覃建華， 高儇博， 彭壽昌， 高 陽， 董 巖， 李映艷， 査小軍，姜 峰， 譚先鋒， 譚文豪， 楊天賜

( 1. 中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 重慶科技學院 石油與天然氣工程學院，重慶 401331； 3. 復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331； 4. 江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 210007 )

0 引言

原油生物標志化合物組合特征研究作為油氣地球化學的重要研究手段之一，可以提供有機質(zhì)來源、沉積環(huán)境、成熟度和生物降解等方面信息[1-4]。隨化學分析技術(shù)的不斷革新，生物標志化合物在油氣成因分析、油—源對比和油氣運移判斷方面起關(guān)鍵作用[5-9]。生物標志化合物有時受多種因素(成熟度、生物降解、水洗等)的影響，在應(yīng)用過程中，需要綜合多種生物標志參數(shù)并結(jié)合地質(zhì)背景得到客觀真實的結(jié)果。隨常規(guī)石油資源的枯竭，頁巖油成為非常規(guī)石油勘探開發(fā)的重點和熱點[10]。生物標志化合物成熟應(yīng)用于常規(guī)油氣勘探，在致密油及頁巖油中的應(yīng)用相對較少。韓雨樾等[11]研究四川盆地北緣下寒武統(tǒng)頁巖生物標志化合物特征，筇竹寺組黑色頁巖檢測的4-甲基甾烷為典型熱液噴口微生物分子化石，構(gòu)建研究區(qū)古海洋模型。蔣啟貴等[12]研究濟陽坳陷頁巖油巖心樣品，基于頁巖油化合物組成、含油性和賦存空間三者之間的關(guān)系，建立表征頁巖油可動性分子地球化學評價參數(shù)模型。王俞策等[13]利用生物標志化合物，研究準噶爾盆地蘆草溝組致密油系統(tǒng)油—源對比與成藏非均質(zhì)性。王浩力[14]分析烴源巖生物標志化合物，結(jié)合電加熱中溫度場的數(shù)值模擬，評價松遼盆地南部嫩江組頁巖油資源。王強[15]通過有機地球化學分析，探討鄂爾多斯盆地延長組長7段致密油和頁巖油的地球化學特征及成因。

新疆吉木薩爾國家級陸相頁巖油示范區(qū)是中國首個國家級頁巖油示范區(qū)，目前探明儲量達12億t。吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組是頁巖油主要富集和產(chǎn)出層位，在烴源巖評價、儲層特征描述及頁巖油聚集機理等方面進行研究[16-19]，有關(guān)原油及烴源巖生物標志化合物特征方面的研究較少。筆者選取吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油及烴源巖樣品，采用氣相色譜—質(zhì)譜分析技術(shù)(GC—MS)，基于生物標志化合物譜圖特征分析和參數(shù)對比，對蘆草溝組上、下段原油及烴源巖進行精細刻畫、類型劃分和油—源對比，為吉木薩爾凹陷頁巖油的研究和勘探開發(fā)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷是一個西斷東超的箕狀凹陷，位于新疆準噶爾盆地東部隆起西南緣，北部為沙奇凸起，南部為三臺凸起，西部為北三臺凸起，東部為古西凸起，面積約為1.3×103km2(見圖1)。吉木薩爾凹陷經(jīng)歷海西、印支、燕山和喜馬拉雅等構(gòu)造運動，但凹陷內(nèi)構(gòu)造活動相對較弱，缺乏構(gòu)造圈閉[16-17]。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組頂部構(gòu)造特征及地層綜合柱狀圖

吉木薩爾凹陷主要地層分布由老到新依次為石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。二疊系蘆草溝組是吉木薩爾凹陷頁巖油主要的烴源巖和儲集巖層系(源儲一體)，原始沉積環(huán)境為殘留海封閉后的咸化湖盆，發(fā)育半深湖—深湖相沉積，巖性較細，沉積厚度大，分布面積廣，其中厚度超過200 m的面積達0.8×103km2[20]。吉木薩爾凹陷蘆草溝組自下而上劃分為蘆草溝組一段(P2l1)和蘆草溝組二段(P2l2)，烴源巖巖性包括泥質(zhì)巖、白云巖和灰?guī)r3種類型，有機質(zhì)豐度高，類型較好，以Ⅱ型干酪根為主，成熟度適中。其中大部分烴源巖樣品有機碳質(zhì)量分數(shù)大于1.00%，平均為3.24%；生烴潛量(S1+S2)大于6.0 mg·g-1；熱解最高峰溫(Tmax)為428～459 ℃；鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.66%～1.65%，表明烴源巖達到成熟。蘆草溝組孔隙尺度變化較大，發(fā)育毫米級、微米級和納米級孔隙；儲集空間類型種類多，包括粒內(nèi)溶蝕孔、原生粒間孔、次生粒間溶孔、晶間孔和微裂縫5種孔隙類型；實測總孔隙度為6%～17%，覆壓滲透率小于0.1×10-3μm2，表現(xiàn)典型的中—低孔隙度、特低滲透率特征。

2 樣品與實驗

2.1 原油與烴源巖樣品

選取吉木薩爾凹陷蘆草溝組一段和二段不同井位與深度有代表性的原油和烴源巖樣品各20個(見表1)。其中烴源巖樣品巖性為泥巖和白云質(zhì)泥巖，原油樣品主要為中質(zhì)原油。由表1可以看出，蘆草溝組一段和二段原油物理性質(zhì)存在明顯差異。蘆草溝組二段原油密度為0.874 0～0.889 8 g/cm3，平均為0.882 5 g/cm3；黏度為32.01～57.70 mPa·s，平均為41.81 mPa·s；蠟質(zhì)量分數(shù)為8.31%～16.15%，平均為12.95%。蘆草溝組一段原油密度為0.894 5～0.918 9 g/cm3，平均為0.904 1 g/cm3；黏度為49.93～265.70 mPa·s，平均為117.91 mPa·s；蠟質(zhì)量分數(shù)為3.09～5.92%，平均為4.48%。蘆草溝組二段原油比蘆草溝組一段具有密度低、黏度低、蠟質(zhì)量分數(shù)高的特征。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油及烴源巖樣品族組分及物性參數(shù)

2.2 實驗方法

2.2.1 索氏抽提

在進行族組分分離前，將巖石樣品有機質(zhì)組分抽提出來。先對巖心樣品進行碎樣(烴源巖樣品洗油后碎樣)，過100目篩；稱取200 g過篩后的粉末，置于索氏抽提儀并連續(xù)抽提48 h(砂巖)或72 h(泥巖)，抽提用試劑為氯仿∶甲醇=98∶2(體積比)，抽提溫度為75 ℃。抽提后的氯仿瀝青A在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀上濃縮至3～5 mL，在不超過40 ℃溫度時自然揮發(fā)干，放入干燥器保存待用。

2.2.2 柱層析

取原油或抽提物50～100 mg，超聲溶解在正己烷中，靜置不少于12 h。用脫脂棉過濾得到瀝青質(zhì)，濾液通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至3～5 mL；使用硅膠∶氧化鋁=3∶2(體積比)的方式制作色譜柱，將濾液倒入色譜柱，分別用正己烷(50 mL)、二氯甲烷∶正己烷=2∶1(體積比，共計50 mL)和氯仿∶無水乙醇=98∶2(體積比，共計70 mL)依次淋洗飽和烴、芳香烴和膠質(zhì)組分[21]。

2.2.3 GC—MS分析

選用美國安捷倫7890色譜儀、5975質(zhì)譜儀對樣品進行分析測試。其中色譜柱型號為DB-5MS，進樣口溫度為300 ℃，選取自動進樣模式，進樣量為1 μL。設(shè)置7 min的溶劑延遲時間，初始溫度為50 ℃，保留1 min，然后以20 ℃/min升至100 ℃，再以3 ℃/min升至310 ℃，保留26 min。根據(jù)峰型及保留時間對目標化合物定性。

3 頁巖油地球化學特征

3.1 族組分

原油族組分特征反映原油原始沉積環(huán)境、有機質(zhì)來源及生物降解程度等重要信息。由表1可以看出，蘆草溝組原油頁巖油組分以飽和烴為主，芳香烴和膠質(zhì)次之，蘆草溝組一段和二段存在一定差異。蘆草溝組二段飽和烴質(zhì)量分數(shù)較高，為58.91%～66.76%，平均為63.91%；芳香烴質(zhì)量分數(shù)為10.26%～18.81%，平均為13.96%；飽芳比平均為4.68。蘆草溝組一段飽和烴質(zhì)量分數(shù)相對較低，為41.40%～54.29%，平均為47.42%；芳香烴和膠質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對增加，平均分別為16.49%和22.07%；飽芳比平均為2.94(見表1)。蘆草溝組一段和二段原油族組分特征與物性特征一致。

3.2 正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴

圖2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組典型原油樣品正構(gòu)烷烴GC—MS色譜(m/z=85)

蘆草溝組一段和二段原油正構(gòu)烷烴分布存在較大差異。其中蘆草溝組二段主峰碳為C23，蘆草溝組一段主峰碳為C17(見圖2)；且蘆草溝組一段姥鮫烷(Pr)、植烷(Ph)質(zhì)量分數(shù)明顯高于正構(gòu)烷烴的，原因是蘆草溝組一段原油成熟度相對較高，后期遭受二次蝕變。

正構(gòu)烷烴的奇碳數(shù)和偶碳數(shù)的相對豐度可以初步評價原油的熱成熟度，常用的是碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)和奇偶優(yōu)勢(OEP)[22]。蘆草溝組一段和二段原油CPI和OEP差異不大，反映兩個層位的原油具有相似的成熟度，其中蘆草溝組二段CPI平均為1.36，OEP平均為1.30；蘆草溝組一段CPI平均為1.34，OEP平均為1.16(見表2)。較高的CPI和OEP表明蘆草溝組原油成熟度較低。

姥鮫烷和植烷作為原油中最常見的兩個類異戊二烯烷烴，其比值通常反映沉積時水體的氧化還原條件。蘆草溝組二段Pr/Ph平均為1.39，略高于蘆草溝組一段的(平均為1.09)(見表2)。Pr/Ph大于1反映蘆草溝組原始沉積環(huán)境相對較還原[4]。Pr/nC17和Ph/nC18的相關(guān)關(guān)系見圖3。由圖3可以看出，蘆草溝組原始沉積環(huán)境整體較還原，且蘆草溝組一段比二段更具有還原性。

表2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油生物標志化合物參數(shù)

圖3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油樣品Pr/nC17和Ph/nC18相關(guān)關(guān)系(據(jù)文獻[4]修改)

3.3 生物標志化合物

甾烷和三環(huán)萜烷類化合物是生物標志化合物研究中最為重要的兩類化合物，蘊藏原油沉積環(huán)境、母質(zhì)來源、成熟度等重要信息[23-24]。蘆草溝組一段和二段萜烷類化合物分布特征基本一致(見圖4)。C30藿烷質(zhì)量分數(shù)具有絕對優(yōu)勢，C19～C21三環(huán)萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷質(zhì)量分數(shù)隨碳數(shù)的升高而逐漸降低，C24四環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)相對較高(見圖4)。蘆草溝組一段和二段原油萜烷類典型生物標志化合物參數(shù)體現(xiàn)一致性(見表2)。其中蘆草溝組二段C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷為0.97，伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.13，Ts/(Ts+Tm)平均為0.10，三環(huán)萜烷/藿烷平均為0.19；蘆草溝組一段C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷為0.98，伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.14，Ts/(Ts+Tm)平均為0.08，三環(huán)萜烷/藿烷平均為0.22。C24四環(huán)萜烷及伽馬蠟烷質(zhì)量分數(shù)表明蘆草溝組沉積時的水體鹽度不高[25]，為弱咸水沉積環(huán)境；Ts/(Ts+Tm)和三環(huán)萜烷/藿烷表明蘆草溝組原油成熟度相對較低[4]。在眾多一致的生標參數(shù)中，C29藿烷/C30藿烷體現(xiàn)蘆草溝組一段和二段原油細微的差異性。其中蘆草溝組二段C29藿烷/C30藿烷為0.35～0.69，平均為0.53；蘆草溝組一段C29藿烷/C30藿烷相對較高，整體分布在0.62～0.72之間，平均為0.68(見表2)，表明蘆草溝組一段陸源有機質(zhì)輸入相對增加[4]。

圖4 吉木薩爾凹陷蘆草溝組典型原油樣品三環(huán)萜烷GC—MS色譜(m/z=191)

蘆草溝組原油C27～C29規(guī)則甾烷呈“上升型”分布，反映母源以陸生高等植物輸入為主、低等水生生物輸入為輔[4]；孕甾烷質(zhì)量分數(shù)高于升孕甾烷的(見圖5)。由表2可知，蘆草溝組一段、二段以規(guī)則甾烷為主，質(zhì)量分數(shù)平均分別為91.16%和90.58%；重排甾烷質(zhì)量分數(shù)平均分別為6.16%和6.43%，幾乎不含4-甲基甾烷。反映蘆草溝組原始沉積水體具備一定鹽度，為微咸水環(huán)境[4]。此外，蘆草溝組C27～C29規(guī)則甾烷分布特征一致，但質(zhì)量分數(shù)存在一定差異(見表2)。相比蘆草溝組一段，蘆草溝組二段原油C27規(guī)則甾烷質(zhì)量分數(shù)更高，C29規(guī)則甾烷質(zhì)量分數(shù)相對較低，C27規(guī)則甾烷/C29規(guī)則甾烷和C28規(guī)則甾烷/C29規(guī)則甾烷平均分別為0.45和0.79，高于蘆草溝組一段的(平均分別為0.26和0.65)，反映蘆草溝組二段藻類和浮游植物輸入占比逐漸升高。

圖5 吉木薩爾凹陷蘆草溝組典型原油樣品甾烷GC—MS色譜(m/z=217)

根據(jù)C27～C29甾烷質(zhì)量分數(shù)分布特征，蘆草溝組一段和大部分蘆草溝組二段樣品投點在Ⅴ(以陸生植物為主)區(qū)域，小部分蘆草溝組二段樣品投點在Ⅳ(混合來源)區(qū)域(見圖6)，表明蘆草溝組原油母質(zhì)來源以陸生高等植物為主，兼具低等水生生物。蘆草溝組原油大部分屬于低熟油，只有小部分蘆草溝組一段原油達到成熟，與烴源巖實測Ro數(shù)據(jù)一致(見圖7)。

4 油—源對比

4.1 族組分

蘆草溝組一段和二段烴源巖飽和烴、芳香烴、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相似，平均分別為54.12%和52.19%、17.76%和15.89%、25.58%和27.79%、2.80%和2.83%；飽芳比基本一致，平均分別為3.23和3.48(見表1)。與蘆草溝組原油族組分特征存在細微差別，可能是由排烴導致的。

圖6 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油C27～C29αααR甾烷質(zhì)量分數(shù)三角圖

圖7 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油C29S/(S+R)和C29ββ/(αα+ββ)相關(guān)關(guān)系

4.2 正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴

對比正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴數(shù)據(jù)，蘆草溝組一段和二段原油與烴源巖具有良好的親緣關(guān)系。首先，蘆草溝組一段和二段烴源巖正構(gòu)烷烴主峰碳數(shù)表現(xiàn)沒有像原油一樣絕對的一致性，整體上，蘆草溝組二段烴源巖主峰碳以C23為主，蘆草溝組一段烴源巖主峰碳以C17為主(見圖2)，與同層位原油主峰碳一致。其次，蘆草溝組烴源巖CPI和OEP相似，蘆草溝組二段烴源巖CPI平均為1.34，OEP平均為1.24；蘆草溝組一段烴源巖CPI平均為1.32，OEP平均為1.23(見表3)。表明蘆草溝組原油與烴源巖成熟度相同。最后，蘆草溝組一段和二段烴源巖Pr和Ph相關(guān)參數(shù)體現(xiàn)差異性，蘆草溝組二段烴源巖Pr/Ph平均為1.41，高于蘆草溝組一段的(平均為0.97)；蘆草溝組二段烴源巖Pr/nC17和Pr/nC18平均分別為0.86和0.65，遠低于蘆草溝組一段的(平均分別為1.53和2.08)(見表3)。這些差異與蘆草溝組一段和二段原油差異一致，證實蘆草溝組一段和二段原油分別來源于同層位的烴源巖。

4.3 生物標志化合物

對比典型生物標志化合物參數(shù)，蘆草溝組一段和二段原油與烴源巖具有良好的親緣關(guān)系。蘆草溝組二段烴源巖伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.17，Ts/(Ts+Tm)平均為0.12，三環(huán)萜烷/藿烷平均為0.18，C29藿烷/C30藿烷平均為0.57，C19三環(huán)萜烷/C23三環(huán)萜烷平均為0.14，與同層位的原油基本一致；蘆草溝組一段烴源巖伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.16，Ts/(Ts+Tm)平均為0.09，三環(huán)萜烷/藿烷平均為0.25，C29藿烷/C30藿烷平均為0.72，C19三環(huán)萜烷/C23三環(huán)萜烷平均為0.13，與同層位的原油基本一致(見表3)。

蘆草溝組烴源巖和原油C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷存在較大差異，蘆草溝組二段和一段烴源巖C24四環(huán)萜烷/C26三環(huán)萜烷平均分別為1.45和1.14(見表3)，明顯高于同層位原油的(平均分別為0.97和0.98)(見表2)，表明蘆草溝組烴源巖中C24四環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)高于同層位原油的，可能是由成熟度差異導致的。隨烴源巖成熟度的增加，具有較高熱穩(wěn)定性的C24四環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)隨之增加，造成烴源巖與已排出原油之間C24四環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)的差異[4]。此外，蘆草溝組烴源巖和原油在三環(huán)萜烷譜圖分布存在差別，蘆草溝組原油C19～C21三環(huán)萜烷呈“上升型”分布，蘆草溝組烴源巖有近一半樣品C19～C21三環(huán)萜烷呈“∧型”分布，C21三環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)略低于C20三環(huán)萜烷的。

蘆草溝組一段和二段烴源巖甾烷質(zhì)量分數(shù)及相關(guān)參數(shù)與同層位原油也基本一致，規(guī)則甾烷質(zhì)量分數(shù)占絕對優(yōu)勢，分別為89.47%和90.64%；重排甾烷質(zhì)量分數(shù)分別為6.80%和5.58%(見表3)；幾乎不含4-甲基甾烷。蘆草溝組二段烴源巖C27規(guī)則甾烷質(zhì)量分數(shù)明顯高于一段烴源巖的，C27規(guī)則甾烷/C29規(guī)則甾烷和C28規(guī)則甾烷/C29規(guī)則甾烷平均分別為0.43和0.79，蘆草溝組一段平均分別為0.25和0.69(見表3)。

表3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖生物標志化合物參數(shù)

根據(jù)選取典型生物標志化合物參數(shù)相關(guān)關(guān)系，厘清蘆草溝組一段和二段的油—源關(guān)系(見圖8-9)。蘆草溝組一段和二段原油來自于同層位烴源巖，符合頁巖油“自生自儲”的成藏特性[26]。

圖8 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油及烴源巖C27～C29αααR甾烷相對質(zhì)量分數(shù)三角圖

圖9 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油及烴源巖C27規(guī)則甾烷/C29規(guī)則甾烷與Ph/nC18關(guān)系

5 結(jié)論

(1)準噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組二段原油相比蘆草溝組一段原油具有密度、黏度小，蠟質(zhì)量分數(shù)、飽和烴質(zhì)量分數(shù)高的特征。

(2)蘆草溝組正構(gòu)烷烴分布存在較大差異，其中蘆草溝組二段主峰碳為C23，蘆草溝組一段主峰碳為C17，且蘆草溝組一段Pr和Ph質(zhì)量分數(shù)明顯高于正構(gòu)烷烴的；蘆草溝組一段和二段原油萜烷分布特征相似，為C30藿烷質(zhì)量分數(shù)占絕對優(yōu)勢，C19～C21三環(huán)萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷質(zhì)量分數(shù)隨碳數(shù)的升高而逐漸降低，伽馬蠟烷質(zhì)量分數(shù)相對較低，C24四環(huán)萜烷質(zhì)量分數(shù)相對較高。

(3)蘆草溝組原油規(guī)則甾烷質(zhì)量分數(shù)高于重排甾烷的，C27～C29規(guī)則甾烷呈“上升型”分布，幾乎不含4-甲基甾烷；蘆草溝組二段C27甾烷和C28甾烷質(zhì)量分數(shù)高于蘆草溝組一段的。

(4)蘆草溝組一段和二段原油分別來源于蘆草溝組一段和二段烴源巖。蘆草溝組一段和二段原油和烴源巖成熟度為低熟—成熟，烴源巖原始沉積環(huán)境為較還原的微咸水環(huán)境，母質(zhì)來源為陸生高等植物兼具浮游植物和藻類。相比蘆草溝組一段，蘆草溝組二段原始沉積環(huán)境偏氧化。