松遼盆地雙城凹陷烴源巖地球化學特征及油源

曾花森, 霍秋立, 范慶華, 張曉暢, 孫 晶, 司萬霞

松遼盆地雙城凹陷烴源巖地球化學特征及油源

曾花森1,2*, 霍秋立1,2, 范慶華1,2, 張曉暢1,2, 孫 晶1,2, 司萬霞1,2

(1. 大慶油田有限責任公司勘探開發研究院, 黑龍江 大慶 163712; 2. 黑龍江省致密油和泥巖油成藏研究重點實驗室, 黑龍江 大慶 163712)

綜合應用有機碳豐度、巖石熱解、碳同位素、生物標志物和有機顯微組分等多項指標, 對松遼盆地雙城凹陷下白堊統營四段烴源巖進行了分析, 以揭示該套烴源巖地球化學特征及形成環境, 并探討該凹陷內原油的可能來源。結果顯示, 營四段烴源巖有機碳(TOC)含量平均為2.97%, 有機質類型為Ⅱ型, 有機質來源主要為高等植物, 其次為層狀藻等水生生物, 鏡質組反射率(o)為0.83%～1.10%, 處于生油窗內。烴源巖甾烷分布以C27、C29重排甾烷為主, 規則甾烷以C29占優勢, 具有高豐度重排藿烷, 伴有早洗脫重排藿烷(C30D/C30H比值平均為0.68, C30E/C30H比值平均為0.32), 反映沉積環境為弱氧化-弱還原的淡水半深湖-淺湖。雙城凹陷原油為高蠟低硫輕質油, 碳同位素平均為?29.69‰, 來源于營四段烴源巖, 其中登三段原油重排藿烷相對豐度較低, 為烴源巖成熟度較低時生成的原油運移成藏; 營四段原油重排藿烷相對豐度較高, 且其與深度的變化規律與烴源巖基本一致, 反映為近源成藏。

E系列重排藿烷; 烴源巖; 沉積環境; 雙城凹陷; 松遼盆地

0 引 言

松遼盆地深層指下白堊統泉頭組三段以下、基底以上的勘探層系, 自2002年慶深氣田發現以來, 松遼盆地(北部)深層油氣勘探主要以尋找煤型氣為主[1–3]。盡管北部深層業已發現少量凝析油和油型氣[3], 囿于深層主力烴源巖大部分處于高-過成熟演化階段[4], 深層烴源巖的生油潛力及原油勘探一直處于探索階段。近年來在松遼盆地北部深層雙城凹陷營城組四段首次發現處于成熟階段的烴源巖, 且在上覆配套儲層內發現工業油流, 實現北部深層原油勘探的重大進展。剖析這套成熟烴源巖的地球化學特征、形成環境及深層原油的來源有助于了解北部深層高-過成熟烴源巖早期的生油潛力, 尋找生油有利區, 擴大下一步北部深層原油的勘探范圍。為此, 本次研究擬綜合應用有機碳、巖石熱解參數、碳同位素和生物標志物等多項指標, 對營四段烴源巖地球化學特征及原油來源進行分析。

1 區域地質概況

雙城斷陷位于松遼盆地深層構造單元東南斷陷區, 對應的中淺層構造帶從南到北依次為青山口背斜帶、賓縣-王府凹陷、長春嶺背斜帶和朝陽溝階地, 受4條NNE走向的“S”形斷裂控制, 形成“兩凹一凸”的構造格局, 即鶯山凹陷、雙城凹陷和對青山凸起(圖1a)[5–6]; 深層沉積地層自下而上依次發育下白堊統的火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組。雙城斷陷主力烴源巖為沙河子組和營城組四段暗色泥巖及煤, 其中沙河子組烴源巖主要發育在鶯山凹陷, 雙城凹陷僅在中部少量揭示, 且有機質豐度較低; 營四段烴源巖主要發育在雙城凹陷南部。沙河子組烴源巖總體處于高-過成熟演化階段, 是過去天然氣勘探的主力氣源巖[7]。本次研究區位于雙城凹陷南部, 受太平莊斷裂和朝陽斷裂的切割控制, 總體表現為西斷東超SN向展布的箕狀式凹陷(圖1b); 深層沉積地層缺失沙河子組, 烴源巖主要發育在營城組上部營四段, 巖性主要為黑色泥巖夾砂巖、砂礫巖, 部分井可見少量碳質泥巖夾層和煤線。平面上, 營四段暗色泥巖分布具有中間厚、兩側薄、東側厚和西側薄的特征, 厚度一般為10～110 m。登婁庫組與下伏地層呈不整合接觸, 其中登三段發育砂巖、砂礫巖夾紫紅色泥巖, 是當前油氣勘探的主要目的層。

2 樣品與實驗

分析樣品來自研究區的13口井, 井位分布見圖1, 取樣層位為營四段和登三段。其中泥巖樣品214份, 含油砂巖19份, 原油5份。樣品主要為巖芯及井壁取芯, 部分泥巖樣品為巖屑, 巖屑樣品經清水洗滌后篩選備用。用于油-巖對比的泥巖和含油砂巖均為巖芯樣品, 樣品粉碎后經索氏抽提, 抽提液采用層析柱分離出族組成備用。有機碳和巖石熱解分析分別在Leco C744碳分析儀和Rock-Eval 6熱解分析儀上完成。穩定碳同位素、飽和烴色譜、飽和烴色譜-質譜分別在Elementar Isoprime 100、Agilent 7890A和Agilent 5975C儀器上完成。全巖有機顯微組分分析采用Leica DMRXP+Q550IW熒光顯微鏡, 鏡質組反射率采用Leica MPV-SP顯微光度計測定, 所有分析在大慶油田勘探開發研究院實驗中心完成, 執行相關的行業及國家分析標準。

3 烴源巖地球化學特征

3.1 有機質豐度及成熟度

營四段烴源巖總有機碳(TOC)為0.96%～14.68%, 大部分介于2%～4%之間, 平均為2.97%, 熱解生烴潛量(1+2)為0.69～54.65 mg/g, 大部分為5～10 mg/g, 平均為6.99 mg/g, 總體評價為中等-好生油巖?？v向分布上, 如圖2所示, 結合測井Δlog(聲波與電阻率曲線之間的間距)變化的旋回特征[8]及測井計算的有機碳剖面[9], 自下而上營四段烴源巖存在兩個富有機質沉積單元, 對應兩個沉積正旋回。從鏡質組反射率(o)上看,o為0.83%～1.10%, 處于成熟演化階段。

3.2 有機質類型

應用巖石熱解2-TOC交匯圖劃分有機質類型可以避免巖石熱解過程礦物對烴類的吸附效應或“死碳”的影響, 從而評價對生烴有貢獻的有機質類型[10–11]。如圖3a所示, 營四段烴源巖有機質類型主要為Ⅱ型, 單井2-TOC相關系數比較高, 反映有機質類型比較一致; 不同井之間,2-TOC斜率的變化除反映有機質類型的差異, 成熟度的影響也是重要因素。Cornford.[11]研究表明,2-TOC交匯圖在TOC軸上的截距大小與烴源巖中陸源惰屑體的含量呈正相關關系, 代表總有機碳中不能生烴的“死碳”。如圖3所示, 營四段烴源巖的“死碳”約為1.0%左右, 與松遼盆地青一段湖相烴源巖相比[12], 后者“死碳”一般小于0.5%, 反映營四段烴源巖陸源有機質碎屑的輸入比例較大。Creaney.[8]通過層序地球化學研究指出, 相同沉積背景下, 烴源巖氫指數(H)與TOC具有協變特征, 低有機質豐度時, 陸源惰屑體比例較大,H隨TOC的增大而增大(上升段), 高有機質豐度時, 陸源惰屑體比例較小,H隨TOC變化較小(平穩段); 進一步分析表明, 這種協變關系與有機質的保存條件亦有關[13],H平穩段的烴源巖代表相同沉積背景下能夠形成的最好烴源巖。如圖3b所示, 營四段烴源巖H-TOC協變趨勢總體處于上升段,反映陸源碎屑有機質輸入占比較大; 鏡下有機顯微組分對比結果也表明(圖4e, 圖4f),H高的烴源巖, 層狀藻相對富集。從全巖有機顯微組分組成來看(圖4), 營四段烴源巖有機質來源主要為陸源高等植物碎屑和水生生物, 其中陸源有機碎屑主要為鏡屑體和碎屑絲質體、半絲質體, 見少量菌類體(主要為菌孢), 水生生物主要為層狀藻。營四段烴源巖中可見到較豐富的富氫鏡質體(圖4b)和瀝青質體(圖4d), 從結構和產狀來看, 富氫鏡質體具有結構且主要沿層發育, 推斷主要來源于藻類或孢子體的轉換, 瀝青質體則無明顯的結構, 主要見于孔、縫, 它們的形成一般認為與表層沉積期間厭氧細菌對脂類顯微組分的代謝有關[14]。

圖1 松遼盆地雙城凹陷構造圖與井位分布

圖2 松遼盆地雙城凹陷地層綜合柱狀圖(基于X67)

3.3 生物標志物特征

3.3.1 類異戊二烯烷烴

沉積有機質中姥鮫烷、植烷主要來源于葉綠素的植烷基; 相比水生沉積環境, 陸相沉積環境下高等植物的有氧降解有利于形成植烷酸(姥鮫烷先質), 因此姥植比(Pr/Ph)可用于氧化還原環境及有機質來源的判識[15]。對于處于生油窗內的油、烴源巖, 一般來說, Pr/Ph比值小于0.8反映強還原環境, 大于3則一般反映氧化的含煤沉積環境[16–17]。營四段烴源巖飽和烴Pr/Ph比值為1.13～4.26, 主要分布在1.5～ 2.5之間, 平均為2.3, 反映弱氧化-弱還原的沉積環境。

圖3 松遼盆地雙城凹陷營四段烴源巖S2-TOC、IH-TOC交匯圖

圖4 松遼盆地雙城凹陷營四段烴源巖有機顯微組分照片

(a) S59井, 1427.79 m, 鏡屑體、惰屑體(fe–絲質體, fu–菌類體, v–鏡質體), 油浸反射白光(×200); (b)與(a)同一樣品, 富氫鏡質體(hv), 油浸反射白光(×500); (c) X67井, 1437.35 m, 層狀藻(al, 淺褐色、半透明短條狀沿層分布), 油浸反射白光(×500); (d) S70井, 1291.74 m, 瀝青質體(bi)沿微裂縫發育, 藍光激發下呈暗黃-桔紅色熒光, 油浸反射白光(×500); (e) S70井, 1287.64 m, 層狀藻富集(H=228 mg/g), 藍光激發, 油浸反射光(×500); (f) X67井, 1442.45 m, 層狀藻(H=194 mg/g), 藍光激發, 油浸反射光(×500)

3.3.2 甾、萜烷

營四段烴源巖萜烷分布以藿烷為主, 伽馬蠟烷不發育, 重排藿烷相對豐度高, 18α-三降藿烷(Ts)和17α-三降藿烷(Tm)之間見早洗脫重排藿烷(C30E)[18](圖5)。Ts/(Ts+Tm)比值為0.48～0.89, 平均為0.72 (表1),達到平衡值, 反映為成熟烴源巖。伽馬蠟烷指數(Ga/C30H)平均為0.11, 普遍小于0.15; 伽馬蠟烷一般認為是與高鹽度或水體分層有關[19], 結合研究區地質、地球化學特征, 表明營四段烴源巖沉積水體較淺, 為淡水沉積。17α-重排藿烷(C30D)相對豐度指標C30D/C30H比值為0.27～1.54, 平均為0.68, 根據張文正等[20]對重排藿烷相對豐度的劃分標準, 屬于高豐度到異常高豐度。早洗脫重排藿烷相對豐度指標C30E/C30H比值為0.07～1.17, 平均為0.32, 變化趨勢與C30D/C30H變化一致(圖6c, 圖6d), 說明兩者之間具有相同的成因。17α-重排藿烷一般認為來源于細菌藿烷類先質, 在氧化-亞氧化的酸性環境下經由黏土催化發生重排作用形成[16,21,22], 早洗脫重排藿烷的相對富集一般與陸相成烴環境及高等植物輸入有關, 如塔里木盆地柯克亞原油[21,23], 印尼陸相原油[24], 庫車坳陷陸相原油[25]及川中侏羅系原油[26]等。重排藿烷相對豐度也受成熟度影響, 由于重排藿烷化學熱穩定好于藿烷, 成熟度越高重排藿烷相對豐度越大[22,27,28]; 張敏等[29]研究表明, 重排藿烷相對豐度在生油高峰期(o=0.8%～0.9%左右)達到最大。營四段重排藿烷相對豐度總體具有隨埋深增加先變大后變小的趨勢(圖6c, 圖6d), 在1400～1500 m (對應o為0.9%～1.0%)左右達到最大, 說明研究區重排藿烷相對豐度縱向上的變化受成熟度控制。

圖5 松遼盆地雙城凹陷烴源巖、油典型甾萜烷質量色譜圖

表1 松遼盆地雙城凹陷部分烴源巖、原油生物標志物特征

圖6 松遼盆地雙城凹陷C29甾烷異構化指數及重排藿烷指數隨深度變化圖

營四段烴源巖甾烷分布以C27、C29重排甾烷為主, 規則甾烷以C29占優勢(圖5), 反映有機質來源主要為陸源高等植物[30]。縱向上, C29甾烷異構化指標20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)在1400 m以淺平均分別大于0.5和0.7, 均達到平衡值, 反映烴源巖處于成熟階段; 在1400～1500 m處, C29甾烷異構化指標出現“倒轉”現象, 反映甾烷異構化指標受不同構型甾烷裂解速率控制[31]; 1500 m以深, C29甾烷異構化指標變化不大, 反映烴源巖成熟度相近。

從平面分布上看, 凹陷內或近凹陷區的烴源巖(圖5, S68、S71)重排藿烷相對豐度較低, 而規則甾烷C27相對豐度較大, 藻類貢獻比例增大, 反映凹陷區陸源有機質輸入減少、沉積環境更還原。研究區內埋深較大的烴源巖樣品(>1700 m, 如S71、S83)往往位于凹陷區, 其重排藿烷相對豐度低應主要受有機質來源和沉積環境控制, 其次是成熟度的影響。

3.4 正構烷烴單體碳同位素

正構烷烴單體碳同位素能夠提供分子級的信息, 其分布特征常常用于識別有機質來源及沉積環境, 廣泛應用于原油分類及原油來源分析[32–34]。如圖7所示, 雙城凹陷營四段烴源巖正構烷烴碳同位素(13C)曲線以C23為中心, 大致呈V型分布, 隨碳數的增加碳同位素先變輕后變重,C15–C31正構烷烴13C值為?28.81‰ ～ ?33.27‰。營四段烴源巖正構烷烴單體碳同位素曲線變化趨勢與典型煤系烴源巖不同, 后者一般具有隨碳數增加碳同位素變輕的趨勢(如吐哈盆地煤系泥巖[35])且碳同位素總體偏重(一般大于?28‰[34]); 而與典型湖相烴源巖相似(如松遼盆地青一段湖相烴源巖[36], 一般小于?30‰)。Ficken.[37]對現代湖泊沉積物的研究表明,C27以上長鏈烷烴一般來自陸源高等植物或挺水植物, 碳同位素較重, 而中鏈烷烴(C21、C23或C25)一般來自大型水生植物(沉水植物和浮游植物), 碳同位素較輕。對于水生生物和陸源高等植物混合來源的有機質, 短鏈烷烴(C15–C19)一般認為來源于藻類及細菌, 且碳同位素具有隨碳數增大而變輕的特征[38]。因此, 從單體烴碳同位素的分布特征來看, 營四段烴源巖有機質具有混合來源特征, 結合不同沉積環境正構烷烴碳同位素的分布范圍[34], 認為屬于湖相沉積, 受陸源高等植物輸入影響。再結合研究區地質背景和上述其他地球化學特征, 認為營四段烴源巖發育于淡水半深湖-淺湖、弱氧化-弱還原的沉積環境。

圖7 松遼盆地雙城凹陷正構烷烴單體碳同位素分布

4 原油地球化學特征及來源分析

雙城凹陷原油主要分布于登三段砂巖儲層, 部分見于營四段砂礫巖(如S59、S661等井)。原油密度為0.821～0.852 g/cm3, 平均為0.836 g/cm3; 黏度為4.10～15.03 mPa?s, 平均為7.03 mPa?s; 含蠟量為9.2%～25.7%, 平均為18.03%; 含硫量為0.05%～0.59%,平均為0.13%, 屬于高蠟低硫輕質油。

雙城凹陷登三段與營四段原油具有總體一致的甾、萜類生物標志物分布特征和碳同位素組成。如甾烷組成均以C27、C29重排甾烷為主, 規則甾烷以C29占優勢; 萜烷化合物均以藿烷為主, 伽馬蠟烷相對含量低, 重排藿烷相對含量高(圖5); 重排藿烷指數C30D/C30H、C30E/C30H分別為0.27～0.67(平均為0.40)、0.07～0.23(平均為0.11), 均屬于高豐度重排藿烷類型(圖6); 全油碳同位素為?29.24‰ ～ ?30.06‰, 平均?29.69‰; 正構烷烴單體碳同位素為?28.82‰ ～ ?32.66‰, 平均為?30.93‰, 比松遼盆地青一段湖相原油碳同位素重[39], 而比煤成油碳同位素輕[40]。這些地球化學特征的相似性說明它們具有相同的來源, 且與同凹陷內的營四段烴源巖具有可比性(圖5, 圖7)。

雙城凹陷原油C29甾烷20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)分別為0.47～0.62 (平均為0.55)和0.60～ 0.80 (平均為0.70), 均在平衡值附近, 為成熟原油, 不同埋深原油之間的成熟度變化較小(圖6a, 圖6b)?？v向上, 登三段原油重排藿烷相對豐度變化不大, 與營四段1200～1300 m烴源巖重排藿烷相對豐度相近, 反映原油主要為運移成藏; 營四段原油重排藿烷的相對豐度隨埋深先增加后降低, 與鄰近深度的營四段烴源巖相似, 反映原油主要為近源成藏(圖6c, 圖6d)。

5 結 論

(1) 雙城凹陷南部營四段發育高有機質豐度烴源巖, TOC平均2.97%,o為0.83%～1.10%, 處于生油窗。有機質類型主要為Ⅱ型, 有機質來源主要為陸源高等植物, 其次為層狀藻等水生生物, 沉積環境為淡水半深湖-淺湖, 水體呈弱氧化-弱還原條件。

(2) 營四段烴源巖正構烷烴單體碳同位素為?28.81‰ ～ ?33.27‰, 甾烷分布以C27、C29重排甾烷為主, 規則甾烷以C29占優勢, 重排藿烷相對豐度高, 見早洗脫重排藿烷, 其中C30D/C30H平均為0.68, C30E/C30H平均為0.32。

(3) 雙城凹陷原油為高蠟低硫輕質油, 碳同位素較輕, 平均為?29.69‰。原油飽和烴生物標志物特征與營四段烴源巖相似, 其中, 登三段原油重排藿烷相對豐度總體較低、營四段原油重排藿烷相對豐度平均較高, 采用重排藿烷進行油源對比, 認為登三段原油為營四段烴源巖成熟度較低時生成的原油運移成藏, 營四段原油則主要為近源成藏。

中國石油大學(北京)王春江教授、中國科學院廣州地球化學研究所詹兆文副研究員對本次初稿的完善給予大量的幫助與指導, 在此致以衷心的感謝！

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Geochemical characteristics of source rocks and oil origins in the Shuangcheng Depression, Songliao Basin

ZENG Hua-sen1,2*, HUO Qiu-li1,2, FAN Qing-hua1,2, ZHANG Xiao-chang1,2, SUN Jing1,2and SI Wan-xia1,2

1. Exploration and Development Research Institute, Daqing Oilfield Company Ltd., Daqing 163712, China; 2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Tight Oil and Shale Oil Accumulation, Daqing 163712, China

Multiple organic contents, pyrolysis techniques, stable carbon isotopes, biomarkers, and organic petrology parameters were used to characterize the source rocks of the Lower Cretaceous Yingcheng Formation’s fourth member in the Shuangcheng depression, Songliao Basin. Based on these characteristics, forming conditions of source rocks and potential origins of crude oils were discussed. Results show that the source rock contains type II kerogen and a high organic content, with an average total organic carbon value of 2.97%. An organic petrology study showed that the organic matter is mainly derived from higher terrestrial plant tissues with some algae input. The source rock is thermally mature and exhibits a vitrinite reflectance (o) ranging between 0.83%–1.10%. The source rock steranes are dominated by C27andrearranged steranes while regular steranes are dominated by C29. Furthermore, there is a high abundance of rearranged hopanes that comprise early eluting rearranged hopanes (C30D/C30H and C30E/C30H are 0.68 and 0.32 on average, respectively), thereby indicating that the depositional environment is a shallow to semi-deep fresh-water lake with suboxic conditions. Crude oils in the Shuangcheng Depression comprise light oil with high wax and low sulfur contents, and the stable carbon isotope content in the whole oil is ?29.69‰ on average. Oil-source correlation analysis shows that the oils are sourced from Yingcheng shale. The oils in the third member of Denglouku Formation have a lower content of rearranged hopanes and are sourced from migrated oils generated by the underlying source rocks at lower maturity. In contrast, the oils in the fourth member of Yingcheng Formation have a higher content of rearranged hopanes and their trend with depth corresponds to that of the source rock, indicating that they are sourced from in-site or adjacent source rocks.

early eluting rearranged hopanes; source rock; sedimentary environment; Shuangcheng depression; Songliao Basin

P593

A

0379-1726(2021)02-0152-11

10.19700/j.0379-1726.2021.02.002

2019-02-27;

2019-11-13;

2020-04-09

中國石油天然氣股份公司勘探與生產分公司重大課題(135YQZP-2017-KT02)

曾花森(1982–), 男, 高級工程師, 主要從事石油地質和地球化學研究工作。

ZENG Hua-sen, E-mail: zenghuasen@petrochina.com.cn; Tel: +86-459-5589108