牛心坨油田中生界原油地球化學特征及油源對比

王 楊

(中國石油遼河油田分公司,遼寧 盤錦 124010)

牛心坨油田坨32塊具備油氣成藏基本地質條件,鉆探證實油井具有一定產能,但還存在著如下地質問題:一是新發現坨32、坨33井中生界油層的油源不清楚;二是如果存在中生界油源,那么中生界的母源在什么部位,其資源潛力有多大?三是本區下第三系資源潛力如何?本文除采用常規的有機地化分析指標對該地區進行有機質豐度、有機質成熟度及有機質母質類型研究外,還采用了色譜/質譜、雙質譜、含氮化合物、碳同位素δ13C等新方法,對烴源巖有機地球化學特征作了研究,并重點在油-巖和油-油對比研究方面作了探討。

1 地質概況

1.1 構造特征

自燕山運動本區進入區域性構造活動期,早第三紀古新世晚期,地幔拱張,地殼塊斷,沿張家街大斷裂玄武巖噴發,始新世時期(S4)地殼開始沉降,形成高升“隆起”、陳家洼陷、臺安洼陷和牛心坨洼陷等構造單元[1]。始新世末和漸新世初(S3)發生較強的斷裂活動,沉降幅度可達1 000 m以上,沙三段末期又抬升遭受剝蝕。沙一段時期盆地穩定沉降,東營時期再次較大幅度沉降,而北部牛心坨構造快速抬升,致使沙一段和沙三段上部地層遭受剝蝕,至漸新世末基本上停止了拉張運動。因此本區的構造特點是正逆斷層交錯存在,斷裂活動的分期性及分段性,造成不同構造演化階段及不同洼陷烴源巖分布具有明顯的差異。

1.2 地層特征

本區的地層從老至新發育比較完整,太古界主要為混合花崗巖,元古界為白云巖、石英砂巖和變余石英巖,中生界地層主要分布在牛心坨洼陷北部和張家街西北部的宋家洼陷,由可疑沙四段、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段及東營組組成下第三系,館陶組、明化鎮組則組成上第三系。沙四段是本區的主要含油層段,沙四段下部主要發育牛心坨油層,沙四段中部主要發育高升油層,沙四段上部主要發育杜家臺油層[2]。

1.3 沉積特征

本區早第三紀早期屬大陸濕熱氣候,沙四時期玄武巖噴發后,進入裂谷盆地早期裂陷階段,地殼緩慢沉降、高升“隆起”的兩側相對沉陷,形成陳家洼陷、臺安洼陷的初始形態及牛心坨洼陷[3]。依其沉降的大小,三個洼陷相應為湖灣、湖灣-淺湖和湖相環境,橫向上沉積環境由南至北逐漸變差?？v向上陳家沙四、沙一為強還原相,陳家沙三、臺安沙一、沙三及牛心坨中生界為還原偏弱還原相,宋家中生界、牛心坨沙四為弱還原相,其它層段屬于弱氧化—氧化相。

2 烴源巖特征

沙一、二段—東營組埋藏較淺且分布局限,暗色泥巖多分布在生油門限之上,未成熟,不能作為有效烴源巖,烴源巖主要為下第三系的沙三段～沙四段,中生界暗色泥巖在宋家凹陷比較發育。沙三段的沉積北薄南厚,中心在陳家凹陷,暗色泥巖最大厚度可達1 000 m。沙四段沉積北厚南薄,沉積及沉降中心主要分布在牛心坨地區,沉積厚度最大1 434 m(坨25井未鉆穿),暗色泥巖沉積厚度300～800 m,單層最大厚度可達到249 m。

2.1 有機質豐度

從縱向看,本區烴源巖S4段有機碳含量、氯仿瀝青A含量、總烴含量以及生油潛量均較高,屬于好—良好生油巖。其中陳家S4、臺安S4、高升地區S4中段、牛心坨地區S4下段最好,高升地區S4上、牛心坨地區S4中為好生油巖,高升地區S3為中等生油巖,牛心坨地區S4上、S3段為差生油巖。從橫向上,由于各凹陷構造演化特征不同,造成各凹陷的湖盆形成時期、持續時間、湖盆大小及水體深度等都有差異,致使烴源巖的有機質豐度及類型等指標有所差異,相同層位烴源巖以陳家凹陷最好,其次是牛心坨凹陷,較差是臺安洼陷和宋家凹陷(見表1)。

2.2 有機質母質類型

本區烴源巖母質類型以Ⅱ1～Ⅱ2型為主。從橫向看,陳家凹陷類型最好,以Ⅱ1型居多;牛心坨凹陷是Ⅱ1～Ⅱ2型。從縱向看,S4下、S4中湖相-湖灣環境發育的泥巖、白云質泥巖、油頁巖等有機質類型較好,以Ⅰ型、Ⅱ1型為主;其次,高升地區S4上湖相、扇三角洲相發育的泥巖,有機質類型以Ⅱ1、Ⅱ2型為主;牛心坨地區S4上以及S3段扇三角洲～淺湖沉積的泥巖有機質類型較差,以Ⅲ型為主(見表2)。

2.3 有機質成熟度

西部凹陷北部地區有機質的Ro、Tmax、20S/(20S+20R)、22S/(22S+22R)等指標偏低,熱演化程度偏低,屬于低成熟至成熟階段[4]。其中高升地區成熟門限深度在2 465 m 左右,臺安凹陷沙四段至沙三段下部的烴源巖基本上在低熟—成熟階段,牛心坨地區成熟度在1 800 m(或沙四中段以下)左右,其北部沙四段烴源巖為低熟～成熟烴源巖,而南部沙三段底界埋深一般>3 200 m,所以,沙四段及沙三段中、下部烴源巖進入了低熟—成熟門限(見表3)。從烴源巖的成熟度來看,牛心坨凹陷的油氣主要源于沙四段烴源巖,高升北部臺安地區的油氣主要源于沙三段與沙四段烴源巖,高升南部地區的油氣源于陳家凹陷的沙三、沙四段烴源巖。

表1 西部凹陷北部地區有機質豐度參數

表2 西部凹陷北部地區干酪根顯微組分特征

表3 西部凹陷北部地區有機質熱演化參數

3 可溶有機質生物標志物特征

3.1 正構烷烴系列

烴源巖中正構烷烴從nC13～nC39均有分布,峰形有多種形態,以前高雙峰和后高雙峰形態為主,指示了該地區有機質以菌藻類低等水生生物及高等植物雙重生源輸入的特征。

3.2 類異戊二烯烷烴系列

該地區的植烷系列是在飽和烴餾份中占絕對優勢的類異戊二烯烷烴化合物,其姥植比普遍小于1或在1左右,即偏氧化沉積環境,其它井段都顯示出強的植烷優勢,即強還原的咸水沉積環境;沙四上段和沙三段、甚至中生界也是這樣,大多數姥植比值小于1或在1左右,表明該地區沉積環境為強還原的咸水沉積環境,而且相對較為穩定。

3.3 三環萜烷系列和四環萜烷

該地區的烴源巖有機質飽和烴餾份中,三環萜烷系列是比較常見的生物標志物,雖然C24四環萜烷在烴源巖中不常見,但在原油中也有較高的含量,而且不同層位的烴源巖和原油其三環萜烷系列和四環萜烷的分布與組成特征也存在一定差異。烴源巖中的C21和C23的相對豐度大于C19和C20,個別樣品C23的相對豐度遠大于C19和C20,而且C24四環萜烷的含量極少或沒有,具有長鏈三環萜烷的C28和C29的含量也較高,表明該地區烴源巖的沉積環境為湖相,沉積水體較深,還原性較強,低等生物如菌藻類的供應較充分。原油的三環萜烷分布特征與烴源巖基本相似,但原油中較高含量的C24四環萜烷與原油生成后發生降解有關[5]。

3.4 三萜烷

該地區烴源巖及原油有機質飽和烴餾份中的(五環)三萜烷包括C27～C35藿烷系列、重排藿烷、新藿烷、伽馬蠟烷以及奧利烷等幾類生物標志物,其中藿烷系列是三萜烷中的主體?？傮w上看,沙四段三萜烷系列的分布特征均有一定的可比性,表現為C30藿烷是三萜烷系列中的主要成員,其次是C29降藿烷、C31升藿烷和伽馬蠟烷。原油中三萜烷的分布特征與烴源巖的分布特征有很大的相似性,主要成員都是藿烷和降藿烷,但原油中增加了不同程度的重排藿烷。在中生界的原油中,伽馬蠟烷的相對含量也豐富,和中生界烴源巖中的伽馬蠟烷分布很相似。此外,中生界原油中奧利烷的含量很少或沒有,而沙四原油及太古界原油中奧利烷的含量相對較豐富。

3.5 甾烷系列

該地區甾烷系列主要由C27～C29規則甾烷組成,而C27重排甾烷和C30膽甾烷以及C21～C22孕甾烷的相對豐度較低。甾烷的分布主要有三種類型:即V—反L型C28 C29> C28三種類型。沙四段、太古界原油中規則甾烷的分布主要以斜坡型C27

4 油源對比

油源對比目的在于追蹤儲層中油氣的來源,目前所用的方法主要是正構烷烴碳數分布特征、生物標志物組成特征和穩定碳同位素組成分析[6]。

4.1 正構烷烴分布及類異戊二烯烷烴特征

4.2 甾、萜烷等生標化合物特征

甾、萜烷烴的相對含量和立體構型特征主要受有機質母源輸入條件、沉積環境和有機質熱演化程度的共同控制[7],可以根據甾、萜烷系列化合物分布規律進行油源對比,其中生物標志物多因素對比、系列組分指紋圖對比以及各參數相關圖對比是最有效手段。

1)規則甾烷原始構型(20R)化合物碳數分布。規則甾烷原始構型的碳數分布能夠靈敏地反映烴源巖的母質特征,確定原油、烴源巖之間成因聯系[8]。該地區烴源巖規則甾烷的分布主要有三種類型:即V—反L型C28 C29> C28(坨24中生界)三種類型。原油規則甾烷的分布有太古界和沙四段直線斜坡型C27

2)萜烷分布特征。牛心坨地區烴源巖及原油萜烷的分布有以下特征:沙四段(坨35-33)和太古界(坨12)的油源是一致的,而中生界的原油(坨32和坨33)相互間有很強的可比性。此外,在沙四和太古界原油里還檢測到代表成熟度較低的ββ藿烷。從巖-巖對比來看,沙四段烴源巖的萜烷分布相互之間相似,坨32中生界烴源巖含有較豐富的三環萜烷和伽馬蠟烷,其相對較豐富的伽馬蠟烷和坨24井中生界的烴源巖相似。從油-巖對比上看,沙四段的原油和烴源巖相似,而坨32的中生界原油和中生界烴巖有可比性,坨24中生界烴源巖和中生界原油的共同點是伽馬蠟烷含量較高。

3)生物標志物多因素綜合對比。影響生物標志物組成的因素是十分復雜,任何單一指標判斷烴源巖與原油具有親緣都具有局限性[9],在巖-巖、油-油、及油-巖對比中,把源巖參數、成熟度參數及沉積環境參數結合起來應用,如伽馬蠟烷/藿烷與伽馬蠟烷/C31(S+R)、Ts/Tm與C29/C29Ts、重排藿烷/藿烷與C29/C29Ts、重排藿烷/藿烷與伽馬蠟烷/藿烷等,可以取得較好的對比效果,中生界原油與中生界烴源巖之間均具有相近的參數分布(見圖1)。沙四和太古界的原油參數分布相近,且與沙四的烴源巖具有可比性,但中生界烴源巖與沙四烴源巖、中生界原油與沙四及太古界原油沒有可比性(見圖2)。

4.3 原油中性氮化合物組成特征

原油中性含氮化合物是一種極性組份,在原油運移成藏的過程中,隨著運移距離的增加,原油中咔唑類化合物將發生規律性變化[10]。中生界原油與牛心坨凹陷沙四段原油中性含氮化合物烷基咔唑含量數據和屏蔽參數比值存在較大差異(見表4),中生界原油烷基咔唑屏蔽參數和烷基化參數從坨33井向坨32井呈逐漸增加的趨勢,同時烷基靠近N—H官能團的衍生物(如1,8-二甲基咔唑)與烷基遠離N—H官能團的衍生物(如2,4-二甲基咔唑)之間的相對比例a/c值降低,其變化規律與來自沙四的原油沒有延續一致的變化趨勢。利用苯并咔唑a/c比值也可以預測運移距離,距離越遠比值越小,坨32、坨33較高的苯并咔唑相對含量和a/c比值至少可以證明坨32、坨33井原油不是從遠距離的牛心坨凹陷沙四段運移而來的。另外,宋2井原油與坨32、坨33井原油具有相似的較高比例苯并咔唑特征,不同于牛心坨沙四段原油。

表4 原油中性含氮化合物C0-C3取代烷基咔唑和苯并咔唑的相對含量及比值

4.4 穩定同位素特征

沙四段烴源巖的飽和烴與干酪根δ13C平均值分別為-27.25‰和-26.7‰,中生界源巖的飽和烴和干酪根平均值分別為-29.63‰和-29.0‰,沙四源巖有機質比中生界源巖有機質富重碳同位素13C。中生界原油的碳同位素相近且平均值為-29.68‰,接近于中生界源巖同位素值(-29.63‰和-29.0‰)且略輕,表明中生界原油與中生界源巖具有較好相關性。而與沙四段烴源巖同位素值(-27.25‰和-26.7‰)差距相對較大,說明中生界原油與沙四源巖有機質存在差異,不具親緣關系。同位素分析與生標研究結論一致,即中生界的原油不同于沙四和太古界的原油,沙四和太古界的原油來源于沙四段烴源巖,中生界的原油來源于中生界的烴源巖。

5 結論

1)牛心坨凹陷烴源巖有機質豐度以沙四段為最好,而坨32塊中生界烴源巖的生油指標較差,生油潛力有限。

2)本區烴源巖母質類型以Ⅱ1～Ⅱ2型為主,烴源巖中的有機質成熟度偏低,屬于低熟-成熟這一演化階段。

3)牛心坨沙四段及太古界的原油來自牛心坨凹陷中心的沙四段烴源巖,而中生界的原油不同于沙四段及太古界的原油,油源來處于中生界,屬于自生自儲,但油源有限。

4)牛心坨中生界坨32、坨33井原油與宋家凹陷中生界宋2井原油具有相似的成熟度、穩定碳同位素特征、甾萜烷分布特征以及較高苯并咔唑比例,這些特征不同于牛心坨凹陷的沙四段烴源巖和原油。