渤海灣盆地南堡凹陷2號構造帶油氣地球化學特征與來源*

劉 華 魏 鑫 歐陽冠宇 劉景東 陳 蕾 劉海青 孟祥雨

(1. 中國石油大學(華東)地球科學與技術學院 山東青島 266580; 2. 中國石油冀東油田分公司 河北唐山 063004)

渤海灣盆地南堡凹陷2號構造帶為一個正向構造帶,其臨近的林雀和曹妃甸洼陷均發育沙三段、沙一段和東三段3套有效烴源巖層系[1-7],油氣資源豐富。前人初步揭示了東一段及以上層系的油氣成因來源,明確了沙河街組和東三段烴源巖對源上層系油氣的貢獻[3-6];而南堡凹陷2號構造帶油氣在源上、源內多層系分布,中深層油氣供烴層系和供烴位置尚未開展系統研究,缺乏油氣來源的整體認知,制約了油氣勘探進程。在前人研究基礎上,綜合地質與地化測試分析資料,結合油源對比和運移示蹤,明確了南堡凹陷2號構造帶的已發現含油氣層系油氣的來源,并進一步明確了油氣的供烴位置,指出有利油氣勘探區,為研究區的淺層精細勘探及深層勘探提供理論指導。

1 地質概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地的西北部,是在華北地臺基底上發育的新生代北斷南超箕狀凹陷,其油氣資源豐富[6-9]。南堡凹陷2號構造帶為南堡凹陷中南部的一個北東向正向構造帶,夾持于林雀洼陷和曹妃甸洼陷之間,發育西構造帶和東構造帶(圖1a)。其中西構造帶為北傾的斷階狀構造,東構造帶為北東向的地壘構造。鉆井揭示,研究區自下而上依次發育奧陶系、古近系沙河街組(包括沙三段、沙二段和沙一段)和東營組(包括東三段、東二段和東一段)、新近系館陶組和明化鎮組、第四系平原組。其中古近系沙三段、沙一段和東三段是主力烴源巖層系[7],奧陶系、古近系東一段、新近系館陶組和明化鎮組為主力含油層系(圖1b)。平面上,研究區油氣分布不均,主要分布于西構造帶,東構造帶只有少數井出油(圖1a)。

圖1 南堡凹陷2號構造帶油氣平面分布(a)及地層綜合柱狀圖(b)

2 樣品與測試方法

本次采集了研究區16個原油樣品,涉及西構造帶沙三段、東二段、東一段和明化鎮組4個含油層系以及東構造帶含油層系東三段(表1、圖1a)。

表1 南堡凹陷2號構造帶油氣地化分析數據表

本次地化測試在中國石油大學(華東)深層油氣重點實驗室開展,主要利用配置有HP-5MS UI毛細管柱(60 m·250 μm·0.25 μm)的安捷倫8890色譜儀和安捷倫Intuvo 9000-5977B質譜儀。原油用石油醚溶解過濾去除瀝青質組分后,采用柱層析法分離獲得飽和烴、芳香烴與非烴組分。對飽和烴與芳香烴餾分進行GC-MS分析,質譜儀在全掃描和選擇離子掃描模式下運行,載氣為氦氣,離子源溫度280 ℃。飽和烴和芳香烴組分采用了不同的色譜柱升溫程序:對于飽和烴組分,GC烘箱初始溫度設置為50 ℃,保持1分鐘后,以20 ℃/min的速率升溫至120 ℃,以3 ℃/min的速率升溫至310 ℃,保持25分鐘;對于芳香烴組分,GC烘箱的初始溫度設置為80 ℃,保持1分鐘后,以3 ℃/min的速率升溫至310 ℃,保持20分鐘。

3 原油地化特征與成因類型

3.1 原油族組成

南堡凹陷2號構造帶原油飽和烴、芳香烴和非烴+瀝青質含量在不同層位上存在差異。東三段及其下部層系的原油表現為高飽和烴含量(58.97%～82.52%)、低芳烴含量(6.08%～17.11%)和低非烴+瀝青質含量(6.13%～34.95%)的特征(圖2);東二段及其上部層系的原油則表現為低飽和烴含量(50.85%～66.53%)、高芳烴含量(10.33%～27.56%)和高非烴+瀝青質含量(15.27%～33.90%)的特征(圖2)。整體上,隨著層位變新,原油飽和烴含量變低,芳香烴和非烴+瀝青質含量增大。

圖2 南堡凹陷2號構造帶原油族組分特征

3.2 原油地球化學特征

研究區內原油的正構烷烴、類異戊二烯烴及甾萜烷特征存在一定的差異性,表明原油在沉積環境、母質來源及成熟度等方面存在明顯差異。

3.2.1沉積環境

姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)是最為常見的類異戊二烯烴,通常選取Pr/nC17、Ph/nC18、Pr/Ph等參數,來反映生源沉積環境、熱演化程度和次生變化等[10-11]。研究區原油Pr/Ph值主要為0.67～1.47,Pr/nC17值和Ph/nC18值分別為0.21～2.33和0.19～4.04,并且含硫量多小于0.4%,表明具有陸相原油的特征,有機質為Ⅱ型和Ⅱ—Ⅲ混合型,沉積環境為弱還原—還原條件的淡水—微咸水環境(圖3)。其中沙三段部分原油落到了海相原油區,表明其來自于沉積水體鹽度更高的層系。

注:圖版據文獻[12]。

前人分析表明,萜烷類化合物中伽馬蠟烷與水體鹽度有較好的對應關系[13-15]。研究區原油伽馬蠟烷含量存在差異:沙三段原油伽馬蠟烷含量最高,伽馬蠟烷/C30藿烷指數可達0.15～0.52;東三段原油伽馬蠟烷含量最低,伽馬蠟烷/C30藿烷指數為0.11～0.15;東二段、東一段和明化鎮組原油伽馬蠟烷含量中等,伽馬蠟烷/C30藿烷指數為0.17～0.27(圖4)。伽馬蠟烷含量特征表明,研究區沙三段原油來自于母質沉積時水體鹽度較高的層系,東三段原油的母質沉積時水體鹽度較低,而東二段、東一段和明化鎮組原油介于二者之間。

圖4 南堡凹陷2號構造帶原油飽和烴色譜-質譜圖

3.2.2母質來源

在C27—C29規則甾烷中,C27規則甾烷來源于水生生物和藻類,C28規則甾烷主要來源于硅藻、顆石藻,而C29規則甾烷來源于陸源高等植物,可以用來判斷有機質輸入和進行油源對比[16-18]。南堡凹陷2號構造帶原油C29規則甾烷相對含量普遍高于C27規則甾烷(圖5),但是不同層系相對含量仍有所差別,表明母質來源不統一。

圖5 南堡凹陷2號構造帶原油C27-C28-C29規則甾烷特征三角圖

沙三段原油C27規則甾烷/C29規則甾烷值為0.89～1.04,表現為C27規則甾烷與C29規則甾烷相對含量接近,存在水生生物和高等植物的共同輸入。

東三段原油表現為C29規則甾烷具有一定優勢,C27規則甾烷/C29規則甾烷值為0.84～0.95,表明原油母質中高等植物具有一定優勢。東二段及其之上原油中C29規則甾烷含量具明顯優勢,C27規則甾烷/C29規則甾烷值為0.62～0.79,表明高等植物輸入為主體的母質來源(圖5)。因此,沙三段原油母質中陸生高等植物輸入最少,東二段及其之上原油母質中高等植物輸入最多,東三段原油介于兩者之間。

3.2.3成熟度

正構烷烴通?？梢杂脕矸治鲈湍冈吹念愋?、形成環境、熱演化程度及次生變化等地質情況[19-22]。南堡凹陷2號構造帶原油正構烷烴特征相似,碳數分布在nC13—nC36之間,主峰碳分布范圍為nC15—nC19,均為單峰態前峰型分布(圖6)。CPI與OEP值分別為1.01～1.33和1.01～1.07,奇偶優勢較不明顯,說明原油已達到成熟[13]。

圖6 南堡凹陷2號構造帶典型原油正構烷烴特征

C29規則甾烷異構體的一些比值是常用的成熟度指標[23]。南堡凹陷2號構造帶原油C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.31～0.45,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.36～0.56,指示研究區原油總體為低熟—成熟原油[24-25],但是各層系原油成熟度存在差異。沙三段原油C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.39～0.41,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.42～0.54,成熟度最高;東二段、東一段和明化鎮組原油C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.31～0.37,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.36～0.41,原油成熟度最低;東三段原油C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.38～0.40,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.44～0.51,原油成熟度介于沙三段和東二段之間。

一般情況下,孕甾烷和升孕甾烷的熱穩定性比規則甾烷和重排甾烷強,隨著成熟度增加,甾烷易發生裂解形成孕甾烷與升孕甾烷,導致(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值會隨著成熟度升高而增大[26-28]。研究區沙三段原油孕甾烷和升孕甾烷含量最高,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值可達0.08～0.13,表明原油成熟度較高;東二段、東一段和明化鎮組原油孕甾烷和升孕甾烷含量最低,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.02～0.08,表明原油成熟度低;東三段原油孕甾烷和升孕甾烷含量介于上述兩者之間,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.04～0.08,原油成熟度居中。

因此,沙三段原油成熟度最高,東二段、東一段和明化鎮組原油成熟度最低,東三段原油介于兩者之間。

綜上所述,沙三段原油母質沉積時水體鹽度較高,陸生高等植物輸入最少,成熟度最高;東三段原油的母質沉積時水體鹽度最低,陸生高等植物輸入中等,成熟度中等;東二段、東一段和明化鎮組原油母質沉積時水體鹽度中等,陸生高等植物輸入最多,成熟度最低。東三段與東二段、東一段及明化鎮組原油沉積環境與母質來源對應關系較差,原油成因復雜,為多層系烴源巖供烴。

4 油源對比與原油來源

4.1 烴源巖地化特征

研究區及其臨近洼陷發育古近系沙三段、沙一段和東三段3套主力烴源巖層系。沙三段烴源巖主要由深湖、半深湖相頁巖和暗色泥巖組成,有機質豐度高,TOC為0.5%～3.5%,富含Ⅱ2型和Ⅲ型有機質,具有部分Ⅰ型與Ⅱ1型有機質,Ⅰ型與Ⅱ1型有機質含量較少,但其生油貢獻不容忽視[1]。沙一段烴源巖為湖泊三角洲—淺湖相灰色、深灰色和黑色泥巖,TOC為0.5%～2.5%,有機質類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主[2]。東三段烴源巖主要為深湖、半深湖相灰色、深灰色和黑色泥巖以及部分泥頁巖,TOC為0.5%～2.5%,有機質類型主要為Ⅱ1型和Ⅱ2型[2]。

研究區3套烴源巖中沙三段烴源巖成熟度最高(0.6%

表2 南堡凹陷2號構造帶附近烴源巖典型生物標志化合物參數對比

4.2 油源對比與油氣來源層系

結合原油C27、C28、C29規則甾烷分布、C29甾烷20S/(20R+20S)、C29甾烷ββ/(αα+ββ)、(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷等地球化學指標,分析原油成因類型與烴源巖背景,將原油分為三類。

4.2.1Ⅰ類原油

該類原油C27規則甾烷與C29規則甾烷相對含量接近(圖5),占比分別為35.0%～38.2%和36.8%～39.6%,C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.39～0.41,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.42～0.54,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.08～0.13(圖6)。表明其成熟度高,水生生物和高等植物均有一定量的輸入。該類原油特征與沙三段烴源巖相似(圖7、8),證明該類原油主要是沙三段烴源巖貢獻。該類原油分布于研究區NP203X31、NP280-43、NP280、NP280-11井的沙三段儲層中。

圖7 南堡凹陷2號構造帶C27-C28-C29規則甾烷分布油源對比圖

圖8 南堡凹陷2號構造帶油源對比交會圖

4.2.2Ⅱ類原油

該類原油C29規則甾烷含量具明顯優勢(圖5),C27規則甾烷和C29規則甾烷占比分別為29.2%和43.4%,C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.31,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.36,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.04(圖6),表明該類原油成熟度低且高等植物輸入優勢明顯,此類原油與沙一段和東三段烴源巖相似(圖7、8),證明該類原油具有沙一段和東三段2套烴源巖貢獻。該類原油分布于NP2-56井東二段儲層中。

4.2.3Ⅲ類原油

該類原油可以分為2類,其中Ⅲ1類原油分布于研究區NP2-27、NP27-12、NP27-22、NP2-49井的東三段儲層中,C29規則甾烷具有一定優勢(圖5),C27規則甾烷和C29規則甾烷占比分別為31.6%～35.0%和36.5%～39.3%,C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.40～0.42,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.46～0.53,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.04～0.08(圖6);Ⅲ2類原油分布于NP280-32、NP23-2425、NP23-2466井東一段和NP23-X2104、NP23-2161、NP23-2156C、NP23-X2203井明化鎮組,C29規則甾烷含量具明顯優勢(圖5),C27規則甾烷和C29規則甾烷占比分別為29.0%～32.2%和40.6%～46.6%,C29甾烷20S/(20S+20R)值為0.35～0.38,C29甾烷ββ/(αα+ββ)值為0.37～0.41,(孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷值為0.06～0.10(圖6)。表明該類原油成熟度較高,高等植物輸入量具有一定優勢。此類原油特征與沙三段、沙一段和東三段烴源巖均有一定相似性(圖7、8),證明該類原油具有三套烴源巖的貢獻。

4.3 油氣運移與原油的來源位置

研究區下覆烴源巖以及鄰近的林雀、曹妃甸洼陷的烴源巖均已達到成熟,同一層系烴源巖的沉積環境差異不大,故僅憑油源對比只能判定油氣來源層系而無法確定原油來源的位置。本研究綜合利用油氣運移示蹤和油-源成熟度對比來判別原油的供烴位置。

一般認為,Ts/Tm和4-/1-甲基二苯并噻吩(4-/1-MDBT)值會隨著油氣運移距離的增加而減小[6],為示蹤油氣充注方向與途徑的有效參數[29]。根據南堡2號構造帶的AA’剖面原油Ts/Tm和4-/1-MDBT比值特征,NP280井沙三段原油Ts/Tm值和4-/1-MDBT值分別為1.91和9.12,NP23-2466井東一段原油Ts/Tm值和4-/1-MDBT值分別為1.01和5.53,Ts/Tm值和4-/1-MDBT值均具有沿斷層向淺部層系減小的趨勢(圖9)。

圖9 南堡凹陷2號構造帶油氣運移方向示蹤剖面(剖面位置見圖1)

甲基菲指數MPI隨成熟度增高而增大,且可以實現與鏡質體反射率之間的換算[30]。根據南堡凹陷2號構造帶各部位烴源巖鏡質體反射率(Ro)和各層系原油換算的鏡質體反射率(Rc)的對比,構造帶Rc(0.77%～1.14%)遠小于生烴中心Ro(1.0%～1.7%),西構造帶沙三段Rc(0.87%～1.09%)與西構造帶沙三段Ro(0.8%～1.2%)一致,東二段Rc(0.96%)與沙一段—東三段Ro(0.6%～1.0%)一致,東一段和明化鎮組Rc(0.77%～1.02%)介于沙一段—東三段與沙三段Ro(0.6%～1.2%)之間;東構造帶東三段Rc(0.94%～1.14%)介于東構造帶沙三段、沙一段和東三段Ro(0.8%～1.4%)之間(圖10)。對比原油與生烴中心、構造帶烴源巖的成熟度差異,原油成熟度更接近構造帶烴源巖成熟度。

注:烴源巖數據據冀東油田。

前人分析表明,南堡凹陷主要成藏期為明化鎮組沉積時期[31-32],成藏時間較晚,因此原油成熟度應與明化鎮時期供烴烴源巖成熟度相一致。綜上分析所述,南堡2號構造帶原油成熟度低于林雀洼陷與曹妃甸洼陷生烴中心烴源巖的成熟度,不是洼陷中心成熟油氣的供給,而是由原地或臨近烴源巖供烴,是下覆各層系烴源巖生成的原油沿切穿烴源巖的斷層垂向運移成藏。

綜上所述,淺層沙一段、東營組與館陶組油氣存在3套源巖的貢獻,深層沙三段原油主要來自于沙三段烴源巖。目前所發現油氣主要來自于原地或臨近烴源巖,而林雀洼陷與曹妃甸洼陷烴源巖品質更好,成熟度更高,對凹陷邊緣構造帶的油氣卻貢獻有限,大量油氣仍保留在深凹帶,沿斷層向上運移或短距離側向運移,深凹帶斷層周緣是油氣成藏的有利勘探區,具有重要的勘探潛力。

5 結論

1) 南堡凹陷2號構造帶發育三類原油:Ⅰ類原油分布于西構造帶沙三段,成熟度高,水生生物和高等植物均有一定量的輸入;Ⅱ類原油分布于西構造帶東二段,成熟度較低,高等植物輸入具有明顯優勢;Ⅲ類原油分布于東構造帶東三段和西構造帶東一段—明化鎮組,成熟度較高,高等植物輸入量具有一定優勢。

2) 西構造帶沙三段原油來源于沙三段烴源巖,西構造帶東二段原油為沙一段—東三段來源,西構造帶東一段—明化鎮組和東構造帶東三段原油為沙三段、沙一段—東三段烴源巖混源油。

3) 南堡凹陷2號構造帶原油具有明顯的原地供烴垂向運移的特點,各層系烴源巖生成的原油主要通過切穿烴源巖的斷層向上運移混合成藏。