孔麗姝, 路清華, 何毓新, 顧 憶, 孫永革*

塔里木盆地順北地區(qū)深部油藏輕烴地球化學(xué)特征及其指示意義

孔麗姝1, 路清華2, 何毓新1, 顧 憶2, 孫永革1*

(1. 浙江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院 有機(jī)地球化學(xué)研究組, 浙江 杭州 310027; 2. 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所, 江蘇 無(wú)錫 214126)

深部高溫高壓環(huán)境下原油的成因類型判識(shí)一直是深部油氣勘探評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。塔里木盆地順北地區(qū)7300～8000 m埋深?yuàn)W陶系鷹山組以及一間房組輕質(zhì)油藏的發(fā)現(xiàn)為研究其成因提供了一個(gè)很好的契機(jī)。本研究以原油輕烴及其分子穩(wěn)定碳同位素地球化學(xué)組成為基礎(chǔ), 系統(tǒng)探討了塔里木盆地順北地區(qū)深層原油成因特征。研究結(jié)果表明, 順北深層原油熱演化程度高, 為輕質(zhì)油-凝析油階段成烴產(chǎn)物。通過(guò)與鄰區(qū)典型油藏?zé)崃呀獬梢蛟蛯?duì)比, 揭示順北深層原油總體未受或經(jīng)歷輕微熱改造影響, 但不同井區(qū)存在一定差異性。順北1井區(qū)(SB1井區(qū))、順北2井(SB2井)和順北5井區(qū)(SB5井區(qū))原油屬于正常干酪根熱降解成烴產(chǎn)物, 未受顯著熱改造作用影響; 順北3井(SB3井)原油可能受輕微熱改造作用影響; 順北7井(SB7井)原油高的姥植比、甲基環(huán)己烷重碳同位素、低的芳構(gòu)化特征, 指示可能具有特殊的成烴來(lái)源或成藏改造過(guò)程。

輕烴分子碳同位素; 深部油藏; 原油熱裂解; 順托果勒; 塔里木盆地

0 引 言

近10年來(lái), 塔里木盆地深部油氣勘探不斷取得突破。2013年塔中地區(qū)中深1井(ZS1)和側(cè)鉆中深1C井(ZS1C)發(fā)現(xiàn)了中寒武統(tǒng)及下寒武統(tǒng)油氣藏, 被認(rèn)為是來(lái)源于寒武系烴源巖的實(shí)證[1-3], 且肖爾布拉克組凝析油氣被證實(shí)經(jīng)過(guò)熱硫酸鹽還原作用(TSR)改造, 表現(xiàn)為異常高濃度的二苯并噻吩(DBTs)和重硫同位素特征[3-6]。2015年在塔里木盆地北部FY1井鉆探又發(fā)現(xiàn)黑色原油, 油藏埋深7711 m, 油藏溫度為172 ℃, 儲(chǔ)層為碳酸鹽巖, 推測(cè)為原生油藏[7]。最近, 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司在塔中北坡順托果勒地區(qū)埋深7500 m左右發(fā)現(xiàn)整裝輕質(zhì)油藏[8-11], 這些輕質(zhì)油藏是否與ZS1井類似經(jīng)歷了熱裂解改造, 或者與FY1井一樣系原生成因, 至今仍不得而知, 嚴(yán)重制約了盆地深部油氣的進(jìn)一步勘探與評(píng)價(jià)。

石油中輕烴主要指碳數(shù)為C1～C12的烴類化合物, 其中C1～C4為氣態(tài)烴, C5～C12為液態(tài)烴。事實(shí)上, 部分與天然氣伴生的凝析油和輕質(zhì)油也可以理解為輕烴, 是原油的重要組成部分, 攜帶豐富的地球化學(xué)信息, 被廣泛地應(yīng)用于油源對(duì)比、成熟度判識(shí)和原油的次生蝕變判識(shí)等[12-20]。由于高成熟度的凝析油和輕質(zhì)油往往缺乏甾烷和萜烷等生物標(biāo)志物, 難以提供有效的地球化學(xué)信息, 因此, 輕烴所包含的地球化學(xué)信息顯得尤為重要, 是研究的主要對(duì)象。

Hunt[21]對(duì)各類生油盆地的研究發(fā)現(xiàn), 生物降解和低溫化學(xué)降解只產(chǎn)生pg/g級(jí)含量的輕烴, 而高溫?zé)崃呀鈩t是輕烴大量生成的主要過(guò)程, 達(dá)到μg/g級(jí)。由此提出沉積有機(jī)質(zhì)中輕烴的熱裂解成因理論, 即: 輕烴主要由長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔镌?50 ℃以上的高溫下, 通過(guò)自由基過(guò)程不斷裂解產(chǎn)生。盡管這一觀點(diǎn)受到穩(wěn)態(tài)催化輕烴成因理論的挑戰(zhàn)[22-23], 但目前仍處于主導(dǎo)地位。另一個(gè)方面, 輕烴作為原油裂解的中間產(chǎn)物, 一旦油藏經(jīng)歷熱裂解作用, 只要最終沒有演化成干氣藏, 那么油氣藏中輕烴將記錄原油裂解過(guò)程的信息。由此可見, 無(wú)論是原地還是異地成藏, 如果能判識(shí)油氣藏中輕烴屬于何種成因(即干酪根裂解成因還是原油裂解成因), 即可揭示油氣藏是否系油藏原油熱裂解所致。從形成機(jī)理上分析, 干酪根裂解形成輕烴, 主要來(lái)源于干酪根大分子網(wǎng)絡(luò)的斷裂, 特別是網(wǎng)絡(luò)間及網(wǎng)絡(luò)環(huán)上的小分子, 可以概括為一次形成過(guò)程; 而原油裂解過(guò)程輕烴的形成主要基于大分子烴類的斷裂、環(huán)化和芳構(gòu)化等過(guò)程。按同位素分餾動(dòng)力學(xué)原理, 干酪根裂解形成輕烴組分中環(huán)烷烴和芳香烴分子碳同位素是繼承效應(yīng), 而原油裂解形成輕烴組分中環(huán)烷烴和芳香烴分子碳同位素是13C富集效應(yīng), 這一假設(shè)已被Sun[24]和于聰?shù)萚25]前期工作所證實(shí)。本研究擬從原油的輕烴分布及碳同位素組成入手, 討論順北深層凝析油-輕質(zhì)油的成因特征, 為塔里木盆地深層油氣勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

順北地區(qū)位于塔里木盆地順托果勒低隆起北部, 東鄰滿加爾坳陷、西鄰阿瓦提凹陷、南鄰塔中隆起和北鄰塔北隆起(圖1)[26]。已有研究表明, 塔里木盆地寒武奧陶系主力烴源巖沉積后經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支-燕山期以及喜馬拉雅期等5次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 其中對(duì)順北地區(qū)影響最大的為加里東晚期、海西晚期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 發(fā)育了復(fù)雜的斷裂體系。其中順北1(SB1)井區(qū)主要發(fā)育NE和NNE向斷裂帶, 順北1號(hào)斷裂帶發(fā)育有1條分支斷裂帶, 其余為次級(jí)斷裂帶, 順北5號(hào)斷裂帶走向近SN向, 順北7號(hào)斷裂帶走向?yàn)镹NW向(圖1)。順北地區(qū)主要勘探目的層為奧陶系, 包括蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、恰爾巴克組、良里塔格組以及桑塔木組, 油氣藏主要發(fā)現(xiàn)于鷹山組與一間房組, 埋深達(dá)7300～8000 m (表1), 以輕質(zhì)油-凝析油為主, 原始地層壓力在埋深7557.66 m時(shí)達(dá)到86.892 MPa左右, 平均靜溫在埋深7557.66 m時(shí)約為159.96 ℃。油氣藏類型主要包括斷溶體油氣藏、灰?guī)r巖性油氣藏以及白云巖巖性油氣藏, 且均沿?cái)嗔洋w系多期充注成藏[27]。

2 樣品及實(shí)驗(yàn)

研究共采集了20個(gè)原油樣品, 其中18個(gè)原油樣品來(lái)自于順北地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層, 且大部分位于下-中奧陶統(tǒng)鷹山組(O1-2ys)和中奧陶統(tǒng)一間房組(O2yj), 其中順北1井(SB1井)、順北2井(SB2井)、順北3井(SB3井)以及順北評(píng)1井(SBP1井)位于1號(hào)次級(jí)斷裂帶, 順北1-1井(SB1-1井)至順北1-7井(SB1-7井)、順北1-10井(SB1-10井)位于1號(hào)主干斷裂帶, 順北1-8井(SB1-8井)和順北1-9井(SB1-9井)位于1號(hào)分支斷裂帶。順北5井(SB5井)、順北5-2井(SB5-2井)和順北5-4井(SB5-4井)分布在5號(hào)斷裂帶附近。順北7井(SB7井)分布在順北7號(hào)斷裂帶附近(圖1, 表1)。順南1井(SN1井)和英古2井(YG2井)分別代表經(jīng)受強(qiáng)烈熱裂解和未受到熱裂解的端元原油。

圖1 塔里木盆地順北地區(qū)構(gòu)造位置及斷裂示意圖

表1 塔里木盆地順北地區(qū)原油基本特征

注: N.A.表示未有深度數(shù)據(jù); 密度為20 ℃時(shí)。

2.1 全油氣相色譜分析

儀器為安捷倫5977A氣相色譜儀, 配以氫火焰離子化檢測(cè)器(FID)。DB-1MS (60 m×0.32 mm×0.25 μm)色譜質(zhì)譜專用柱。分流進(jìn)樣, 分流比為10∶1, 進(jìn)樣口溫度為290 ℃。升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃, 恒溫15 min, 然后以3 ℃/min的速率升至310 ℃, 恒溫30 min。N2作為載氣, 流速為1.0 mL/min。輕烴化合物鑒定依據(jù)保留時(shí)間并經(jīng)文獻(xiàn)對(duì)比確定[28]。

2.2 全油氣相色譜質(zhì)譜分析

儀器為安捷倫7890B-5977A氣相色譜-質(zhì)譜儀。DB-1MS (60 m×0.32 mm×0.25 μm)色譜質(zhì)譜專用柱。分流進(jìn)樣, 分流比為10∶1, 進(jìn)樣口溫度為290 ℃。升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃, 恒溫15 min, 先以2 ℃/min的速率升至210 ℃, 再以15 ℃/min的速率升至305 ℃, 恒溫10 min。He作為載氣, 流速為1.2 mL/min, 質(zhì)譜端離子源為電子轟擊源(EI, 70 eV), 離子源溫度為230 ℃。輕烴鑒定依據(jù)保留時(shí)間并根據(jù)文獻(xiàn)對(duì)比確定[29-30]。

2.3 全油氣相色譜同位素比值質(zhì)譜分析

儀器為熱電MAT-253氣相色譜同位素比值質(zhì)譜儀。分流進(jìn)樣, 分流比為10∶1, 進(jìn)樣口溫度為290 ℃, 輕烴分子碳同位素測(cè)定的升溫程序?yàn)槌跏紲囟?0 ℃,恒溫15 min, 先以2 ℃/min的速率升至210 ℃, 再以3 ℃/min的速率升至305 ℃, 恒溫30 min。He作為載氣, 流速為1.5 mL/min, 使用外標(biāo)來(lái)確保測(cè)定碳同位素值的準(zhǔn)確性, 外標(biāo)由美國(guó)印第安納大學(xué)研制, 由已知碳同位素的C16～C30共15種正構(gòu)烷烴組成。采用VPDB標(biāo)準(zhǔn), 每個(gè)樣品至少獲得2次平行測(cè)試, 標(biāo)準(zhǔn)偏差一般小于±0.5‰。

3 結(jié)果及討論

3.1 原油鏈烷烴分布特征及指示意義

所研究的順北原油樣品主要為凝析油-輕質(zhì)油。由表1可知, 原油密度相差較小, 介于0.793～0.846 g/cm3之間, 運(yùn)動(dòng)黏度相差略大, 范圍為2.378～12.152 mm2/s,含蠟量2.884%～8.030%, 含硫量0.040%～0.211%。圖2a為代表性原油全油氣相色譜圖, 正構(gòu)烷烴呈單峰形分布, 以小于C20組分為主, 最高碳數(shù)達(dá)32, 在C23至C32之間無(wú)奇偶勢(shì),C23-C31正構(gòu)烷烴奇偶優(yōu)勢(shì)值(OEP)值接近1。順北地區(qū)原油姥鮫烷與植烷之比(Pr/Ph)基本一致, 介于0.88～1.16之間(表1), 反映其源巖發(fā)育于弱氧化-弱還原的沉積環(huán)境[31]。原油Pr/C17值為0.11～0.40, Ph/C18值為0.11～0.47。Pr/C17與Ph/C18經(jīng)典判識(shí)圖顯示, 原油樣品近似分布在一條直線上, 表明了順北地區(qū)原油具有相同的生源特征。低的Pr/C17與Ph/C18值反映了相對(duì)較高的熱演演化特征, 同時(shí), 離散分布揭示不同斷裂帶油氣藏原油熱成熟度具有一定差異(圖3)[32-33]。順北鄰近地區(qū), 如塔中北坡SH9 井區(qū)原油密度范圍為0.864～0.876 g/cm3, 高碳數(shù)正構(gòu)烷烴無(wú)奇偶優(yōu)勢(shì), Pr/C17值為0.33～0.53, Ph/C18值為0.43～0.55, Pr/Ph 值為0.84～0.94[34]。塔里木盆地北部躍參地區(qū)原油密度為0.798～0.827 g/cm3, 高碳數(shù)正構(gòu)烷烴無(wú)奇偶優(yōu)勢(shì), Pr/C17均值為0.35, Ph/C18均值為0.43, Pr/Ph比值為0.93～1.12[35]?？傮w上, 與鄰近地區(qū)相比, 順北地區(qū)輕質(zhì)原油Pr/C17與Ph/C18比值相對(duì)較低, 可能指示了較高的熱成熟度特征。SB7井原油是個(gè)例外, 其具有高的Pr/Ph比值(2.31)和低的Pr/C17、Ph/C18比值, 顯然在有機(jī)質(zhì)生源和烴源巖沉積環(huán)境發(fā)育上有別于該區(qū)域其他原油。高的姥鮫烷植烷含量, 以及高的Pr/Ph比值一般認(rèn)為與陸源有機(jī)質(zhì)、偏氧化的沉積環(huán)境有關(guān)。然而, 區(qū)域上潛在的陸相烴源巖僅發(fā)育三疊系, 且熱演化程度處于低成熟階段, 不足以供烴成藏。另一種潛在的可能性是奧陶系烴源巖的生烴貢獻(xiàn)。鉆探已經(jīng)證實(shí)塔中局部地區(qū)發(fā)育有高豐度中、上奧陶統(tǒng)烴源巖, 沉積于氧化環(huán)境, 其有機(jī)質(zhì)生源以宏觀藻為主, 已具有維管束植物雛形[36-38],但仍需要進(jìn)一步的研究。

圖2 塔里木盆地順北地區(qū)全油氣相色譜圖(a)及輕烴餾分鑒定譜圖(b)(據(jù)文獻(xiàn)[28])

1-2-甲基戊烷(2-MP); 2-3-甲基戊烷(3-MP); 3-正己烷(C6); 4-2, 2-二甲基戊烷; 5-甲基環(huán)戊烷(MCP); 6-2, 4-二甲基戊烷(2, 4-DMP); 7-苯(B); 8-3, 3-二甲基戊烷(3, 3-DMP); 9-環(huán)己烷(CH); 10-2-甲基己烷(2-MH); 11-2, 3-二甲基戊烷(2, 3-DMP); 12-二甲基環(huán)戊烷(DMCP); 13-3-甲基己烷(3-MH); 14-順-1, 3-二甲基環(huán)戊烷(C-1, 3-DMCP); 15-反-1, 3-二甲基環(huán)戊烷(T-1, 3-DMCP)+3-乙基戊烷(3-EP); 16-反-1, 2-二甲基環(huán)戊烷(T-1, 2-DMCP); 17-正庚烷(C7); 18-甲基環(huán)己烷(MCH); 19-甲苯(TOL); 20-正辛烷(C8)。

圖3 塔里木盆地順北地區(qū)原油Pr/nC17與Ph/nC18比值分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[32])

輕烴大量研究表明, 原油正構(gòu)烷烴物質(zhì)的量半對(duì)數(shù)隨碳數(shù)的分布能反映原油的成因特征。對(duì)于單一來(lái)源, 且未受到蒸發(fā)分餾作用影響原油, 原油正構(gòu)烷烴物質(zhì)的量半對(duì)數(shù)隨碳數(shù)分布呈線性關(guān)系, 即平面圖上近似直線[39-42]。如圖4所示, 順北地區(qū)不同斷裂帶代表性原油分析結(jié)果揭示, 原油正構(gòu)烷烴物質(zhì)的量半對(duì)數(shù)隨碳數(shù)基本呈線性關(guān)系, 揭示該區(qū)塊深部油藏未遭受到顯著氣侵作用影響。

圖4 塔里木盆地順北地區(qū)代表性原油正構(gòu)烷烴物質(zhì)的量與碳數(shù)關(guān)系圖(據(jù)文獻(xiàn)[41])

3.2 輕烴分子組成特征及指示意義

原油輕烴組分包含豐富的地球化學(xué)信息, 不僅可以指示原油的生烴母質(zhì)與熱成熟度, 還可以用于原油是否經(jīng)歷次生蝕變判識(shí)[12-20]。圖2b為順北地區(qū)原油輕烴鑒定結(jié)果[28], 計(jì)算表明, 原油C6～C7組分中鏈烷烴占72.19%～79.80%, 環(huán)烷烴占18.19%～27.22%, 芳香烴占0.59%～1.93% (表2), 不同斷裂帶之間原油差異不明顯。環(huán)己烷指數(shù)為17.59%～28.79%, 甲基環(huán)己烷指數(shù)為30.41%～41.29% (表2), 顯示了海相腐泥型有機(jī)質(zhì)生源特征[43]。

Thompson[14,17]通過(guò)詳細(xì)地分析輕烴的地球化學(xué)特征, 認(rèn)為輕烴的烷基化程度會(huì)隨著成熟度的增加而增加, 據(jù)此定義了正庚烷值和異庚烷值, 并利用兩個(gè)值進(jìn)一步劃分了原油的成熟度階段。程克明等[44]針對(duì)我國(guó)中新生界有關(guān)陸盆凝析油及原油進(jìn)行了分析, 按照兩個(gè)值劃分為了生物降解油、成熟油、高成熟油以及過(guò)成熟油4個(gè)階段。雖然兩個(gè)值會(huì)受到生物降解等的影響, 但可以較為客觀地反映原油的成熟度[45]。經(jīng)計(jì)算, 由表2和圖5a可知, 塔里木盆地順北地區(qū)原油的庚烷值為32.29%～41.04%,異庚烷值為1.25～4.48, 處于高成熟-過(guò)成熟階段, 與前述Pr/C17-Ph/C18判識(shí)圖所獲得結(jié)果一致。前人研究結(jié)明, 塔中地區(qū)的原油庚烷值大于30%, 異庚烷值也大于2.0, 與順北地區(qū)原油具有相似的熱成熟度[47]。

圖5 塔里木盆地順北地區(qū)原油庚烷值、異庚烷值分布特征(a)及次生蝕變判識(shí)圖(b) (據(jù)文獻(xiàn)[17, 44, 46])

Fig.5 Sketch map of the heptane and the isoheptane parameters (a) and the secondary alteration of the crude oils in the Shunbei area, Tarim Basin(b) (after references [17, 44, 46])

TOL-甲苯; MCH-甲基環(huán)己烷。

油氣成藏后有可能經(jīng)歷各種次生蝕變作用, 如生物降解、熱裂解、水洗、氣侵蒸發(fā)分餾和熱硫酸鹽還原作用等[48]。雖然在全球范圍內(nèi), 原油輕烴Mango指數(shù)值具有不變性, 介于1左右[22]。但塔里木盆地下古生界海相原油研究表明, 受熱硫酸鹽還原作用改造原油具有顯著高的值[49]。順北地區(qū)原油輕烴值范圍為0.92～1.13, 未出現(xiàn)顯著升高, 從一個(gè)側(cè)面反映該區(qū)域深部油藏并未受到顯著熱硫酸鹽還原作用影響。Thompson[46]利用C7/MCH與TOL/C7值描繪了原油遭受不同次生蝕變作用后輕烴的演化路徑。如圖5b所示, 熱成熟過(guò)程主要控制了該區(qū)域原油中輕烴的演化, 而非蒸發(fā)分餾作用、水洗作用以及生物降解作用。

由于熱成熟度是該區(qū)域控制原油性質(zhì)的主要因素, 因此, 無(wú)論是干酪根高溫裂解, 還是油藏原油熱裂解, 原油普遍表現(xiàn)為芳香度增加。本研究對(duì)原油中苯系物進(jìn)行了系統(tǒng)鑒定[50-51], 并構(gòu)建了基于C2取代苯(C2-B)和C3取代苯(C3-B)的芳構(gòu)化程度參數(shù): C2-B/C8和C3-B/C9, 其中C2-B是4個(gè)異構(gòu)體的總和, C3-B是8個(gè)異構(gòu)體的總和。理論上, 同等生源條件下該比值越大, 指示芳構(gòu)化程度越高, 熱成熟度越高[52]。為了便于比較, 本研究以YG2井和SN1井作為2個(gè)端元參照系, 其中YG2井是典型的奧陶系內(nèi)幕油藏, 為具有寒武系生源的原生油藏, SN1井原油代表了經(jīng)歷強(qiáng)烈熱裂解作用的高過(guò)成熟度原油, 原油富集環(huán)烷烴和芳香烴, 特別是苯系物具有較高的含量[52-54]。由圖6可見, 順北地區(qū)原油芳構(gòu)化程度遠(yuǎn)小于SN1井, 其中SB5井區(qū)原油與YG2井原油的芳構(gòu)化程度較為相似, 表明熱成熟度相對(duì)較低, 與其高的原油密度一致(表1)。而其他區(qū)塊的熱成熟度則介于2個(gè)端元之間。盡管SB7井原油可能在生源上有別于該區(qū)域其他原油, 但相對(duì)較低的單芳化合物分布進(jìn)一步暗示陸相烴源巖的成烴貢獻(xiàn)可能性很小, 熱成熟度也相對(duì)較低。

圖6 塔里木盆地順北地區(qū)原油芳構(gòu)化程度判識(shí)圖

3.3 輕烴分子碳同位素組成特征及其指示意義

輕烴單體烴碳同位素組成可作為可靠的原油成因判識(shí)指標(biāo), 尤其對(duì)于凝析油與輕質(zhì)油更為有效。圖7選取了順北地區(qū)代表性原油樣品的輕烴單體碳同位素值進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示, 原油C6～C7輕烴中正己烷(C6)以及正庚烷(C7)的碳同位素值介于?32.8‰ ～ ?29.6‰和?32.4‰ ～ ?30.7‰之間, 在區(qū)域上表現(xiàn)為海相原油特征[55-56], SB7井原油輕烴單體碳同位素值與其他井原油輕烴單體碳同位素值接近,再一次暗示陸源生烴貢獻(xiàn)可能性很小。支鏈烷烴中3-甲基己烷(3-MH)的碳同位素范圍為?29.6‰ ～ ?27.4‰。環(huán)烷烴中甲基環(huán)戊烷(MCP)、環(huán)己烷(CH)、甲基環(huán)己烷(MCH)碳同位素值分別介于?29.0‰ ～ ?27.1‰、?31.4‰ ～ ?29.1‰和?31.8‰ ～ ?29.5‰之間。芳烴中甲苯(TOL)碳同位素值為?29.5‰ ～ ?27.4‰?？傮w上順北地區(qū)深層原油輕烴分子碳同位素值與前人在塔中地區(qū)原油研究一致[56]。

順北地區(qū)原油并未經(jīng)歷蒸發(fā)分餾作用、水洗作用以及生物降解作用, 但由于埋深大, 屬于高溫高壓油藏, 因此, 對(duì)于原油是否經(jīng)歷了熱裂解是勘探重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。理論上, 原油遭受熱裂解時(shí), 由于12C—12C、12C—13C與13C—13C之間的鍵能不同, 這3類鍵的斷裂方式也不同, 鍵能最小的12C—12C先斷裂, 其次是12C—13C, 最后是13C—13C, 所以原油裂解環(huán)化、芳構(gòu)化是一個(gè)明顯的13C富集過(guò)程, 而干酪根裂解不發(fā)生碳同位素的分餾[24]。考慮到在原油的采集、儲(chǔ)存以及實(shí)驗(yàn)室樣品處理的過(guò)程中, 較輕的組分極易揮發(fā), 會(huì)引起輕烴分子碳同位素分餾。肖七林[57]通過(guò)自然揮發(fā)實(shí)驗(yàn)提出, 在C5～C8輕烴餾分中, 直鏈烷烴、支鏈烷烴和芳香烴的穩(wěn)定碳同位素受自然揮發(fā)影響較大, 環(huán)烷烴的13C值受自然揮發(fā)影響較小, 具有應(yīng)用潛力。因此, 本研究將同時(shí)分析原油芳構(gòu)化程度指數(shù)和甲基環(huán)己烷碳同位素, 試圖揭示順北深層原油是否遭受過(guò)熱裂解改造。

圖8綜合考慮了芳構(gòu)化程度指標(biāo)(C3-B/C9)和甲基環(huán)己烷碳同位素值(13CMCH)。由圖8和表2可以得出, 順北地區(qū)原油13CMCH值介于?32.5‰ ～ ?29.5‰之間, 普遍輕于SN1井原油的13CMCH值(13CMCH= ?28.6‰), 其中, SB7井原油13CMCH值最重, 為?29.5‰, 其次是SB3井原油,13CMCH值為?29.9‰, SB7井、SB3井與SN1井原油的13CMCH絕對(duì)值之差相對(duì)較小, 分別為0.9‰和1.3‰。13CMCH值最輕的是SB1-6井原油, 為?32.5‰, 比SN1井原油的13CMCH值輕3.9‰。由于SN1井原油較重的13CMCH值指示了原油經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的熱裂解[52-54], 據(jù)此可以初步認(rèn)為, 除SB3井原油和SB7井原油以外, 順北地區(qū)其余原油樣品整體上未遭受強(qiáng)烈的熱裂解。SB3井雖然位于順北1號(hào)次級(jí)斷裂帶, 但是SB3井原油與SB1井區(qū)原油在13CMCH值上表現(xiàn)出略為不同的趨勢(shì), SB3井原油和SB7井原油是否經(jīng)歷過(guò)輕微的熱裂解需要進(jìn)一步確認(rèn)。SB1井區(qū)原油13CMCH值為?32.5‰ ～ ?30.2‰, SB2井原油13CMCH值為?31.0‰, SB5井區(qū)原油δ13CMCH值為?30.1‰左右, 在儀器測(cè)試誤差范圍內(nèi), 可以認(rèn)為無(wú)顯著性差異, 均與YG2井原油13CMCH值(13CMCH= ?31.3‰)比較接近。YG2井原油作為未遭受熱裂解的端元原油代表[52], 與上述井區(qū)原油的13CMCH值呈現(xiàn)出較為良好的一致性, 進(jìn)一步確定了SB1井區(qū)、SB2井以及SB5井區(qū)原油未遭受熱裂解這一事實(shí)。原油芳構(gòu)化程度指數(shù)選取了C3-B/C9, YG2井原油C3-B/C9值為0.68, 與SB5井區(qū)原油C3-B/C9值(C3-B/C9=0.65～0.86)非常相似, 相比之下, SB1井區(qū)原油及SB2井原油的C3-B/C9值(C3-B/C9分別為1.02～1.30、1.20)稍偏高。綜合13CMCH值與C3-B/C9值, 認(rèn)為SB1井區(qū)、SB2井和SB5井區(qū)原油屬于干酪根熱解成烴產(chǎn)物, 未遭受顯著的熱改造作用。SB3井原油不僅13CMCH值相對(duì)較重(13CMCH= ?29.9‰), C3-B/C9值也相對(duì)較高(C3-B/C9=1.28), 推測(cè)原油可能遭受了輕微的熱裂解。SB7井原油雖然13CMCH值(13CMCH= ?29.5‰)較重, 但C3-B/C9值相對(duì)較低(C3-B/C9=0.53), 顯然與經(jīng)受熱裂解原油不符, 是否與烴源或其他次生蝕變過(guò)程(如運(yùn)移分餾)有關(guān)仍需進(jìn)一步研究。

圖7 順北地區(qū)不同原油樣品同一輕烴單體碳同位素值

MCP-甲基環(huán)戊烷; TOL-甲苯; 3-MH-3-甲基己烷; CH-環(huán)己烷; MCH-甲基環(huán)己烷。

圖8 塔里木盆地順北地區(qū)原油裂解程度判識(shí)圖

4 ?結(jié) 論

(1) 塔里木盆地順北深層原油熱演化程度高, 為輕質(zhì)油-凝析油階段成烴產(chǎn)物, 輕烴組分與正構(gòu)烷烴分布特征揭示未受生物降解和氣侵分餾作用影響。

(2) 原油中苯系物分布及甲基環(huán)己烷分子碳同位素組成顯示, 順北深層不同井區(qū)原油在后生成因上存在一定差異。根據(jù)C2-B/C8與C3-B/C9比值以及C3-B/C9與13CMCH圖解, 提出順北1井區(qū)(SB1井區(qū))、順北2井(SB1井)和順北5井區(qū)(SB5井區(qū))原油屬于正常干酪根熱降解成烴產(chǎn)物, 未受顯著熱改造作用影響; 順北3井(SB3井)原油可能受輕微熱改造作用影響。

(3) 順北7井(SB7井)原油高的姥植比、甲基環(huán)己烷重碳同位素和低的芳構(gòu)化特征, 指示可能具有特殊的成烴來(lái)源或成藏改造過(guò)程, 成因有待進(jìn)一步研究。

浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院的何丁研究員、朱長(zhǎng)鳳同學(xué)在全油氣相色譜、同位素比值質(zhì)譜測(cè)試實(shí)驗(yàn)中給予了幫助。同時(shí), 審稿專家與編輯的辛勤付出, 提高了論文的質(zhì)量, 筆者在此一并表示衷心感謝。

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Molecular carbon isotopic compositions of light hydrocarbons in crude oils from deepburied reservoirs in the Shunbei area, Tarim Basin, and implications for oil genetic types

KONG Li-shu1, LU Qing-hua2, HE Yu-xin1, GU Yi2and SUN Yong-ge1*

1. Organic Geochemistry Unit, School of Earth Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Wuxi Institute of Petroleum Geology, Petroleum Exploration and Production Research Institute, SINOPEC, Wuxi 214126, China

Assessment of oil genetic types in deep buried reservoirs, which are under high temperature and pressure, has been one of the main challenges in deep petroleum exploration. Ordovician oils, found at a depth of 7300-8000 m in the Yingshan Formation and the Yijianfang Formation in the Shunbei area of the Tarim Basin in northwest China, provide an opportunity to probe the genetic types within a geochemical background. We systematically examined the compositions of the light hydrocarbons and the stable carbon isotopes of individual compounds in the crude oils from the Shunbei area. The results showed that the deep-buried oils were light oils and condensates, and had experienced high thermal maturation. We showed that the crude oils in the Shunbei area were either not affected or slightly affected by thermal alteration, in comparison with thermal cracking oils in adjacent areas. However, there were differences among the crude oils from the Shunbei area. The crude oils from the Shunbei 1, Shunbei 2, and Shunbei 5 Wells were kerogen thermally degraded products, whereas the oil from the Shunbei 3 Well probably experienced slight thermal alteration. As indicated by a relatively high pristane/phytane ratio, heavy carbon isotopic compositions of methylcyclohexane, and low aromatization characteristics, the crude oils from the Shunbei 7 Well might be from a special source and/or have experienced secondary alterations.

molecular carbon isotope of light hydrocarbons; deep-buried oil reservoirs; thermal cracking oils; Shuntuoguole; Tarim Basin

P593; TE122

A

0379-1726(2021)03-0261-12

10.19700/j.0379-1726.2021.03.004

2019-06-23;

2019-09-30;

2019-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(42030803)

孔麗姝(1995-), 女, 碩士研究生, 地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: konglishu@foxmail.com

Corresponding author): SUN Yong-ge, E-mail: ygsun@zju.edu.cn; Tel: +86-571-87951336