渤海湾盆地南堡凹陷2号构造带油气地球化学特征与来源*

刘 华 魏 鑫 欧阳冠宇 刘景东 陈 蕾 刘海青 孟祥雨

(1. 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580; 2. 中国石油冀东油田分公司 河北唐山 063004)

渤海湾盆地南堡凹陷2号构造带为一个正向构造带,其临近的林雀和曹妃甸洼陷均发育沙三段、沙一段和东三段3套有效烃源岩层系[1-7],油气资源丰富。前人初步揭示了东一段及以上层系的油气成因来源,明确了沙河街组和东三段烃源岩对源上层系油气的贡献[3-6];而南堡凹陷2号构造带油气在源上、源内多层系分布,中深层油气供烃层系和供烃位置尚未开展系统研究,缺乏油气来源的整体认知,制约了油气勘探进程。在前人研究基础上,综合地质与地化测试分析资料,结合油源对比和运移示踪,明确了南堡凹陷2号构造带的已发现含油气层系油气的来源,并进一步明确了油气的供烃位置,指出有利油气勘探区,为研究区的浅层精细勘探及深层勘探提供理论指导。

1 地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地的西北部,是在华北地台基底上发育的新生代北断南超箕状凹陷,其油气资源丰富[6-9]。南堡凹陷2号构造带为南堡凹陷中南部的一个北东向正向构造带,夹持于林雀洼陷和曹妃甸洼陷之间,发育西构造带和东构造带(图1a)。其中西构造带为北倾的断阶状构造,东构造带为北东向的地垒构造。钻井揭示,研究区自下而上依次发育奥陶系、古近系沙河街组(包括沙三段、沙二段和沙一段)和东营组(包括东三段、东二段和东一段)、新近系馆陶组和明化镇组、第四系平原组。其中古近系沙三段、沙一段和东三段是主力烃源岩层系[7],奥陶系、古近系东一段、新近系馆陶组和明化镇组为主力含油层系(图1b)。平面上,研究区油气分布不均,主要分布于西构造带,东构造带只有少数井出油(图1a)。

图1 南堡凹陷2号构造带油气平面分布(a)及地层综合柱状图(b)

2 样品与测试方法

本次采集了研究区16个原油样品,涉及西构造带沙三段、东二段、东一段和明化镇组4个含油层系以及东构造带含油层系东三段(表1、图1a)。

表1 南堡凹陷2号构造带油气地化分析数据表

本次地化测试在中国石油大学(华东)深层油气重点实验室开展,主要利用配置有HP-5MS UI毛细管柱(60 m·250 μm·0.25 μm)的安捷伦8890色谱仪和安捷伦Intuvo 9000-5977B质谱仪。原油用石油醚溶解过滤去除沥青质组分后,采用柱层析法分离获得饱和烃、芳香烃与非烃组分。对饱和烃与芳香烃馏分进行GC-MS分析,质谱仪在全扫描和选择离子扫描模式下运行,载气为氦气,离子源温度280 ℃。饱和烃和芳香烃组分采用了不同的色谱柱升温程序:对于饱和烃组分,GC烘箱初始温度设置为50 ℃,保持1分钟后,以20 ℃/min的速率升温至120 ℃,以3 ℃/min的速率升温至310 ℃,保持25分钟;对于芳香烃组分,GC烘箱的初始温度设置为80 ℃,保持1分钟后,以3 ℃/min的速率升温至310 ℃,保持20分钟。

3 原油地化特征与成因类型

3.1 原油族组成

南堡凹陷2号构造带原油饱和烃、芳香烃和非烃+沥青质含量在不同层位上存在差异。东三段及其下部层系的原油表现为高饱和烃含量(58.97%～82.52%)、低芳烃含量(6.08%～17.11%)和低非烃+沥青质含量(6.13%～34.95%)的特征(图2);东二段及其上部层系的原油则表现为低饱和烃含量(50.85%～66.53%)、高芳烃含量(10.33%～27.56%)和高非烃+沥青质含量(15.27%～33.90%)的特征(图2)。整体上,随着层位变新,原油饱和烃含量变低,芳香烃和非烃+沥青质含量增大。

图2 南堡凹陷2号构造带原油族组分特征

3.2 原油地球化学特征

研究区内原油的正构烷烃、类异戊二烯烃及甾萜烷特征存在一定的差异性,表明原油在沉积环境、母质来源及成熟度等方面存在明显差异。

3.2.1沉积环境

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)是最为常见的类异戊二烯烃,通常选取Pr/nC17、Ph/nC18、Pr/Ph等参数,来反映生源沉积环境、热演化程度和次生变化等[10-11]。研究区原油Pr/Ph值主要为0.67～1.47,Pr/nC17值和Ph/nC18值分别为0.21～2.33和0.19～4.04,并且含硫量多小于0.4%,表明具有陆相原油的特征,有机质为Ⅱ型和Ⅱ—Ⅲ混合型,沉积环境为弱还原—还原条件的淡水—微咸水环境(图3)。其中沙三段部分原油落到了海相原油区,表明其来自于沉积水体盐度更高的层系。

注:图版据文献[12]。

前人分析表明,萜烷类化合物中伽马蜡烷与水体盐度有较好的对应关系[13-15]。研究区原油伽马蜡烷含量存在差异:沙三段原油伽马蜡烷含量最高,伽马蜡烷/C30藿烷指数可达0.15～0.52;东三段原油伽马蜡烷含量最低,伽马蜡烷/C30藿烷指数为0.11～0.15;东二段、东一段和明化镇组原油伽马蜡烷含量中等,伽马蜡烷/C30藿烷指数为0.17～0.27(图4)。伽马蜡烷含量特征表明,研究区沙三段原油来自于母质沉积时水体盐度较高的层系,东三段原油的母质沉积时水体盐度较低,而东二段、东一段和明化镇组原油介于二者之间。

图4 南堡凹陷2号构造带原油饱和烃色谱-质谱图

3.2.2母质来源

在C27—C29规则甾烷中,C27规则甾烷来源于水生生物和藻类,C28规则甾烷主要来源于硅藻、颗石藻,而C29规则甾烷来源于陆源高等植物,可以用来判断有机质输入和进行油源对比[16-18]。南堡凹陷2号构造带原油C29规则甾烷相对含量普遍高于C27规则甾烷(图5),但是不同层系相对含量仍有所差别,表明母质来源不统一。

图5 南堡凹陷2号构造带原油C27-C28-C29规则甾烷特征三角图

沙三段原油C27规则甾烷/C29规则甾烷值为0.89～1.04,表现为C27规则甾烷与C29规则甾烷相对含量接近,存在水生生物和高等植物的共同输入。

东三段原油表现为C29规则甾烷具有一定优势,C27规则甾烷/C29规则甾烷值为0.84～0.95,表明原油母质中高等植物具有一定优势。东二段及其之上原油中C29规则甾烷含量具明显优势,C27规则甾烷/C29规则甾烷值为0.62～0.79,表明高等植物输入为主体的母质来源(图5)。因此,沙三段原油母质中陆生高等植物输入最少,东二段及其之上原油母质中高等植物输入最多,东三段原油介于两者之间。

3.2.3成熟度

正构烷烃通常可以用来分析原油母源的类型、形成环境、热演化程度及次生变化等地质情况[19-22]。南堡凹陷2号构造带原油正构烷烃特征相似,碳数分布在nC13—nC36之间,主峰碳分布范围为nC15—nC19,均为单峰态前峰型分布(图6)。CPI与OEP值分别为1.01～1.33和1.01～1.07,奇偶优势较不明显,说明原油已达到成熟[13]。

图6 南堡凹陷2号构造带典型原油正构烷烃特征

C29规则甾烷异构体的一些比值是常用的成熟度指标[23]。南堡凹陷2号构造带原油C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.31～0.45,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.36～0.56,指示研究区原油总体为低熟—成熟原油[24-25],但是各层系原油成熟度存在差异。沙三段原油C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.39～0.41,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.42～0.54,成熟度最高;东二段、东一段和明化镇组原油C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.31～0.37,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.36～0.41,原油成熟度最低;东三段原油C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.38～0.40,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.44～0.51,原油成熟度介于沙三段和东二段之间。

一般情况下,孕甾烷和升孕甾烷的热稳定性比规则甾烷和重排甾烷强,随着成熟度增加,甾烷易发生裂解形成孕甾烷与升孕甾烷,导致(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值会随着成熟度升高而增大[26-28]。研究区沙三段原油孕甾烷和升孕甾烷含量最高,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值可达0.08～0.13,表明原油成熟度较高;东二段、东一段和明化镇组原油孕甾烷和升孕甾烷含量最低,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.02～0.08,表明原油成熟度低;东三段原油孕甾烷和升孕甾烷含量介于上述两者之间,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.04～0.08,原油成熟度居中。

因此,沙三段原油成熟度最高,东二段、东一段和明化镇组原油成熟度最低,东三段原油介于两者之间。

综上所述,沙三段原油母质沉积时水体盐度较高,陆生高等植物输入最少,成熟度最高;东三段原油的母质沉积时水体盐度最低,陆生高等植物输入中等,成熟度中等;东二段、东一段和明化镇组原油母质沉积时水体盐度中等,陆生高等植物输入最多,成熟度最低。东三段与东二段、东一段及明化镇组原油沉积环境与母质来源对应关系较差,原油成因复杂,为多层系烃源岩供烃。

4 油源对比与原油来源

4.1 烃源岩地化特征

研究区及其临近洼陷发育古近系沙三段、沙一段和东三段3套主力烃源岩层系。沙三段烃源岩主要由深湖、半深湖相页岩和暗色泥岩组成,有机质丰度高,TOC为0.5%～3.5%,富含Ⅱ2型和Ⅲ型有机质,具有部分Ⅰ型与Ⅱ1型有机质,Ⅰ型与Ⅱ1型有机质含量较少,但其生油贡献不容忽视[1]。沙一段烃源岩为湖泊三角洲—浅湖相灰色、深灰色和黑色泥岩,TOC为0.5%～2.5%,有机质类型以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主[2]。东三段烃源岩主要为深湖、半深湖相灰色、深灰色和黑色泥岩以及部分泥页岩,TOC为0.5%～2.5%,有机质类型主要为Ⅱ1型和Ⅱ2型[2]。

研究区3套烃源岩中沙三段烃源岩成熟度最高(0.6%

表2 南堡凹陷2号构造带附近烃源岩典型生物标志化合物参数对比

4.2 油源对比与油气来源层系

结合原油C27、C28、C29规则甾烷分布、C29甾烷20S/(20R+20S)、C29甾烷ββ/(αα+ββ)、(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷等地球化学指标,分析原油成因类型与烃源岩背景,将原油分为三类。

4.2.1Ⅰ类原油

该类原油C27规则甾烷与C29规则甾烷相对含量接近(图5),占比分别为35.0%～38.2%和36.8%～39.6%,C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.39～0.41,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.42～0.54,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.08～0.13(图6)。表明其成熟度高,水生生物和高等植物均有一定量的输入。该类原油特征与沙三段烃源岩相似(图7、8),证明该类原油主要是沙三段烃源岩贡献。该类原油分布于研究区NP203X31、NP280-43、NP280、NP280-11井的沙三段储层中。

图7 南堡凹陷2号构造带C27-C28-C29规则甾烷分布油源对比图

图8 南堡凹陷2号构造带油源对比交会图

4.2.2Ⅱ类原油

该类原油C29规则甾烷含量具明显优势(图5),C27规则甾烷和C29规则甾烷占比分别为29.2%和43.4%,C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.31,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.36,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.04(图6),表明该类原油成熟度低且高等植物输入优势明显,此类原油与沙一段和东三段烃源岩相似(图7、8),证明该类原油具有沙一段和东三段2套烃源岩贡献。该类原油分布于NP2-56井东二段储层中。

4.2.3Ⅲ类原油

该类原油可以分为2类,其中Ⅲ1类原油分布于研究区NP2-27、NP27-12、NP27-22、NP2-49井的东三段储层中,C29规则甾烷具有一定优势(图5),C27规则甾烷和C29规则甾烷占比分别为31.6%～35.0%和36.5%～39.3%,C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.40～0.42,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.46～0.53,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.04～0.08(图6);Ⅲ2类原油分布于NP280-32、NP23-2425、NP23-2466井东一段和NP23-X2104、NP23-2161、NP23-2156C、NP23-X2203井明化镇组,C29规则甾烷含量具明显优势(图5),C27规则甾烷和C29规则甾烷占比分别为29.0%～32.2%和40.6%～46.6%,C29甾烷20S/(20S+20R)值为0.35～0.38,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值为0.37～0.41,(孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷值为0.06～0.10(图6)。表明该类原油成熟度较高,高等植物输入量具有一定优势。此类原油特征与沙三段、沙一段和东三段烃源岩均有一定相似性(图7、8),证明该类原油具有三套烃源岩的贡献。

4.3 油气运移与原油的来源位置

研究区下覆烃源岩以及邻近的林雀、曹妃甸洼陷的烃源岩均已达到成熟,同一层系烃源岩的沉积环境差异不大,故仅凭油源对比只能判定油气来源层系而无法确定原油来源的位置。本研究综合利用油气运移示踪和油-源成熟度对比来判别原油的供烃位置。

一般认为,Ts/Tm和4-/1-甲基二苯并噻吩(4-/1-MDBT)值会随着油气运移距离的增加而减小[6],为示踪油气充注方向与途径的有效参数[29]。根据南堡2号构造带的AA’剖面原油Ts/Tm和4-/1-MDBT比值特征,NP280井沙三段原油Ts/Tm值和4-/1-MDBT值分别为1.91和9.12,NP23-2466井东一段原油Ts/Tm值和4-/1-MDBT值分别为1.01和5.53,Ts/Tm值和4-/1-MDBT值均具有沿断层向浅部层系减小的趋势(图9)。

图9 南堡凹陷2号构造带油气运移方向示踪剖面(剖面位置见图1)

甲基菲指数MPI随成熟度增高而增大,且可以实现与镜质体反射率之间的换算[30]。根据南堡凹陷2号构造带各部位烃源岩镜质体反射率(Ro)和各层系原油换算的镜质体反射率(Rc)的对比,构造带Rc(0.77%～1.14%)远小于生烃中心Ro(1.0%～1.7%),西构造带沙三段Rc(0.87%～1.09%)与西构造带沙三段Ro(0.8%～1.2%)一致,东二段Rc(0.96%)与沙一段—东三段Ro(0.6%～1.0%)一致,东一段和明化镇组Rc(0.77%～1.02%)介于沙一段—东三段与沙三段Ro(0.6%～1.2%)之间;东构造带东三段Rc(0.94%～1.14%)介于东构造带沙三段、沙一段和东三段Ro(0.8%～1.4%)之间(图10)。对比原油与生烃中心、构造带烃源岩的成熟度差异,原油成熟度更接近构造带烃源岩成熟度。

注:烃源岩数据据冀东油田。

前人分析表明,南堡凹陷主要成藏期为明化镇组沉积时期[31-32],成藏时间较晚,因此原油成熟度应与明化镇时期供烃烃源岩成熟度相一致。综上分析所述,南堡2号构造带原油成熟度低于林雀洼陷与曹妃甸洼陷生烃中心烃源岩的成熟度,不是洼陷中心成熟油气的供给,而是由原地或临近烃源岩供烃,是下覆各层系烃源岩生成的原油沿切穿烃源岩的断层垂向运移成藏。

综上所述,浅层沙一段、东营组与馆陶组油气存在3套源岩的贡献,深层沙三段原油主要来自于沙三段烃源岩。目前所发现油气主要来自于原地或临近烃源岩,而林雀洼陷与曹妃甸洼陷烃源岩品质更好,成熟度更高,对凹陷边缘构造带的油气却贡献有限,大量油气仍保留在深凹带,沿断层向上运移或短距离侧向运移,深凹带断层周缘是油气成藏的有利勘探区,具有重要的勘探潜力。

5 结论

1) 南堡凹陷2号构造带发育三类原油:Ⅰ类原油分布于西构造带沙三段,成熟度高,水生生物和高等植物均有一定量的输入;Ⅱ类原油分布于西构造带东二段,成熟度较低,高等植物输入具有明显优势;Ⅲ类原油分布于东构造带东三段和西构造带东一段—明化镇组,成熟度较高,高等植物输入量具有一定优势。

2) 西构造带沙三段原油来源于沙三段烃源岩,西构造带东二段原油为沙一段—东三段来源,西构造带东一段—明化镇组和东构造带东三段原油为沙三段、沙一段—东三段烃源岩混源油。

3) 南堡凹陷2号构造带原油具有明显的原地供烃垂向运移的特点,各层系烃源岩生成的原油主要通过切穿烃源岩的断层向上运移混合成藏。