西湖凹陷西部斜坡帶原油來源*

王 霆 何長榮 胡合健 張銅磊 唐友軍 刁 慧 何家豪

(1. 油氣地球化學與環境湖北省重點實驗室(長江大學資源與環境學院) 湖北武漢 430100;2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200335)

西湖凹陷是東海盆地重要的含油氣凹陷,勘探潛力巨大[1-3]。目前西湖凹陷勘探以天然氣為主,原油為輔,已發現原油以凝析油和輕質油為主[4-5]。西湖凹陷原油主要來自煤系烴源巖(煤和炭質泥巖),二萜類化合物含量相對較高,且主要為陸源高等植物輸入[6]。西湖凹陷西部斜坡帶不同地區原油物理、化學性質存在差異,原油并非單一源巖貢獻。平湖組為研究區主力烴源巖層系,源巖有煤、炭質泥巖和暗色泥巖,是一套海陸過渡相煤系烴源巖[7],飽和烴組分中富含二萜烷類化合物,規則甾烷普遍以C29甾烷占據優勢,Pr/Ph值大多數為3～9[8-9]。原油是源自煤系烴源巖、還是暗色泥巖?生源構成上有何差異?對原油的相對貢獻程度有何差異?前人研究尚未確定。因此,對西湖凹陷西部斜坡帶原油的生油母質特征進行研究很有必要。本文在前人研究的基礎上,應用有機地球化學分析手段,對西湖凹陷西部斜坡帶不同地區原油和烴源巖的飽和烴分子標志物、碳同位素組成等特征進行研究,揭示了原油母質來源與不同地區原油的油源,為研究區下一步勘探開發提供理論依據。

1 地質背景

西湖凹陷位于東海陸架盆地東部,東起釣魚島隆褶帶,西接海礁隆起,南為釣北凹陷,北至福江凹陷,總體呈NNE走向,東西寬約80 km,南北長約360 km,總面積為5.18萬km2,且具有東西分帶、南北分塊的構造格架,自西向東可分成3個構造帶,為西部斜坡帶、中央反轉帶和東部斷階帶[10-13]。研究區位于西部斜坡帶的平北、平湖地區和黃巖-天臺地區(圖1)。西湖凹陷自下而上發育始新統寶石組與平湖組,漸新統花港組,中新統龍井組、玉泉組、柳浪組,上新統三潭組及更新統東海群,先后經歷了多期構造運動[14-16](圖1)。其中平湖組和花港組為主要含油氣層系,平湖組和寶石組為2套主力烴源巖層。烴源巖主要為煤、炭質泥巖和暗色泥巖[17]。平湖組沉積期,主要發育受潮汐影響的三角洲及潮坪沉積,整體上屬海陸過渡環境。平北和平湖地區煤層要比黃巖-天臺發育(圖1)。在縱向上,平湖組烴源巖厚度比花港組和寶石組的厚,且煤層較為發育,尤其是平湖組中段。平湖組煤系烴源巖較為發育,且分布范圍廣、厚度大,對油氣生成貢獻較大。

圖1 西湖凹陷平湖組中段沉積相及古近系綜合柱狀圖

2 樣品與實驗

本次研究樣品來自西湖凹陷平北、平湖和黃巖-天臺地區,其中原油樣品22件、烴源巖樣品6件(表1)。

表1 原油及烴源巖樣品清單

2.1 全油色譜分析

將原油用正己烷稀釋成1 mg/ml的溶液進行色譜分析。使用HP6890氣相色譜儀,配備HP-PONA色譜柱(50 m×0.2 mm×0.5 μm)。初始溫度設定為35 ℃保留10 min,再以3 ℃/min升溫至315 ℃,恒溫保持15.67 min。

2.2 飽和烴氣相色譜分析

使用HP6890氣相色譜儀,色譜柱為HP-5MS毛細柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)。進樣口溫度為300 ℃,初始溫度35 ℃,恒溫5 min,再以3 ℃/min升至70 ℃,然后以4.5 ℃/min的速率升至310 ℃,恒溫25 min。載氣為氮氣,流速為1.0 mL/min。

2.3 飽和烴色譜-質譜分析

使用Agilent6890/5975質譜儀,色譜柱為HP-5 MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)。起始溫度設定為50 ℃,保留1 min,后以20 ℃/min的速率升至100 ℃,再以3 ℃/min的速率升至315 ℃,恒溫16.83 min。檢測方式為全掃描+多離子檢測(MID):電離能量為70 eV。

2.4 全油碳同位素分析

使用儀器為Isoprime色譜(HP6890)-同位素質譜儀。以初始溫度60 ℃,保持1 min,后以3 ℃/min 升至120 ℃,再以4 ℃/min升至300 ℃,并保留15 min。

3 原油特征

3.1 原油物理性質

原油物性主要受烴源巖母質類型、演化程度等因素的影響[18]。西湖凹陷已發現的原油以凝析油、輕質油和正常原油為主[19]。研究區原油顏色以淡黃色、黃色為主,密度整體較輕,20 ℃條件下的密度為0.75～0.86 g/cm3,凝固點為-36～29 ℃,含硫量為0～0.76%。原油含蠟量變化范圍較大,為0～10.54%(表2)。平北地區原油密度為0.82～0.86 g/cm3,平均為0.84 g/cm3,平均含蠟量為5.44%;平湖地區原油密度為0.76～0.80 g/cm3,平均為0.79 g/cm3,平均含蠟量為4.49%;而黃巖-天臺地區原油密度為0.76～0.79 g/cm3,平均為0.77 g/cm3,含蠟量相對較低,為1.31%?？傮w而言,西湖凹陷平北、平湖地區原油密度、含蠟量明顯高于黃巖-天臺地區。

表2 研究區原油物性

3.2 原油碳同位素組成

原油碳同位素組成能反映原油的母質來源、母巖巖性等信息[20-21]。不同巖性烴源巖生成的原油碳同位素組成存在明顯差異,煤系烴源巖生成的原油碳同位素組成要比暗色泥巖生成的原油重[22]。研究區原油碳同位素組成總體變化范圍較大,δ13C值為-27.5‰～-25.3‰,但同一地區原油碳同位素組成差別較小,平北地區原油δ13C值為-26.6‰～-25.3‰,平湖地區原油δ13C值為-26.9‰～-25.5‰,黃巖-天臺地區原油δ13C值為-27.5‰～-26.8‰?？傮w上平北、平湖和黃巖-天臺地區原油碳同位素組成依次變輕(圖2)。

圖2 研究區原油碳同位素組成

3.3 原油正構烷烴和類異戊二烯烴特征

正構烷烴和類異戊二烯烴是原油飽和烴組分中重要的生物標志化合物,能夠反映母質來源及熱演化程度等地球化學信息[23-24]。

研究區原油正構烷烴主要呈前峰型和雙峰型分布,碳數分布范圍較廣,nC11—nC32均有分布。平北地區原油正構烷烴多數呈雙峰型分布,部分呈后峰型分布,平湖地區原油正構烷烴主要呈雙峰型分布,黃巖-天臺地區原油正構烷烴多數呈前峰型分布(圖3)。

圖3 研究區原油氣相色譜圖

研究區原油中類異戊二烯烴的含量相對較高,以姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)為主(圖3)。Pr/Ph<0.8指示還原環境,Pr/Ph>3.0則指示氧化環境[25],研究區原油類異戊二烯烴中姥鮫烷占優勢(圖3),其中平北和平湖地區原油Pr/Ph值大于5.2,最高可達10.7,而黃巖-天臺地區除了少數原油樣品Pr/Ph值小于3.5,其余原油Pr/Ph值大于4.5。研究區原油Pr/nC17與Ph/nC18關系圖可知(圖4),所選原油樣品均為Ⅲ型有機質生成。

圖4 研究區原油Pr/nC17與Ph/nC18關系

3.4 原油二萜類化合物特征

二萜類化合物來源于陸源高等植物的樹脂體[26-27],其中異海松烷類主要來源于針葉類裸子植物的樹脂體,16β(H)-扁枝烷則來源于低矮蕨類植物的樹脂體[28]。從研究區原油飽和烴氣相色譜圖(圖3)和m/z123質量色譜圖(圖5)中均可以看出豐富的二萜類化合物,以4β(H)-19降異海松烷、異海松烷和16β(H)-扁枝烷為主。平北、平湖和黃巖-天臺地區二萜類化合物譜圖分布特征相似,但二萜類化合物的相對含量存在差異。

圖5 研究區原油m/z 123質量色譜圖

平北地區原油4β(H)-19降異海松烷和異海松烷含量高,甚至在飽和烴氣相色譜圖中高于nC20正構烷烴(圖3),二萜烷指數高,為0.60～0.74(圖6a),異海松烷/16β(H)-扁枝烷值較高,為3.2～6.5(圖6b);平湖地區原油4β(H)-19降異海松烷和異海松烷含量較高,異海松烷含量較低于nC20正構烷烴的含量,二萜烷指數為0.58～0.71(圖6a),異海松烷/16β(H)-扁枝烷值為2.1～2.8(圖6b);黃巖-天臺地區原油16β(H)-扁枝烷含量高,二萜烷指數低,為0.28～0.68(圖6a),異海松烷/16β(H)-扁枝烷值低,為0.3～2.0(圖6b)。

注:二萜烷指數=4β(H)-19降異海松烷/(4β(H)-19降異海松烷+16β(H)-扁枝烷)。

3.5 原油甾萜特征

甾烷和萜烷類化合物具有較強的熱穩定性和抗微生物降解的能力,是原油中重要的生物標志物。從研究區原油m/z191和m/z217質量色譜圖可知,平北地區原油中伽馬蠟烷含量極低,且具有一定豐度的奧利烷,C27-C28-C29甾烷系列呈反“L”型,規則甾烷C27/C29值極低(圖7中B4原油),反映母源主要為陸源高等植物;相較于平北原油,平湖地區原油奧利烷和伽馬蠟烷的含量較高(圖7中H3原油);黃巖-天臺地區原油m/z 191中檢測出了一定豐度的伽馬蠟烷和奧利烷,C27-C28-C29規則甾烷系列呈不對稱“V”型,以C29甾烷為主(圖7中HT9原油),但也有較高的C27甾烷,反映母源主要為陸源高等植物,且有一定程度的低等水生植物貢獻。

圖7 研究區原油m/z 191和m/z 217質量色譜圖

4 烴源巖特征

4.1 烴源巖發育與分布

西湖凹陷始新統平湖組沉積期自西向東水體逐漸加深,沉積相組合為潮上—潮間帶至潮下帶過渡到中央洼陷的淺海,其中煤主要聚集在水淺的洼地,往斜坡上傾方向以及邊緣洼陷方向煤層逐漸減薄,具有繼承性發育特征,主要發育在潮上—潮間沉積體系(圖1)。隨著水體逐漸加深,暗色泥巖厚度加大。平北地區平湖組B1井、B7井煤極其發育(圖8),夾雜炭質泥巖,其煤層厚度最高可達40.8 m,煤地比為5.2%～10.3%;平湖地區H6井巖性特征以砂泥互層為主,中間夾有薄層煤,其煤地比有所下降,為4.2%;而偏南部的黃巖-天臺地區的HT14則主要為厚層泥巖和砂巖,夾有煤線,煤地比為0.5%(圖8)。綜上所述,平北地區平湖組煤系烴源巖發育,平湖地區除了煤系烴源巖發育,還發育一定的暗色泥巖,而黃巖-天臺地區則以暗色泥巖為主,煤系烴源巖發育較少。

注:煤層厚度(H)和煤地比(N)均為平湖組中段的統計結果。

4.2 烴源巖生物標志物特征

平湖組為研究區主力烴源巖,巖性主要為煤、炭質泥巖和暗色泥巖,其飽和烴組分中二萜類化合物的含量高,以4β(H)-19降異海松烷、異海松烷和16β(H)-扁枝烷為主,規則甾烷系列以C29甾烷占優勢,表明陸源高等植物是研究區主要成烴母質[6,27-30]。選擇主要受生源與沉積環境影響的生物標志物參數,對比分析不同地區平湖組不同巖性烴源巖的生物標志物特征,結果表明不同巖性烴源巖其生物標志物特征具有顯著差異(圖9、10)。

圖9 平北地區平湖組烴源巖飽和烴質量色譜圖

平北地區煤和炭質泥巖中Pr/Ph高,二萜類含量極為豐富,甚至在TIC圖上高于正構烷烴(圖9中B4井樣品)。此外,4β(H)-19降異海松烷含量明顯要高于16β(H)-扁枝烷,且在m/z191質量色譜圖也檢測到了一定豐度的奧利烷,C27-C28-C29甾烷系列呈反“L”型,表明其母源主要為陸源高等植物,以岸上干燥針葉類裸子植物輸入居多;而暗色泥巖中二萜類化合物含量較低,16β(H)-扁枝烷豐度相對較高,五環三萜烷類化合物表現出伽馬蠟烷含量較低的特征,但煤和炭質泥巖的伽馬蠟烷指數更低,甾烷系列以C29甾烷為主,相對于煤和炭質泥巖,平北地區暗色泥巖中有一定的蕨類植物貢獻(圖9)。

海域烴源巖樣品搜集難度大,本次研究僅采集到了平湖地區的暗色泥巖。平湖地區暗色泥巖(如圖10中H6井)中二萜類含量較平北地區有所降低,其中16β(H)-扁枝烷含量相對上升,反映了近岸帶蕨類植物輸入的增加,C27-C28-C29甾烷系列呈不對稱“V”型分布,指示母源主要為陸源高等植物,含有少量低等水生生物。黃巖-天臺地區暗色泥巖中二萜類含量低,其中16β(H)-扁枝烷相對含量高于異海松烷類(m/z123)。同時m/z191質量色譜圖中檢測到了一定豐度的伽馬蠟烷,且C27-C28-C29甾烷系列呈不對稱“V”型分布,表明其母源為陸源高等植物和低等水生生物;而黃巖-天臺煤巖相對于暗色泥巖姥鮫烷優勢,二萜類含量高,甚至高于正構烷烴,另外,伽馬蠟烷豐度極低(圖10中HT9井)。

圖10 平湖、黃巖-天臺地區平湖組烴源巖飽和烴質量色譜圖

5 油源分析

5.1 生物標志物譜圖對比

通過對比平北地區原油及烴源巖的生物標志物,發現原油與煤和炭質泥巖的生標特征更接近,均表現出高姥植比,二萜類化合物豐富,甚至高于正構烷烴(圖9中B4井樣品),伽馬蠟烷指數低(圖7和圖9中B4井樣品),規則甾烷以C29甾烷為優勢的特征,以上特征反映平北地區原油煤和炭質泥巖貢獻大。對比黃巖-天臺地區原油及烴源巖生物標志物,發現原油與暗色泥巖生物標志物特征接近,二萜類化合物含量均較低,16β(H)-扁枝烷含量高(圖5、10),m/z191質量色譜圖均檢測到了一定豐度的伽馬蠟烷,甾烷類以C29甾烷為主,但也有一定豐度的C27甾烷(圖10中HT7井)。因此,綜合原油與烴源巖的生物標志物特征,認為黃巖-天臺地區原油主要為暗色泥巖貢獻。對比平湖與其他兩個地區原油生物標志物,發現平湖地區原油二萜類化合物含量高,伽馬蠟烷指數低,且16β(H)-扁枝烷、C27甾烷含量介于平北、黃巖-天臺原油之間,反映平湖地區原油為煤系烴源巖和暗色泥巖混合貢獻。

5.2 生物標志物參數對比

應用重排補身烷/8β(H)-補身烷、C29重排甾烷/C29規則甾烷與全油碳同位素關系[31](圖11)可知,平北地區原油具有較高的碳同位素值,重排補身烷和C29重排甾烷較低,反映源巖缺少黏土礦物;結合研究區平湖組中段沉積相分析(圖1)平北地區位于斜坡帶邊緣,主要為潮上—潮間帶,為有利的聚煤環境,煤層極為發育,煤地比為5.2%～10.3%(圖8中B7和B1井),故推測其源巖主要為煤系烴源巖。平湖地區原油碳同位素相對平北地區有所下降,重排補身烷和C29重排甾烷含量上升,反映源巖黏土礦物含量應比平北更高,再結合其沉積相位于潮上—潮間帶(圖1),巖性以砂泥互層為主中間夾有煤層,煤地比有所下降,平均為4.2%(圖8中H6井),故推測其源巖除了煤系烴源巖,還有暗色泥巖貢獻;而黃巖-天臺地區原油中重排補身烷和C29重排甾烷含量較高(圖11),反映源巖中黏土礦物含量不可忽視,原油碳同位素組成較小(暗指母質來源中低等水生生物的貢獻較大),再考慮到下伏的平下段和寶石組沉積環境主體位于潮下—淺海相[32-33],另外從圖8中平北到平湖到黃巖-天臺再到深凹帶的連井剖面可知,相對于平北、平湖地區,平下段和寶石組往深凹帶,沉積水體變深,巖性以潮坪—淺海相的暗色泥巖、粉砂質泥巖夾細砂巖為主(圖8),故推測主力源巖為暗色泥巖。

圖11 研究區原油碳同位素與重排補身烷/8β(H)-補身烷相關圖(a)和原油碳同位素與C29重排甾烷/C29規則甾烷相關圖(b)

綜合研究區原油和烴源巖生物標志物特征、原油碳同位素組成及平湖組沉積相可知,平北地區原油主要為煤系烴源巖貢獻,平湖地區原油煤系烴源巖和暗色泥巖混合貢獻,且煤系烴源巖的貢獻較大,而黃巖-天臺地區原油主要為暗色泥巖貢獻。

6 結論

1) 平北地區原油碳同位素組成重,二萜類化合物含量高,甚至高于正構烷烴,以異海松烷類為主,而C29規則甾烷在甾烷系列中占據優勢;平湖地區原油碳同位素組成較輕,相較于平北地區,二萜類化合物含量下降,但16β(H)-扁枝烷含量較高;黃巖-天臺地區原油碳同位素組成輕,二萜類化合物含量低,且以16β(H)-扁枝烷為主,規則甾烷以C29甾烷為主,但也有一定豐度的C27甾烷。

2) 平北地區煤和炭質泥巖中二萜類化合物豐富,甚至高于正構烷烴,而暗色泥巖中二萜類化合物含量較低,平北地區烴源巖中伽馬蠟烷含量均較低,規則甾烷均以C29甾烷為主;平湖地區暗色泥巖中二萜類化合物含量較高,其中16β(H)-扁枝烷含量較高,C27-C28-C29甾烷系列呈不對稱“V”型分布;黃巖-天臺地區暗色泥巖中二萜類化合物含量低,但16β(H)-扁枝烷含量明顯高于4β(H)-19異海松烷的含量,且具有一定豐度的伽馬蠟烷,C29規則甾烷在甾烷系列中占據優勢,但也存在一定豐度的C27甾烷,而相較于暗色泥巖,煤巖二萜類含量更高,伽馬蠟烷豐度極低。

3) 平北地區原油主要為煤系烴源巖貢獻,平湖地區原油為煤系烴源巖和暗色泥巖混合貢獻,且煤系烴源巖的貢獻較大,而黃巖-天臺地區原油主要為暗色泥巖貢獻。研究區越往南,暗色泥巖的貢獻越大。

致謝本次研究的采樣、資料搜集及相關研究工作得到了中海石油(中國)有限公司上海分公司勘探開發研究院劉金水、胡森清、鄒瑋、陳忠云以及其他勘探室領導、專家的悉心指導和大力支持,在此深表感謝!