民和盆地窑街组烃源岩地球化学特征及油源分析

王文军,李立武,王作栋,张 婷,符 印,张振华

(1.中国科学院 西北生态环境资源研究院,甘肃省油气资源研究重点实验室,兰州 730000;2.中国科学院大学,北京 100049;3.窑街煤电集团公司金河煤矿,兰州 730000)

民和盆地位于甘肃和青海两省交界地带,呈北西-东南走向,夹于拉脊山与北祁连山之间,是一个中新生代发展起来的山间沉积盆地,其构造单元划分为乐都隆起、皋兰隆起、永巴拗陷共3个一级构造单元及7个二级构造单元,永巴拗陷是盆地的主体构造［1-3］(图1)。民和盆地基底由中祁连隆起带震旦系、寒武系变质岩及北缘部分地区的北祁连加里东褶皱带变质岩构成,构造演化历经了前侏罗纪隆起、侏罗纪-早白垩世断陷、晚白垩世-第三纪拗陷及第四纪盆地消亡共4个阶段,沉积盖层主要是侏罗系、白垩系、第三系和第四系地层［4-5］。

图1 民和盆地构造单元及窑街组岩性柱状图Fig.1 Tectonic units of Minhe Basin and Yaojie Formation lithological column(据张成功等 ［2］、赵迪斐等 ［3］)

民和盆地侏罗系是一套含油、煤的陆相沉积。中侏罗统窑街组的暗色泥岩、油页岩、煤及碳质泥岩是主要生油岩,其中,暗色泥岩达到“中等”生油岩标准,油页岩达到“好生油岩”的标准,干酪根类型主要是Ⅰ型及Ⅱ1型,有机质类型好,煤达到“中等-好”烃源岩标准,且厚度较大,这些条件为油气生成奠定了丰富的物质基础,具有良好的勘探潜力［4-8］。另一方面,中侏罗统窑街组煤的镜质体反射率在0.9%左右,油页岩的镜质体反射率为0.8%～1.1%,指示民和盆地窑街组烃源岩达到生油门限温度,已经开始生烃或排烃［8-9］。然而,民和盆地是一个改造型盆地,它遭受了早白垩世末以及新近纪末两期强烈的地质改造作用,这不同程度地破坏和调整了盆地内部构造,同时也改造了盆地内部含油气系统。此外,民和盆地是一个煤、油、气共生的盆地,海石湾矿煤层中有着大量渗出原油的现象,这些因素导致原油成因较为复杂,油源关系尚不清楚［8,10］。本次研究借助气相色谱-质谱分析技术,分析民和盆地窑街组烃源岩及海石湾煤层原油的生物标志化合物特征,探讨其反映的母质来源和沉积环境,基本确定了烃源岩和原油的母质类型与成熟度,建立了较为可靠的油源关系。

1 样品与实验

1.1 烃源岩及原油样品

本次研究所选取的烃源岩及原油样品主要来自海石湾煤矿、金河煤矿、窑街三矿,具体采样信息如表1所示。

表1 窑街组样品基础信息Table 1 Basic information of Yaojie Formation samples

1.2 实验方法

烃源岩样品粉碎至100目以下,用氯仿索氏抽提72 h,抽提物(氯仿沥青“A”)经正己烷沉淀沥青质,其可溶组分经浓缩后,通过硅胶-氧化铝(硅胶：氧化铝=3：1)层析柱,分别采用正己烷和二氯甲烷依次将饱和烃及芳烃淋洗出来。之后对饱和烃和芳烃组分进行气相色谱-质谱(GC-MS)分析。

气相色谱-质谱分析条件：气相色谱-质谱联用仪为美国安捷伦科技有限公司的6890N-GC/5973N-MSD;色谱进样口温度：280 ℃;载气：高纯氦气;载气流量：1.2 mL/min;载气线速率40 cm/s;色谱柱：KD-5(30 m×0.32 mm×0.25 μm);程序升温：80 ℃为起始温度,以4 ℃/min的速率升至290 ℃,恒温30 min;质谱离子源：EI源;离子源温度：230 ℃;四级杆温度：150 ℃;离子源电离能：70 eV;质谱与色谱接口温度：280 ℃;使用NIST02L谱库对化合物进行定性分析,采用峰面积计算相关的生物标志化合物参数。

2 实验结果

2.1 烃源岩生物标志化合物特征

芳烃组分中主要检出萘系列、菲系列、联苯、苯并荧蒽、苯并芘、惹烯等。其中,含量最高的芳烃化合物是萘系列化合物和菲系列化合物,萘系列化合物由甲基萘、二甲基萘、三甲基萘及四甲基萘组成,菲系列化合物由菲、甲基菲、二甲基菲及三甲基菲组成。

2.2 原油生物标志化合物特征

原油中轻烃组分的含量也较高,包括丙烷、异丁烷、丁烷、甲基丁烷、戊烷、甲基戊烷、环戊烷、庚烷及环己烷等。原油中检出的芳烃含量较少,主要有乙基苯、二甲基苯、甲基萘、菲、甲基菲、惹烯等。此外,原油中检出烷基环己烷系列化合物,碳数分布范围为C7～C28。

3 讨论

3.1 烃源岩母质来源及沉积环境分析

类异戊二烯烷烃中以姥姣烷(Pr)和植烷(Ph)分布最广［15-16］。目前观点认为姥姣烷和植烷主要来源于叶绿素植醇侧链,其生源可能为高等植物、藻类、蓝细菌等可以进行光合作用的生物或是嗜盐菌的细胞膜［17-18］。姥植比(Pr/Ph)有助于进一步判识有机质的母质来源及沉积环境,母质类型的不同会造成Pr/Ph产生差异,有机质来源以陆生高等植物为主,Pr/Ph较高,而湖相、湖沼和海相样品中Pr/Ph一般较低［19］。海石湾油页岩的Pr/Ph值较大,说明其有机质来源中有着陆源植物的混入。此外,高Pr/Ph值(>3)指示氧化环境,低Pr/Ph值(<1)指示缺氧环境,1≤Pr/Ph≤3指示介于二者之间的沉积环境,为贫氧环境［20-21］。海石湾油页岩的Pr/Ph值为2.51,说明其发育于贫氧环境;海石湾煤、皮带斜井煤和金河矿煤的Pr/Ph值都大于3,说明它们均发育于氧化性较高的沉积环境。伽马蜡烷的含量可以指示烃源岩沉积环境的水体分层,水体盐度的增大会导致较高的伽马蜡烷指数(G/C30H)［22］。皮带斜井煤G/C30H值最大,其他3个烃源岩样品G/C30H值接近,均值为0.12,说明海石湾油页岩、海石湾煤和金河矿煤形成于微咸水环境,而皮带斜井煤形成于咸水环境。

高含量的惹烯主要来源于脉管植物针叶树的树脂,是陆源高等植物生源的重要指标［23］。民和盆地窑街组烃源岩中均检出了惹烯,说明它们都有不同程度陆源植物的输入。另外,皮带斜井煤和金河矿煤中分别检出了C32～C35和C32～C34的苯并藿烷。目前没有在生物体中检测到苯并藿烷,它们在早期成岩作用阶段形成,通常在沼泽环境产出的煤系、碳质页岩和油页岩有苯并藿烷的检出,可能来源于生物体中的细菌藿烷类化合物［24-25］,这说明皮带斜井煤和金河矿煤可能发育于沼泽化环境。

3.2 烃源岩成熟度分析

18α(H)-C27三降藿烷(Ts)和17α(H)-C27三降藿烷(Tm)是常用来判别烃源岩和原油成熟度的生物标志化合物。在后生作用阶段Ts的稳定性比Tm更强,因此,随着成熟度的增大,Ts/(Ts+Tm)值逐渐增大［26］,但这个参数对母质来源有很强的依赖性,与烃源岩密切相关,比如苯并藿烷的产出的环境会抑制Tm向Ts转化［27］。皮带斜井煤和金河矿煤Ts/(Ts+Tm)值异常低,均值为0.05,这可能是因为其产出苯并藿烷的沼泽化环境使Tm向Ts的转化受到抑制,因此,Ts/(Ts+Tm)值已经不能用来判识民和盆地窑街组烃源岩的成熟度。

碳优势指数(CPI)和奇偶优势指数(OEP)可以用来指示烃源岩的成熟度,一般认为成熟烃源岩的CPI值和OEP值接近1.0,正构烷烃的奇偶优势逐渐消失［28］。海石湾油页岩和海石湾煤的CPI值与皮带斜井煤和金河矿煤的CPI值相比更接近于1,说明海石湾油页岩及海石湾煤的成熟度大于皮带斜井煤和金河矿煤。随着沉积物成熟度的增加,藿烷在C-22位上将发生异构化作用,C3122S/(22S+22R)值逐渐增大,当它接近0.6时,指示烃源岩成熟度将达到平衡点。另外,莫烷较藿烷热稳定性差,因此随着成熟度的增加,莫烷/藿烷逐渐减小［3］。海石湾油页岩、海石湾煤和金河矿煤C3122S/(22S+22R)值分别为0.59、0.58和0.60(表2),且它们莫烷/藿烷值均小于1,指示其可能进入成熟阶段,皮带斜井煤与其他样品相比成熟度较小。

表2 民和盆地窑街组群烃源岩及原油相关地球化学参数Table 2 Geochemical parameters related to source rocks and crude oil of Yaojie Formation in Minhe Basin

甲基菲的分布方式受其相对热力学稳定性和形成机制的控制,不同构型的甲基菲具有不同的稳定性,随着成熟度的增大,9-MP与1-MP逐渐转化为3-MP与2-MP,因此,甲基菲的相关参数是判识有机质成熟度的良好指标［29］。海石湾油页岩、海石湾煤、皮带斜井煤和金河矿煤的甲基菲指数1(MPI1)分别是0.48、0.73、0.21、0.39,说明皮带斜井煤和金河矿煤处于低成熟阶段,海石湾油页岩和海石湾煤处于成熟阶段,这与前文依据正构烷烃以及萜烷化合物的成熟度指标所得出的结论相一致。

结合不同的生物标志化合物的成熟度指标,对民和盆地窑街组烃源岩的成熟度进行了讨论。结果表明,海石湾煤的成熟度最大,和海石湾油页岩都处于成熟阶段;皮带斜井煤的成熟度最小,和金河矿煤都处于低成熟阶段。

3.3 原油地球化学特征及油源分析

油源对比有助于追踪油层中原油的来源,具有亲缘关系的原油和烃源岩之间在化合物组成上必然存在一定的相似性,利用单一生物标志化合物很难做到准确对比油源,因此多参数分析是进行油源对比最有效的手段［32］。根据烃源岩和原油的饱和烃色谱图中正构烷烃的相对丰度分布,可以非常直观地看出油源之间的亲缘关系［33］。如图3-A所示,海石湾煤层原油与海石湾油页岩的正构烷烃碳数分布范围都较广且高碳数部分曲线相近,说明它们可能具有相同的母质来源。通常认为,C27甾烷来源于低等水生生物和藻类,C29甾烷来源于陆源高等植物［34］。民和盆地窑街组烃源岩及煤层原油饱和烃中甾烷的质量色谱图都较为杂乱,不易辨认,但通过提取离子色谱图,可以看出C27、C28及C29规则甾烷的相对分布关系(图2)。海石湾煤层原油与海石湾油页岩的C27甾烷丰度都大于C29甾烷,说明其母质来源以低等水生生物和藻类为主。另外,二苯并噻吩/菲(DBT/P)和Pr/Ph值之间的二元关系可以用来判识烃源岩及原油的沉积环境［35］,海石湾油页岩与海石湾煤层原油都投在图中的c区域,说明它们发育的沉积环境类似,可能为半深湖相或滨浅湖相(图3-B)。

图2 民和盆地窑街组烃源岩及原油m/z 85、m/z 191及m/z 217质量色谱图Fig.2 Mass chromatograms of source rocks and crude oil m/z 85,m/z 191 and m/z 217 in the Yaojie Formation,Minhe Basin

图3 民和盆地窑街组烃源岩及原油正构烷烃相对含量对比图及(Pr/Ph)-(DBT/P)二元图Fig.3 Comparison of the relative content of n-alkanes in the Yaojie Formation source rock and crude oil in the Minhe Basin,binary map of (Pr/Ph)-(DBT/P)

芳烃是原油中的重要成分,可以为油源对比提供重要参数,是对饱和烃研究的有益增补［36］。海石湾煤层原油的芳烃含量较少,主要有乙基苯、二甲基苯、甲基萘、菲、甲基菲等化合物。利用甲基菲指数1(MPI1)和甲基菲指数2(MPI2)二元图,可以有效地对比海石湾煤层原油与源岩间的成熟度关系(图4-A),结果表明,海石湾煤层原油的成熟度最接近于海石湾油页岩。此外,海石湾煤层原油CPI值为1.16,OEP值为0.95(图4-B,表2),说明海石湾煤层原油与海石湾油页岩的成熟度相同,都处于成熟阶段。

利用正构烷烃、甾烷、芳烃等生物标志化合物,从母质来源及沉积环境和成熟度两个方面对民和盆地海石湾煤层原油与烃源岩间的油源关系进行了探讨。结果表明,海石湾煤层原油与海石湾油页岩的地球化学特征最为相似,它们的母质来源以藻类水生生物为主;发育的沉积环境为半深湖相或滨浅湖相的还原环境;成熟度接近,都处于成熟阶段。此外,海石湾煤显微组分以类脂组、腐泥组和少量腐殖碎屑煤组成,属于腐泥煤中的藻煤类型,成熟度高且孔隙率较大,因此理论上来讲其具有一定的生排油能力［37］。综上所述,认为海石湾煤层原油主要来源于海石湾油页岩。

3.4 油气成藏及运移分析

民和盆地后期经历了较强的构造运动,侏罗系烃源岩可能经历了燕山晚期及喜马拉雅末期两期成烃、成藏作用［38］。其中,燕山晚期成烃作用以成油为主,喜马拉雅末期成烃作用以成气为主,前者可能由燕山期古油气藏重新分配,后者可能是燕山期新生油气晚期聚集的结果。因此,民和盆地侏罗系生油条件好、封盖条件优越、燕山期古构造发育,这为形成燕山期古构造控制的油气藏及岩性复合油气藏提供了有利条件［39］。盆地内侏罗系地层以砂岩、泥岩为主,并发育有煤层,多期构造运动产生了一系列不整合面及断层,它们和连通砂体成为油气运移的有效通道［10,40-41］,以上因素可能是海石湾矿煤层中大量渗出原油现象重要影响因素。

4 结论

根据民和盆地窑街组烃源岩和原油的生物标志化合物特征,分别对其母质来源、沉积环境及成熟度进行了讨论,并进行了油源对比。结果表明：

a.海石湾油页岩以水生生物为主,发育在贫氧-微咸水环境;海石湾煤和金河矿煤的母质来源以陆生生物为主,发育于氧化-微咸水环境;皮带斜井煤的母质来源以陆生生物为主,发育于氧化-咸水环境。

b.海石湾煤成熟度最大,和海石湾油页岩都处于成熟阶段;皮带斜井煤的成熟度最小,和金河矿煤都处于低成熟阶段。

c.海石湾煤层原油的母质来源以菌藻类生物为主,发育于半深湖相或滨浅湖相还原性的沉积环境,成熟度较高,与海石湾油页岩的地球化学特征最为接近,认为海石湾煤层原油主要来源于海石湾油页岩。