王 強(qiáng), 王飛宇,2*, 陳 琰, 馮偉平, 袁 莉
(1. 中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京102249; 3. 中國(guó)石油 青海油田公司, 甘肅 敦煌 736202)
柴達(dá)木盆地西部(簡(jiǎn)稱柴西)是柴達(dá)木盆地油氣最為富集地區(qū), 目前在該區(qū)已探明的石油地質(zhì)儲(chǔ)量占盆地總儲(chǔ)量的 90%以上。柴西地區(qū)位于柴達(dá)木盆地牛鼻子梁-東柴山一線以西地區(qū), 其西北為阿爾金山脈, 南為昆侖山脈所圍, 包括有尕斯斷陷和昆北斷陷, 該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)活躍, 斷層廣泛發(fā)育, 形成紅獅凹陷、扎哈泉凹陷和切克里克凹陷、英雄嶺凹陷等主力烴源巖分布區(qū)域[1–2], 在區(qū)域上包括七個(gè)泉、咸水泉、南翼山、小梁山、紅柳泉、獅子溝、花土溝、躍進(jìn)、烏南和切克里克等。前人針對(duì)柴西各個(gè)地區(qū)、各個(gè)油田的油藏進(jìn)行了大量的研究[1,3–21], 朱楊明等[3–4]、蘇愛(ài)國(guó)等[5]主要是依據(jù)伽馬蠟烷/C30藿烷、C35/C34藿烷以及芳烴的三芴系列將柴西油氣藏分為南、北兩區(qū)兩大類, 并認(rèn)為原油的這種差異是由于它們分別來(lái)源于古近系、新近系烴源巖[5,22]。事實(shí)上, 柴西南、北區(qū)原油和源巖的伽馬蠟烷/C30藿烷、C35/C34藿烷以及芳烴的三芴系列呈現(xiàn)出一種漸變關(guān)系, 甚至交錯(cuò)在一起。此外, 蘇愛(ài)國(guó)等[3]對(duì)柴西原油的碳同位素?cái)?shù)據(jù)表明柴西原油的碳同位素組成較一致(25.0‰±1.0‰), 柴西南區(qū)和柴西北區(qū)并無(wú)顯著差異; 而且柴西北區(qū)原油的成熟度(Rm)基本大于0.8%[3], 存在熱成因天然氣藏等。在烴源巖方面,不同學(xué)者進(jìn)行了大量的研究[22–31], 柴西南區(qū)原油無(wú)疑是源于下干柴溝組烴源巖。針對(duì)柴西北區(qū), 何國(guó)源等[28]的研究表明柴西北區(qū)主力烴源巖層位是下油砂山組()和下干柴溝組上段(); 王力[29]的研究表明上干柴溝組下段()烴源巖于僅在茫崖、烏南以西和南翼山東北等地區(qū)達(dá)到生油門限; 并且我們也進(jìn)行了大量的源巖測(cè)井地球化學(xué)評(píng)價(jià), 發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)源巖主要分布于下干柴溝組(E3)。因此, 將柴西原油劃分為南、北區(qū)兩大類是不夠合理的。
基于以上存在的問(wèn)題以及分析、整理的151個(gè)原油樣品, 使得我們能夠并且有必要對(duì)柴西原油地球化學(xué)特征進(jìn)行重新厘定, 進(jìn)一步明確柴西原油成因類型, 并結(jié)合源巖特征闡明其區(qū)域上的變化規(guī)律。
收集并整理了151個(gè)原油樣品, 原油樣品覆蓋了全區(qū)的不同地區(qū), 包括七個(gè)泉、南翼山、紅柳泉、花土溝、獅子溝、躍進(jìn)、英東、烏南、砂西和切克里克等, 涉及到從基巖到上部的各個(gè)含油層系(圖1)。原油樣品全部進(jìn)行了飽和烴色質(zhì)(GC/MS)分析。GC/MS分析在HP6890Gc/5973MSD色質(zhì)聯(lián)用儀上進(jìn)行, 色譜柱為30 m × 0.32 mm HP-5Ms彈性石英毛細(xì)管柱, 載氣為氦氣。
應(yīng)用統(tǒng)計(jì)聚類分析法的聚類原則取決于樣品間的距離(或相似系數(shù))及類間距離的定義, 類間距離的不同定義就產(chǎn)生了不同的系統(tǒng)聚類分析方法。其中, 類平均法相對(duì)于其他聚類方法而言, 充分利用各個(gè)樣品的信息, 比最短距離法和重心法擴(kuò)張, 而且比最長(zhǎng)距離法和離差平方和法濃縮。太濃縮的方法不夠靈敏, 太擴(kuò)張的方法在樣品容量大時(shí)容易失真, 因此類平均法是一種使用比較廣泛、聚類效果較好的方法[32]。
應(yīng)用統(tǒng)計(jì)聚類分析法應(yīng)用于劃分原油族群, 是通過(guò)選取反映有機(jī)質(zhì)輸入條件和沉積環(huán)境等地球化學(xué)參數(shù)進(jìn)行聚類分析。由于造成原油組成差異的原因十分復(fù)雜, 原油族群的劃分必須充分考慮多種地質(zhì)與地球化學(xué)因素, 因此參與聚類分析的地球化學(xué)參數(shù)的選取就尤為重要。He et al.[33]和Peterset al.[34]的研究表明, 進(jìn)行油族劃分采用的參數(shù)主要包括原油碳同位素(全油及其族組分等)、甾烷和萜烷等地球化學(xué)指標(biāo), 且主要是選取能夠反映源巖性質(zhì)的參數(shù), 而反映源巖熱演化的甾烷、藿烷異構(gòu)化參數(shù)則較少采用。
圖1 柴西原油應(yīng)用統(tǒng)計(jì)類平均法聚類譜系圖Fig.1 The hierarchical diagram of the western Qaidam oils using average linkage cluster analysis
柴西各油田中, 昆北地區(qū)發(fā)生了兩期成藏, 早期形成的油藏被強(qiáng)烈破壞, 晚期形成的油藏則被很好的保存了下來(lái)[19], 其他各地區(qū)除淺層油藏發(fā)生了輕度生物降解外, 未發(fā)生生物降解。因此, 可以選取原油中的生物標(biāo)志物來(lái)表征源巖的物源和沉積環(huán)境等。柴達(dá)木盆地在古近紀(jì)-新近紀(jì)時(shí)期位于北緯干燥氣候, 在西部缺乏源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的河流, 僅有暫歇性洪水補(bǔ)給[5], 這就導(dǎo)致古近紀(jì)柴達(dá)木湖盆整體具有較高的鹽度, 水體發(fā)育不同程度的分層; 同時(shí), 水體分層差的區(qū)域往往也是陸源輸入較強(qiáng)的地區(qū)?;谝陨峡紤], 本研究選取了 4個(gè)與源巖相關(guān)的生標(biāo)參數(shù)對(duì)柴西原油進(jìn)行油族劃分, 分別是伽馬蠟烷/C30Hop、升藿烷指數(shù)(HopC35/C31)、甾烷 C27/C29和三環(huán)萜烷/C30Hop。伽馬蠟烷以往被當(dāng)作沉積水體鹽度的標(biāo)志, 水體的鹽度越高, 伽馬蠟烷的含量越高[35]。然而, 研究發(fā)現(xiàn)淡水湖相環(huán)境中也常有高伽馬蠟烷的現(xiàn)象。
Sinninghe Damste et al.[36]提出的伽馬蠟烷實(shí)質(zhì)上是指示沉積水體分層的標(biāo)志, 因?yàn)樵谒w化學(xué)活躍層內(nèi)及之下的厭氧環(huán)境中厭氧纖毛蟲(chóng)繁盛, 能合成大量的伽馬蠟烷先質(zhì)物四膜蟲(chóng)醇。升藿烷指數(shù)反映古環(huán)境的氧化還原程度, 高值表征強(qiáng)還原的沉積環(huán)境[35]。甾烷C27/C29是反映低等水生生物和陸源高等植物輸入的相對(duì)強(qiáng)度。三環(huán)萜烷/C30Hop也是作為母源參數(shù), 用來(lái)比較細(xì)菌或藻類脂體(三環(huán)萜烷)和來(lái)源于不同原核生物的生物標(biāo)志物(藿烷)[35]。
根據(jù)選取的4個(gè)生物標(biāo)志化合物參數(shù)—— 伽馬蠟烷/C30Hop、升藿烷指數(shù)、甾烷 C27/C29和三環(huán)萜烷/C30Hop, 采用應(yīng)用統(tǒng)計(jì)聚類分析法中的類平均法對(duì)柴西原油進(jìn)行聚類分析, 結(jié)果如圖1所示。
應(yīng)用統(tǒng)計(jì)類平均法聚類分析由于考慮4個(gè)參數(shù),因此劃分的油族更為精細(xì), 我們把劃分出的油族簡(jiǎn)稱為油亞族, 為了便于研究, 把柴西原油初步分為7個(gè)油亞族。柴西原油中含有豐富的伽馬蠟烷和升藿烷系列化合物, 前人在對(duì)柴達(dá)木盆地的原油進(jìn)行油族劃分時(shí)也常利用原油的這一特征[3,18]。伽馬蠟烷指數(shù)與升藿烷指數(shù)二元散點(diǎn)圖由于只考慮了兩個(gè)參數(shù),因此規(guī)律性更明顯, 根據(jù)伽馬蠟烷指數(shù)和升藿烷指數(shù)的相關(guān)關(guān)系可以把柴西原油劃分為三個(gè)大的油族—— 油族Ⅰ、油族Ⅱ和油族(Ⅲ圖2)。
圖2 柴西原油不同油族伽馬蠟烷指數(shù)與升藿烷指數(shù)相關(guān)關(guān)系Fig.2 The relationship between Gammacerane/C30Hop and C35Hop/C31Hop of the different oil families in the western Qaidam Basin
通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)(圖 2), 油族Ⅰ包括油亞族①~, ②分布于七個(gè)泉-紅柳泉地區(qū), 以高的伽馬蠟烷/C30Hop比值(大于1)和顯著的升藿烷優(yōu)勢(shì)為特征,反映的是超咸水、水體高度分層的強(qiáng)還原膏鹽沉積環(huán)境。李建民等[7]和施洋等[8]的研究也表明油族Ⅰ中的原油(七個(gè)泉油田)為西部古近紀(jì)咸水湖相原油,但該類原油分布局限、規(guī)模小, 而且該油族對(duì)應(yīng)的源巖古鹽度要比紅獅凹陷附近的原油高, 因此, 我們可以推斷該油族原油并非源于紅獅凹陷主凹陷,而是更靠西端的邊緣小斷陷, 這同蘇愛(ài)國(guó)等[5]古鹽度研究成果一致。油亞族①和油亞族②雖然都反映其有機(jī)質(zhì)生源是以水生生物為主, 但油亞族②甾烷C27/C29比值高達(dá)5以上, 油亞族①的甾烷C27/C29比值介于1~4之間(圖3)。
油族Ⅲ包括油亞族④~, ⑦主要分布于切克里克、烏南、綠草灘、咸水泉、躍西和躍進(jìn)Ⅱ號(hào)等地區(qū), 以低的伽馬蠟烷/C30Hop比值和升藿烷優(yōu)勢(shì)消失為特征, 反映了水體鹽度降低, 變?yōu)榘胂趟?咸水環(huán)境, 水體分層變差, 但依然屬于還原環(huán)境。該油族中昆北地區(qū)、躍西、躍進(jìn)Ⅱ號(hào)和烏南等地區(qū)原油主要源于扎哈泉-切克里克凹陷和茫崖凹陷[18–21]。與其他油族相比, 油亞族⑤則具有異常低的三環(huán)萜烷/C30Hop比值, 油亞族⑥具有異常高的甾烷 C27/C29比值(> 4), 而油亞族⑦則具有異常高的三環(huán)萜烷/C30Hop 比值(圖 3)。
油族Ⅱ?qū)?yīng)于油亞族, ③主要分布于獅子溝、花土溝、躍進(jìn)和南翼山地區(qū), 在七個(gè)泉、紅柳泉和油砂山等地區(qū)也有分布, 以相對(duì)較高的伽馬蠟烷/C30Hop比值和弱的升藿烷優(yōu)勢(shì)為特征, 其水體的分層及氧化還原程度介于油族Ⅰ和油族Ⅲ之間。研究認(rèn)為該類原油主要源于紅獅凹陷、尕斯斷陷和茫崖凹陷[9–17]。根據(jù)古鹽度研究[3,22,26,27], 反映伽馬蠟烷含量較高的原油可能源于靠西邊的紅獅凹陷、尕斯斷陷, 而伽馬蠟烷含量較低的原油則源于東部的茫崖凹陷。
圖3 柴西原油不同油族三環(huán)萜烷/C30Hop與甾烷C27/C29相關(guān)關(guān)系Fig.3 The relationship between Gammacerane/C30Hop and Sterane C27/C29 of the different oil families in the western Qaidam Basin
圖4 柴西區(qū)下干柴溝組地層沉積速率Fig.4 The map showing sedimentary rateof the lower Ganchaigou Formation in the western Qadam Basin
圖5 柴西區(qū)不同油族以及E3優(yōu)質(zhì)源巖(TOC > 1%)空間展布Fig.5 Spatial distribution of oil families and E3 high-quality source rocks (TOC > 1%) in the western Qaidam Basin
柴西原油不同油族特征自西向東規(guī)律性的變化(圖4), 表征其源巖有機(jī)相整體上也表現(xiàn)為自西向東水體的分層變差、還原性降低。這是由于在古近紀(jì)柴達(dá)木盆地總體上處于半干旱-干燥氣候環(huán)境, 缺乏常年性的地表徑流, 各凹陷處于半封閉狀態(tài), 降雨及其形成的暫時(shí)性洪水對(duì)于柴西各凹陷的輸入具有顯著的制約作用。最西端的邊緣小斷陷位于相對(duì)構(gòu)造高部位, 具有最小的洪水匯集區(qū)面積, 水流補(bǔ)給及陸源輸入較少, 具有最高的鹽度, 水體分層最為強(qiáng)烈, 還原性也最強(qiáng); 而東端的扎哈泉-切克里克凹陷和茫崖凹陷處于相對(duì)的構(gòu)造低部位, 具有最大的洪水匯集區(qū)面積, 因此水體的分層變差, 還原性減弱。這一點(diǎn)在古近系地層的沉積速率上也有很好的體現(xiàn), 西端沉積速率較低, 向東地層的沉積速率增加(圖 4)。
為了進(jìn)一步說(shuō)明原油不同油族與源巖之間的關(guān)系, 筆者在源巖測(cè)井地球化學(xué)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上編制了柴西區(qū)下干柴溝組優(yōu)質(zhì)源巖(TOC > 1%)厚度圖(圖5)。在下干柴溝組優(yōu)質(zhì)源巖(TOC > 1%)的分布同油氣藏的分布具有很好的耦合關(guān)系。E3優(yōu)質(zhì)源巖(TOC> 1%)厚度整體表現(xiàn)為自西向東增加, 然而源巖有機(jī)相自西向東是變差的。一方面自西向東沉積速率增大, 導(dǎo)致發(fā)生有機(jī)質(zhì)稀釋效應(yīng); 再者, 陸源輸入增強(qiáng)伴隨著水體擾動(dòng)增強(qiáng), 有機(jī)質(zhì)的保存條件也變差。周鳳英等[36]研究表明柴西未熟-低熟原油主要分布于西端的七個(gè)泉、獅子溝、油泉子和躍進(jìn)北部等地區(qū), 且生油母質(zhì)為較好的有機(jī)相下發(fā)育的叢粒藻和顆石藻等“生油藻”, 這些“生油藻”在七個(gè)泉地區(qū)的干酪根中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì), 而在其他地區(qū)只是或多或少存在。除了油亞族⑥對(duì)應(yīng)的部分烏南原油具有異常高的甾烷 C27/C29比值外, “生油藻”的分布規(guī)律同原油中甾烷C27/C29比值變化規(guī)律十分吻合, 即柴西柴西原油總體上表現(xiàn)為自西向東陸源高等植物輸入增強(qiáng)。
此外, 不同油族原油在平面上交錯(cuò)分布, 這可能同原油沿著柴西區(qū)深大斷裂以及不整合面的運(yùn)移有關(guān)。
(1) 選取伽馬蠟烷/C30藿烷、升藿烷指數(shù)、甾烷C27/C29和三環(huán)萜烷/C30Hop四個(gè)參數(shù)將柴西原油劃分為3個(gè)油族7個(gè)亞族。油族Ⅰ以強(qiáng)水體分層、強(qiáng)還原環(huán)境為特征, 該油族又可細(xì)分為兩個(gè)亞族, 油亞族②相比于油亞族①具有更高的甾烷 C27/C29比值;油族Ⅱ以相對(duì)較強(qiáng)的水體分層、還原環(huán)境為特征;油族Ⅲ以水體分層變差、較還原環(huán)境為特征, 該油族可細(xì)分 3個(gè)亞族, 其中油亞族⑤則具有異常低的三環(huán)萜烷/C30Hop比值, 油亞族⑥具有異常高的甾烷C27/C29比值, 油亞族⑦則具有異常高的三環(huán)萜烷/C30Hop比值。
(2) 油族Ⅰ主要分布于七個(gè)泉、紅柳泉地區(qū); 油族Ⅱ主要分布于獅子溝、花土溝、躍進(jìn)和南翼山油泉子地區(qū), 在七個(gè)泉、紅柳泉等地區(qū)也有分布; 油族Ⅲ主要分布于切克里克、烏南、綠草灘、咸水泉、躍西和躍進(jìn)Ⅱ號(hào)等地區(qū)。油族空間分布特征反映了源巖有機(jī)相在空間上的變化。油族空間分布特征受E3源巖有機(jī)相在空間上的變化制約, E3源巖發(fā)育時(shí)期, 自西向東地層沉積速率增大, 水體的分層變差、還原性降低, 陸源輸入的增加以及有機(jī)質(zhì)保存條件變差導(dǎo)致源巖有機(jī)相自西向東變差。
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