东营凹陷深层烃源岩生物标志物特征及其意义①

丁 飞 蔡进功 隋风贵 郑德顺 徐兴友

(1.同济大学海洋地质国家重点实验室 上海 200092;2.中国石油化工股份有限责任公司胜利油田分公司地质科学研究院 山东东营 257000; 3.河南理工大学资源与环境学院 河南焦作 454000)

0 引言

近年来,国内外油气勘探不断向盆地深部拓展[1～3],突破了传统有机质生烃理论中液态烃存在下限(120℃,Ro>1.35%)的禁区,同时室内热模拟实验也表明高温条件下烃源岩中分散有机质仍然能够生成C15+的烃类[4],这向人们展示了深层油气的良好勘探前景。有机质在地质体生烃过程中并非仅受温度与时间的控制,也与压力、有机质分解反应化学体系开放与否、是否存在催化剂和水以及有机质类型、沉积速率和保存环境等多种因素有关[1～5],因此,解剖已发现的深层油气藏的烃源岩特征,对提高有机质生烃认识具有重要意义。

东营凹陷北部的利津与民丰两个洼陷4 000 m以下沙河街组第四段(沙四段,E s4)砂砾岩体中获得高产工业气流,如丰8井、丰深1井和丰深2井(F8井、FS1井和FS2井)等,经油源对比认定烃类来自于E s4下亚段暗色泥岩[6],而这套泥岩位于E s4的中、下亚段大套暗红色砂砾岩及膏岩和盐岩中,经钻探证实膏盐岩上、下及层间(盐上、盐下、盐间)发育有暗色泥岩,其中盐上段主要为深灰色、黑灰色纹层泥岩;盐间段主要是深灰色、黑色含盐膏泥岩;盐下段主要为深灰色砂岩与泥岩互层②中石化胜利油田研究课题:济阳坳陷深层烃源岩研究与评价。长期以来对这套泥岩缺乏认识,制约了该区深层油气勘探的步伐,为此,选取了E s4盐上、盐间、盐下的泥岩样品,通过可溶有机质抽提和GC-MS分析,依据生物标志化合物特征揭示不同层段的有机质来源及其沉积环境的差异,为认识深层有机质生烃特征,拓展该区深层油气勘探领域提供科学依据。

1 样品及试验方法

研究样品选自东营凹陷民丰地区(图1)F8、FS1和FS2井埋深在3 000～5 500 m的盐上段、盐间段和盐下段泥岩岩芯样品16块(表1)。

将泥岩岩样经净化处理后放入恒温干燥箱内,在40℃烘干4 h以上。干燥后样品磨碎过筛至80目以下,进行索氏抽提72 h。抽提后所得可溶有机质经浓缩后加入正己烷静置沉淀沥青质,用硅胶、氧化铝色层柱,分别以正己烷、二氯甲烷和甲醇作为冲洗剂,得到饱和烃、芳香烃和非烃馏分。用GC-MS对饱和烃做分析测试,试验仪器Agilent 6890 GC/5973N MSD,色谱柱为DB5-MS 60 m X0.25 mm X0.23μm,柱始温100℃,升温速率4℃/min,柱终温320℃,恒温20min。载气为氦气。离化方式为电子轰击(EI,70eV),离子源温度250℃。

图1 研究区域位置图Fig.1 Geographical location of the study area

表1 东营凹陷深层烃源岩样品基本参数与族组成Table1 Geochem ical parameters and group compositions of samp les

2 结果与讨论

2.1 有机质丰度与类型

对16块样品的有机质丰度统计发现(表1),岩上、间、下三段间差异较大,而以盐上段丰度较高。盐上段TOC含量分布在1.83%～2.77%,相应氯仿沥青“A”含量也最高,平均值为0.38%。盐间段TOC含量低于盐上段,最大值仅为1.75%,最小值为0.47%,而其氯仿沥青“A”含量相对较高,平均值为0.18%。盐下段有机质丰度差异较大,其中埋深为4 182 m的F8样品TOC为2.29%,但其氯仿沥青“A”含量远低于盐上段相当有机碳含量的样品,可能与有机质的类型有关。

从样品族组成可以看出(表1),不同层段样品族组成差异明显,其中盐上段和盐间段均以饱和烃和芳烃为主,盐上段饱和烃占50%左右,盐间段饱和烃占显著优势,绝大多数样品含量都在70%以上,仅有两个样品检出沥青质,盐下段饱和烃含量很低,芳香烃与非烃含量达到60%以上。据此推断盐上段和盐间段有机质主要来源于富含饱和烃类的水生生物源,而盐上段有机质主要来源于芳香烃占优势的陆源植物,该结果与孢粉相的分析结果相一致①同前页标注②。:盐上段无定形组分含量高,其次为木质素;盐间段以无定形组分占绝对优势,其他组分低;盐下段则以木质素为主,无定形含量低。不同层段中有机质来源的差异是有机质类型变化的主要原因。

图2 东营凹陷深层烃源岩饱和烃色谱图Fig.2 Mass chromatogram of m/z85 of deep source rocks from Dongying depression

2.2 有机质来源

正构烷烃GC-MS特征具有明显差异(图2、表2)。首先各段烃源岩饱和烃主峰碳变化较大,盐上段主要为n C17,其次为n C23、n C25;盐间段则以n C16～18居多,盐下段各样品主峰碳散乱,分别为n C18、n C22、n C23。此外,C21-/C22+比值变化也较大,其中FS1井从盐上到盐下按深度呈先增加后减小的趋势(表2),揭示了盐上段有机质以陆源占优势逐渐变化为水生来源为主,而盐间段则以水生来源为主,盐下段样品也体现出一定的水生优势,与盐上段差别不大,F8井与FS1井变化趋势类似。另外,从三段烃源岩规则甾烷C27、C28、C29的相对含量可以看出,盐上段与盐下段类似,C27/C29比值普遍小于1.0,盐上段与盐下段平均值分别为0.76与0.81,陆源物质在有机质组成中稍占优势;盐间段高于其他两段,平均值为1.54,最大值高达4.3,具有绝对水生优势,体现了盐湖相有机质来源具有其自身的特殊性。

从检出的类异戊二烯烃来看,姥鲛烷和植烷较丰富.r/C17与Ph/C18关系图(图3)反映了盐间段特征明显区别于其他两段,数据点相对分散,表现为类异戊二烯烃类对正构烷烃的优势,而盐上与盐下两段样品数据点在Pr/C17与Ph/C18均小于0.1的范围之内。高丰度的类异戊二烯烃是我国咸化湖典型特征之一,同时表明菌藻类在盐间段发育[7],可能是沉积有机质的主要来源。另外,盐间段烃源岩抽提物中所检出较其他两段丰富的三环萜类也表明了该段沉积有机质中咸化湖低等水生生物的突出贡献。

图3 东营凹陷深层烃源岩类异戊二烯烃关系图(YSD:盐上段;YJD:盐间段;YXD:盐下段)Fig.3 Correlation plot of Ph/n C18 vs.Pr/n C17 of deep source rocks from Dongying depression

综合各种参数,有机质来源主要与气候条件和河流输入变化有关[8],盐上段气候相对湿润[9],河流带来大量陆源有机质,低等水生生物和陆源高等植物构成了有机质的双重输入。随着气候逐渐干旱[9],河流流量减小导致携带的陆源有机质减小,但随着干旱程度增加湖水盐度增大,一些嗜盐菌藻类适应高盐环境而大量繁殖,成为沉积有机质主要来源,从而导致盐间段水生生物占优势。

2.3 有机质沉积与保存环境

Pr/Ph比值的差异体现了各段有机质沉积环境不同,盐间段该参数明显低于其他两段。盐上段Pr/ Ph比值分布在0.75～1.24之间,盐间段Pr/Ph比值变化范围为0.34～0.79,与盐上段差异较大,而盐下段Pr/Ph比值分布在0.76～1.19之间,与盐上段并无明显差别。据梅博文等[10]研究,盐上段以及盐下半潮湿气候条件下淡水-微咸水湖还原环境,而盐间段属于半干旱气候条件下的咸水湖环境。从伽马蜡烷相对含量的变化也能够体现有机质沉积环境的差异,盐间段普遍较高。盐上段伽马蜡烷/C30藿烷分布在0.04～0.29之间,平均值为0.15,盐下段伽马蜡烷/C30藿烷平均值为0.11,与盐上段差别不大;盐间段伽马蜡烷/C30藿烷最低值为0.16,最高值达1.63,平均值为 0.53。伽马蜡烷含量与水体盐度有关[11,12],在济阳凹陷,正常盐度条件下烃源岩沉积有机质中伽马蜡烷/C30藿烷比值在 0.09～0.29之间[13],盐上段与盐下段样品伽马蜡烷指数分布在此范围之内,属于正常沉积,而盐间段相对含量高的伽马蜡烷与Pr/Ph比值所指示的半干旱气候条件下咸水湖环境相吻合。从伽马蜡烷含量与Pr/Ph比值(图4)也能够看出盐间段高伽马蜡烷指数对应于Pr/Ph比值的低值区,Pr/Ph比值大于0.8的样品伽马蜡烷指数都在0.4以下,其原因可能为:当湖泊盐度降低时,表现为伽马蜡烷含量降低,而水体因盐度差异而产生的分层现象减弱,从而溶解氧能够进入底层水体导致有机质沉积环境趋于氧化,使得Pr/Ph比值增大。

表2 东营凹陷深层烃源岩生标参数Table2 Biomarker parameters of saturated hydrocarbon of the samples

藿烷组分中升藿烷检出不全,分布无明显规律性,不同于低熟烃源岩还原环境中存的C35>C34> C33的翘尾现象[14]。所研究样品中大部分有孕甾烷检出,但含量很低,从F8井单井的各段烃源岩孕甾烷与升孕甾烷相对含量依然能够看出盐间段高于其他两段,具有咸化湖特征,但盐间段部分样品因饱和烃中甾烷含量低而无法计算孕甾烷与升孕甾烷的含量。

图4 东营凹陷深层烃源岩Pr/Ph与伽马蜡烷指数关系(YSD.盐上段;YJD.盐间段;YXD.盐下段)Fig.4 Correlation plot of Pr/Ph vs.index of gammacerane of deep source rocks from Dongying depression

2.4 有机质成熟度

对生物标志化合物成熟度指标统计对比发现各段有机质演化程度不同,以盐间段最低,盐上段略高于盐下段。盐上、盐间与盐下三段烃源岩规则甾烷C29ααα20S/20(S+R)比值平均值分别为:0.436、0.433、0.413,而藿烷类C31αβ22S/22(S+R)比值各段平均值分别为:0.574、0.527、0.570。尽管两个参数所指示各段烃源岩热演化程度有差异,但其中一个明显特征是盐间段成熟度小于盐上段,盐下段因样品数量少致使可比性较差。通过热解实验中成熟度指标Tmax显示,三段烃源岩自上而下平均值分别为: 443.6℃、395.3℃、438.2℃①见首页注②,也体现了盐间段烃源岩成熟度明显低于上下两段的现象。膏岩层的存在导致了烃源岩有机质热演化异常,除有机质特殊沉积与保存环境外,膏岩层热导率高导致深部地温容易传到浅部也是其中一个重要原因[15]。

3 北坡原油油源探讨

Baltes早在1979年就提出膏盐层的形成环境有利于有机质保存[16],并为转化成石油形成物质基础,其与有机质结合量仅次于黏土或泥岩[17]。前人对膏岩层有机质研究认为:蒸发岩形成时期,湖盆底部水体近于停滞,使湖盆底部形成弱氧化弱还原环境,从而有效保存了有机质[18],为烃类的形成提供物质基础。从东营凹陷北坡深层烃源岩有机地球化学参数来看,膏岩层作为烃源岩生烃有其自身优势:首先,表征有机质丰度的参数TOC虽然低于盐上段,但都在0.5以上,而且有机质类型较其他两段好,可溶有机质组分以饱和烃为主,少见沥青质。其次,通过甾、萜烷异构化参数得到的结果均显示其成熟度低于其上覆岩层。此外,来源于高盐度环境下的细菌和藻类形成的有机质在特殊的沉积与保存环境中具有可观的生烃潜力。因此,无论从有机质丰度、类型和成熟度方面都表明膏泥岩混层中有机质易于保存和生烃,在东营凹陷北坡烃源岩研究和油气勘探中应予以足够重视。

鉴于此,我们收集了东营凹陷北坡部分原油资料以明确北坡油源。前人通过类异戊二烯烃指标将原油分为两类:一类具有较高的Pr/Ph比值,较低的Pr/ n C17与 Ph/n C18比值,(Pr/Ph>1,Pr/n C17为0.4～ 0.6,Ph/n C18为0.3～0.6);另一类具有较低的Pr/Ph比值,较高的Pr/n C17与Ph/n C18比值,(Pr/Ph比值介于0.3～0.8,Pr/n C17为0.7～1.1,Ph/n C18介于1.3 ～3.0),后一种原油分布相对于前者更加广泛[6]。可以看出,第一类原油形成于较氧化环境,母质类型较差;第二类原油形成于还原环境,母质类型较好。从本研究所取烃源岩样品分析结果来看,第一类原油可能来源于盐上段,Pr/Ph比值大于或接近于1.0, Pr/n C17分布于0.33～0.67,Ph/n C18在0.33～0.93。第二类原油与盐间段烃源岩特征相吻合,Pr/Ph较低都在0.8以下,Pr/n C17与Ph/n C18较高,分别分布在0.54～2.4和0.87～3.01,巨厚膏岩层存在于东营凹陷北部,也解释了第二类原油广泛分布的原因。从图5中能够看出北坡原油可以分为明显的两类,并且与烃源岩各参数具有很好的一致性,其中Ⅰ区原油对应于盐上段和盐下段烃源岩,而分布广泛的Ⅱ区则对应于盐间段烃源岩。因此,从可溶有机质角度,可以初步判断东营凹陷北部供油区以盐上段和盐间段为主。

图5 东营凹陷北部油源生物标志物对比(YSD:盐上段;YJD:盐间段;YXD:盐下段)Fig.5 Relationships between biomarkers of oil and source rocks from northern Dongying depression

4 结论

通过综合分析东营凹陷深层烃源岩可溶有机质生物标志化合物特征主要得出以下结论:

(1)烃源岩有机质丰度以盐上段为最高,盐间段次之,盐下段最低;可溶有机质族组成反映出盐间段有机质类型最好,其次为盐上段,盐下段最差。

(2)三段烃源岩有机质来源均存在低等水生生物来源和陆源高等植物输入的双重特征,盐上段与盐下段有机质来源相似,盐间段以低等水生生物来源为主,特别是嗜盐菌藻类。

(3)三段烃源岩有机质沉积与保存环境盐上段与盐下段类似,为半潮湿气候条件下淡水-微咸水深湖还原环境,水体盐度正常;盐间段特征明显区别于其他两段,属于半干旱气候条件下咸水湖环境,水体盐度大,属于强还原环境。

(4)综合烃源岩有机质丰度、有机质类型以及有机质成熟度参数,得出东营凹陷深层烃源岩中膏泥岩层具有一定生烃能力,对该区油气源有重要贡献,且北坡原油主要供油区可能为盐间段和盐上段。

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