準噶爾盆地吉木薩爾凹陷頁巖油地球化學特征及油—源對比

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重慶市重點實驗室，重慶 401331； 4. 江蘇省有色金屬華東地質勘查局，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，可以提供有機質來源、沉積環境、成熟度和生物降解等方面信息[1-4]。隨化學分析技術的不斷革新，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，在應用過程中，需要綜合多種生物標志參數并結合地質背景得到客觀真實的結果。隨常規石油資源的枯竭，頁巖油成為非常規石油勘探開發的重點和熱點[10]。生物標志化合物成熟應用于常規油氣勘探，在致密油及頁巖油中的應用相對較少。韓雨樾等[11]研究四川盆地北緣下寒武統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，構建研究區古海洋模型。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系，建立表征頁巖油可動性分子地球化學評價參數模型。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油—源對比與成藏非均質性。王浩力[14]分析烴源巖生物標志化合物，結合電加熱中溫度場的數值模擬，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是中國首個國家級頁巖油示范區，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—質譜分析技術(GC—MS)，基于生物標志化合物譜圖特征分析和參數對比，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提供依據。

1 區域地質概況

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)。吉木薩爾凹陷經歷海西、印支、燕山和喜馬拉雅等構造運動，但凹陷內構造活動相對較弱，缺乏構造圈閉[16-17]。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組頂部構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)，原始沉積環境為殘留海封閉后的咸化湖盆，發育半深湖—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巖、白云巖和灰巖3種類型，有機質豐度高，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量分數大于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泥巖，原油樣品主要為中質原油。由表1可以看出，蘆草溝組一段和二段原油物理性質存在明顯差異。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；蠟質量分數為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；蠟質量分數為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、蠟質量分數高的特征。

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

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在旋轉蒸發儀上濃縮至3～5 mL，在不超過40 ℃溫度時自然揮發干，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，濾液通過旋轉蒸發儀濃縮至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、芳香烴和膠質組分[21]。

2.2.3 GC—MS分析

選用美國安捷倫7890色譜儀、5975質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境、有機質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量分數較高，為58.91%～66.76%，平均為63.91%；芳香烴質量分數為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量分數相對較低，為41.40%～54.29%，平均為47.42%；芳香烴和膠質質量分數相對增加，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烷烴GC—MS色譜(m/z=85)

蘆草溝組一段和二段原油正構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)質量分數明顯高于正構烷烴的，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。

正構烷烴的奇碳數和偶碳數的相對豐度可以初步評價原油的熱成熟度，常用的是碳優勢指數(CPI)和奇偶優勢(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境相對較還原[4]。Pr/nC17和Ph/nC18的相關關系見圖3。由圖3可以看出，蘆草溝組原始沉積環境整體較還原，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

圖3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油樣品Pr/nC17和Ph/nC18相關關系(據文獻[4]修改)

3.3 生物標志化合物

甾烷和三環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，蘊藏原油沉積環境、母質來源、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藿烷質量分數具有絕對優勢，C19～C21三環萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷質量分數隨碳數的升高而逐漸降低，C24四環萜烷質量分數相對較高(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體現一致性(見表2)。其中蘆草溝組二段C24四環萜烷/C26三環萜烷為0.97，伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.13，Ts/(Ts+Tm)平均為0.10，三環萜烷/藿烷平均為0.19；蘆草溝組一段C24四環萜烷/C26三環萜烷為0.98，伽馬蠟烷/C30藿烷平均為0.14，Ts/(Ts+Tm)平均為0.08，三環萜烷/藿烷平均為0.22。C24四環萜烷及伽馬蠟烷質量分數表明蘆草溝組沉積時的水體鹽度不高[25]，為弱咸水沉積環境；Ts/(Ts+Tm)和三環萜烷/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中，C29藿烷/C30藿烷體現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萜烷GC—MS色譜(m/z=191)

蘆草溝組原油C27～C29規則甾烷呈“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]；孕甾烷質量分數高于升孕甾烷的(見圖5)。由表2可知，蘆草溝組一段、二段以規則甾烷為主，質量分數平均分別為91.16%和90.58%；重排甾烷質量分數平均分別為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，為微咸水環境[4]。此外，蘆草溝組C27～C29規則甾烷分布特征一致，但質量分數存在一定差異(見表2)。相比蘆草溝組一段，蘆草溝組二段原油C27規則甾烷質量分數更高，C29規則甾烷質量分數相對較低，C27規則甾烷/C29規則甾烷和C28規則甾烷/C29規則甾烷平均分別為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C27～C29甾烷質量分數分布特征，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)區域，小部分蘆草溝組二段樣品投點在Ⅳ(混合來源)區域(見圖6)，表明蘆草溝組原油母質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數據一致(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、膠質和瀝青質質量分數相似，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甾烷質量分數三角圖

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

4.2 正構烷烴和類異戊二烯烷烴

對比正構烷烴和類異戊二烯烷烴數據，蘆草溝組一段和二段原油與烴源巖具有良好的親緣關系。首先，蘆草溝組一段和二段烴源巖正構烷烴主峰碳數表現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相關參數體現差異性，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，蘆草溝組一段和二段原油與烴源巖具有良好的親緣關系。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0.12，三環萜烷/藿烷平均為0.18，C29藿烷/C30藿烷平均為0.57，C19三環萜烷/C23三環萜烷平均為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0.09，三環萜烷/藿烷平均為0.25，C29藿烷/C30藿烷平均為0.72，C19三環萜烷/C23三環萜烷平均為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C24四環萜烷/C26三環萜烷存在較大差異，蘆草溝組二段和一段烴源巖C24四環萜烷/C26三環萜烷平均分別為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C24四環萜烷質量分數高于同層位原油的，可能是由成熟度差異導致的。隨烴源巖成熟度的增加，具有較高熱穩定性的C24四環萜烷質量分數隨之增加，造成烴源巖與已排出原油之間C24四環萜烷質量分數的差異[4]。此外，蘆草溝組烴源巖和原油在三環萜烷譜圖分布存在差別，蘆草溝組原油C19～C21三環萜烷呈“上升型”分布，蘆草溝組烴源巖有近一半樣品C19～C21三環萜烷呈“∧型”分布，C21三環萜烷質量分數略低于C20三環萜烷的。

蘆草溝組一段和二段烴源巖甾烷質量分數及相關參數與同層位原油也基本一致，規則甾烷質量分數占絕對優勢，分別為89.47%和90.64%；重排甾烷質量分數分別為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規則甾烷質量分數明顯高于一段烴源巖的，C27規則甾烷/C29規則甾烷和C28規則甾烷/C29規則甾烷平均分別為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

根據選取典型生物標志化合物參數相關關系，厘清蘆草溝組一段和二段的油—源關系(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甾烷相對質量分數三角圖

圖9 吉木薩爾凹陷蘆草溝組原油及烴源巖C27規則甾烷/C29規則甾烷與Ph/nC18關系

5 結論

(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，蠟質量分數、飽和烴質量分數高的特征。

(2)蘆草溝組正構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質量分數明顯高于正構烷烴的；蘆草溝組一段和二段原油萜烷分布特征相似，為C30藿烷質量分數占絕對優勢，C19～C21三環萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷質量分數隨碳數的升高而逐漸降低，伽馬蠟烷質量分數相對較低，C24四環萜烷質量分數相對較高。

(3)蘆草溝組原油規則甾烷質量分數高于重排甾烷的，C27～C29規則甾烷呈“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甾烷質量分數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，烴源巖原始沉積環境為較還原的微咸水環境，母質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境偏氧化。