渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷沙河街組原油地球化學(xué)特征及油源對比

劉 飛，朱鋼添，何 生, 王永詩，劉 慶

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.中國石油化工股份有限公司 勝利油田分公司，山東 東營 257015)

惠民凹陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷西部，其臨南洼陷是一個(gè)主要的生油洼陷；該凹陷已發(fā)現(xiàn)臨南、曲堤、江家店3個(gè)油田，探明石油地質(zhì)儲量約0.7×108t[1]。前人對惠民凹陷的研究主要結(jié)合構(gòu)造特征、沉積成巖特征、地層壓力、油氣充注史等探討油氣成藏規(guī)律[2-7]，或者對原油物性及特定層位烴源巖開展研究[8-9]。已有研究認(rèn)為：惠民凹陷古近系發(fā)育沙四段和沙三段優(yōu)質(zhì)烴源巖，生油條件較好；在古近系孔店組—新近系明化鎮(zhèn)組中發(fā)現(xiàn)了8套含油層系，尤其是在古近系中發(fā)育沖積扇、水下扇、三角洲、河流等多種沉積相的砂體，儲層類型多；發(fā)育3套區(qū)域蓋層，分別為沙三下亞段、沙三中亞段和沙一段—東營組；油藏類型有構(gòu)造、巖性和復(fù)合油氣藏等；油氣成藏受斷層、沉積相帶、火山活動(dòng)等多重因素影響[2-4,10]；受有利生油洼陷的限制，油氣主要分布在臨南洼陷及周緣，而北部的陽信洼陷和滋鎮(zhèn)洼陷僅有少量油氣分布[1,5]。已有公開發(fā)表的成果中針對臨南洼陷原油和烴源巖地化特征的系統(tǒng)研究較少，油源關(guān)系還需進(jìn)一步梳理。由于沙四段和沙三段烴源巖形成時(shí)沉積環(huán)境變化大，有機(jī)母質(zhì)來源多樣，給油源分析帶來多解性。本文應(yīng)用多種生標(biāo)地化參數(shù)交會(huì)圖和多元統(tǒng)計(jì)中的聚類分析[11-13]來研究臨南洼陷原油和烴源巖的有機(jī)地化特征，劃分原油成因類型，深化油—油和油—巖對比研究，明確油—源關(guān)系，以期為研究區(qū)的油氣勘探提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

惠民凹陷面積約7 000 km2，根據(jù)構(gòu)造特征和地層發(fā)育情況，可劃分為臨南、滋鎮(zhèn)、陽信、里則鎮(zhèn)等4個(gè)次級洼陷和中央隆起帶、南部斜坡帶、曲堤地壘等次級構(gòu)造單元(圖1)[5]。臨南洼陷為主力生烴洼陷，該洼陷及其周緣為油氣分布的主要地區(qū)，其基底為太古界變質(zhì)巖，缺失元古界；新生代沉積巖層自下而上依次為古近系孔店組(Ek)、沙河街組(Es)和東營組(Ed)，新近系館陶組(Ng)和明化鎮(zhèn)組(Nm)以及第四系平原組(Qp)[2]。本文研究層段為沙河街組沙四段(Es4)和沙三段(Es3)。沙四段分為下亞段和上亞段：下亞段巖性主要為紫紅色泥巖和粉砂巖互層；上亞段巖性主要為灰色與灰褐色砂泥巖互層夾碳質(zhì)頁巖。沙三段分為下亞段、中亞段和上亞段：下亞段巖性主要為灰色細(xì)砂巖和泥巖，夾薄層碳質(zhì)頁巖；中亞段巖性主要是灰色泥巖和褐色油頁巖，局部夾砂巖和火成巖；上亞段巖性主要為灰色泥巖與灰白色粉砂巖互層，局部發(fā)育碳質(zhì)頁巖夾薄煤層[14]。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品概況

原油樣品采自臨南洼陷17口鉆井，共20個(gè)樣品(圖1)，涉及的層位有沙四段和沙三段。采自沙四段油層的油樣有4個(gè)，分別采自夏46、夏66、夏509-S4和夏510等4口鉆井，其余油樣均采自沙三段油層。烴源巖樣品取自研究區(qū)古近系主要烴源巖層系，共4塊樣品，分別在沙四上亞段、沙三下、中、上亞段各取1塊，烴源巖取樣井位見圖1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

烴源巖可溶有機(jī)質(zhì)提取采用索氏抽提法完成，氯仿瀝青“A”和原油族組成分離按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]進(jìn)行，先用正己烷過濾除去瀝青質(zhì)，然后采用柱層析法分離飽和烴、芳烴、膠質(zhì)等族組分。飽和烴和芳烴的氣相色譜(GC)和氣相色譜—質(zhì)譜(GC-MS)分析儀器分別為美國Agilent公司的7890A氣相色譜儀和7890A氣相色譜儀聯(lián)用5975C質(zhì)譜儀；樣品的GC和GC-MS分析方法和流程均按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]完成。聚類分析使用IBM SPSS Statistics V22.0.0完成。

3 原油地化特征

3.1 原油族組分

原油樣品經(jīng)過族組分分離后得到各組分含量，其中飽和烴含量為42%～72%，芳香烴含量為12%～20%，膠質(zhì)含量為1%～14%，瀝青質(zhì)含量為1%～14%，飽芳比為2.35～5.18，總烴含量為69%～90%。原油的族組成與母質(zhì)成因、成熟度具有相關(guān)性[17-20]，由臨南洼陷原油族組成特征分析認(rèn)為，該地區(qū)原油具有相似的母質(zhì)來源，成熟度較高，具有高飽芳比和高總烴含量以及膠質(zhì)+瀝青質(zhì)含量較低的特征；但其中曲15、商544、商848、商852、田3-斜10等井的原油樣品，其膠質(zhì)+瀝青質(zhì)含量相對較高，伽馬蠟烷指數(shù)和4-甲基甾烷含量較低，具有一定特殊性(表1)。

圖1 渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷區(qū)域位置及構(gòu)造單元

3.2 原油生物標(biāo)志化合物

3.2.1 鏈烷烴

原油中鏈烷烴主要包括正構(gòu)烷烴系列和類異戊二烯型烷烴，其分布與組成特征能提供有關(guān)生源、成熟度、沉積環(huán)境和原油降解等多方面的信息[11-12]。根據(jù)原油的生物標(biāo)志化合物特征(圖2，表1)，臨南洼陷原油樣品主要峰型為雙峰型，另外有少部分樣品為前峰型和后峰型。陸生與水生類脂物比值為0.54～0.85；2nC29/(nC28+nC30)為1.06～1.23；CPI與OEP值接近1，為成熟原油特點(diǎn)。Pr/Ph值的高低可以指示烴源巖和原油沉積時(shí)的氧化還原條件[12,21]，臨南洼陷原油的Pr/Ph為1.27～1.96，姥鮫烷略占優(yōu)勢，指示生油母質(zhì)形成于弱還原的沉積環(huán)境。原油中Pr/nC17為0.25～0.42，Ph/nC18為0.16～0.37，姥鮫烷、植烷遠(yuǎn)低于C17和C18。通過Pr/nC17和Ph/nC18相關(guān)圖(圖3a)指示有機(jī)質(zhì)的沉積環(huán)境，可知沙四段原油有機(jī)質(zhì)沉積相環(huán)境全部為Ⅰ類湖沼相成因，沙三段原油Ⅰ類—Ⅱ類均有分布，大部分為Ⅰ類湖沼相成因，個(gè)別偏向Ⅱ類淡水湖相成因。臨南洼陷原油綜合表現(xiàn)為沉積環(huán)境屬于淡水、弱氧化—弱還原條件，主要為混合的有機(jī)質(zhì)來源，即陸源和水生雙重生源，少數(shù)以低等植物來源或陸生植物來源占優(yōu)勢。

3.2.2 萜烷類化合物

長鏈三環(huán)萜烷比值(C28+C29)/(C28+C29+Ts)在湖泊沉積環(huán)境中可以作為反映沉積水介質(zhì)鹽度的有效指標(biāo)[13]。臨南洼陷原油長鏈三環(huán)萜烷比值為0.35～0.60，升藿烷指數(shù)為0.18～0.28，伽馬蠟烷指數(shù)為0.05～0.20，沉積環(huán)境為微咸水—淡水環(huán)境[13,22]；αβC3222S/(22S+22R)值為0.52～0.62，Ts/Tm為0.32～2.20，莫烷/C30藿烷為0.12～0.18，指示原油均已進(jìn)入成熟階段[23-26]；C19/C23三環(huán)萜為0.30～0.57，C25/C26三環(huán)萜為0.64～1.17，奧利烷/C30藿烷為0.05～0.10，陸源高等植物貢獻(xiàn)相對較低。其中，沙三段原油Ts/Tm為0.32～2.20，沙四段原油Ts/Tm為0.96～2.95，指示沙四段原油成熟度更高；沙三段與沙四段原油的C19/C23三環(huán)萜烷比值分別為0.30～0.57和0.36～0.54，指示沙三、沙四段原油的生烴母質(zhì)具有相似的高等植物物質(zhì)貢獻(xiàn)[11,13]；原油在C19-29的三環(huán)萜烷中C21、C23、C29含量較高，這樣的碳數(shù)分布特征與圖3a得到的湖沼相沉積環(huán)境相符合。

表1 渤海灣盆地惠民凹陷臨南洼陷原油地球化學(xué)參數(shù)

圖2 渤海灣盆地臨南洼陷典型原油與烴源巖飽和烴生物標(biāo)志化合物質(zhì)量色譜

圖3 渤海灣盆地臨南洼陷原油及烴源巖Pr/Ph-Pr/nC17-Ph/nC18三角圖(a)、C27-C28-C29規(guī)則甾烷三角圖(b)、C29αββ/(ααα+αββ)和C2920S/(20S+20R)相關(guān)圖(c)、4-甲基甾烷/C29R含量分布圖(d)

3.2.3 甾烷類化合物

規(guī)則甾烷ααα20RC27、C28、C29的分布指示有機(jī)質(zhì)來源，普遍的認(rèn)識是C27甾烷通常來源于低等水生生物和藻類，C29甾烷來源于藻類和陸源高等植物[17,21,27]。在臨南洼陷原油中，規(guī)則甾烷ααα20RC27、C28、C29的分布主要有3種類型：“L”型分布、“反L”型分布和“V”型分布(圖2)。C27、C28、C29相對含量可以用于劃分有機(jī)質(zhì)來源(圖3b)。沙四段原油為Ⅳ-Ⅴ型，相對于沙三段原油有更多的陸生植物貢獻(xiàn)；沙三段原油在Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ區(qū)域均有分布，主要為Ⅳ型混合來源。前人研究認(rèn)為，C2920S/(20S+20R)和C29αββ/(ααα+αββ)可以指示原油成熟度[22-23,28]，比值在0.25以下為未熟油，0.25～0.40為低熟油，大于0.40為成熟油。以C2920S/(20S+20R)為橫坐標(biāo)，C29αββ/(ααα+αββ)為縱坐標(biāo)作圖(圖3c)，得到沙三、沙四段原油均為成熟原油。

在臨南洼陷的沙三、沙四段原油樣品中發(fā)現(xiàn)均含有一定數(shù)量的4-甲基甾烷(圖3d)。據(jù)前人研究，4-甲基甾烷與溝鞭藻類的勃發(fā)有關(guān)[22,29-31]，已有研究證實(shí)渤海灣盆地沙三下亞段烴源巖為濱淺湖—深湖相沉積，富含溝鞭藻類渤海藻屬和副渤海藻屬[32]。溝鞭藻的生長環(huán)境比較復(fù)雜，有學(xué)者認(rèn)為溝鞭藻主要繁盛于淡水沉積環(huán)境[22,29]，也有研究者認(rèn)為溝鞭藻可形成于陸相咸化水體環(huán)境[33]。結(jié)合圖3a可以認(rèn)為研究區(qū)原油中的4-甲基甾烷來源于淡水湖泊相的溝鞭藻，而不同原油中的4-甲基甾烷豐度反映了其母質(zhì)來源中溝鞭藻貢獻(xiàn)的差異性。沙四段原油的4-甲基甾烷/C29R為2.43～3.74，沙三段原油為0.84～4.36，但是沙三段原油的

4-甲基甾烷/C29R較分散，沙三段原油的原始沉積母質(zhì)具有相對較多的溝鞭藻類的貢獻(xiàn)，同時(shí)可能受到沉積相帶變化的影響。

4 烴源巖地化特征

4.1 烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度

根據(jù)泥巖中總有機(jī)碳含量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沙三段泥巖總有機(jī)碳含量較高，為0.28%～10.51%，平均值為4.03%。各層位總有機(jī)碳含量分布有差異，沙三上亞段平均值為4.28%，中亞段為2.36%～3.83%，平均值為3.10%，下亞段為0.28%～10.51%，平均值為4.44%；沙四段則為0.51%～1.69%，平均值為1.10%。總體上，沙三下亞段泥巖有機(jī)質(zhì)豐度最高，沙三上、中亞段其次，沙四段泥巖有機(jī)質(zhì)豐度最低，此結(jié)論與前人研究得出的臨南洼陷各層生排烴強(qiáng)度相符合[5]。

4.2 干酪根類型及熱成熟度

依據(jù)最大熱解峰溫與氫指數(shù)關(guān)系進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型劃分[11](圖4a)。沙三段有機(jī)質(zhì)以Ⅱ型為主，Ⅱ1型與Ⅱ2型均有分布。個(gè)別樣品(夏503井)為Ⅲ型，因?yàn)闅渲笖?shù)為29 mg/g，非常低的氫指數(shù)和可溶烴S1接近0 mg/g，表明其具有特殊性。而沙四段的有機(jī)質(zhì)類型全部為Ⅲ型。利用干酪根鏡質(zhì)組反射率(Ro)與深度關(guān)系圖(圖4b)分析烴源巖的成熟度[11,34]可知，低成熟(Ro=0.5%～0.7%)的深度范圍在2 500～3 100 m，中等成熟(Ro=0.7%～1.3%)的深度范圍在3 100～4 200 m，沙四段和沙三段烴源巖處在低成熟—中等成熟階段。

從有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度評價(jià)沙四段和沙三段烴源巖可知，臨南洼陷沙三段主要為中等—很好烴源巖，沙四段為差—中等烴源巖[34]。臨南洼陷的主力生油巖層位為沙三下、中亞段，具有有機(jī)質(zhì)類型好、總有機(jī)碳含量高、生烴潛力高、成熟度處于生油窗等特征。

4.3 烴源巖中可溶有機(jī)物生標(biāo)特征

根據(jù)泥巖氯仿抽提物的生物標(biāo)志化合物特征(圖2，表2)，沙四上亞段烴源巖樣品Pr/nC17、Ph/nC18、奧利烷和重排甾烷含量較高，規(guī)則甾烷含量C27

井號深度/m層位P1P2P3P4P5P6P7P8P9P10P11P12P13P14P15P16P17夏9423 201沙三上34.131.053.001.990.770.110.160.320.300.360.160.150.220.280.230.221.45夏3813 874沙三中19.171.031.150.300.260.050.130.151.240.470.210.030.190.450.580.890.52夏9433 802沙三下1.031.730.250.130.140.120.230.530.530.210.230.430.360.670.870.41夏5113 321沙四上34.291.020.801.001.610.060.140.240.440.380.410.480.370.500.310.470.34

5 油源分析

5.1 油—油對比

臨南洼陷可分為深洼帶、深洼帶南部和北部(圖1)。根據(jù)臨南洼陷20個(gè)原油的油—油原油生標(biāo)參數(shù)分析結(jié)果(表1)，該深洼帶以北和以南的原油地化特征存在差異性，且表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。結(jié)合臨南洼陷構(gòu)造特征與原油地化特征(圖1，表1)，可將原油樣品分為北帶和南帶2個(gè)具有不同生標(biāo)特征的區(qū)帶(圖5)。北帶原油中4-甲基甾烷/C29R、Ts/Tm以及伽馬蠟烷指數(shù)較低，長鏈三環(huán)萜烷比值和1,2,7-/1,2,6-三甲基萘較高，表明北帶原油為淡水湖相成因，成熟度相對較低，有機(jī)質(zhì)來源中溝鞭藻、被子植物貢獻(xiàn)較少；南帶原油中4-甲基甾烷/C29R、Ts/Tm以及伽馬蠟烷指數(shù)普遍較高，長鏈三環(huán)萜烷比值和1,2,7-/1,2,6-三甲基萘較低，表明該帶原油為湖沼相成因，原油成熟度更高，生源以陸生植物為主，其中甲藻類貢獻(xiàn)增加。臨南洼陷在沙四段沉積末期初步形成中央隆起，后經(jīng)改造，斷層發(fā)育[5]。可以推測從南帶到北帶原油樣品中4-甲基甾烷含量的變化與水體深度有關(guān)聯(lián)，即從南帶到北帶水體變淺，被子植物生源貢獻(xiàn)減少。

5.2 油—源對比

以夏33和503井(沙三段儲層)和夏509井(沙四段儲層)油樣為典型代表，與附近井的烴源巖進(jìn)行生物標(biāo)志物對比(圖2)。沙三下亞段與沙三中亞段烴源巖的峰型、Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18、規(guī)則甾烷分布、奧利烷含量等均與原油非常相近(表1，2，圖6a)，在有機(jī)質(zhì)來源、沉積環(huán)境方面均表現(xiàn)出與原油具有更好的親緣關(guān)系，其他層段烴源巖則表現(xiàn)與原油親緣關(guān)系較差。

聚類統(tǒng)計(jì)分析被普遍用于劃分油族及油源對比[11-13,35]。基于不同的相似性(親密性)，即根據(jù)原油生標(biāo)參數(shù)找出能度量樣品間相似程度的統(tǒng)計(jì)量，根據(jù)統(tǒng)計(jì)量計(jì)算樣品間距離(相似性)，具有較高相似性的原油聚合成一類，而相似性較差的原油被聚合成另一類[12]。本次研究參考前人的文獻(xiàn)[17,21-28,36-39]選取與有機(jī)質(zhì)來源、沉積環(huán)境和成熟度相關(guān)的16項(xiàng)地化參數(shù)(圖6a)，對原油進(jìn)行聚類分析，從宏觀上反映原油類別和相近程度，對比分析各油族的成因與來源。由樹形圖(圖6b)可看出南帶和北帶原油被明顯區(qū)別出來，沙三中亞段和沙三下亞段烴源巖與原油關(guān)系更加親近，聚類分析結(jié)果與傳統(tǒng)油—油、油—源對比中利用交會(huì)圖(圖3)和譜圖(圖2)對比得到的結(jié)果較為一致。總體看，聚類分析的手段能夠識別原油類別以及烴源巖與原油親緣關(guān)系。

圖5 渤海灣盆地臨南洼陷原油生物標(biāo)志化合物參數(shù)交會(huì)圖

圖6 渤海灣盆地臨南洼陷原油及烴源巖參數(shù)對比(a)與聚類譜系圖(b)

6 結(jié)論

(1)臨南洼陷沙三、沙四段原油的生標(biāo)特征非常相似，族組分含量以及生物標(biāo)志物參數(shù)指標(biāo)表明沙三、沙四段原油均已進(jìn)入成熟階段，其母質(zhì)輸入中陸源高等植物和低等水生生物都很豐富，具有陸相湖盆混合型母質(zhì)特征。北帶原油樣品中4-甲基甾烷/C29R、Ts/Tm以及伽馬蠟烷指數(shù)較低，長鏈三環(huán)萜烷比值和1,2,7-/1,2,6-三甲基萘較高；南帶原油樣品中4-甲基甾烷/C29R、Ts/Tm以及伽馬蠟烷指數(shù)普遍較高，長鏈三環(huán)萜烷比值和1,2,7-/1,2,6-三甲基萘較低。反映了2個(gè)地區(qū)沉積水體、原油成熟度以及母質(zhì)來源中溝鞭藻、被子植物貢獻(xiàn)的差異性。

(2)沙三段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，有機(jī)質(zhì)豐度較高；沙四段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，有機(jī)質(zhì)豐度較低。主要生油期發(fā)生在3 100～4 200 m(Ro=0.7%～1.3%)，沙三和沙四段烴源巖均已處于成熟階段。沙三中、下亞段段是臨南洼陷的主力烴源巖。

(3)以典型原油樣品為代表，通過色譜峰型和Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18、奧利烷含量、1,2,7-/1,2,6-三甲基萘等參數(shù)與各烴源巖樣品進(jìn)行油源對比，應(yīng)用多種參數(shù)進(jìn)行聚類分析，表明臨南洼陷沙三、沙四段原油主要來自于沙三下亞段、中亞段烴源巖。