渤海海域渤东低凸起南段原油“蒸发分馏”地球化学特征及成因

王广源, 牛成民, 王飞龙, 燕 歌, 李新琦

(中国海洋石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459)

地下烃类流体的相态是复杂多变的，在油气藏的多种次生作用中，“蒸发分馏”便是较为常见的一种次生作用，它是油藏遭受后期天然气次生变化改造后普遍存在的一种过程[1-3]。在世界多个含油气盆地中，凡是存在大量天然气生成与运聚，就有存在“蒸发分馏”作用的可能，在墨西哥湾盆地(60%以上原油发生过“蒸发分馏”)[4]、桑托斯盆地[5]，以及中国的北海盆地[6]、台湾K油田[7]、莺-琼盆地[8]、柴达木盆地[9]、准噶尔盆地[10]、塔里木盆地[11]和东海盆地[12]等地的原油均发生过“蒸发分馏”。

本文的研究区位于渤海海域渤东低凸起南段，通过对该区多口探井的录井、测井、最新地球化学等多种资料进行系统梳理，发现该区原油发生过“蒸发分馏”作用。由于以往对“蒸发分馏”不重视，在渤海海域尚未对其开展过系统研究，其地球化学特征不清楚。因此，本文利用大量最新的原油地球化学分析资料，深入研究原油“蒸发分馏”的特征，同时结合盆地模拟手段和断裂系统研究等分析“蒸发分馏”的形成原因，以期为渤海海域中深层油气勘探提供新的思路。

1 地质概况

渤东低凸起位于渤海中东部海域，处于郯庐断裂带与张蓬断裂带转换带上，东西两侧被渤中和渤东两个富生烃凹陷所包围，区内断层发育，整个低凸起自北向南可以分为北、中、南三段(图1)。渤东低凸起的油气勘探研究主要集中在渤东低凸起的南段。渤东低凸起南段为近南北走向的垒块构造，处于郯庐断裂带与张蓬断裂带转换带上，地应力容易聚集和释放，构造活动十分强烈，致使该区成为油气聚集的有利场所；南端以倾没端的形式延伸至渤中凹陷，区内断层发育，成藏位置非常有利。

图1 渤东低凸起南段区域位置图Fig.1 Location map of southern section of Bodong lower uplift

目前在PL7-6构造已钻探9口井，发现了PL7-6轻质中型油田，主要含油层段为明化镇组下段和馆陶组。明化镇组下段油藏类型为岩性-构造油藏，油藏埋深为 1 375～2 141 m；馆陶组油藏类型为构造油藏，油藏埋深为 2 230～3 194 m，主要产天然气和轻质油，馆陶组轻质油占探明储量的比率超过70%。根据最新的测试和取样资料，PL7-6油田压力系数1.005，压力梯度为9.70 MPa/km，原始地层压力为13.996～31.366 MPa，温度梯度为32.7℃/km-，地层温度为60.7～119.3 ℃，属正常温度和正常压力系统。馆陶组深度 2 605 m处原油的PVT分析结果表明，原油密度为0.615 g/cm3,黏度为0.26 mPa·s，体积系数为1.619，溶解气油体积之比为194，具有原油黏度小、溶解气油比高的特点，为弱挥发性原油。PL7-6轻质中型油田的发现，实现了渤东低凸起轻质油田勘探的重大突破。

2 油源分析

渤东低凸起南段紧邻渤中和渤东两个富生烃凹陷，凹陷内自下而上发育古近系沙河街组第三段(沙三段)、第一和第二段(沙一、沙二段)、东营组第三段(东三段)3套优质烃源岩，尤其是沙三段烃源岩分布广、埋深大、有机质丰度高、类型好[13-15]，且有机质演化程度高，能为本区提供充足的油气源。

为了确定PL7-6油田新近系原油具体来自哪套烃源岩，系统分析了PL7-6构造及附近的蓬莱19-3油田(PL19-3-5井)和蓬莱13-2油田(PL13-2-1D井) 的生标化合物特征。 从生标化合物对比图(图2)中可以看出，PL7-6构造新近系原油的萜类化合物中以C30藿烷为主峰，中-低含量伽马蜡烷，C25-降藿烷几乎没有，表明原油几乎未遭受生物降解影响；甾烷系列化合物形态完整，中-低含量重排甾烷，中-高含量4-甲基C30甾烷，C27规则甾烷含量大于C29规则甾烷含量，呈不对称“V”字形分布，C29规则甾烷中的ββ异构化甾烷含量高，表明原油成熟度高。PL7-6构造新近系原油生标化合物特征与PL13-2-1D和PL19-3-5井新近系原油非常相似。邹华耀等人[14]认为蓬莱19-3油田的PL19-3-5井原油来自渤中凹陷沙三段成熟烃源岩；徐国盛等人[15]认为蓬莱13-2油田新近系原油主要来自渤东凹陷沙三段成熟烃源岩，混有少量沙一段烃源岩生成的原油：因此推断PL7-6油田新近系原油主要来自渤中凹陷和渤东凹陷沙三段成熟烃源岩。

图2 PL7-6油田与PL19-3-5/PL13-2-1D原油饱和烃萜烷、甾烷质量色谱图Fig.2 Mass chromatogram of terpanes and steranes of saturated hydrocarbons in crude oil from PL7-6 oilfield and PL19-3-5/PL13-2-1D

3 原油“蒸发分馏”地球化学特征

“蒸发分馏”是气态物质从油藏中分离出来的复杂动态过程，是大量天然气进入早期已形成的油藏，在储层高温高压条件下对早期成藏的原油进行溶解抽滤，在压力平衡被破坏的条件下，溶解于天然气中的原油的轻馏分(甚至中等分子量的馏分)沿断裂、不整合面等运移通道携带至条件适宜的储层，形成新的凝析油或轻质油藏的分馏过程[2]。凡是发生过“蒸发分馏”作用的油气普遍具有特殊的地球化学特征。

3.1 原油物性

分析渤东低凸起南段馆陶组原油样品，发现该区原油类型复杂，存在2种不同物理性质的原油，一类是低密度、高含蜡的凝析油和轻质油，另一类是高密度的重质油(表1)。同时该区的油气藏分布具有较为明显的垂向差异，自下而上依次为重质油、轻质油和凝析油，总体上呈“下重上轻”的分布特点。

表1 渤东低凸起南段馆陶组原油的物理性质(w/%)Table 1 Physical properties of crude oil in Guantao Formation from the southern part of Bodong lower uplift

3.2 轻烃特征

发生过“蒸发分馏”后的油气藏，原来的油气藏(“母体”)将产生多个次生油气藏(“子体”)，在这个过程中，油气藏的蒸气压大小决定了那些能溶于气相并被带走的化合物多少[8]。由于原油中芳烃类化合物比正构烷烃具有更大的极性，同时叠加芳烃类化合物具π键结构，这两者加强了分子间的相互作用力，在蒸气压下降的情况下，芳烃类化合物不会轻易随着气相发生运移，而是更多地残留在原始油气藏的原油中。因此，油气藏发生 “蒸发分馏”作用之后，其“母体”中的原油具有高芳香性和低石蜡性的特征，在轻烃组分中表现“一高(甲苯与nC7比值高)一低(nC7与甲基环已烷比值低)” 的特征，而新形成的轻质油或凝析油中芳香烃和环烷烃减少，低碳数正构烷烃增加，轻烃组分中甲苯与nC7比值低，nC7与甲基环已烷比值高。

分析渤东低凸起南段馆陶组原油样品的全油气相色谱，结果表明原油碳数分布范围为nC3-nC36，主峰碳数分布范围为nC9-nC14。K.F.M.Thompson[2]利用芳香烃指数(甲苯/nC7)和饱和烃指数(nC7/甲基环己烷)来鉴别原油经历的次生变化(水洗氧化、蒸发分馏、成熟演化、生物降解等)，其模式见图3。本区样品的芳香烃指数和饱和烃指数特征基本沿“蒸发分馏”作用的变化曲线分布，表明本区原油发生了“蒸发分馏”作用。图4是渤东低凸起南段馆陶组具有代表性的轻烃色谱图，其中PL7-6-B井深度 2 985.4 m处原油中同碳数正构烷烃含量较低，苯、甲苯和二甲苯等芳烃化合物含量较高；nC7与甲基环己烷比值很低，为0.18；甲苯与nC7的比值高，为3.53：表明该处原油为曾发生过强烈“蒸发分馏”作用后的残余油。PL7-6-A井深度2 605 m处原油中同碳数正构烷烃含量较高，苯、甲苯和二甲苯等芳烃化合物含量较高，nC7与甲基环己烷比值较高，为1.07；而甲苯与nC7的比值较低，为0.48：表明该处原油为曾发生过较强“蒸发分馏”作用后的残余油。PL7-6-B井深度2 419.5 m处原油中同碳数正构烷烃含量较高，苯、甲苯和二甲苯等芳烃化合物的含量较低，nC7与甲基环己烷比值很高，为1.2；甲苯与nC7的比值很低，为0.17：表明该处原油未遭受“蒸发分馏”作用，为深部原油遭受“蒸发分馏”后形成的凝析油。

图3 渤东低凸起南段馆陶组原油轻烃参数图Fig.3 Light hydrocarbon parameters of crude oils in Guantao Formation from southern part of Bodong lower uplift

图4 渤东低凸起南段馆陶组原油轻烃色谱图Fig.4 Chromatogram of crude oil light hydrocarbon from Guantao Formation in southern part of Bodong lower uplift

3.3 正构烷烃

图5 渤东低凸起南段馆陶组原油全油色谱图Fig.5 Chromatogram of crude oil from Guantao Formation in southern part of Bodong lower uplift

Y.Kissin[16]在研究世界范围内50多个油气藏的原油后，发现未遭受任何分馏或次生变化的原油，其原油的碳数与正构烷烃摩尔浓度对数值呈线性特征，可表示为

lnmn=a·n+ lnA

(1)

式中：A为归一化因子；n为正构烷烃碳数；a为斜率参数；mn为原油中正构烷烃质量摩尔浓度。

S.Losh等[17]利用斜率因子和折点碳数等参数来计算原油遭受“蒸发分馏”作用的强弱，在计算强弱的基础上，可进一步定量计算出发生“蒸发分馏”过程中原油正构烷烃的损失质量分数Q，计算结果如图6-A所示，其计算的公式如下

Q= 1-(∑wn1/∑wn2)

(2)

式中：wn1为实际油样碳数为n的正构烷烃质量分数；wn2为还原油样碳数为n的正构烷烃质量分数。

通过内标定量计算求取，Q值为原油在遭受“蒸发分馏”之后，其损失的正构烷烃质量百分比，正构烷烃损失量就是图6-A中阴影部分。正构烷烃的折点碳数和损失的质量分数Q值越大，表明原油遭受“蒸发分馏”作用越强烈。

利用公式(1)计算渤东低凸起南段馆陶组原油的正构烷烃摩尔浓度与正构烷烃碳数的关系，PL7-6-B井深度2 419.5 m处原油正构烷烃的摩尔浓度对数值与其碳数呈线性关系(图6-C)，表明该处原油未遭受“蒸发分馏”作用。而PL7-6-A井深度2 605 m处原油中高碳数正构烷烃摩尔浓度与碳数的关系呈线性关系，但低碳数正构烷烃摩尔浓度与碳数的关系明显偏离(图6-B)，折点碳数为25；利用公式(2)求取正构烷烃的损失率Q值为95.9%，表明该处原油曾发生过较强“蒸发分馏”作用。

图6 渤东低凸起南段原油“蒸发分馏”作用的正构烷烃定量计算图Fig.6 Quantitative calculation of n-alkanes of evaporative fractionation in southern part of Bodong lower uplift

3.4 稳定碳同位素特征

“蒸发分馏”导致原油及其饱和烃的稳定碳同位素值轻于衍生的轻质油或凝析油及其饱和烃。直观地说，基于样品的物理性质，重的物质倾向于“下沉”，而轻的物质倾向于“上浮”，衍生的轻质油或凝析油饱和烃组分中缺失稳定碳同位素较轻的高碳数正构烷烃，因此，它全油的稳定碳同位素值重于残余油[18]。从渤东低凸起南段馆陶组全油稳定碳同位素分析来看，PL7-6-B井深度 2 985.4 m处全油稳定碳同位素为 -27.6‰，PL7-6-A井深度 2 605 m处全油稳定碳同位素为 -25.9‰，PL7-6-A井深度 2 605 m处原油的稳定碳同位素重于PL7-6-B井深度 2 985.4 m处原油，这反映了渤东低凸起南段馆陶组原油发生“蒸发分馏”的特征，即PL7-6-A井深度 2 605 m处原油是PL7-6-B井深度 2 985.4 m处原油遭受强烈“蒸发分馏”作用之后形成的衍生原油(图5)。

4 原油“蒸发分馏”的成因

渤东低凸起南段紧邻渤中和渤东两个富生烃凹陷，油源对比结果表明，渤东低凸起南段PL7-6构造原油来自沙三段烃源岩。生烃史模拟表明，在渤中凹陷和渤东凹陷，沙三段烃源岩Ro可达到2.0%以上，局部地区甚至高达3%以上，进入过成熟阶段，能为该区提供充足的油气源。渤中凹陷泥岩厚度大，发育的超压系统使得深部烃类流体难以发生垂向运移；随着压力的不断增大，会形成裂缝和断层，为油气运移提供通道。渤东低凸起南段潜山的大型断鼻构造为油气聚集提供了有利场所，随着渤东和渤中凹陷沙三段生成的油气不断充注，使得潜山圈闭的压力随着增大，有利于油气沿断裂系统运移至中深层圈闭聚集；随着中深层圈闭中的外源油气不断增补，断裂系统将再度开启，油气沿断层再次运移至浅层圈闭中聚集成藏(图7)，大量晚期生成的天然气充注到早期已形成的油气藏中，在断层的幕式开启下，从而使得潜山和中深层圈闭内的油气藏发生“蒸发分馏”作用。

实际上，渤东低凸起南段馆陶组原油发生“蒸发分馏”作用需要具备以下有利地质条件：①充足的气源是“蒸发分馏”发生的必要条件。P.Meulbroek等[19]在实验室通过原油的流管模拟计算了不同深度条件下，1 mol原油发生气侵所需的CH4量，认为在2 km深度的原油，需要15 mol的甲烷气才能使得原油发生“蒸发分馏”作用，并且发生“蒸发分馏”的原油深度越浅，所需的甲烷量越多。渤中凹陷生气量可达373.1×109m3，渤东凹陷生气量可达50×109m3，巨大的气源为该区发生原油“蒸发分馏”作用提供了充足的气量。②原油充注时期早于外来天然气充注时期。大规模气侵分馏作用的发生，必须是原油充注时期早于外来天然气充注时期。众所周知，有机质的演化是油早气晚，但在成藏时间上，如果油气同期或气早油晚，那么形成的油气藏是饱和或欠饱和的油气藏。PL7-6-A井馆陶组2 605～2 619 m深度气油体积之比高达393，而在实验室的溶解气油体积比却仅为191，说明还有大量的天然气是没有压回到油藏中，是过饱和油气藏，表明该区是原油充注时期早于外来天然气充注时期。③通“源”断裂的发育是“蒸发分馏”的重要条件。渤东低凸起南段发育的断裂数量多，大大小小的各类断裂可达上百条，有些深大断裂可以沟通凹陷深部的烃源岩，特别是PL7-6-A/B井区发育多条深切潜山的大断裂，且晚期又发育数量众多的断裂，这些断裂的开启与闭合，有利于深层、中深层的油气发生多次“蒸发分馏”。

综合以上叙述，渤东低凸起南段有渤东和渤中两大富生烃凹陷提供充足的天然气、油气充注时间匹配及发育大量的长期活动断裂，为该区发生大规模“蒸发分馏”作用提供了有利的地质条件。

5 结 论

a.原油经过“蒸发分馏”之后，残余油与衍生油具有同源性，而原油物性、轻烃、正构烷烃及稳定碳同位素等地球化学特征却发生了明显的变化，与衍生油相比，残余油具有原油密度和黏度大、轻烃组分中甲苯/正庚烷高、正庚烷/甲基环己烷低、正构烷烃中高碳数烃类含量高、低碳数烃类含量低、稳定碳同位素轻等特征。

b.渤东和渤中2个生烃凹陷埋深大、烃源岩有机质丰度高、演化程度高、生气持续时间长，能提供充足气源，为原油发生“蒸发分馏”提供必要条件；且数量众多的断裂发育和原油充注时期早于外来天然气充注时期等地质条件共同作用,使得渤东低凸起南段馆陶组原油能够发生大规模“蒸发分馏”作用。在空间上，形成了“相似”但又有“差异”的“母体”(残余油)-“子体”(衍生油)等多个油气藏，这为在该区寻找更多的油气藏提供了新的“立体”勘探思路。