梁曉飛，曹占元，吳遠東，賀 聰，張曉寶

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

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冷湖地區(qū)油砂有機地球化學特征

梁曉飛1，2，曹占元2，吳遠東1，2，賀 聰1，2，張曉寶1

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

柴達木盆地是中國油砂資源最為豐富的含油氣盆地之一，對油砂有機地球化學特征研究甚少。依據(jù)油砂生物標志化合物指標，以探明冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來源、沉積環(huán)境及成熟度。通過對柴北緣冷湖地區(qū)五號構(gòu)造帶古近系上干柴溝組8個油砂樣品的質(zhì)譜、色譜分析顯示，油砂常規(guī)甾烷呈不對稱“V”字型分布，ΣC21-與ΣC22+的比值為0.73～2.16，4-甲基甾烷與常規(guī)甾烷比值為0.051～0.143，反映母質(zhì)來源為水生生物和高等植物混源；C29ββ與C29(ββ+αα)的比值為0.350～0.532，C29ααα-20S與C2920(S+R)的比值為0.397～0.493，Ts與Tm的比值為1.106～1.148，C30βα與C30αβ的比值為0.082～0.189，反映油砂樣品已達到成熟階段。伽馬蠟烷與0.5C31霍烷比值較低為0.117～0.423，且升霍烷未出現(xiàn)翹尾現(xiàn)象，反映油砂源巖為淡水沉積環(huán)境。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷較發(fā)育，說明其烴源巖與煤系有直接關(guān)系。該研究成果為冷湖地區(qū)油砂下一步勘探開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

地球化學；母質(zhì)類型；沉積環(huán)境；成熟度；色譜質(zhì)譜；油砂；冷湖地區(qū)

0 引 言

油砂又稱為焦油砂，由巖石或砂粒、水和稠油組成，其作為一種常規(guī)資源的替代能源近十多年已在世界許多地區(qū)得到開發(fā)利用。中國對油砂的勘查程度較低，經(jīng)過新一輪油砂資源地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，中國油砂主要集中在各大沉積盆地，包括塔里木盆地、柴達木盆地、羌塘盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地。目前，中國積極開展油砂資源開發(fā)利用研究工作，在多個盆地進行油砂試開采加工，并取得一定經(jīng)濟效益。柴達木盆地是中國油砂主要聚集地之一。盆地地表油砂主要分布在西部坳陷區(qū)(柴西)和北緣斷塊帶(柴北緣)，柴北緣冷湖油砂具有代表性且資源量可觀。通過對冷湖地區(qū)油砂淺鉆井樣品有機地球化學分析，系統(tǒng)闡述了其沉積環(huán)境、母質(zhì)類型及熱演化程度等有機地球化學特征。

1 地質(zhì)背景

柴達木盆地劃分為柴西隆起、一里坪坳陷、三湖坳陷和柴北緣隆起4個一級構(gòu)造單元。冷湖五號構(gòu)造地處柴達木盆地北緣斷塊帶西段，其西為阿爾金山，北為南祁連山脈的賽什騰山。冷湖五號構(gòu)造處于冷湖反“S”形構(gòu)造帶由北向南轉(zhuǎn)折的部位[1]。冷湖五號構(gòu)造是一個被西傾大斷層切割而復(fù)雜化的背斜構(gòu)造，其與冷湖四號、六號構(gòu)造以鞍部相連。構(gòu)造高部位出露地層為上干柴溝組(N1)，到構(gòu)造翼部地層變新，主要為下油砂山組(N21)地層。通過野外地質(zhì)勘查共發(fā)現(xiàn)7處油砂出露點，厚度為1.0～1.5 m，油砂最大單層厚度約為1.5 m。其巖性為厚層狀至塊狀砂巖和含礫砂巖，以油浸含礫砂巖為主。

2 樣品分析

研究區(qū)8塊油砂樣品均取自柴北緣冷湖地區(qū)LW-2井上干柴溝組(N1)。樣品采集后采取低溫保存，避免烴類揮發(fā)影響實驗結(jié)果。

首先將樣品粉碎至100目，經(jīng)氯仿抽提并沉淀瀝青質(zhì)后，再用硅膠(氧化鋁)分離可溶瀝青質(zhì)。飽和烴、芳香烴、非烴分別用正己烷、甲苯、乙醇沖洗獲得。所得飽和烴用色譜質(zhì)譜儀(GC-MS)進行分析鑒定。色譜儀型號為6 890 N，色譜柱為HP-5(30 m×0.25 mm)，進樣口溫度為280 ℃，載氣為氦氣。起始溫度為80 ℃，以4 ℃/min速率升溫至290 ℃，恒溫30 min。質(zhì)譜儀型號為5 973 N，離子源溫度為：250 ℃，電子能量為70 eV[2]。

3 結(jié)果與討論

3.1 族組分

油砂樣品族組分分析結(jié)果顯示(表1)，冷湖油砂樣品中飽和烴含量為40%～83%，平均為69%；芳烴含量為3%～12%，平均為8%；非烴含量為4%～56%，平均為21%；瀝青質(zhì)含量為1%～3%，平均為2%。

表1 油砂抽提物分析資料

3.2 油砂油母質(zhì)來源

油砂油正構(gòu)烷烴組成與分布常用于反映其母質(zhì)輸入類型，∑C21-與∑C22+的比值常用于判別母質(zhì)類型，該值越大，表明浮游植物對母質(zhì)的貢獻越大[3-6]。冷湖油砂樣品正構(gòu)烷烴呈單駝峰分布，碳數(shù)分布為C12—C38，主峰分布在C18前后；∑C21-與∑C22+的比值為0.73～2.16(表2)，2個樣品顯示為高碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢，其余樣品顯示為低碳正構(gòu)烷烴優(yōu)勢，反映浮游動植物和高等植物為重要母質(zhì)輸入。

表2 油砂中正構(gòu)烷烴和類異戊二烯分析資料

∑(C27+C29)與∑C31+的比值是判識樣品有機質(zhì)母質(zhì)類型的重要參數(shù)，C27和C29藿烷主要是陸源母質(zhì)的貢獻，C31以后的長鏈藿烷主要來源于藻類及細菌微生物[7]。該比值越大，表明陸源貢獻大；該比值越小，表明浮游植物貢獻大。冷湖油砂∑(C27+C29)與∑C31+的比值為0.974～1.304，平均值為1.046(表3)，反映高等植物和浮游植物母質(zhì)輸入相當。

表3 飽和烴中三環(huán)、四環(huán)和五環(huán)萜烷化合物參數(shù)

甾烷類物質(zhì)因具特殊碳骨架而顯示較好熱穩(wěn)定性，在地質(zhì)過程中結(jié)構(gòu)組成較不易遭受破壞，能夠較好反映生源物質(zhì)組成，故其常用于母質(zhì)類型的判定。甾烷類物質(zhì)來源于甾醇化合物，不同甾醇化合物存在于不同生物之中。一般浮游動植物富含C27膽甾醇，高等植物富含C29豆甾醇，C27、C28、C29甾烷的相對含量反映其母質(zhì)類型[8-9]。圖1顯示，

圖1 油砂規(guī)則甾烷分布特征

冷湖油砂分布較集中，位于混合源區(qū)，反映源巖成烴母質(zhì)浮游動植物和高等植物均為重要組成成分。同時圖2顯示冷湖油砂常規(guī)甾烷呈不對稱“V”字型分布，C27和C29常規(guī)甾烷含量相當。

圖2 C29甾烷20S與(20S+20R)比值和C29甾烷ββ與(ββ+αα)比值關(guān)系

油砂油不但含有常規(guī)甾烷，而且含有相當數(shù)量4-甲基甾烷和重排甾烷。已有研究結(jié)果表明，4-甲基甾烷常來自藻類[4，8]，油砂油4-甲基甾烷與常規(guī)甾烷比值為0.051～0.143(表4)，顯示藻類是母質(zhì)組成重要成分。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發(fā)育，降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷主要來源于高等植物，且與煤系直接有關(guān)[10]。這些結(jié)果顯示，冷湖油砂母質(zhì)以浮游生物和高等植物組成為主，并有一定數(shù)量的藻類輸入，且可能與煤系直接相關(guān)。

3.3 油砂油沉積古環(huán)境

冷湖油砂OEP值為0.96～1.10，平均值為1.03(表2)，表現(xiàn)為奇偶優(yōu)勢。Pr與Ph比值為1.16～1.42(表2)，顯示為姥鮫烷優(yōu)勢，表征了弱還原—弱氧化沉積環(huán)境[11]。Pr與nC17、Ph與nC18的比值可以很好地反映油砂的沉積環(huán)境。研究表明，冷湖油砂分布較集中，形成于淡水湖沼相沉積環(huán)境。伽馬蠟烷具有強的抗生物降解作用，具有很好的環(huán)境指示意義[12-13]。高鹽度環(huán)境下，伽馬蠟烷含量較高，且會出現(xiàn)升霍烷翹尾[9，14-15]。冷湖油砂顯示，伽馬蠟烷與0.5C31比值較低，為0.117～0.423，且升霍烷未出現(xiàn)翹尾(圖3)，反映淡水沉積環(huán)境。冷湖油砂∑三環(huán)與∑五環(huán)的比值為0.120～0.259，顯示為淡水環(huán)境，與伽馬蠟烷及升霍烷所表征環(huán)境一致。

表4 油砂中甾烷分析資料

3.4 油砂油成熟度

有機質(zhì)成熟度增加促使一些不穩(wěn)定生物標志化合物向穩(wěn)定型轉(zhuǎn)變，故通過研究不同構(gòu)型生物標志化合物的比值可以較好地反映成熟度[16]。用生物標志化合物指示成熟度較為重要的指標是C29ααα甾烷2種異構(gòu)體(20R、20S)，常用20S/20(R+S)比值。C29ααα甾烷20R是生物體原始構(gòu)型，隨有機質(zhì)趨于成熟20R逐漸向20S轉(zhuǎn)化[17]，當20S/20(R+S)接近0.5時反應(yīng)趨于平衡狀態(tài)。另外，C29ααα甾烷20R和20S發(fā)生異構(gòu)化作用使ββ/(αα+ββ)比值逐漸增加直至達到平衡狀態(tài)(0.7左右)。C29ββ/(αα+ββ)與母質(zhì)無關(guān)，在高成熟階段具有更好的指示作用[18]。C29ββ/(αα+ββ)對20S/20(R+S)曲線在原油成熟度方面具較好指示作用。

圖3 冷湖油砂質(zhì)譜圖

冷湖油砂C29ααα-20S與20(S+R)比值為0.397～0.493(表4)，C29ββ與(ββ+αα)比值為0.350～0.532間(表4)，接近反應(yīng)平衡值，反映油砂已達到成熟。圖2顯示油砂樣品分布較集中。研究表明，βα-莫烷會隨著成熟度的增加逐漸向αβ-霍烷轉(zhuǎn)化，故βα-莫烷與αβ-霍烷比值越小指示成熟度越高[19-20]，當βα-莫烷與αβ-霍烷比值小于0.15時，指示其已達到成熟階段。冷湖地區(qū)油砂樣品C30βα與C30αβ比值為0.082～0.189，指示冷湖油砂達到成熟階段。另外，18α(H)三降霍烷與17α(H)三降霍烷的比值、C31霍烷異構(gòu)體值和重排甾烷與常規(guī)甾烷比值均指示冷湖油砂達到成熟階段(表3、4)。

4 結(jié) 論

(1) 對冷湖地區(qū)油砂進行生物標志物組成及分布研究顯示，冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來源為混源母質(zhì)輸入，主要為高等植物和浮游生物，并有藻類母質(zhì)輸入顯示。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發(fā)育，說明其與煤系有直接關(guān)系。

(2) 冷湖地區(qū)油砂沉積古環(huán)境為淡水湖沼相，具有弱氧化—弱還原性，其成熟度已達到成熟階段。

(3) 通過對冷湖地區(qū)油砂母質(zhì)來源、沉積環(huán)境及成熟度的研究，表明了冷湖地區(qū)油砂油已達到成熟階段且飽和烴組分含量較高，埋深較淺，具有很好的開發(fā)價值。

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編輯 張 雁

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.008

20150922；改回日期：20151117

中國科學院2012年度“西部之光”人才計劃支持項目“馬海地區(qū)深層構(gòu)造特征及油氣藏成因類型研究”(1308RJZA310)

梁曉飛(1988-)，男，2012年畢業(yè)于昆明理工大學資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)為中國科學院大學地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事石油與天然氣地質(zhì)研究工作。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0033-05