吳 江,侯讀杰,許匯源,許 婷,徐 發(fā),曹 冰,陳曉東

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司,上海 200030)

東海盆地西湖凹陷原油輕烴地球化學(xué)特征及油源區(qū)分

吳 江1,2,侯讀杰1,2,許匯源1,2,許 婷1,2,徐 發(fā)3,曹 冰3,陳曉東3

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院,北京 100083; 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司,上海 200030)

為了研究西湖凹陷原油輕烴地球化學(xué)特征及區(qū)分油氣來(lái)源,利用氣相色譜儀分析西湖凹陷16個(gè)原油樣品,采用庚烷值與異庚烷值對(duì)原油成熟度進(jìn)行劃分.結(jié)果表明:西湖凹陷原油富含芳烴和環(huán)烷烴,直鏈烷烴含量低,以陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)為主;原油經(jīng)歷較為明顯的蒸發(fā)分餾作用;異庚烷值與正庚烷值分別介于0.69～1.90和11.5～21.9之間,原油處于成熟油階段.西湖凹陷不同地區(qū)的原油在輕烴組分上存在明顯差異,指示原油母質(zhì)來(lái)源的不同.同時(shí),利用原油C7輕烴三角圖和Halpern C7星狀圖,并結(jié)合原油碳同位素與芳烷指數(shù),可以進(jìn)一步區(qū)分各地區(qū)原油的母質(zhì)來(lái)源.平湖地區(qū)原油主要為來(lái)自平湖組煤與泥巖的混合貢獻(xiàn),黃巖地區(qū)原油主要為花港組與平湖組泥巖貢獻(xiàn).

西湖凹陷;輕烴;油源分析;煤;泥巖;蒸發(fā)分餾

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.003

0　引言

輕烴作為石油與天然氣重要組成部分,包含豐富的地球化學(xué)信息,輕烴包括正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴類(lèi)化合物.1978年,Schaefer R G[1]建立毛細(xì)管氣相色譜技術(shù),之后Leythaeuser D、Snowdon L R、Thompson K F M和Hunt J M等[2-5]對(duì)輕烴進(jìn)行研究.20世紀(jì)90年代,林壬子、戴金星和程克明等[6-8]結(jié)合中國(guó)盆地油氣實(shí)際,對(duì)油氣輕烴展開(kāi)進(jìn)一步研究.隨著輕烴氣相色譜技術(shù)的進(jìn)步及輕烴研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)分析輕烴內(nèi)所含化合物可以獲得一系列地球化學(xué)指標(biāo),如庚烷值、石蠟烴指數(shù)、芳烷指數(shù)等,可以對(duì)油氣的沉積環(huán)境、次生變化、成熟度、母質(zhì)來(lái)源,以及油氣運(yùn)移充注等進(jìn)行深入的研究[9-14].因此,原油輕烴是石油地球化學(xué)重要的研究對(duì)象之一.

西湖凹陷原油以輕質(zhì)油和凝析油為主,具有密度低、含蠟量低、飽和烴含量高、姥植比大、樹(shù)脂成油、碳同位素偏重的特點(diǎn)[15].人們認(rèn)為原油主要源自平湖組的煤系烴源巖[16-18].由于之前研究區(qū)鉆井較少,樣品數(shù)量不足及化驗(yàn)分析不夠全面,導(dǎo)致對(duì)油氣來(lái)源煤與泥巖的區(qū)分不夠明確.區(qū)分不同類(lèi)型的烴源巖,對(duì)分析油氣的生成、運(yùn)移、保存、分布及開(kāi)采等有重要意義.筆者結(jié)合輕烴參數(shù)及原油碳同位素資料,分析西湖凹陷原油輕烴地球化學(xué)特征,探討原油來(lái)源的區(qū)分,為研究區(qū)原油成因分類(lèi)及勘探開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo).

1　區(qū)域地質(zhì)概況

東海盆地是中國(guó)陸架盆地中面積最大的中、新生代沉積盆地,面積約為25×104km2,沉積巖厚度逾萬(wàn)米,蘊(yùn)藏豐富的油氣資源[19-21].西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部,整體上呈北北東向展布,長(zhǎng)約為440 km,面積約為4.6×104km2.西湖凹陷總體上從西向東可劃分為5個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元帶,即西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、東次凹和東部邊緣斷裂帶.凹陷內(nèi)發(fā)育的地層從老到新依次為古新統(tǒng),始新統(tǒng)平湖組,漸新統(tǒng)花港組,中新統(tǒng)龍井組、玉泉組和柳浪組,上新統(tǒng)三潭組及第四系東海群,沉積厚度為9～10 km(見(jiàn)圖1).

圖1　西湖凹陷區(qū)域構(gòu)造及原油取樣井位置Fig.1 Map of Xihu sag showing regional structure and location of crude oil wells sampled

西湖凹陷自下而上發(fā)育古新統(tǒng)一上新統(tǒng)5套烴源巖系.烴源巖類(lèi)型主要為煤與泥巖.西湖凹陷原油主要來(lái)源于平湖組煤層、暗色泥巖及花港組泥巖.根據(jù)烴源巖的平面展布,西部斜坡帶煤層比東部的發(fā)育,東部泥巖厚度比西部斜坡帶的厚.縱向分布上,平湖組烴源巖厚度比花港組的更大,煤系烴源巖發(fā)育.因此,平湖組烴源巖分布廣,煤系烴源巖發(fā)育,對(duì)西湖凹陷油氣生成的貢獻(xiàn)大.

2　樣品與實(shí)驗(yàn)

采集平湖地區(qū)5口井及黃巖地區(qū)4口井共16個(gè)凝析油樣品,其中有9個(gè)油樣取自花港組(E3h)地層,其余7個(gè)油樣來(lái)自平湖組(E2p)地層.為了防止油樣污染,油樣保存于5 m L的玻璃瓶,瓶口墊有錫紙,放置在-6℃溫度的冰柜中保存.

測(cè)試儀器為美國(guó)Abel公司GC8000型氣相色譜儀.測(cè)試條件:色譜載氣,99.999%氦氣;進(jìn)樣口溫度,300℃;檢測(cè)器FID溫度,300℃;色譜柱,AB-1彈性石英毛細(xì)柱(60.00 mm×0.25 mm ×0.25 mm);柱溫,初始溫度為40℃保持10 min,4℃/min升溫至300℃,保持30 min;載氣流速,恒流1 m L/min,分流比為60∶1.

3　結(jié)果與討論

3.1原油中輕烴系列分布特征

檢測(cè)西湖凹陷平湖地區(qū)與黃巖地區(qū)共16個(gè)樣品的輕烴地球化學(xué)特征(見(jiàn)表1).A-3、A-4和B-7井的輕烴氣相色譜圖見(jiàn)圖2.3口井代表西湖凹陷地區(qū)原油3種典型的輕烴分布特征:平湖地區(qū)A-3井原油具有相當(dāng)高的芳烴(苯和甲苯)、甲基環(huán)己烷含量,而環(huán)戊烷與正構(gòu)烷烴含量極低;黃巖地區(qū)B-7井原油具有比較高的正構(gòu)烷烴與環(huán)戊烷含量,芳烴含量較低;平湖地區(qū)A-4井原油甲苯含量相對(duì)較高,介于正庚烷與甲基環(huán)己烷之間,同時(shí)也具有一定含量的正構(gòu)烷烴與環(huán)戊烷.

Leythzeuser D和Snowdon L R等[2-3]研究發(fā)現(xiàn),富含正構(gòu)烷烴的輕烴餾分來(lái)源于腐泥型母質(zhì),而富含異構(gòu)烷烴和芳烴的輕烴餾分來(lái)源于腐殖型母質(zhì),同時(shí),富含環(huán)烷烴也是陸源母質(zhì)的重要特征.根據(jù)輕烴分布特征(見(jiàn)圖2),平湖地區(qū)A-3、A-4井的原油來(lái)源于腐殖型母質(zhì),這與平湖組的煤系烴源巖有很大關(guān)系;黃巖地區(qū)B-7井的原油來(lái)源于腐泥型母質(zhì),與泥巖的貢獻(xiàn)有關(guān).同時(shí),西湖凹陷原油整體上富含芳烴與環(huán)烷烴,說(shuō)明西湖凹陷原油主要來(lái)源于陸源有機(jī)質(zhì).

3.2原油次生變化

Thompson K F M[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出,早先形成的油藏,被晚期生成的天然氣充注后帶走石油中的輕質(zhì)部分,并沿?cái)嗔?、不整合等通道運(yùn)移至合適的儲(chǔ)層,形成新的輕質(zhì)油藏或凝析油藏,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“蒸發(fā)分餾“.當(dāng)油藏發(fā)生蒸發(fā)分餾時(shí),其原油中的甲苯/正庚烷值(芳烴指數(shù))上升,正庚烷/甲基環(huán)己烷值(飽和烴指數(shù))降低,Thompson K F M[4]制作相應(yīng)的識(shí)別圖版(見(jiàn)圖3),圖版還可以用來(lái)識(shí)別其他次生變化.

表1　西湖凹陷原油碳同位素與輕烴地球化學(xué)參數(shù)Table 1 Carbon isotope and light hydrocarbons of the oils in Xihu sag

圖2　西湖凹陷原油輕烴色譜Fig.2 Gas chromatograms of crude oil in Xihu sag

西湖凹陷氣多、油少,具有多期成藏、早油晚氣的特征,并且西湖凹陷內(nèi)垂向斷裂廣泛分布,有利于后期生成的天然氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移,與早期生成的原油混合.由圖3可以看出,西湖凹陷蒸發(fā)分餾作用明顯,其中平湖地區(qū)蒸發(fā)分餾程度較大,黃巖地區(qū)相對(duì)較小.并且同一口井原油樣品來(lái)自不同層段,所處的構(gòu)造環(huán)境也不同,因此受氣洗強(qiáng)度也存在差別.此外,西湖凹陷并未發(fā)生生物降解或水洗作用等其他次生變化.

3.3原油成熟度

Thompson K F M[4]提出,可以利用庚烷值與異庚烷值劃分原油的分類(lèi)和成熟度.原油的庚烷值、異庚烷值與成熟度呈指數(shù)關(guān)系,可以將原油成熟度分為4類(lèi):生物降解原油、正常原油、成熟原油和高成熟原油.西湖凹陷16口井原油庚烷值介于11.50～21.90之間,異庚烷值介于0.69～1.90之間(見(jiàn)圖4).由圖4可以看出,西湖凹陷原油庚烷值與異庚烷值的交會(huì)點(diǎn)主要分布在圖版中正常原油的位置,屬于低熟到成熟階段.考慮西湖凹陷原油遭受氣洗作用,原油的輕烴組分發(fā)生變化,所以圖版中可能并沒(méi)反映原油真實(shí)的成熟度.根據(jù)文獻(xiàn)[22-24],經(jīng)歷“蒸發(fā)分餾“作用的殘留油中的正、異庚烷值下降,從而導(dǎo)致成熟度變低的假象.

Mango F D、Bement W O、唐友軍等[25-27]研究發(fā)現(xiàn),2,4-二甲基戊烷與2,3-二甲基戊烷的比值(2,4-DMP/2,3-DMP)能夠有效地反映烴類(lèi)生成溫度,推導(dǎo)生油層原油最大生成溫度(Tmax)的計(jì)算公式:Tmax=140+15×ln(2,4-DMP/2,3-DMP).該輕烴溫度參數(shù)受其他因素影響較小,并且Ro=0.012 3Tmax-0.676 4,可以將油氣最大生成溫度折算成相應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率(Ro).這種方法計(jì)算的成熟度受蒸發(fā)分餾作用影響較小,具有參考價(jià)值.西湖凹陷油氣的最大生成溫度和成熟度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可以看出,西湖凹陷凝析油成熟度分布在1%左右,處于中等成熟階段.再結(jié)合庚烷值、異庚烷值,可以推斷西湖凹陷的凝析油成熟度為成熟階段早期和中期,屬于正常成熟油.

圖3　西湖凹陷原油次生變化Fig.3 Secondary changes of crude oil in Xihu sag

圖4　原油成熟度判別Fig.4 Identify the maturities of crude oil in Xihu sag

表2　西湖凹陷原油最大生成溫度和成熟度計(jì)算結(jié)果Table 2 The maximum temperatures and maturity calculation results of the oils in Xihu sag

3.4油源區(qū)分

3.4.1C7化合物組成

C7化合物中包括具有良好陸源母質(zhì)特征的甲基環(huán)己烷(MCC6);對(duì)溫度敏感的二甲基環(huán)戊烷(DMCC5);受成熟度影響明顯的正庚烷烴(nC7).這3類(lèi)物質(zhì)的相對(duì)組成含量可用于判別原油的有機(jī)質(zhì)來(lái)源[5-7].

根據(jù)以DMCC5、MCC6、nC7為頂點(diǎn)繪制的C7輕烴三角圖(見(jiàn)圖5)可知,西湖凹陷原油輕烴組分中MCC6占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%～70%之間,說(shuō)明陸源輸入明顯.胡惕麟[28]等提出劃分原油母質(zhì)類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn):MCC6的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于35%為Ⅰ型母質(zhì);MCC6的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在35%～50%之間為Ⅱ型母質(zhì);MCC6的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在50%～65%之間為Ⅲ型母質(zhì);MCC6大于65%時(shí)為煤型母質(zhì).梁婉如等[29]利用C7輕烴三角圖對(duì)煤成油及其他類(lèi)型原油進(jìn)行劃分(見(jiàn)圖5),平湖地區(qū)大部分井(A-2、A-3、A-5)的原油落在煤成油區(qū)域,黃巖地區(qū)所有井的原油與平湖地區(qū)少量井(A-4、A-6)原油落在湖相油與煤成油混源油區(qū)域,反映平湖與黃巖地區(qū)原油母質(zhì)來(lái)源存在差異.

C7星狀圖(見(jiàn)圖6)也顯示西湖凹陷原油輕烴組成的差異,基于C7組分比值的5個(gè)參數(shù)(見(jiàn)表3)受原油次生變化影響較小,因此可以用于有效的油源對(duì)比[30-32].圖6中紅色線(xiàn)代表平湖地區(qū)原油,藍(lán)色線(xiàn)代表黃巖地區(qū)原油,其中平湖地區(qū)A-2、A-3與A-5井原油的輕烴組成分布位置相似,但在參數(shù)C2與C3上,與黃巖地區(qū)及A-4、A-6井的原油存在明顯不同,指示兩者原油來(lái)源母質(zhì)的差異.結(jié)合C7輕烴三角圖的劃分結(jié)果,可以推斷平湖地區(qū)大部分井的原油來(lái)源于煤系烴源巖,黃巖地區(qū)的原油來(lái)源于泥巖.

圖5　西湖凹陷原油C7輕烴組成Fig.5 C7light hydrocarbon composition of crude oil in Xihu sag

圖6　西湖凹陷原油C7星狀圖Fig.6 C7oil correlation star diagram of of crude oil in Xihu sag

表3　C7星狀圖參數(shù)Table 3 The parameters used for the C7oil correlation star diagram

3.4.2原油碳同位素與芳烷指數(shù)

原油碳同位素作為一種全局性指標(biāo),能夠有效地反映原油的母質(zhì)來(lái)源,不同有機(jī)質(zhì)類(lèi)型烴源巖生成的原油碳同位素在數(shù)值上存在差異,其中來(lái)自煤系烴源巖的原油碳同位素要比來(lái)自泥巖的要重[33-37].凝析油芳烷指數(shù)主要反映芳烴在凝析油中相對(duì)含量的大小[38].由于不同有機(jī)母質(zhì)中芳香結(jié)構(gòu)烴類(lèi)含量不同,因此芳烷指數(shù)也可以用來(lái)區(qū)分原油母質(zhì)來(lái)源,其中煤成油的芳烷指數(shù)明顯大于泥巖層生成油的.西湖凹陷原油碳同位素與芳烷指數(shù)有明顯的正相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖7),其中平湖地區(qū)A-3、A-2與A-5井的原油具有相對(duì)較重的碳同位素及較高的芳烷指數(shù),說(shuō)明3口井的原油來(lái)源于煤系烴源巖;黃巖地區(qū)大部分原油及A-4、A-6井的原油的碳同位素相對(duì)較輕,芳烷指數(shù)較低,說(shuō)明它們來(lái)源于泥巖.

圖7　西湖凹陷原油碳同位素與芳烷指數(shù)關(guān)系Fig.7 Carbon isotope and aralkyl index diagram of crude oil in Xihu sag

4　結(jié)論

(1)西湖凹陷原油輕烴組分富含芳烴與環(huán)烷烴,說(shuō)明原油主要來(lái)源于陸源有機(jī)質(zhì),但不同地區(qū)的原油在輕烴分布特征上又存在明顯差別,反映原油母質(zhì)來(lái)源的不同.

(2)西湖凹陷原油經(jīng)歷蒸發(fā)分餾作用,利用庚烷值與異庚烷值對(duì)原油成熟度進(jìn)行劃分,并結(jié)合Mango F D生標(biāo)成熟度法的計(jì)算結(jié)果,可以判斷西湖凹陷原油處于成熟階段.

(3)西湖凹陷平湖地區(qū)大部分原油在輕烴三角圖上被劃分為煤成油,并且在C7星狀圖上也與其他井原油存在明顯差別.同時(shí),平湖地區(qū)原油具有相對(duì)較重的原油碳同位素及較高的芳烷指數(shù),說(shuō)明原油來(lái)源于平湖組煤系烴源巖.黃巖地區(qū)原油芳烴與甲基環(huán)己烷含量相對(duì)較低,原油碳同位素較輕,芳烷指數(shù)低,具有泥巖貢獻(xiàn)的特點(diǎn).

(4)平面分布上,平湖地區(qū)原油主要來(lái)源于煤與泥巖的混合貢獻(xiàn),黃巖地區(qū)原油主要來(lái)源于泥巖的貢獻(xiàn),與西湖凹陷烴源巖橫向展布特征吻合.

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TE133

A

2095-4107(2015)05-0023-09

2015-06-08;編輯:陸雅玲

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05023003-001-010)

吳 江(1991-),男,碩士研究生,主要從事石油地質(zhì)與成藏地球化學(xué)方面的研究.

侯讀杰,E-mail:hdj@cugb.edu.cn