川西坳陷须家河组下段腐殖煤系气源岩饱和烃分布异常研究

2013-01-06黄光辉长江大学地球环境与水资源学院湖北武汉430100

长江大学学报(自科版) 2013年8期

李兴，张敏，黄光辉（长江大学地球环境与水资源学院，湖北武汉430100）

油气勘探中把含有煤层或夹有煤线的沿岸平原到沼泽相沉积地层称为煤系地层，一般沉积在弱氧化-弱还原的淡水环境。煤系有机质生源构成不同于一般非煤系湖相和海相有机质，具有明显的陆源有机质所具有的特征及典型的生物标志物组合特征［1-5］，如高的姥植比（＞2．5）、含有较高的二环倍半萜烷、三环萜烷含量较低且C22以前低碳数萜烷高于C22以后高碳数萜烷、五环萜烷中以莫烷为主而伽马蜡烷含量很低或没有、规则甾烷中以C29甾烷为主、重排甾烷较发育等等。四川盆地上三叠统须家河组是一套腐殖煤系气源岩，但是其饱和烃分布与常规的沼泽相煤系源岩存在明显差异，其根本原因是海侵作用［6］。下面，笔者选取川西坳陷须家河组下段煤系气源岩样品进行饱和烃异常分布特征研究，以期了解海侵作用对腐殖煤系有机质饱和烃分布的影响。

1 试验部分

1．1 样品

川西坳陷是四川盆地西部晚三叠世以来陆相盆地的深坳陷部分，普遍发育上三叠统须家河组煤系烃源岩（缺失须六段），从下往上依次为须一段（T3X1）、须二段（T3X2）、须三段（T3X3）、须四段（T3X4）和须五段（T3X5），暗色泥岩和所夹煤层是主要气源岩。所用9个煤系气源岩样品（煤、碳质泥岩和泥岩）采自川西坳陷（大深1井、柘6井和大参井）须家河组须一段到须三段。

1．2 试验方法

采用常规的索氏抽提器对样品用氯仿进行抽提，通过石油醚沉淀抽提物以去除沥青质，然后经氧化铝-硅胶层析柱分离，得到饱和烃馏分。饱和烃GC-MS分析在6890N／5975I色谱质谱仪上进行，色谱柱为HP-5MS石英弹性毛细管柱（30m×0．25mm×0．25μm）。升温程序为50℃恒温1min，然后以20℃／min的速率升温

从50℃升至100℃，再以3℃／min的升温速率从100℃升至315℃，在315℃时恒温16．83min。进样器温度为300℃，载气为氦气，流速为1．0mL／min，扫描范围为50～550amu。

2 结果与分析

2．1 正构烷烃与类异戊二烯烷烃分布特征

正构烷烃与类异戊二烯烷烃数据表如表1所示。从表1可以看出，川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩抽提物的饱和烃色谱分布范围在C12～C33之间，碳数分布范围较窄，没有明显的奇偶优势。抽提物的正构烷烃的分布模式基本都是单峰型，主峰碳分布在nC18～nC20之间，峰型为前峰型，高碳数相对含量低。OEP值分布在1．0左右，表明须家河组烃源岩有机质热演化程度较高。研究表明，在有机质成熟度较高的情况下，高碳数的正构烷烃会逐步裂解成为小分子的化合物，所以低碳数化合物可能与低等水生生物的输入和成熟度较高双重作用有关，而∑nC21-／∑nC22＋比值分布范围在0．53～4．77之间，说明海侵作用下气源岩有机质输入表现为低等水生生物的贡献增加。

表1 正构烷烃与类异戊二烯烷烃数据表

一般而言，高 Pr／Ph比值（＞3．0）指示在氧化条件下的陆源有机质输入，低Pr／Ph比值（＜0．6）代表缺氧的超盐度环境，典型的煤系地层有机质以Pr／Ph＞2．5为特征［7］。样品中检测的姥鲛烷、植烷丰度较高，有的甚至成为饱和烃色谱中的主碳峰，由于 Pr／Ph比值小于0．6，平均值为0．47（见图1），具有较强的植烷优势，且有较高的Pr／nC17和Ph／nC18，总体表现出盐湖相或者海相有机质的分布特点（见图2）。

图1 川西坳陷上三叠统煤系烃源岩Pr／Ph分布特征

2．2 甾烷系列

水生低等生物富含C27αααR甾烷，与C27αααR比较，高等植物富含 C29αααR甾烷，所以C27αααR、C28αααR和C29αααR规则甾烷的分布可以很好的表征烃源岩的母质来源特征［8］。川西坳陷上三叠统须家河组下段煤系气源岩含有丰富的甾烷系列化合物，已检测出C27～C29规则甾烷、C28～C304α-甲基甾烷、C30甲藻甾烷、孕甾烷、升孕甾烷、重排甾烷等。

图2 川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Pr／nC17和Ph／nC18分布特征及其与沉积环境的关系

对样品中的规则甾烷αααC27（20R）、αααC28（20R）、αααC29（20R）的相对含量进行了分析，大部分以 “V”型分布和C29略占优势的不对称 “V”型分布为主（见图3），说明受海侵作用的影响，低等水生生物母质输入的贡献开始增加。

除规则甾烷外，重排甾烷也是甾烷系列化合物的重要组成部分。重排甾烷的发育除与成熟度有关外，还受沉积条件的影响，因为酸的催化作用和源岩沉积环境的氧化性是甾烷向重排甾烷转化的必备条件［9］。计算结果显示，所选样品在高成熟情况下，重排甾烷依然不是很发育，与规则甾烷比值较小（0．1～0．26）。因此，海侵作用使水体咸化而导致水的密度分层作用和底水含氧量减少（即低Eh），抑制了川西坳陷气源岩重排甾烷的发育。

图3 川西凹陷下段煤系烃源岩m／z=191质量色谱图

侯读杰等［10］认为在淡水情况下，4-甲基甾烷呈现出C28和C30较高的V字型分布，而在水体盐度升高时，C294-甲基甾烷的丰度开始变高，因此其相对富集状况可以反映水体的盐度。所测样品中C294-甲基甾烷的丰度普遍偏高（见图4），说明川西坳陷须家河组沉积水体为偏咸水环境。此外，还检测到一定丰度的甲藻甾烷（见图4），而甲藻甾烷是海侵或者湖相咸化、半咸化沉积环境的标志物［9］，这是由于海侵水体咸化而导致水的密度分层作用和底水含氧量减少（即低Eh），使得川西坳陷须家河组煤系气源岩表现出低的Pr／Ph比值。

2．3 萜烷系列

1）双环倍半萜研究发现［7］，C15补身烷系列化合物在海相原油与陆相原油中具有明显不同的分布特征：陆相原油具有较高的重排化合物，而海相原油重排化合物相对丰度明显要低得多，补身烷的重排化合物的形成机理类似于甾烷和藿烷的重排过程，因此，补身烷、甾烷、藿烷相应的重排化合物可能具有相似的沉积环境指示意义。研究样品中重排补升烷与8β（H）-补身烷比值介于0．56～2．56之间，但大部分样品小于1或者缺失重排补升烷，某种程度上表现与海相的特征是一致的。

2）三环萜烷与四环萜烷三环萜烷与四环萜烷的相对丰度大小及其分布特征受沉积环境和母质类型的控制。具体而言，完整且丰度较高的三环萜烷系列常见于海相或者咸化环境以藻类为主要成烃母质的地质样品中［8］，如下古生界海相烃源岩中常可检测出碳数分布范围较宽（C19～C35）的长链三环萜烷，且具有呈正态分布，以C21和C23为主峰碳，C26以上三环萜烷丰度高等特征。

研究样品中检测的三环萜烷碳数范围为C19～C31，四环萜烷主要为C24-17，21-断藿烷。在m／z=191质量色谱图中（见图5），所有的样品中均检出C19～C31（缺C27），分布完整，煤和泥岩均具有较高丰度的三环萜烷含量，C21三环萜烷／C23三环萜烷所有样品都低于1，表明长链三环萜烷的分布主要以C23为主峰，C26以上三环萜烷相对丰度较高，平均值为0．35。C24-17，21-断藿烷丰度较高，这类化合物往往与超盐还原环境下微生物作用有关。

图4 甲基甾烷m／z=231质量色谱图（以柘六井T3X3煤为例）

3）五环三萜系列化合物三萜类是饱和烃馏分中具有重要生物意义的化合物，是一种广泛分布在各类原油和源岩中的生物标志化合物。川西坳陷须家河组烃源岩中检测到的五环三萜化合物主要包括藿烷系列、莫烷系列、伽马蜡烷等。藿烷系列分布特征为：碳数分布从C27～C35，C30藿烷最高，其次是C29藿烷，C31～C35升藿烷丰度总体上呈依次下降的趋势，这表现出一般海相泥页岩亚氧化底水沉积特征［7］。检测样品中伽马蜡烷相对丰度较高，与C31-藿烷丰度相当，伽马蜡烷指数为0．14～0．36，平均值为0．26，这反映出微咸水的沉积环境特点［7］。