冷湖地区油砂有机地球化学特征

梁晓飞，曹占元，吴远东，贺 聪，张晓宝

(1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049)



冷湖地区油砂有机地球化学特征

梁晓飞1，2，曹占元2，吴远东1，2，贺 聪1，2，张晓宝1

(1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049)

柴达木盆地是中国油砂资源最为丰富的含油气盆地之一，对油砂有机地球化学特征研究甚少。依据油砂生物标志化合物指标，以探明冷湖地区油砂母质来源、沉积环境及成熟度。通过对柴北缘冷湖地区五号构造带古近系上干柴沟组8个油砂样品的质谱、色谱分析显示，油砂常规甾烷呈不对称“V”字型分布，ΣC21-与ΣC22+的比值为0.73～2.16，4-甲基甾烷与常规甾烷比值为0.051～0.143，反映母质来源为水生生物和高等植物混源；C29ββ与C29(ββ+αα)的比值为0.350～0.532，C29ααα-20S与C2920(S+R)的比值为0.397～0.493，Ts与Tm的比值为1.106～1.148，C30βα与C30αβ的比值为0.082～0.189，反映油砂样品已达到成熟阶段。伽马蜡烷与0.5C31霍烷比值较低为0.117～0.423，且升霍烷未出现翘尾现象，反映油砂源岩为淡水沉积环境。降新藿烷C29Ts与C30重排藿烷较发育，说明其烃源岩与煤系有直接关系。该研究成果为冷湖地区油砂下一步勘探开发提供了理论基础。

地球化学；母质类型；沉积环境；成熟度；色谱质谱；油砂；冷湖地区

0 引 言

油砂又称为焦油砂，由岩石或砂粒、水和稠油组成，其作为一种常规资源的替代能源近十多年已在世界许多地区得到开发利用。中国对油砂的勘查程度较低，经过新一轮油砂资源地质调查发现，中国油砂主要集中在各大沉积盆地，包括塔里木盆地、柴达木盆地、羌塘盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地。目前，中国积极开展油砂资源开发利用研究工作，在多个盆地进行油砂试开采加工，并取得一定经济效益。柴达木盆地是中国油砂主要聚集地之一。盆地地表油砂主要分布在西部坳陷区(柴西)和北缘断块带(柴北缘)，柴北缘冷湖油砂具有代表性且资源量可观。通过对冷湖地区油砂浅钻井样品有机地球化学分析，系统阐述了其沉积环境、母质类型及热演化程度等有机地球化学特征。

1 地质背景

柴达木盆地划分为柴西隆起、一里坪坳陷、三湖坳陷和柴北缘隆起4个一级构造单元。冷湖五号构造地处柴达木盆地北缘断块带西段，其西为阿尔金山，北为南祁连山脉的赛什腾山。冷湖五号构造处于冷湖反“S”形构造带由北向南转折的部位[1]。冷湖五号构造是一个被西倾大断层切割而复杂化的背斜构造，其与冷湖四号、六号构造以鞍部相连。构造高部位出露地层为上干柴沟组(N1)，到构造翼部地层变新，主要为下油砂山组(N21)地层。通过野外地质勘查共发现7处油砂出露点，厚度为1.0～1.5 m，油砂最大单层厚度约为1.5 m。其岩性为厚层状至块状砂岩和含砾砂岩，以油浸含砾砂岩为主。

2 样品分析

研究区8块油砂样品均取自柴北缘冷湖地区LW-2井上干柴沟组(N1)。样品采集后采取低温保存，避免烃类挥发影响实验结果。

首先将样品粉碎至100目，经氯仿抽提并沉淀沥青质后，再用硅胶(氧化铝)分离可溶沥青质。饱和烃、芳香烃、非烃分别用正己烷、甲苯、乙醇冲洗获得。所得饱和烃用色谱质谱仪(GC-MS)进行分析鉴定。色谱仪型号为6 890 N，色谱柱为HP-5(30 m×0.25 mm)，进样口温度为280 ℃，载气为氦气。起始温度为80 ℃，以4 ℃/min速率升温至290 ℃，恒温30 min。质谱仪型号为5 973 N，离子源温度为：250 ℃，电子能量为70 eV[2]。

3 结果与讨论

3.1 族组分

油砂样品族组分分析结果显示(表1)，冷湖油砂样品中饱和烃含量为40%～83%，平均为69%；芳烃含量为3%～12%，平均为8%；非烃含量为4%～56%，平均为21%；沥青质含量为1%～3%，平均为2%。

表1 油砂抽提物分析资料

3.2 油砂油母质来源

油砂油正构烷烃组成与分布常用于反映其母质输入类型，∑C21-与∑C22+的比值常用于判别母质类型，该值越大，表明浮游植物对母质的贡献越大[3-6]。冷湖油砂样品正构烷烃呈单驼峰分布，碳数分布为C12—C38，主峰分布在C18前后；∑C21-与∑C22+的比值为0.73～2.16(表2)，2个样品显示为高碳正构烷烃优势，其余样品显示为低碳正构烷烃优势，反映浮游动植物和高等植物为重要母质输入。

表2 油砂中正构烷烃和类异戊二烯分析资料

∑(C27+C29)与∑C31+的比值是判识样品有机质母质类型的重要参数，C27和C29藿烷主要是陆源母质的贡献，C31以后的长链藿烷主要来源于藻类及细菌微生物[7]。该比值越大，表明陆源贡献大；该比值越小，表明浮游植物贡献大。冷湖油砂∑(C27+C29)与∑C31+的比值为0.974～1.304，平均值为1.046(表3)，反映高等植物和浮游植物母质输入相当。

表3 饱和烃中三环、四环和五环萜烷化合物参数

甾烷类物质因具特殊碳骨架而显示较好热稳定性，在地质过程中结构组成较不易遭受破坏，能够较好反映生源物质组成，故其常用于母质类型的判定。甾烷类物质来源于甾醇化合物，不同甾醇化合物存在于不同生物之中。一般浮游动植物富含C27胆甾醇，高等植物富含C29豆甾醇，C27、C28、C29甾烷的相对含量反映其母质类型[8-9]。图1显示，

图1 油砂规则甾烷分布特征

冷湖油砂分布较集中，位于混合源区，反映源岩成烃母质浮游动植物和高等植物均为重要组成成分。同时图2显示冷湖油砂常规甾烷呈不对称“V”字型分布，C27和C29常规甾烷含量相当。

图2 C29甾烷20S与(20S+20R)比值和C29甾烷ββ与(ββ+αα)比值关系

油砂油不但含有常规甾烷，而且含有相当数量4-甲基甾烷和重排甾烷。已有研究结果表明，4-甲基甾烷常来自藻类[4，8]，油砂油4-甲基甾烷与常规甾烷比值为0.051～0.143(表4)，显示藻类是母质组成重要成分。降新藿烷C29Ts与C30重排藿烷比较发育，降新藿烷C29Ts与C30重排藿烷主要来源于高等植物，且与煤系直接有关[10]。这些结果显示，冷湖油砂母质以浮游生物和高等植物组成为主，并有一定数量的藻类输入，且可能与煤系直接相关。

3.3 油砂油沉积古环境

冷湖油砂OEP值为0.96～1.10，平均值为1.03(表2)，表现为奇偶优势。Pr与Ph比值为1.16～1.42(表2)，显示为姥鲛烷优势，表征了弱还原—弱氧化沉积环境[11]。Pr与nC17、Ph与nC18的比值可以很好地反映油砂的沉积环境。研究表明，冷湖油砂分布较集中，形成于淡水湖沼相沉积环境。伽马蜡烷具有强的抗生物降解作用，具有很好的环境指示意义[12-13]。高盐度环境下，伽马蜡烷含量较高，且会出现升霍烷翘尾[9，14-15]。冷湖油砂显示，伽马蜡烷与0.5C31比值较低，为0.117～0.423，且升霍烷未出现翘尾(图3)，反映淡水沉积环境。冷湖油砂∑三环与∑五环的比值为0.120～0.259，显示为淡水环境，与伽马蜡烷及升霍烷所表征环境一致。

表4 油砂中甾烷分析资料

3.4 油砂油成熟度

有机质成熟度增加促使一些不稳定生物标志化合物向稳定型转变，故通过研究不同构型生物标志化合物的比值可以较好地反映成熟度[16]。用生物标志化合物指示成熟度较为重要的指标是C29ααα甾烷2种异构体(20R、20S)，常用20S/20(R+S)比值。C29ααα甾烷20R是生物体原始构型，随有机质趋于成熟20R逐渐向20S转化[17]，当20S/20(R+S)接近0.5时反应趋于平衡状态。另外，C29ααα甾烷20R和20S发生异构化作用使ββ/(αα+ββ)比值逐渐增加直至达到平衡状态(0.7左右)。C29ββ/(αα+ββ)与母质无关，在高成熟阶段具有更好的指示作用[18]。C29ββ/(αα+ββ)对20S/20(R+S)曲线在原油成熟度方面具较好指示作用。

图3 冷湖油砂质谱图

冷湖油砂C29ααα-20S与20(S+R)比值为0.397～0.493(表4)，C29ββ与(ββ+αα)比值为0.350～0.532间(表4)，接近反应平衡值，反映油砂已达到成熟。图2显示油砂样品分布较集中。研究表明，βα-莫烷会随着成熟度的增加逐渐向αβ-霍烷转化，故βα-莫烷与αβ-霍烷比值越小指示成熟度越高[19-20]，当βα-莫烷与αβ-霍烷比值小于0.15时，指示其已达到成熟阶段。冷湖地区油砂样品C30βα与C30αβ比值为0.082～0.189，指示冷湖油砂达到成熟阶段。另外，18α(H)三降霍烷与17α(H)三降霍烷的比值、C31霍烷异构体值和重排甾烷与常规甾烷比值均指示冷湖油砂达到成熟阶段(表3、4)。

4 结 论

(1) 对冷湖地区油砂进行生物标志物组成及分布研究显示，冷湖地区油砂母质来源为混源母质输入，主要为高等植物和浮游生物，并有藻类母质输入显示。降新藿烷C29Ts与C30重排藿烷比较发育，说明其与煤系有直接关系。

(2) 冷湖地区油砂沉积古环境为淡水湖沼相，具有弱氧化—弱还原性，其成熟度已达到成熟阶段。

(3) 通过对冷湖地区油砂母质来源、沉积环境及成熟度的研究，表明了冷湖地区油砂油已达到成熟阶段且饱和烃组分含量较高，埋深较浅，具有很好的开发价值。

[1] 门相勇，赵文智，余辉龙.柴达木盆地北缘冷湖地区油气成藏条件研究与勘探建议[J].石油勘探与开发， 2001， 28(4)：4-7.

[2] 陈琰，张敏，马立协，等. 柴达木盆地北缘西段石炭系烃源岩和油气地球化学特征[J]. 石油实验地质，2008，30(5)：512-517.

[3] 傅家谟，盛国英. 中国陆相原油的成因和生物标志物组成特征[J]. 沉积学报，1991，9(5)：1-8.

[4] 段毅，张胜斌，郑朝阳，等. 鄂尔多斯盆地马岭油田延安组原油成因研究[J]. 地质学报，2007， 81(10)：1407-1415.

[5] DUAN Y， WANG J， WU B， etal. Geochemical characteristics and genesis of crude oils from Gasikule oilfield in Western Qaidam Basin， China[J]. Geochemical Journal. 2009， 43(5)： 293-304.

[6] LI M W， LIN R Z， LIAO Y S， etal. Organic geochemistry of oils and condensates in the Kekeya Field， Southwest Depression of the Tarim Basin (China)[J]. Organic Geochemistry，1999，30(1)：15-37.

[7] 陈迎宾，胡烨，王彦青，等.柴达木盆地鄂博梁Ⅲ号构造深层天然气成藏条件[J].油气地质与采收率，2015，22(5) ： 34-39，63.

[8] DUAN Y， WANG C Y， ZHENG C Y， etal. Geochemical study of crude oils from the Xifeng oilfield of the Ordos basin， China[J]. Journal of Asian Earth Sciences. 2008，31(4)： 341-356.

[9] 施洋，包建平，朱翠山，等. 柴达木盆地西部七个泉与咸水泉油田原油地球化学特征对比研究[J]. 天然气地球科学，2010，21(1)：132-138.

[10] 段毅，王智平，张辉， 等. 柴达木盆地原油烃类地球化学特征[J]. 石油实验地质，2004， 26(4)：359-364.

[11] 段毅，王传远，郑朝阳，等. 柴达木盆地西部尕斯库勒油田原油地球化学特征及成因[J]. 矿物岩石，2006，26(1)：86-91.

[12] 包建平，朱翠山，汪立群. 柴达木盆地西部原油地球化学特征对比[J]. 石油与天然气地质，2010，31 (3)：353-359.

[13] PHILP R P， Fan P， Lewis C A， etal. Geochemical characteristics of oils from the Chaidamu，Shanganning and Jianghan Basins，China[J].Journal of Sourtheast Asian Earth Science，1991，20(5)： 351-358.

[14] 高红梅，高福红，樊馥，等. 鸡西盆地早白垩世烃源岩可溶有机质地球化学特征[J]. 吉林大学学报(地球科学版)，2007，37(1)：86-90.

[15] 朱扬明，苏爱国，梁狄刚，等. 柴达木盆地咸湖相生油岩正构烷烃分布特征及其成因[J]. 地球化学，2003，32(2)：117-123.

[16] 郭艳琴，李文厚，陈全红，等. 鄂尔多斯盆地安塞—富县地区延长组—延安组原油地球化学特征及油源对比[J]. 石油与天然气地质，2006， 31(2)：218-224.

[17] 段毅，马春林，余永进，等. 鄂尔多斯盆地董志—正宁地区原油地球化学特征与成因[J]. 沉积学报，2011，29(5)：1002-1009.

[18] 张晓丽，段毅，何金先，等. 鄂尔多斯盆地华庆地区延长组下油层组原油地球化学特征及油源对比[J]. 天然气地球科学，2011， 22(5)：866-873.

[19] 曹占元，梁晓飞，张晓宝，等. 鱼卡地区油砂矿地质特征及其成矿模式[J]. 特种油气藏，2015， 22(4)：47-50.

编辑 张 雁

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.008

20150922；改回日期：20151117

中国科学院2012年度“西部之光”人才计划支持项目“马海地区深层构造特征及油气藏成因类型研究”(1308RJZA310)

梁晓飞(1988-)，男，2012年毕业于昆明理工大学资源勘查工程专业，现为中国科学院大学地质工程专业在读硕士研究生，主要从事石油与天然气地质研究工作。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0033-05