杨建磊,尚海港,胡秋媛

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257061; 2.中石化胜利油田分公司 孤东采油厂,山东 东营 257000)

原油地球化学特征研究一直是油气勘探开发中的基础性工作。20世纪50年代以来,我国诸多学者相继提出了源控论、陆相生油论、叠合盆地晚期生油理论等独具特色的理论,极大程度上丰富了我国的油气勘探理论。板桥凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷的主要富油气凹陷之一,具有良好的含油气远景。张刚庆(2009)、李卓沛(2011)、王伟(2012)、宋璠(2015)等相继对板桥凹陷的原油芳烃组成、烃源岩演化、储层、成藏特征进行相关研究[1-4]。其中,古近系被认为是凹陷中唯一生储油岩层,沙一下亚段和沙三段为主力烃源岩。目前,除常规原油外,板桥凹陷中还富含多种非常规油气资源,油源条件充足,具有良好的勘探潜力。但针对板桥凹陷原油地球化学特征尚缺少整体性、系统性认识。因此,笔者综合运用地球化学手段,对板桥凹陷的原油物性、族组成、碳同位素组成、甾萜烷组成、芳烃化合物组成、轻烃组成等进行综合研究,明确凹陷内原油的地球化学特征。

1 区域地质概况

板桥凹陷在构造位置上位于渤海湾盆地内黄骅坳陷的中北部,北西以沧东断层与沧县隆起相接,南东以港东断层与北大港构造带相邻,北抵塘沽新港潜山构造带,南达沈青庄潜山构造带,整体为北西断、南东超的箕状断陷盆地(图1)。受北大港构造带影响,研究区地势呈北低南高长条状,发育一系列与沧东断层平行的NE向断层,自北向南依次为海河断层、长芦断层、板桥断层、大张坨断层、港西断层、港东断层[5]。

板桥凹陷为典型的陆相断陷盆地,古近纪以来经历了初始断陷、扩张断陷、稳定裂陷、衰减4期构造运动。凹陷内发育典型的华北型地层,其中,结晶基底自下而上由太古界、下古生界和中生界构成,沉积盖层自下而上依次发育古近系沙河街组(Es)、东营组(Ed),新近系馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)及第四系平原组(Qp)等5套地层。

图1 研究区大地构造位置与断层分布图

2 样品与实验

本次研究采集了板桥凹陷塘沽地区、板桥地区和大中旺地区的16个原油样品,分别来自于馆陶组、东营组及沙一段—沙三段(图2),基本涵盖了研究区各种原油类型。原油样品由中石化石油勘探开发研究院无锡地质研究所使用Varian CP-3800气相色谱仪检测。本次实验针对上述16个原油样品详细分析了包括族组分组成、原油碳同位素组成、原油饱和烃气相色谱、原油甾萜烷组成等在内的多种地球化学特征,以期进一步认识原油性质和形成分布规律。

图2 板桥凹陷原油样品分布

3 原油地球化学特征

3.1 原油物性

板桥凹陷各层位的原油相对密度分布于0.71～0.97 g/cm3,包含轻质油、正常原油、中质油和重质油[6]。原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,极少数超过1 000 mPa·s。原油含硫量介于0.4%～1.0%,属低硫原油。原油含蜡量、原油凝固点随相对密度变化范围均较大,其中,含蜡量分布于1.28%～34%,凝固点分布于-30～72 ℃。

3.2 原油生物标志化合物特征

3.2.1 原油族组成特征

板桥凹陷不同地区原油族组成表现出显著的区域性差异。原油族组成三角图中清晰显示,板桥凹陷不同地区原油族组成可分为4个点群(图3)。其中,第1点群为以板852-3为代表的板桥地区埋深较大的原油,饱和烃含量高至65%以上;第2点群为以板64-30k为代表的埋深较浅的原油,其典型特征表现为芳烃含量低,饱和烃、非烃和沥青质含量集中在35%～55%;第3点群为以塘28为代表的塘沽地区原油,其原油族组成分布介于上述两个点群;第4点群为以旺1102为代表的大中旺地区原油,其典型特征为饱和烃、芳烃含量较低,非烃、沥青质含量高至75%。从整个板桥凹陷看,原油族组成分布表现出明显的“南北分区”。以大张坨断层为界,研究区北部族组分分布特征为饱和烃相对含量较高,非烃和沥青质含量较低,芳香烃含量中等,饱芳较大;而相比之下,南部地区原油族组成特征相反。

图3 研究区原油族组成分布特征

3.2.2 原油碳同位素组成特征

板桥凹陷原油碳同位素值相差较大,分布于-29.1‰～-24.5‰之间,整体表现出与原油族组成相似的特征。其中,板桥地区第1类原油碳同位素均大于-25.3‰,表明此类原油成熟度水平相对较高;相比之下,板桥地区第2类原油碳同位素较轻,且饱和烃、原油、芳香烃、沥青质、非烃表现出依次增加的趋势;红8-1井油样与大中旺地区的碳同位素与区内其他地区样品特征具有显著差异,在-27‰左右,整体较轻;塘沽地区原油碳同位素值最轻,均小于-28‰,整体分布趋势与板桥凹陷第1类原油一致,但整体上相差3‰。

表1 研究区原油碳同位素组成特征

3.2.3 原油饱和烃气相色谱特征

板桥凹陷原油气相色谱图表明,板桥凹陷既有保存良好的正常原油,也有正构烷烃明显遭到生物降解的原油。依据气相色谱图特征,可将研究区原油划分为4种类型。

板桥凹陷原油饱和烃气相色谱特征表现出明显差异。其中,板桥地区第1类原油的典型特征为峰型完整,正构烷烃(nC)分布完整,但环烷烃(CYC)、异构烷烃(iC)含量相对较低,前锋型主峰碳优势明显,多集中在nC9和nC10,OEP和CPI均趋近于1,表现出成熟原油特征(图4(a))。此外,原油样品饱和烃气相色谱显示,该类原油特征参数∑C21-/∑C22+值分别在3.59和42.38之间,Pr/nC17值分别在0.33和0.56之间,Ph/nC18值分别在0.18和0.31之间,Pr/Ph值分布在1.96和2.49之间,以弱姥鲛烷优势为特征。

板桥地区埋深较浅的样品对应该地区第2类原油,集中于东营组(Nd)和馆陶组(Ng)。原油样品饱和烃气相色谱图显示,该类原油以环烷烃(CYC)为主,正构烷烃(nC)和异构烷烃(iC)含量均较低,推测该类原油已遭受严重生物降解(图4(b))。

大中旺地区为研究区典型的第3类原油,饱和烃气相色谱图中饱和烃整体含量较低,色谱基线出现明显的“UCM”鼓包现象(图4(c)),异构烷烃(iC)、环烷烃(CYC)含量高,而正构烷烃(nC)分布不明显,加之该区域样品埋深较浅,推测此类原油也遭受一定程度的生物降解。

塘沽地区为研究区典型的第4类原油,其饱和烃气相色谱图中峰型完整,正构烷烃(nC)分布完整,但含量明显低于环烷烃(CYC)和异构烷烃(iC),以nC21、nC23为主峰。原油正构烷烃无明显的奇偶优势,CPI比值平均为1.15,OEP比值分布于1.05和1.13之间,反映出成熟原油的特征。饱和烃特征参数∑C21-/∑C22+值分布在0.59和1.31之间,Pr/nC17比值分别在0.48和0.60之间,Ph/nC18比值分别在0.75和0.96之间,Pr/Ph平均比值为0.56,表现出明显的植烷优势(图4(d))。

3.2.4 原油甾萜烷组成特征

3.2.4.1 原油甾烷系列化合物特征

规则甾烷中重排甾烷、规则甾烷等参数可有效指示原油的母质差异[7]。依据m/z217对板桥凹陷原油甾烷进行定量—定性分析表明,研究区内原油甾烷系列化合物的地球化学特征均表现出明显的区域差异。

板桥地区原油中规则甾烷呈不对称V型分布,以C27、C29为优势(图5(a)、(b))。甾烷的典型特征为重排甾烷指数在研究区含量最高、4-甲基甾烷指数较高;∑(重排)/∑(规则)比值分布在0.109和0.340之间,∑(相对分子质量)/∑(规则)比值分布在0.020和0.072之间(表2)。板桥地区甾烷构成特征随深度变化呈现出不同规律,其中,板桥地区第1类原油的甾烷构成特征为规则甾烷C27/C29比值、∑(重排)/∑(规则)比值、相对分子质量/∑(规则)比值、4-甲基甾烷/C29比值等参数均相对较高,且C27优势特征明显;而板桥地区第2类原油的上述甾烷参数则相对较低。

图4 板桥凹陷原油饱和烃气相色谱图

大中旺地区原油的质量色谱图中规则甾烷呈V字型对称分布,以C27、C29为优势(图5(c))。该类原油的甾烷系列化合物含量总体较低,且样品中未检测到有效的4-甲基甾烷。

图5 研究区原油典型质量色谱图

表2 研究区原油甾烷特征参数

塘沽地区原油质量色谱图显示出,规则甾烷分布表现出典型的C29优势,为典型的反L型(图5(d))。该类原油的甾烷系列化合物特征为低分子量/∑(规则)比值较小;∑(重排)/∑(规则)平均比值为0.1;4-甲基甾烷含量很低,4-甲基甾烷/C29甾烷分布在0.05和0.08之间。相比板桥地区,塘沽地区原油的上述甾烷生标参数均较小。

3.2.4.2 原油萜烷系列化合物特征

萜类化合物是原油中分布广泛的生物标志化合物。利用m/z123和m/z191对原油样品的倍半萜烷、二萜烷、三环萜烷等萜类化合物进行了定量—定性分析,为研究区原油类型划分提供有效依据。

萜类化合物中三环二萜烷为来自高等植物的先质[8]。依据研究区原油样品的生物标志化合物参数,绘制出原油三环二萜烷/∑藿烷与二环倍半萜烷/∑甾烷的相关图(图6)。

图中清晰显示,板桥地区原油样品可划分为3种类型,板桥地区对应可分为第1类和第2类,大中旺地区原油对应第3类。对比3类原油的二环倍半萜烷/∑(甾烷)比值发现,第1类原油中该比值均在2以上,可知该类原油母质来源一致,且含有低等水生植物或较高细菌的先质;第2类原油中该比值在0.01～1之间;第3类原油中该比值与三环二萜烷/∑(藿烷)比值均很低,表明此类原油母质的差异性来源。

图6 研究区原油二环倍半萜烷/∑甾烷与三环二萜烷/∑藿烷相关图

4 原油类型划分

图7 板桥凹陷原油聚类谱系图

前已述及,板桥凹陷原油的族组成、碳同位素组成、饱和烃气相色谱、甾萜烷组成等地球化学特征研究表明,研究区板桥地区、塘沽地区和大中旺地区的原油各具特色,既表现出一定的层位差异,同时表现出显著的区域性差异。因此,充分利用上述各项生物标志化合物特征基础上,笔者以原油试样间的相似程度为依据,采用多元统计方法—Q型聚类分析[9],进一步对研究区原油样品进行分类,最大限度地利用了生物标志化合物的所有成因信息,有效规避了单一参数对比的局限性。本次研究中,以相似系数0.85为标准,采用SPSS统计软件进行聚类分析,得出研究区聚类谱系图(图7)。结果表明,研究区原油样品可划分为4种典型类型,其中,板桥地区原油可划分为两类,以板852-3和板深5H1为代表的板桥地区埋深较大的原油定为Ⅰ类原油,以板78-12和板南3-1k为代表的板桥地区埋深较小的原油定为Ⅱ类原油;以旺1102为代表的大中旺地区原油定为Ⅲ类原油,以塘28为代表的塘沽地区原油定为Ⅳ类原油,与前述原油地球化学特征分析结果具有极高的吻合度。

5 结 论

(1)板桥凹陷原油属典型的低硫原油,含硫量介于0.4%～1.0%,原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,原油含蜡量、凝固点随相对密度变化范围均较大,其中,含蜡量分布于1.28%～34%,凝固点分布于-30～72 ℃。

(2)板桥凹陷原油地球化学特征表现出显著的区域性差异。板桥地区埋深大的原油饱和烃含量高,碳同位素重,异构烷烃和环烷烃含量低,Pr/Ph值大,C27、C28、C29规则甾烷呈不对称V型,低分子量甾烷、重排甾烷、4-甲基甾烷含量高,成熟度较高;板桥地区埋深小的原油饱和烃含量中等,非烃和沥青质含量较高,碳同位素较重,甾萜类化合物与其埋深大的原油相似。大中旺地区原油碳同位素最轻,饱和烃含量较高, Pr/Ph值小,规则甾烷以C27、C29为优势,呈反L型分布,成熟度水平相对较低。塘沽地区原油碳同位素较轻,非烃和沥青质含量高,规则甾烷分布表现出典型的C29优势,为典型的反L型,成熟度相对较低。

(3)Q型聚类分析研究表明,板桥凹陷原油样品可划分为4种类型,其中,以板852-3和板深5H1为代表的板桥地区埋深较大的原油定为Ⅰ类原油,以板78-12和板南3-1k为代表的板桥地区埋深较小的原油定为Ⅱ类原油;以旺1102为代表的大中旺地区原油定为Ⅲ类原油,以塘28为代表的塘沽地区原油定为Ⅳ类原油,与前述原油地球化学特征分析结果具有极高的吻合度。