准噶尔盆地莫北-莫索湾地区原油成因分类及运聚特征①

石新朴 王绪龙 曹 剑 胡文瑄 姚素平 向宝力 蓝文芳 樊太亮

(1.中国地质大学(北京)能源学院 北京 100083;2.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院 新疆克拉玛依 834000; 3.南京大学地球科学系 南京 210093)

准噶尔盆地莫北-莫索湾地区 (图1)是盆地当前油气勘探的重要对象[1～3]。区域上因在东、西、南3个方向上存在 4个沉积凹陷 (图1),加之垂向上可能存在石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系等多套烃源岩[1],所以油源关系复杂。比如,对于目前区内现已发现的原油,普遍认为油源以来自二叠系烃源岩为主,并且多具有混源特征[1];然而,近年来在东道海子-阜康凹陷地区,如图1,于董 1井、成 1井、东道 2井中新发现了一些原油,其生物标志物组成与区内侏罗系烃源岩有些类似[4]。由此可见,本区原油成因类型比较复杂。有鉴于此,为了给区域油源及成藏研究提供基础参考信息,本文拟首先通过混源油配比模拟实验[5],查明混源油的典型生物标志物组成特征,建立混源油的判识标准,然后将其与原油特征进行对比,进而划分原油的成因类型[6],讨论原油运聚特征,研究结果对具有相似原油地球化学特征的盆地其它地区也将具有一定参考意义。

图1 准噶尔盆地莫北-莫索湾地区构造单元分布示意图Fig.1 Schem aticm ap show ing tectonic units in the M obei-M osuow an area,JunggarBasin

1 混源油配比模拟实验及判识

在准噶尔盆地莫北-莫索湾地区,可能存在侏罗系、二叠系下统风城组、二叠系中统下乌尔禾组三种不同端元成因类型的原油,以及这些原油的混源油[1,4]。据此,本次工作分别进行了二叠系混源油,以及二叠系与侏罗系混源油的配比模拟实验,进而尝试建立油源判识标准[7]。

1.1 二叠系混源油配比模拟实验及判识

在莫北-莫索湾地区,二叠系的混源油除了油源不同之外,还可能在成熟度上存在差异,通常而言,来自风城组的原油成熟度中等,而来自下乌尔禾组的原油成熟度有差异[1]。据此,选择了不同油源,不同成熟度的原油分别进行了两组混源油配比模拟实验。如表1,根据油源判识标准,即 C20、C21、C23三环萜烷的分布型态[8],4件实验油样分别代表了风城组和下乌尔禾组的典型原油,并且根据甾烷异构体成熟度参数 C29甾烷 20S/(20S+20R),夏 76井和石 301井两井原油的成熟度相仿,而莫 11井原油的成熟度高于夏72井原油。

表1 二叠系混源油配比模拟实验的端元油样基本特征Tab le 1 Basic fea ture of end-m em ber o ils in ar tific ia l Perm ian-sourced o ilm ix ing exper im en ts

图2 二叠系混源油配比模拟实验的m/z 191质量色谱图(三环萜烷系列),样品基本特征参见表1Fig.2 m/z 191m ass ch rom atogram s(tricyclic terpanes)of oils in artificial Perm ian sou rced oilm ixing experim ents.See Tab le 1 for basic featuresof samp les

首先,对于成熟度大致相当的石 301井和夏 76井原油,根据实验结果,两类原油混合后最明显的变化与判断单一成因原油的标准类似[8],即突出表现为 C20、C21、C23三环萜烷的分布形式。石 301井端元原油的 C20、C21、C23三环萜烷为 C20>C23的山峰型,当石 301井原油与夏 76井原油比例为 80∶20时,C20和 C23三环萜烷的峰高开始接近;当混合比例为 60∶40时,三环萜烷仍然呈山峰型分布,但是 C21与 C23的峰高差距已经变小;当混合比例为 40∶60时,C21三环萜烷稍稍超过 C23三环萜烷,呈弱上升型分布;其后,随夏 76井原油的混入比例逐渐增高,三环萜烷的上升型分布越来越明显,至夏 76井原油比例占到80%时,三环萜烷的上升型分布形态已比较接近夏76井端元原油的特征。因此可见,当在石 301井原油中逐渐混入夏 76井原油时,其 C20、C21、C23三环萜烷峰形随之逐渐变化,C23三环萜烷的峰高 (相对含量)逐渐上升。此外,三环萜烷和五环三萜烷的相对比例随混源油混合比例的变化,也大致呈现出有规律性的变化,如图2所示,按三环萜烷最高峰与五环三萜烷最高峰的相对比例,夏 76井风城组原油的特征是三环萜烷含量高于五环三萜烷,而石 301井下乌尔禾组原油的三环萜烷含量与五环三萜烷含量大致相当,原油混合过程中,随下乌尔禾组原油中混入的风城组原油比例逐渐增高,三环萜烷相对五环三萜烷的含量逐渐增高,反映这也可能是表征混源油混合比例的一个良好指标。然而,三环萜烷和五环三萜烷的相对含量还与原油的成熟度具有比较大的相关性,即随成熟度增大,三环萜烷含量会逐渐升高[8],因此相对而言,C20、C21、C23三环萜烷的分布形式是判识油源的好指标。

成熟度有差异的混源油配比模拟实验结果表明,最明显的变化同样表现在 C20、C21、C23三环萜烷的峰形上(图2)。在莫 11井原油中混入夏 72井原油,随夏 72井原油混入比例的变大,混合油的 C23三环萜烷峰高相对上升,C20、C21、C23三环萜烷峰形由莫 11井原油的 C20>C23的山峰型逐渐变化为夏 72井原油的明显上升型。综合两次实验结果,可见 C20、C21、C23三环萜烷峰形可以较好反映混源油的油源组成比例.20、C21、C23三环萜烷呈上升型分布,反映油源主要来自风城组,但可能有下乌尔禾组原油的混合,这主要取决于 C23/C21比值的大小,其值越大,则混入的下乌尔禾组原油比例就越小。若 C20、C21、C23三环萜烷呈山峰型分布,则其油源主要来自于下乌尔禾组,但也可能有来自风城组原油的混合,其混合程度取决于C23/C21的比值,该比值越大,那么混入的风城组原油比例越高。

1.2 二叠系和侏罗系混源油配比模拟实验及判识

在二叠系和侏罗系混源油配比模拟实验中,端元油样分别选取东道 2井和石南 8116井的原油,二者的生物标志化合物组成特征具有显著差异 (表2,图3),分别主要代表侏罗系和二叠系下乌尔禾组的原油[4,8]。需要说明的是,东道 2井端元原油中实际上有少许二叠系原油的混入,但因混入量少,所以不会对实验结果造成大的影响。而反映典型单一成因侏罗系原油的董 1井、成 1井皆位于中石化探区内,不具备样品采集条件。

实验结果显示,生物标志物组成最明显的变化特点表现在 C19和 C20三环萜烷的相对丰度上 (图3)。如图3,东道 2井侏罗系原油的 C19三环萜烷含量高于 C20三环萜烷,当混入的石南 8116井原油占 20%的比例时,C19和 C20三环萜烷的含量差距开始缩小,当混入的石南 8116井原油占 40%时,C19和 C20三环萜烷的含量开始接近,当混入的石南 8116井原油占60%时,C20三环萜烷的含量稍稍超过 C19三环萜烷,而当混入的石南 8116井原油占 80%时,C20三环萜烷的含量已明显超过 C19三环萜烷,但是混源油的 C19、C20三环萜烷含量差距仍然要小于端元的下乌尔禾组原油。所以,总体上看,当混源油中侏罗系原油组分超过 50%时,C19三环萜烷含量皆一致高于 C20三环萜烷含量,这与侏罗系原油一致;而当侏罗系原油的含量低于 50%时,C19三环萜烷含量低于 C20三环萜烷含量,这与二叠系原油特征类似。可见,三环萜烷C19和C20峰位的相对高低可大致反映二者的混合比例:当三环萜烷 C19/C20比值大于 1时,侏罗系原油组分占优势,而当三环萜烷 C19/C20比值小于 1时,二叠系原油组分占优势。

表2 二叠系与侏罗系混源油配比模拟实验的端元油样基本特征Tab le 2 Basic fea tures of end-m em ber o ils in ar tificia l Perm ian-and Jurassic-sourced o ilm ix ing exper im en ts

此外,如表2,根据甾烷成熟度参数指标 C29甾烷20S/(20S+20R),侏罗系原油的成熟度相对二叠系原油要低,所以其生物标志物浓度较高[7]。因此,当侏罗系与二叠系原油混合时,混源油会更多地表现出类似侏罗系原油的特征,比如三、四环萜烷含量通常要明显低于五环萜烷,C24四环萜烷含量也相对比较突出,等等(图3)。因此,如果某原油样品的m/z 191色质分析谱图特征与侏罗系原油相似,但 Pr/Ph比值、碳同位素略低于侏罗系原油而明显高于二叠系原油,成熟度略高于侏罗系原油而明显低于二叠系原油,其它地球化学参数也介于侏罗系和二叠系原油之间,那么该原油很可能就属于侏罗系和二叠系的混源油。

图3 二叠系和侏罗系混源油配比模拟实验的m/z 191质量色谱图(萜烷系列),样品基本特征参见表2Fig.3 m/z 191m ass ch rom atogram s(terpanes)of oils in artificial Perm ian-and Jurassic-sourced oilm ixing experim ents.See Tab le 2 for basic featuresof samp les

2 原油成因分类

根据以上建立的混源油生物标志物组成判识标准,结合原油的其它地球化学参数,从 8个角度,包括碳同位素、三环萜烷、类胡萝卜烷、伽马蜡烷、Pr/Ph、Ts/Tm、甾烷和轻烃等,可将本区的原油综合分为 4种成因类型(表3)。这 4类原油分别是下二叠统风城组、中二叠统乌尔禾组、侏罗系的单一成因原油,以及混源油。其中,混源油又可进一步细分为二叠系混源,以及二叠系 (下乌尔禾组)与侏罗系混源 2个亚类,再依据混源油的模拟实验结果,还可以将混源油中不同油源的含量比例半定量区分出来,共计 5个小类。需要指出的是,由于地质情况千差万别,因此在应用表3中建议的参考标准进行原油成因类型判识时需要结合地质背景具体问题具体分析,不生搬硬套。

第Ⅰ类原油是单一成因的下二叠统风城组原油,其分布比较局限,仅在少数钻井中发现,并且主要以储层沥青形式存在。如莫 4井白垩系储层油浸细砂岩(4 258.02 m)(图4),其沥青“A”碳同位素为-30.86‰,Pr/Ph比值为 0.85,β-胡萝卜烷和伽马蜡烷丰度较高,C20、C21、C23三环萜烷呈较大斜率的上升型分布,表现为典型的风城组原油特征[8]。甾烷异构体成熟度参数 C2920S/(20S+20R)和 C29αββ/ (ααα+αββ)值分别为 0.51和 0.57,接近平衡值,说明成熟度中等.IC图中见UCM鼓包,m/z 177色质图中也检出了 25-降藿烷系列,说明早期充注的风城组原油后来遭受了较强程度的生物降解。除了莫 4井的这块样品之外,在莫北 1井的侏罗系三工河组(J1s)储层中的也有Ⅰ类原油分布。此外,油气储层包裹体烃中普遍识别出了风城组的烃类①胡文王宣,张义杰,姚素平,等。盆1井西凹陷油气系统成藏序列与油气分布研究[R]。新疆油田公司勘探开发研究院,2006,据此,可以认为,本区早期曾广泛接受了风城组原油的充注,后期因构造运动影响,地层抬升遭受剥蚀,或因断层的沟通调整,油气受到了次生蚀变作用。

第Ⅱ类原油是单一成因的中二叠统下乌尔禾组原油,主要分布在有凝析油气产出的莫索湾和莫北凸起相邻处。如莫 101井的4 173～4 178m(侏罗系三工河组,J1)的原油,典型生物标志物特征包括β-胡萝卜烷和伽马蜡烷基本未检出,C20、C21、C23三环萜烷表现为 C20>C23的山峰型分布 (图4),说明其油源来自下乌尔禾组[8].IC图中未发现鼓包,m/z177谱图中也未检出 25-降藿烷系列,表明这类原油记录的可能是原生油气充注。此外,在莫 11井侏罗系三工河组 (J1、J1、莫 108井侏罗系三工河组 (J1)等处也有这类原油发现。

第Ⅲ类原油是单一成因侏罗系原油,目前主要发现于近年来在东道海子凹陷钻探的成 1井,以及阜康凹陷的董 1井中,此外,滴西地区滴西 9井中也有发现。以董 1井为例(图4),该井4 870～4 875m原油在萜烷分布上,三环萜烷/五环萜烷小于 10%,三环萜烷低丰度背景上 C19、C20三环萜烷峰位明显,且 C19>C20,C24四环萜烷 /C26三环萜烷比值在 5以上,Tm丰度高,伽马蜡烷丰度低,C29规则甾烷均大于 70%, Pr/Ph均大于 3,反映了典型的侏罗系烃源岩的特征,和二叠系烃源岩差异十分明显[1,8].IC图中未发现鼓包,m/z 177谱图中也未检出 25-降藿烷系列,反映原生油气充注特征。

表3 准噶尔盆地莫北-莫索湾地区四类不同成因原油的地球化学特征Tab le 3 Geochem istry of four genetic types of o ils in theM obei-M osuowan a rea,Jungga r Basin

图4 准噶尔盆地莫北-莫索湾地区典型端元成因类型原油的地球化学特征谱图Fig.4 Rep resentative geochem ical chrom atogram sof end-m em beroils in theM obei-M osuowan area,JunggarBasin

第 IV类原油是上述三种类型原油的混源油,按混合对象的不同又分为两个亚类,风城组和下乌尔禾组的混源油 (IVa),以及二叠系和侏罗系的混源油(IVb)。其中,IVa类原油是本区原油的主体,在不同地区,不同层位中皆有分布,反映了复杂的烃类运聚特征。而 IVb类原油目前主要发现的是以侏罗系原油占主要优势的成因类型,典型代表是东道 2井侏罗系八道湾组原油(图3a)。

3 原油运聚特征

以上可见,在准噶尔盆地腹部莫北-莫索湾地区,存在二叠系风城组、下乌尔禾组、侏罗系端元成因类型的原油,以及这些原油的混源油。根据烃源岩的生排烃演化史分析,风城组、下乌尔禾组、侏罗系这 3套烃源岩的主力原生排油期分别在三叠纪末、白垩纪、古近纪。东道海子凹陷的二叠系烃源岩沉积规模有限,而沙湾凹陷二叠系烃源岩的母质类型较差,所以这两个凹陷在三叠纪和白垩纪时不是本区二叠系原油的有效供烃凹陷①王绪龙,况军,杨海波,等。准噶尔盆地第三次资源评价[R]。新疆油田公司勘探开发研究院,2000。古近纪时,全区表现为自南向北的单斜构造形态,本区侏罗系原油的有效供烃凹陷是阜康和沙湾凹陷①王绪龙,况军,杨海波,等。准噶尔盆地第三次资源评价[R]。新疆油田公司勘探开发研究院,2000。

风城组烃源岩的生油高峰期在三叠纪末,因此这是其原生成藏期,油气主要聚集于前侏罗系储层中(图5)。在本区,前侏罗系地层目前深度通常大于5 000m,所以少有钻井钻揭。在邻近的石西地区(莫北地区北翼),石炭系火山岩裂缝中的残余固体沥青可能是此次成藏事件留下的痕迹[9]。对石西油田典型石炭系火山岩储层流体包裹体的研究表明,在三叠纪存在一次成藏事件,并以液态烃的注入为主[1]。王绪龙分析认为,在三叠纪时,石炭系火山岩储层的盖层尚未形成,注入储层中的油气逸散,导致在现今储层裂缝中仅保留有部分残留沥青[1]。在邻近达巴松-夏盐地区的二叠系-三叠系储层中,普遍发现了C20、C21、C23三环萜烷呈上升型分布的原油,这充分证实了风城组原油的成藏事件②王绪龙,蓝文芳,康素芳,等。准噶尔盆地油气地球化学研究进展[R]。新疆油田公司勘探开发研究院,2003。

图5 准噶尔盆地莫北-莫索湾地区油气运聚事件示意图Fig.5 Schem aticm ap show ing petroleum m igration and accum ulation in theM obei-M osuowan area,JunggarBasin

中晚侏罗世后,油气沿深浅“y”字形断层调整[10](图5)。中下侏罗统储层的有机包裹体成分分析结果表明,包裹体烃类成熟度中等,C20、C21、C23三环萜烷的分布以上升型为主,其它地化指标也接近风城组的特征。根据烃源岩的演化史,风城组烃源岩在中晚侏罗世后已达高成熟阶段,这与现今储层中的包裹体烃类基本以成熟烃类为主的特征不相符合,表明该期不是原生的原油充注,而是次生调整的结果②。储层流体包裹体的均一化温度和伊利石测年数据显示油气调整时间发生在中晚侏罗世后[11]。

第三次成藏事件发生在晚白垩世,是区域第二成藏期。该期储层流体包裹体均一化温度主要分布在90～110℃,自生伊利石的测年结果表明,该期油气的成藏时间为晚白垩世[11]。由于此时盆 1井西凹陷的下乌尔禾组烃源岩进入成熟到高成熟阶段,处于生油高峰期,而风城组烃源已处于高熟阶段[12]。所以该期油气藏主要源于下乌尔禾组烃源岩,普遍存在于本区不同层位的地层中,是主要的油气藏类型[12～14](图5)。

第四次成藏事件发生在新近纪,是区域上油气的第二成藏调整期和第三成藏期。调整期是指此时盆1井西凹陷的主力烃源岩均已进入过成熟阶段,不可能再形成原生成熟油气藏。因此此次成藏事件是前期油气藏再调整的产物,时间在新近纪[1]。喜马拉雅运动的掀斜作用为前期成藏的油气向上向北运移提供了运移的动力[15]。而第三成藏期是指新近纪后,南部阜康和沙湾凹陷中的侏罗系煤系烃源岩开始进入成熟阶段,生成和排出了一定数量的油气①,储层有机质的红外检测结果表明,莫索湾地区除了发现风城组成熟油和乌尔禾组高熟油之外,还有少量的低熟油气②,结合东道 2井侏罗系中发现侏罗系原油(图3),综合推测该期是原生侏罗系原油的成藏期。

4 结论

(1)在准噶尔盆地莫北-莫索湾地区,根据混源油配比模拟实验,发现原油的某些生物标志物组成可能是判识原油成因类型的有效指标,其中,饱和烃C20、C21、C23三环萜烷峰形较好反映了二叠系下统风城组和中统下乌尔禾组混源油的油源组成比例,而C19、C20三环萜烷比值较好反映了二叠系和侏罗系混源油的油源组成比例。

(2)根据反映混源油混合比例的典型生物标志物参数,综合原油的其它地球化学参数,从八个角度,包括碳同位素、三环萜烷、类胡萝卜烷、伽马蜡烷、Pr/ Ph、Ts/Tm、甾烷和轻烃等,将本区的原油分成 4种成因类型,分别是来自下二叠统风城组、中二叠统下乌尔禾组和侏罗系的单一成因原油,以及混源油,混源油又可进一步细分为二叠系混源,以及二叠系(下乌尔禾组)与侏罗系混源2个亚类。

(3)根据不同类型原油的区域分布特点,结合地质背景,分析了原油的运聚特征。结果表明,三叠纪末,风城组原生成熟原油主要聚集于前侏罗系储层中;中晚侏罗世后,这些原油主要沿深浅“y”字形断层调整;晚白垩世-古近纪,下乌尔禾组成熟原油开始运聚成藏;新近纪-第四纪,早期原生油藏普遍由南向北发生调整,并且侏罗系原油开始运聚成藏。

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