塔河油田原油地球化学特征及新发现

周 栋,姚建廷,周春宇,李露艳,刘海亮,刘 英

(1.成都理工大学能源学院,四川成都 610059;2.洲际海峡科技有限公司,四川成都 610056;3.中国石油西南油气田公司重庆气矿,重庆 402160)

塔里木盆地塔河油田位于库车县与轮台县境内,总面积约7 000 km2,自上世纪80年代勘探以来,塔河油田不断取得油气突破,成为中国第一个亿吨级海相大油田,展现了良好的勘探潜力[1-2]。截至目前,前人在对塔河油田的构造、沉积、储层、成藏机制、成藏要素等方面进行了大量研究,并取得了丰硕的成果[3-7]。塔河油田成藏要素齐全,圈闭条件好、油源充足、油气运移通道有效、保存条件好[6-7]。文中对塔河油田原油的地球化学特征进行分析,发现具有特殊指示意义的生物标志化合物γ-羽扇烷,这对塔河油田油气来源研究具有一定的意义。

1 地质概况

塔河油田北以轮台凸起为界,与库车坳陷相接,南以顺托果勒隆起及满加尔凹陷为过渡,西邻哈拉哈塘凹陷,东与草湖凹陷毗邻[6-8]。塔河油田经历了加里东期、海西期、印支-燕山期及喜马拉雅期多次构造运动[1],构造运动影响并控制油气生成、运移、聚集以至改造、破坏的历史。塔河油田地层自下而上发育寒武-奥陶系、上泥盆统、下石炭统、三叠系、下侏罗统、下白垩统、古近系、新近系、第四系,部分地区缺失上奥陶统、志留系、泥盆系、中上石炭统、二叠系、中上侏罗统、中上白垩统[1]。前人研究及勘探成果表明[8-13],塔河油田富油气层位主要分布在奥陶系、石炭系、三叠系,古近系、白垩系等层位也具有良好的勘探前景。

2 原油物性及族组分

塔河油田石炭系原油密度差异比较大,为0.719 2～0.961 9 g/cm3,平均值为0.833 2 g/cm3;黏度分布范围较广,为0.69～3 082.94 mPa·s;含硫量0.01%～2.49%,含蜡量0.03%～24.69%。三叠系原油物性特征与石炭系相似,密度0.707 7～0.982 8 g/cm3,平均值为0.847 9 g/cm3;黏度0.60～5 383.27 mPa·s;含硫量0.01%～2.97%,含蜡量为0.03%～32.98%。奥陶系原油物性变化明显,究其原因可能是不同地区成藏及保存条件不同所导致。整体上,塔河油田原油从东南的凝析油、轻质油向西北的中质油、重质油逐渐过渡,纵向上从下至上原油逐渐变轻(表1),这可能是由于塔河油田原油存在多期次成藏、运移效应和生物降解的缘故[8-9]。

表1 塔河油田原油物理性质和族组成

原油族组分分析资料表明,塔河油田三叠系、石炭系原油饱和烃含量较高,芳烃含量较低,非烃和沥青质含量较低(表1),奥陶系原油族组分与三叠系、石炭系原油总体上相似但又有一定的区别。

3 原油生物标志化合物

3.1 饱和烃色谱

塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油饱和烃分布具有相似的特征,主峰碳分布在C12～C17,主要集中于C14～C15,低碳数饱和烃占优势,表明三个层位原油母质来源一致且为菌藻类,有机质类型为腐泥型[13]。塔河油田原油原油奇偶优势指数(OEP)分布于0.90～1.09,差别不大,接近1,无明显奇偶优势,表现为成熟原油的特征。碳数分布范围一般为C9～C32,且皆为相似的前单峰态型(图1),说明原油为同类原油,生油母质主要由低等水生生物构成。饱和烃色谱基线有轻微的“凸起”,即所谓的“UCM”,为分子量大、无法分辨的复杂混合物,说明原油早期受到生物降解;后期原油的注入使得饱和烃色谱呈现正常形态,从而使原油表现为两者的混合特征[14-17]。

图1 塔河油田原油Pr/nC17与Ph/nC18值相关分析

原油姥植比(姥鲛烷/植烷)是反映源岩母质类型及沉积环境的良好参数之一[18-19]。沉积物在缺氧、高盐条件下,C20异戊二烯骨架保存较好,有利于形成植烷(Ph);而在有氧环境姥鲛烷(Pr)丰度较高。塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油Pr/Ph分布于0.70～1.11,平均0.91,大部分样品Pr/Ph小于1,表现为植烷优势,说明母质来源为还原环境。原油中Pr/nC17值为0.22～0.58,Ph/nC18值为0.28～0.66,分布范围较窄。塔河油田三叠系原油与石炭系原油来源相似,形成于海相还原环境,母质类型为腐泥型(图2)。相比较而言,奥陶系原油Pr/nC17、Ph/nC18分布范围较广,但总体而言还是分布在海相还原环境区域,说明塔河油田原油来源相似。

图2 塔河油田原油Pr/nC17与Ph/nC18值相关分析

3.2 萜烷

在生物标志化合物中,萜烷是反映原油地化特征的优质有机化合物,热稳定性和抗生物降解能力强,被广泛应用于描述原油地化特征、反映原油类型、对比油气来源。三环萜烷和四环萜烷提供了许多关于生油母质的信息,三环萜烷被认为来源于微生物或藻类,在陆相有机质中四环萜烷含量较高,也有学者认为四环萜烷来自于碳酸盐岩和蒸发岩沉积环境[8-9]。

塔河油田原油具有相似萜烷分布特征(图3),三环萜烷从低碳数到高碳数均有分布,且含量较高,C23三环萜烷为最高峰;藿烷系列皆以C30-藿烷为最高峰,说明塔河油田原油来源相似。三环萜烷相关对比参数表明,塔河油田原油均为海相来源[8];C29/C30藿烷比值与C35/C34藿烷比值共同使用可确定原油的烃源岩沉积相特征[20],塔河油田原油C29藿烷/C30藿烷比值分布范围0.48～1.19,多数在0.60以上;C35/C34藿烷比值也多数在0.80以上,说明塔河油田原油为海相碳酸盐岩烃源岩来源。Ts/(Ts+Tm)一般用于判断原油成熟度,成熟度越高其值越大[8-9],研究区原油Ts/Tm值分布范围0.34～3.13,平均值为0.83,反映成熟度不高,究其原因,塔河油田原油整体上处于海相沉积环境,较高的盐度抑制了Tm向Ts的转化,导致Ts/Tm值较低,并且来自碳酸盐岩烃源岩的原油与来自页岩的原油相比,Ts/Tm值更低[21]。因此,该值在一定程度上说明塔河油田原油为成熟原油。在生物标志化合物中,随着成熟度增加,C22R构型会向C22S构型转化,从而导致C22S/(C22S+C22R)比值增大[20]。塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油C31藿烷C22S/(C22S+C22R)在0.25～0.57之间,平均0.51,接近平衡值,反映塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油热演化程度较高。

图3 塔河油田原油m/z=177质量色谱

原油中伽马蜡烷指数能较好地反映沉积环境古盐度,其值越高,反映越强的还原环境[20-22]。塔河油田原油普遍检测出一定量的伽马蜡烷,伽马蜡烷指数值分布范围为0.06～0.16,明显低于柴达木盆地西部原油,说明该区原油可能形成于正常海洋环境[23]。

原油中藿烷化合物组成与分布特征对于油气勘探有重大影响,一般而言,细菌或原核生物是藿烷类主要沉积来源。升藿烷能显示沉积水体环境,高碳数藿烷含量越高,沉积水体环境还原性越强[20,24]。原油m/z=177质量色谱图可见,塔河油田原油存在两种分布特征,一种C31+升藿烷系列峰值呈直线式递减,说明沉积环境还原性较弱;另一种C31+升藿烷系列峰值也逐渐降低,但其末端稍有上升(翘尾),说明沉积环境还原性较强(图3)。

四环萜烷是常用于反映原油或源岩来源的有机化合物,其来源或为陆相母质,或由藿烷类中五环三萜烷降解而成[8]。地化指标分析表明,研究区原油主要来源于海相,因此四环萜烷含量的高低在一定程度上可以反映原油受降解的程度。C24四环/(C24四环+C26三环)分布区间较窄,分布于0.32～0.45,说明三叠系、石炭系原油受降解程度相似;另一方面,从研究区原油检测到丰富的25-降藿烷也证实了存在生物降解(图3)[25-26]。

3.3 甾烷

甾烷广泛用于判断源岩母质类型、识别沉积环境及划分原油成熟度[25]。一般而言,C27来自于低等水生生物和藻类;C29甾烷可以来自藻类(硅藻及褐藻),也可来自陆源高等植物[20]。塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油规则甾烷C27含量18.36%～34.32%、C28含量16.15%～31.14%、C29含量 48.86%～56.67%,具有不对称的“V”字型分布特征,重排甾烷含量低,与碳酸盐岩烃源岩分布特征一致[26]。由图4可以看出,除了AT27X井奥陶系原油表现出不一样的分布特征,其余原油甾烷含量均分布在一个狭小的区域,表明其来源相同。由原油m/z=217质量色谱图可以看出(图5),塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油甾烷分布特征一致,高含量的孕甾烷分布,较高含量的重排甾烷,以及分布相似的C27、C28、C29规则甾烷,说明其来源相同。

图4 塔河油田原油甾烷三角图

在生物体中,C29甾烷以ααα-20R构型的方式保存。在地质作用下,ααα-20R构型会向ααα-20S构型转变,同时也会产生等量的αββ-20R和αββ-20S构型。因此,甾烷C2920S/20(R+S)比值和C29ββ/(αα+ββ)比值通常用于指示原油成熟度及运移情况[20]。按前人研究标准[8-9],C2920S/20(R+S)比值小于0.25、C29ββ/(αα+ββ)比值小于0.27的原油为未熟油,C2920S/20(R+S)比值大于0.42、C29ββ/(αα+ββ)比值大于0.43的原油为成熟油。塔河油田三叠系、石炭系、奥陶系原油C2920S/20(R+S)和C29ββ/(αα+ββ)的分布范围均为0.49～0.57,为成熟油;同时其数据点分布在狭小范围,重叠在一起,说明了来源一致性(图6)。此外,重排甾烷/规则甾烷也可以反映成熟度,尽管研究认为来源于碳酸盐岩的原油中不存在或存在低含量的重排甾烷[9]。塔河油田三叠系、石炭系原油重排甾烷/规则甾烷比值除了石炭系S1072井原油较高,其余分布在0.24～0.39,而奥陶系原油重排甾烷/规则甾烷比值分布0.32～0.58,表明奥陶系原油成熟度比三叠系、石炭系原油高。

图6 塔河油田原油C2920S/(R+S)和C29ββ/(αα+ββ)相关分析

3.4 特殊生物标志化合物

在油气源对比研究中,一些具特殊结构的生物标志化合物有很强的烃源指示作用。如萜烷系列里的奥利烷、羽扇烷、桉叶油烷等代表陆相高等植物来源;孕甾烷、升孕甾烷等代表超盐沉积环境;β-胡萝卜烷代表干旱还原环境[20,25]。特殊结构生物的标志化合物的检出很大程度上说明了油气的来源及沉积环境。

从塔河油田三叠系原油萜烷(m/z=191)的质量色谱图(图7)中可以看出,AT1井、AT12井三叠系原油中检测到了γ-羽扇烷,说明塔河油田三叠系原油存在陆相烃源的贡献。

图7 塔河三叠系原油m/z=191质量色谱

4 结论

1)塔河油田原油主要产自奥陶系、石炭系和三叠系,从东南的凝析油、轻质油向西北的中质油、重质油逐渐过渡,纵向上表现为从下至上原油逐渐变轻。

2)塔河油田原油以低碳数正构烷烃为主、Pr/Ph小于1、Pr/nC17及Ph/nC18分布特征等表明原油母质类型为菌藻类,生油环境为海相还原环境;萜烷相关成熟度参数以及C2920S/20(R+S)和C29ββ/(αα+ββ)的分布特征等说明塔河三叠系、石炭系、奥陶系原油皆为成熟原油。“UCM”及25-降藿烷等显示原油存在生物降解,而饱和烃色谱图中烷烃峰型完整,说明原油可能存在多期充注。

3)饱和烃色谱、萜烷、甾烷综合分析对比显示,塔河油田原油来源一致,均来自海相烃源岩;特殊生物标志化合物γ-羽扇烷显示三叠系原油具有陆相烃源岩的贡献。