松辽盆地西部图牧吉油砂地球化学特征

李宁熙，黄海平,2，孙晶晶 ，刘 梅，张海峰，蒋文龙

(1.中国地质大学 能源学院，北京 100083； 2.卡尔加里大学 地球科学系，阿尔伯塔 卡尔加里 T2N 1N4)

松辽盆地西部图牧吉油砂地球化学特征

李宁熙1，黄海平1,2，孙晶晶1，刘 梅1，张海峰1，蒋文龙1

(1.中国地质大学 能源学院，北京 100083； 2.卡尔加里大学 地球科学系，阿尔伯塔 卡尔加里 T2N 1N4)

油砂是重要的非常规油气资源，对油砂的地球化学研究可以更好地指导油砂资源潜力评价。收集了13件松辽盆地西部图牧吉农场的油砂样品，并做了含油率、族组成以及色谱-质谱(GC-MS)分析。实验结果显示图牧吉油砂含油率较高，族组分中以非烃含量为最高。GC-MS分析饱和烃和芳香烃馏分中大部分化合物被降解，其中正构烷烃、藿烷和甾烷系列均受到不同程度降解，三环萜烷抗降解能力较强未受影响。芳烃化合物中萘和菲等化合物都已消失，三芳甾系列较完整。油砂中没有出现25-降藿烷系列，降解程度为6～8级，通过抗降解能力较强的化合物判断，原油基本来自同一油源。

生物降解；地球化学；非常规油气；油砂；图牧吉；松辽盆地

我国的油砂资源分布较广，在准噶尔、柴达木、松辽和四川盆地等都发现了油砂的分布[1]。但我国的油砂工业起步相较于西方国家晚，尚处于普查和初步研究阶段[2-3]。在松辽盆地的西坡图牧吉农场发现了大面积的油砂矿分布区。刘兴兵等[4]对图牧吉地区油砂发育主要地质影响因素进行了初步研究，认为图牧吉地区油砂矿的形成与松辽盆地的构造演化、地层发育以及油气聚集都有很大关系；拜文华等[5]对图牧吉油砂的油质进行了分析,油砂的烷烃含量为38.5%～58.4%，芳烃含量为12.4%～ 22.1%，沥青质含量为1.3%～4%，非烃+沥青质含量为15.5%～42.3%，油质局部因氧化或地下水侵蚀、细菌分解等作用变差，粘稠度增高；邹才能等[6]通过对比西斜坡稠油和坳陷内原油，认为西斜坡稠油来自盆地中央坳陷，经长距离运移且遭受生物降解等次生蚀变而成。

在松辽盆地北部的西部斜坡已经发现富拉尔基稠油油田，有可能由北向南形成较大规模的稠油聚集带[7-9]，这将是保持油田的长期稳产的重要后备勘探和储量接替地区，本文针对油砂的地球化学特征深入探讨进而为下一步勘探提供依据。

1 地质概况

松辽盆地是中国最大的陆相含油气盆地，发育中-新生代地层，面积约为26×104km2(图1)[10-12]。图牧吉油砂位于盆地西部边缘超覆带上，出露地层不同于盆地内部，主要发育古生界下二叠统的索林组和大石寨组，中生代发育中-上侏罗统的下兴安岭组和上兴安岭组。油砂主要储存于新生界较浅的地层之中。新生界广泛发育，有古近系半胶结的粘土页岩、砾岩以及新近系的松散沉积。油砂赋存于古近系，顶板为含油粉砂岩，底板为粘土岩与油砂互层，厚度5～15 m[13]。

图1 松辽盆地构造及样品位置

2 样品及实验条件

收集的13件油砂样品(均为钻井样品)，呈糖粒状、染手(图2)。将油砂粉碎至80目后用三氯甲烷浸泡，得到抽提物通过氧化铝/硅胶柱层析分离出饱和烃、芳烃、非烃和沥青质组分，其中饱和烃和芳烃组分进行色谱-质谱分析。

图2 松辽盆地图牧吉油砂样品

饱和烃与芳烃色质分析通过Agilent 6890 GC-5975i MS色谱-质谱联用仪，配置DB-5熔硅弹性毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)和NIST2.0数据处理系统。色谱分析条件：程序升温至80 ℃并保持恒温1 min，以3 ℃/min速率升至300 ℃，再恒温15 min；采用氦气载气，气化室保持300 ℃。质谱分析条件：离子源采用电子轰击(EI)方式，电离电压70 eV，发射电流300 μA，信号倍增电压1 000 V，质量扫描范围为m/z50～600。

3 结果分析

3.1 油砂抽提物及其族组分特征

油砂的含油率从5.2%～32.0%都有分布，埋深较大的样品含油率偏低，但样品整体含油率较高，属于品质较好的油砂。从表1中可以看出，油砂抽提物的饱和烃组分分布在24.8%～42.3%，而盆地中心凹陷

表1 松辽盆地油砂抽提物和原油的族组成以及含油率

里的正常油分布在76.5%～78.7%，油砂饱和烃含量明显较低。芳烃组分分布在11.0%～29.6%，相比正常油的12.1%～14.1%要高一些。饱和烃是对生物降解作用最敏感的化合物系列[14-15]，油砂的饱和烃比松辽盆地正常原油显著偏低，非烃和沥青质比正常油明显偏高，认为是受到了生物降解作用的影响。饱和烃与沥青质的含量呈反比，说明生物降解消耗饱和烃产生了极性化合物。

3.2 链烷烃特征

图3是代表样品的饱和烃总离子流(TIC)以及m/z85质量色谱图，与盆地中央南2-5-2225井正常原油比较，可以看出油砂受到了不同程度的降解，饱和烃TIC中大部分化合物都被消耗掉，二环倍半萜、三环萜、五环萜和甾烷分布都有不同程度的改变，有些样品中C29藿烷明显高于C30藿烷。在m/z85质量色谱图上，正烷烃和异戊二烯烃基本消失，图谱上基线大幅度隆起，形成UCM，这些都反映了强烈生物降解特征。盆地中央凹陷的正常油样品各个化合物系列分布完整，显示没有遭受降解的影响。

3.3 甾烷和萜烷分布特征

从图4中可以看到油砂样品重排甾烷系列较规则甾烷相对含量低，规则甾烷抗降解能力中等，因此分布

也受到了一定影响。C28甾烷的含量相对较低，且C27>C28≪C29，呈反“L”型的分布。甾烷的抗生物降解能力与碳数有关，总体上，碳数越高抗降解能力越强。正常原油的常规甾烷中C27为主峰，且C27≫C28

原油中三环萜烷抗降解能力较强，是重要的生物标志物系列[16]。其分布范围从C19到C26比较完整，以C21三环萜烷和C23三环萜烷为主峰(图5)，明显区别于海相原油，认为生油母质来自湖相沉积有机质，C24四环萜烷丰度较高也证明了这个观点。由于三环萜烷比藿烷和重排甾烷的抗降解能力更强，且没受到任何影响，从其和正常油的谱图对比可以看到峰型极为一致，应为同源产物。

油砂样品的藿烷系列化合物从C27—C35都有分布，升藿烷系列相对含量通常随碳数增加而降低，C35升藿烷异常升高认为与强还原条件或水体分层有关[17]。有关升藿烷生物降解顺序存在两种情形，如果降解从藿烷核心开始，C35升藿烷比其它升藿烷降解慢，如果降解从藿烷侧链开始，C35升藿烷比其它升藿烷降解快，样品中C35升藿烷相对于其他升藿烷系列浓度低，表明松辽盆地油砂藿烷降解从侧链开始。C30藿烷比C29藿烷降解速度要快，在降解程度较低的样品中，C30藿烷的相对含量较高，与正常油样品的谱图有很好的对比性；而降解程度较高的样品C29藿烷的相对含量较高(图6)，表现为C29藿烷/C30藿烷比值随生物降解程度升高而增大。伽马蜡烷是高盐度以及水体分层的标志。前人研究表明伽马蜡烷的抗降解能力比藿烷要强[18]，从伽马蜡烷/C30藿烷比值可以看出这个趋势(图7)。根据五环三萜分布特征，松辽盆地油砂至少遭受过6级左右生物降解程度的影响，但样品中没有检测到25-降藿烷系列，这可能与样品所经历的降解路径或氧化还原条件有关，25-降藿烷只能在厌氧条件下产生，氧化条件下的藿烷降解不会产生25-降藿烷。

图3 松辽盆地油砂和原油样品饱和烃TIC和m/z85质量色谱

图4 松辽盆地油砂和原油样品饱和烃m/z217质量色谱

图5 松辽盆地油砂与原油样品三环萜烷质量色谱

图6 松辽盆地油砂与原油样品藿烷质量色谱

图7 松辽盆地C29藿烷/C30藿烷与伽马蜡烷/C30藿烷相关图

3.4 芳烃分布特征

油砂样品芳烃馏分中烷基苯、C20—C25烷基萘系列、C20—C22烷基二苯并噻吩和C20—C23烷基菲系列化合物都已消失，萤蒽和芘等四环芳烃也已被消耗，只有三芳甾系列保存的比较完整，与盆地中心正常油的峰型一致，具有较低的C26TAS含量以及含量较高的C28TAS。(图8)。

大部分可用于评价成熟度的指标在受降解程度较高的油砂样品中已无法应用。而三芳甾的分布可以从另一个角度反映成熟度[19-21]。其中一个参数是短侧链三芳甾比长侧链三芳甾[C21/(C21+C28)]，但这个参数也受到了降解作用的影响，因为C20和C21三芳甾的抗生物降解能力较弱。另外一个是甾烷的芳构化参数[TAS/(TAS+MAS)](TAS是全部三芳甾系列而MAS是全部C27—C29单芳甾系列)，当成熟度升高时，单芳甾浓度会相对下降，而生物降解作用没有影响到这个参数。0.4～0.8的分布范围显示样品总体的成熟度较高。Ts/(Ts+Tm)的比值为0.61～0.73，同样反映了高成熟的特点。

3.5 生物降解的程度

根据Peters和Moldowan的生物降解分级[16]，图牧吉油砂遭受到了6～8级不同程度的降解。几乎所有样品的正烷烃和类异戊二烯烃都已被消耗，所以油砂样品至少遭受了5级以上生物降解程度的影响。从m/z217质量色谱图中可以看到，与同源的正常原油相比，孕甾烷和重排甾烷都没有受到降解作用的影响，而常规甾烷中，油砂中C27甾烷的浓度明显低于未降解原油，且按照降解的难易顺序C27>C28>C29甾烷，说明C27甾烷遭受了降解，降解级别达到了6级。从藿烷系列的图谱中可以看到，部分样品的藿烷系列和正常油一致，而部分样品的C30藿烷相对含量要低很多，且C29降藿烷的浓度较高。说明部分油砂样品的藿烷系列也遭受了降解，降解程度达到了7～8级。

图8 松辽盆地原油和油砂样品三芳甾(m/z231)质量色谱

4 结论

1) 松辽盆地西斜坡的油砂来源于湖相有机质，油砂为成熟正常原油遭受生物降解所致。油砂含油率较高，品质较好。

2) 原油分子组成可以反映生物降解作用影响程度，饱和烃中正烷烃、类异戊二烯烷烃都被降解，藿烷和甾烷系列被部分降解，三环萜烷抗降解能力较强未受影响。芳烃中萘系列、菲系列和二苯并噻吩等都被降解，只有芳甾系列较为完整，认为降解程度较高，达到6～8级。根据抗降解化合物分析认为油砂为同源产物。

致谢：中国石化石油勘探开发研究院郜建军教授给本文提出了建设性的修改意见，特此感谢。

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(编辑 张玉银)

Geochemical characteristics of Tumuji oil sands in western Songliao Basin

Li Ningxi1，Huang Haiping1，2，Sun Jingjing1，Liu Mei1，Zhang Haifeng1，Jiang Wenlong1

(1.SchoolofEnergyResource,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China;2.DepartmentofGeoscience,UniversityofCalgary,2500UniversityDriveNW,Calgary,AB，T2N1N4,Canada)

Being one of the important unconventional oil resources,oil sand is well worth of geochemical study so as to better guide its resource assessment.Thirteen oil sand samples were collected from Tumuji ranch in western Songliao Basin and analyzed for oil yield,bulk composition and GC-MS.The result shows that the oil yield of oil sand is high,and non-hydrocarbon components dominate the bulk composition.Most compounds in saturated and aromatic hydrocarbon fractions were largely biodegraded.The n-alkanes,isoprenoid alkanes,hopanes and steranes were all degraded in varying degree except for tricyclic terpanes.No 25-norhopane series has been detected in the studied sample suite. The naphthalene and phenanthrene series were all destroyed but the triaromatic steroids are intact.These oils are derived from single source rock system on the basis of biodegradation resistant compound signatures.

biodegradation,petroleum geochemistry，unconventional oil resource,oil sand，Tumuji，Songliao Basin

2015-04-15;

2015-05-20。

李宁熙(1986—)，男，博士生，油气地球化学。E-mail:ningxili@foxmail.com。

国家自然科学基金项目(41273062)。

0253-9985(2015)04-0581-06

10.11743/ogg20150407

TE122.1

A