吳 江,侯讀杰,許匯源,許 婷,徐 發,曹 冰,陳曉東
(1.中國地質大學(北京)能源學院,北京 100083; 2.中國地質大學(北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室,北京 100083; 3.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200030)
東海盆地西湖凹陷原油輕烴地球化學特征及油源區分
吳 江1,2,侯讀杰1,2,許匯源1,2,許 婷1,2,徐 發3,曹 冰3,陳曉東3
(1.中國地質大學(北京)能源學院,北京 100083; 2.中國地質大學(北京)海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室,北京 100083; 3.中海石油(中國)有限公司上海分公司,上海 200030)
為了研究西湖凹陷原油輕烴地球化學特征及區分油氣來源,利用氣相色譜儀分析西湖凹陷16個原油樣品,采用庚烷值與異庚烷值對原油成熟度進行劃分.結果表明:西湖凹陷原油富含芳烴和環烷烴,直鏈烷烴含量低,以陸源有機質貢獻為主;原油經歷較為明顯的蒸發分餾作用;異庚烷值與正庚烷值分別介于0.69~1.90和11.5~21.9之間,原油處于成熟油階段.西湖凹陷不同地區的原油在輕烴組分上存在明顯差異,指示原油母質來源的不同.同時,利用原油C7輕烴三角圖和Halpern C7星狀圖,并結合原油碳同位素與芳烷指數,可以進一步區分各地區原油的母質來源.平湖地區原油主要為來自平湖組煤與泥巖的混合貢獻,黃巖地區原油主要為花港組與平湖組泥巖貢獻.
西湖凹陷;輕烴;油源分析;煤;泥巖;蒸發分餾
DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.05.003
輕烴作為石油與天然氣重要組成部分,包含豐富的地球化學信息,輕烴包括正構烷烴、異構烷烴、環烷烴和芳香烴類化合物.1978年,Schaefer R G[1]建立毛細管氣相色譜技術,之后Leythaeuser D、Snowdon L R、Thompson K F M和Hunt J M等[2-5]對輕烴進行研究.20世紀90年代,林壬子、戴金星和程克明等[6-8]結合中國盆地油氣實際,對油氣輕烴展開進一步研究.隨著輕烴氣相色譜技術的進步及輕烴研究的不斷深入,發現分析輕烴內所含化合物可以獲得一系列地球化學指標,如庚烷值、石蠟烴指數、芳烷指數等,可以對油氣的沉積環境、次生變化、成熟度、母質來源,以及油氣運移充注等進行深入的研究[9-14].因此,原油輕烴是石油地球化學重要的研究對象之一.
西湖凹陷原油以輕質油和凝析油為主,具有密度低、含蠟量低、飽和烴含量高、姥植比大、樹脂成油、碳同位素偏重的特點[15].人們認為原油主要源自平湖組的煤系烴源巖[16-18].由于之前研究區鉆井較少,樣品數量不足及化驗分析不夠全面,導致對油氣來源煤與泥巖的區分不夠明確.區分不同類型的烴源巖,對分析油氣的生成、運移、保存、分布及開采等有重要意義.筆者結合輕烴參數及原油碳同位素資料,分析西湖凹陷原油輕烴地球化學特征,探討原油來源的區分,為研究區原油成因分類及勘探開發提供指導.
東海盆地是中國陸架盆地中面積最大的中、新生代沉積盆地,面積約為25×104km2,沉積巖厚度逾萬米,蘊藏豐富的油氣資源[19-21].西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部,整體上呈北北東向展布,長約為440 km,面積約為4.6×104km2.西湖凹陷總體上從西向東可劃分為5個二級構造單元帶,即西部斜坡帶、西次凹、中央反轉帶、東次凹和東部邊緣斷裂帶.凹陷內發育的地層從老到新依次為古新統,始新統平湖組,漸新統花港組,中新統龍井組、玉泉組和柳浪組,上新統三潭組及第四系東海群,沉積厚度為9~10 km(見圖1).

圖1 西湖凹陷區域構造及原油取樣井位置Fig.1 Map of Xihu sag showing regional structure and location of crude oil wells sampled
西湖凹陷自下而上發育古新統一上新統5套烴源巖系.烴源巖類型主要為煤與泥巖.西湖凹陷原油主要來源于平湖組煤層、暗色泥巖及花港組泥巖.根據烴源巖的平面展布,西部斜坡帶煤層比東部的發育,東部泥巖厚度比西部斜坡帶的厚.縱向分布上,平湖組烴源巖厚度比花港組的更大,煤系烴源巖發育.因此,平湖組烴源巖分布廣,煤系烴源巖發育,對西湖凹陷油氣生成的貢獻大.
采集平湖地區5口井及黃巖地區4口井共16個凝析油樣品,其中有9個油樣取自花港組(E3h)地層,其余7個油樣來自平湖組(E2p)地層.為了防止油樣污染,油樣保存于5 m L的玻璃瓶,瓶口墊有錫紙,放置在-6℃溫度的冰柜中保存.
測試儀器為美國Abel公司GC8000型氣相色譜儀.測試條件:色譜載氣,99.999%氦氣;進樣口溫度,300℃;檢測器FID溫度,300℃;色譜柱,AB-1彈性石英毛細柱(60.00 mm×0.25 mm ×0.25 mm);柱溫,初始溫度為40℃保持10 min,4℃/min升溫至300℃,保持30 min;載氣流速,恒流1 m L/min,分流比為60∶1.
3.1原油中輕烴系列分布特征
檢測西湖凹陷平湖地區與黃巖地區共16個樣品的輕烴地球化學特征(見表1).A-3、A-4和B-7井的輕烴氣相色譜圖見圖2.3口井代表西湖凹陷地區原油3種典型的輕烴分布特征:平湖地區A-3井原油具有相當高的芳烴(苯和甲苯)、甲基環己烷含量,而環戊烷與正構烷烴含量極低;黃巖地區B-7井原油具有比較高的正構烷烴與環戊烷含量,芳烴含量較低;平湖地區A-4井原油甲苯含量相對較高,介于正庚烷與甲基環己烷之間,同時也具有一定含量的正構烷烴與環戊烷.
Leythzeuser D和Snowdon L R等[2-3]研究發現,富含正構烷烴的輕烴餾分來源于腐泥型母質,而富含異構烷烴和芳烴的輕烴餾分來源于腐殖型母質,同時,富含環烷烴也是陸源母質的重要特征.根據輕烴分布特征(見圖2),平湖地區A-3、A-4井的原油來源于腐殖型母質,這與平湖組的煤系烴源巖有很大關系;黃巖地區B-7井的原油來源于腐泥型母質,與泥巖的貢獻有關.同時,西湖凹陷原油整體上富含芳烴與環烷烴,說明西湖凹陷原油主要來源于陸源有機質.
3.2原油次生變化
Thompson K F M[4]通過實驗指出,早先形成的油藏,被晚期生成的天然氣充注后帶走石油中的輕質部分,并沿斷裂、不整合等通道運移至合適的儲層,形成新的輕質油藏或凝析油藏,這種現象被稱為“蒸發分餾“.當油藏發生蒸發分餾時,其原油中的甲苯/正庚烷值(芳烴指數)上升,正庚烷/甲基環己烷值(飽和烴指數)降低,Thompson K F M[4]制作相應的識別圖版(見圖3),圖版還可以用來識別其他次生變化.

表1 西湖凹陷原油碳同位素與輕烴地球化學參數Table 1 Carbon isotope and light hydrocarbons of the oils in Xihu sag


圖2 西湖凹陷原油輕烴色譜Fig.2 Gas chromatograms of crude oil in Xihu sag
西湖凹陷氣多、油少,具有多期成藏、早油晚氣的特征,并且西湖凹陷內垂向斷裂廣泛分布,有利于后期生成的天然氣沿斷裂向上運移,與早期生成的原油混合.由圖3可以看出,西湖凹陷蒸發分餾作用明顯,其中平湖地區蒸發分餾程度較大,黃巖地區相對較小.并且同一口井原油樣品來自不同層段,所處的構造環境也不同,因此受氣洗強度也存在差別.此外,西湖凹陷并未發生生物降解或水洗作用等其他次生變化.
3.3原油成熟度
Thompson K F M[4]提出,可以利用庚烷值與異庚烷值劃分原油的分類和成熟度.原油的庚烷值、異庚烷值與成熟度呈指數關系,可以將原油成熟度分為4類:生物降解原油、正常原油、成熟原油和高成熟原油.西湖凹陷16口井原油庚烷值介于11.50~21.90之間,異庚烷值介于0.69~1.90之間(見圖4).由圖4可以看出,西湖凹陷原油庚烷值與異庚烷值的交會點主要分布在圖版中正常原油的位置,屬于低熟到成熟階段.考慮西湖凹陷原油遭受氣洗作用,原油的輕烴組分發生變化,所以圖版中可能并沒反映原油真實的成熟度.根據文獻[22-24],經歷“蒸發分餾“作用的殘留油中的正、異庚烷值下降,從而導致成熟度變低的假象.
Mango F D、Bement W O、唐友軍等[25-27]研究發現,2,4-二甲基戊烷與2,3-二甲基戊烷的比值(2,4-DMP/2,3-DMP)能夠有效地反映烴類生成溫度,推導生油層原油最大生成溫度(Tmax)的計算公式:Tmax=140+15×ln(2,4-DMP/2,3-DMP).該輕烴溫度參數受其他因素影響較小,并且Ro=0.012 3Tmax-0.676 4,可以將油氣最大生成溫度折算成相應的鏡質體反射率(Ro).這種方法計算的成熟度受蒸發分餾作用影響較小,具有參考價值.西湖凹陷油氣的最大生成溫度和成熟度的計算結果見表2,由表2可以看出,西湖凹陷凝析油成熟度分布在1%左右,處于中等成熟階段.再結合庚烷值、異庚烷值,可以推斷西湖凹陷的凝析油成熟度為成熟階段早期和中期,屬于正常成熟油.

圖3 西湖凹陷原油次生變化Fig.3 Secondary changes of crude oil in Xihu sag

圖4 原油成熟度判別Fig.4 Identify the maturities of crude oil in Xihu sag

表2 西湖凹陷原油最大生成溫度和成熟度計算結果Table 2 The maximum temperatures and maturity calculation results of the oils in Xihu sag
3.4油源區分
3.4.1C7化合物組成
C7化合物中包括具有良好陸源母質特征的甲基環己烷(MCC6);對溫度敏感的二甲基環戊烷(DMCC5);受成熟度影響明顯的正庚烷烴(nC7).這3類物質的相對組成含量可用于判別原油的有機質來源[5-7].
根據以DMCC5、MCC6、nC7為頂點繪制的C7輕烴三角圖(見圖5)可知,西湖凹陷原油輕烴組分中MCC6占絕對優勢,相對質量分數在50%~70%之間,說明陸源輸入明顯.胡惕麟[28]等提出劃分原油母質類型的標準:MCC6的相對質量分數小于35%為Ⅰ型母質;MCC6的相對質量分數在35%~50%之間為Ⅱ型母質;MCC6的相對質量分數在50%~65%之間為Ⅲ型母質;MCC6大于65%時為煤型母質.梁婉如等[29]利用C7輕烴三角圖對煤成油及其他類型原油進行劃分(見圖5),平湖地區大部分井(A-2、A-3、A-5)的原油落在煤成油區域,黃巖地區所有井的原油與平湖地區少量井(A-4、A-6)原油落在湖相油與煤成油混源油區域,反映平湖與黃巖地區原油母質來源存在差異.
C7星狀圖(見圖6)也顯示西湖凹陷原油輕烴組成的差異,基于C7組分比值的5個參數(見表3)受原油次生變化影響較小,因此可以用于有效的油源對比[30-32].圖6中紅色線代表平湖地區原油,藍色線代表黃巖地區原油,其中平湖地區A-2、A-3與A-5井原油的輕烴組成分布位置相似,但在參數C2與C3上,與黃巖地區及A-4、A-6井的原油存在明顯不同,指示兩者原油來源母質的差異.結合C7輕烴三角圖的劃分結果,可以推斷平湖地區大部分井的原油來源于煤系烴源巖,黃巖地區的原油來源于泥巖.

圖5 西湖凹陷原油C7輕烴組成Fig.5 C7light hydrocarbon composition of crude oil in Xihu sag

圖6 西湖凹陷原油C7星狀圖Fig.6 C7oil correlation star diagram of of crude oil in Xihu sag

表3 C7星狀圖參數Table 3 The parameters used for the C7oil correlation star diagram
3.4.2原油碳同位素與芳烷指數
原油碳同位素作為一種全局性指標,能夠有效地反映原油的母質來源,不同有機質類型烴源巖生成的原油碳同位素在數值上存在差異,其中來自煤系烴源巖的原油碳同位素要比來自泥巖的要重[33-37].凝析油芳烷指數主要反映芳烴在凝析油中相對含量的大小[38].由于不同有機母質中芳香結構烴類含量不同,因此芳烷指數也可以用來區分原油母質來源,其中煤成油的芳烷指數明顯大于泥巖層生成油的.西湖凹陷原油碳同位素與芳烷指數有明顯的正相關關系(見圖7),其中平湖地區A-3、A-2與A-5井的原油具有相對較重的碳同位素及較高的芳烷指數,說明3口井的原油來源于煤系烴源巖;黃巖地區大部分原油及A-4、A-6井的原油的碳同位素相對較輕,芳烷指數較低,說明它們來源于泥巖.

圖7 西湖凹陷原油碳同位素與芳烷指數關系Fig.7 Carbon isotope and aralkyl index diagram of crude oil in Xihu sag
(1)西湖凹陷原油輕烴組分富含芳烴與環烷烴,說明原油主要來源于陸源有機質,但不同地區的原油在輕烴分布特征上又存在明顯差別,反映原油母質來源的不同.
(2)西湖凹陷原油經歷蒸發分餾作用,利用庚烷值與異庚烷值對原油成熟度進行劃分,并結合Mango F D生標成熟度法的計算結果,可以判斷西湖凹陷原油處于成熟階段.
(3)西湖凹陷平湖地區大部分原油在輕烴三角圖上被劃分為煤成油,并且在C7星狀圖上也與其他井原油存在明顯差別.同時,平湖地區原油具有相對較重的原油碳同位素及較高的芳烷指數,說明原油來源于平湖組煤系烴源巖.黃巖地區原油芳烴與甲基環己烷含量相對較低,原油碳同位素較輕,芳烷指數低,具有泥巖貢獻的特點.
(4)平面分布上,平湖地區原油主要來源于煤與泥巖的混合貢獻,黃巖地區原油主要來源于泥巖的貢獻,與西湖凹陷烴源巖橫向展布特征吻合.
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TE133
A
2095-4107(2015)05-0023-09
2015-06-08;編輯:陸雅玲
國家科技重大專項(2011ZX05023003-001-010)
吳 江(1991-),男,碩士研究生,主要從事石油地質與成藏地球化學方面的研究.
侯讀杰,E-mail:hdj@cugb.edu.cn