)[9，10]。根据A油田馆陶组饱和烃和芳香族生物标志化合物的分析(见图2(a))，原油饱和烃色谱质谱显示C30-4-甲基甾烷含量较高，伽玛蜡烷烃含量较低。芳香族色谱质谱显示中等水平的 C29-4-甲基-24-乙基三芳甾烷和高C29-4，23，24-三甲基三芳甾烷，具有明显的沙三段原油特征。

图2 A油田原油色谱质谱图

通过对凹陷某处虚拟井的沙河街组中不同深度的烃源岩生烃史进行模拟，研究区不同深度段的烃源岩在东营组末期(30～22Ma)、明化镇组至现今(5～0Ma)发生了2次生排烃事件(见图3)，东营组在末期生烃驱油规模较大，有利于砂体中原油的聚集。

图3 烃源岩生排烃特征

图4 A油田A-1井东营组有机包裹体均一温度分布直方图

同时，A油田东营组砂岩样品中可检出大量烃类包裹体。通过检测东营组与油包裹体同期的盐水包裹体均一温度，结果表明为2期原油充注(见图4)，第1期为55～65℃，第2期为65～75℃。利用埋藏史图投影法[11]，最终得到第1期油气成藏时间为28～25Ma(东营组沉积末期)，第2期成藏时间为5～0Ma(明化镇组沉积晚期)，与烃源岩生排烃模拟结果相符。分析表明，在东营组沉积末期，原油首先在东营组储集；在明化镇组沉积期新构造运动的影响之后[12]，东营组已成藏的原油遭到破坏并再次运移至馆陶组和明化镇组，并聚集成藏。从原油的色谱、质谱特征来看，东营组原油饱和烃和芳烃的生物标志物特征(见图2(b))和馆陶组原油具有一定的对比性。

3 特稠油成因分析

3.1 稠化机理

原油的稠化包括氧化、水洗和生物降解。从图2(a)特稠油饱和烃色谱质谱可知，在萜烷系列(m/z=191)中，C30藿烷严重降解，并且C25降藿烷含量显着增加。原油酸值测定表明，特稠油总酸值高达7.6～9.0mg/g，远高于高酸值原油分级标准。对原油含硫量分析表明，随着原油物性的变差，油质的变稠，硫元素的质量分数与原油密度及黏度呈正相关关系(见图5)。A油田特稠油含硫质量分数在0.4%～0.45%。硫元素的富集、硫酸盐热还原反应(温度要大于150℃)与生物降解(优先消耗饱和烃，高分子量的杂元化合物很难降解)有关，但A油田地温梯度较低，未发生硫酸盐还原反应。综上所述，原油特征表明，A油田特稠油的形成主要是由生物降解造成的。

图5 不同油田的原油物性随硫质量分数的变化关系

生物降解是一种广泛存在的原油增稠效应，在地层温度小于100℃时广泛存在。研究表明，生物降解包括厌氧和嗜氧菌降解[13]。根据A油田地层水的分析结果，浅层明化镇组和馆陶组地层水均为CaCl2型。地层封闭条件相对较好，与地表水沟通较差，因此缺乏有氧细菌作用的条件，原油主要表现为厌氧细菌的作用。从A油田周围油田东营组原油伴生气成分来看，甲烷气(CH4)、二氧化碳(CO2)以及氮气(N2)含量在原油发生稠化作用的深度段均出现增大的特征(见图6)，主要是因为厌氧菌和嗜氧菌对碳氢化合物有不同的氧化。厌氧菌的作用首先是产生乙烷菌，其次是产甲烷菌，除了合成细胞质成分和产生一些残留物外，主要产物还有CH4、CO2等；嗜氧菌的主要产物是H2O和CO2，不产生CH4。

图6 不同油田伴生气相对体积分数随深度的变化特征

3.2 初步生物降解稠化

图7 不同油田原油密度和黏度的变化关系图

根据钻井和岩心观察，A油田明化镇组油层上覆泥岩厚度非常薄，仅1.5～6.0m，馆陶组上覆为砂砾岩，无泥岩盖层。对于常规原油，根据计算，其封闭油柱的高度约为1m左右，因此盖层几乎没有封闭能力，可见在聚集前A油田的油品性质已经变差，其密度接近于水且黏度大，否则油藏中的原油将在大规模聚集之前沿着上覆盖层散失，故原油是先成藏、后降解、再进一步稠化。根据成藏期次分析，东营组早期成藏为初步降解作用的发生提供了必要条件，在成藏之后，由于地层埋深相对较浅，因而遭受一定程度的生物降解，导致原油性质初步变差，降低了对保存条件的要求，但又不至于影响原油的运移。从周边油田东营组原油的物性分析可以看出，东营组的原油密度主要分布在0.90～0.99g/cm3(20℃)，原油黏度主要分布在50～10000mPa·s(50℃)，已属于稠油。此外，原油自身的演化过程也说明了早期稠化作用的发生，从A油田周边油田东营组原油密度和黏度的变化关系来看，两者有明显的指数关系。以0.95g/cm3为界限，小于该数值时，随着密度的增大黏度变化范围在1000mPa·s以内；超过该数值后，随着密度增大黏度急剧增加，可以达到8000mPa·s(见图7)。通过对油气来源的分析，东营组储层形成后，经历了一定程度的原油稠化，油品性质已经恶化，密度大幅增加，减小了对盖层条件的要求，为浅层原油聚集创造了条件；同时，黏度的相对变化尚未达到现状，对原油的运移影响甚微。

3.3 二次稠化过程

在原油积累的第2阶段，明化镇组和馆陶组的原油不可避免地遭受强烈的生物降解作用，使得原油物性快速达到现今状态，否则基于上述对盖层条件的分析，也难以实现大规模的聚集。如果同一时期捕获的同一类油源的碳氢化合物包裹体具有不同的荧光颜色，则表明原油组分在短时间内已经发生了变化[14]。 根据A油田明化镇组和馆陶组砂岩样品烃类包裹体荧光显微观察结果可以发现，不同荧光颜色的烃类包裹体(见图8)，根据夹杂物的微观温度测量结果，包裹体的均一温度在55～58℃和60～63℃之间，显示成熟度较高的特征。表明油藏充满原油后，岩石颗粒先捕获的是原油成熟度高的蓝白色荧光油包裹体，原油填充后，经历快速生物降解并改变其组分，从而进一步捕获黄色荧光包裹体，“红移”现象发生，与“蓝移”恰恰相反。因此原油第2个成藏期内经历了快速生物降解作用，该次生物降解是继东营组储层原油初步生物降解之后的第2次生物降解，大大降低了对盖层条件的要求。

图8 有机包裹体荧光显微观察照片

4 结论

1)A油田浅层特稠油油源主要来自于沙三段烃源岩，少部分来自于沙一段烃源岩；东营组经历了2期积聚，第1期成藏时间为28～25Ma，第2期成藏时间为5～0Ma。

2)第1个成藏期东营组储层的成藏为明化镇组和馆陶组特稠油的大规模聚集提供了必要条件，该时期原油遭受了初步的降解作用，原油物性变差；在第2个成藏期，原油遭受破坏往浅层明化镇组和馆陶组运移， 在差的盖层条件下得以聚集，同时在原油聚集的过程中又再次遭受快速生物降解，最后在浅层形成了大型超稠油油藏。