济阳坳陷青东凹陷低熟油生烃机理研究
2017-01-19葛海霞张枝焕张琳璞章成进
葛海霞,张枝焕,闵 伟,张琳璞,柳 东 ,章成进
(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院,油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石化 胜利油田石油开发中心,山东 东营 257015)
济阳坳陷青东凹陷低熟油生烃机理研究
葛海霞1,张枝焕1,闵 伟2,张琳璞2,柳 东1,章成进1
(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院,油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石化 胜利油田石油开发中心,山东 东营 257015)
青东凹陷勘探程度低,油气资源潜力尚未得到充分认识,开展凹陷内低熟油成因机理的研究有利于评价油气资源潜力并指导油气勘探工作。原油的物理及地球化学特征表明低熟油主要分布于凹陷边缘的沙四上亚段储层中。油源对比显示低熟油主要来自凹陷内沙四上亚段低熟烃源岩。研究区沙四段烃源岩具备形成低熟油的地质和地球化学条件:沙四段泥页岩有机质丰度高,有机质类型以腐泥型(I)和腐泥-腐殖型(II1)为主;泥页岩与蒸发岩共生的咸化还原环境因富含高矿化度地层水而有助于有机质早期转化生烃;烃源岩中的可溶有机质经过低温化学反应、细菌活动、生物催化作用等可形成低熟油。该研究对青东凹陷油气勘探工作有重要指导意义,寻找低熟油气藏是研究区未来重要的勘探方向。
低熟油;生烃机理;咸化还原环境;可溶有机质;青东凹陷
0 引 言
20世纪80年代以来,在我国许多中新生界盆地中发现了低熟油气藏,并在低熟油气成因机理和勘探开发等方面均取得了长足进展[1-5]。低熟油是我国东部新生界盆地中一种重要的非常规油气资源。 “十一五”以来,为寻找新的储量阵地,胜利油田对青东凹陷进行了比较系统的石油地质研究,并在新生界展布特征、地质结构、主力油层及勘探潜力研究方面取得很大突破[6-9]。青东凹陷除了在深洼区存在部分成熟烃源岩外,主力烃源岩(沙四上亚段和沙三下亚段)大多未进入成熟门限,因此对其勘探前景看低,至今勘探程度仍不高。近年来,在青东凹陷沙四上亚段主力层段发现了成熟度明显偏低的原油,因此,沙四段和沙三段烃源岩是否具备形成低熟油的条件,其成因机理也就成为研究区资源潜力评价的关键因素。而目前该区域内未熟—低熟烃源岩的生烃条件及成因机理方面的研究尚未有文献报道。因此,开展低熟油气形成机理的研究可为研究区及邻区油气资源潜力分析和油气勘探提供重要的理论依据。
1 研究区概况
青东凹陷位于济阳坳陷东部、郯庐断裂带西侧,是一个受区域拉张与走滑断裂影响的陆相断陷湖盆,具“东断西超(剥)、南北双断”的结构特点(图1)。在太古界结晶变质岩之上发育了古生界、中生界、新生界及第四系4套沉积岩系,目前已钻遇了中生界,古近系孔店组、沙河街组,新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组。主力层系沙河街组沙四上亚段发育三角洲、滩坝、低位扇及水下扇等多种沉积类型,油气成藏主要依赖于凹陷内沙四上亚段和沙三下亚段有效烃源岩[6],其中沙四上亚段烃源岩是本区最重要的一套烃源岩,在全区分布稳定,且以暗色泥页岩为主;沙三段也比较发育,但砂岩较多,生烃条件不如沙四段烃源岩。沙四上亚段是主力含油层系,在凹陷中央(青东12井)、边缘部位(如青东23、青东17、青东15、青东5井区、青东8井区)均有油藏分布,而低熟油藏主要分布于凹陷边缘的沙四上亚段储层;沙三下亚段油气藏分布较局限,主要分布在研究区北部洼陷的有效烃源岩范围内(如青东30井区)。平面上,油气藏主要分布在中北部生烃洼陷周缘及凹陷边缘,发育构造、地层、岩性及复合类油藏等多种类型油藏。
2 低熟油的地球化学特征及油源分析
图1 渤海湾盆地济阳坳陷青东凹陷区域构造位置图(据詹润[10]等,2012,有修改)Fig.1 Structural position of Qingdong sag in Jiyang depression of Bohai bay basin (modified from Zhan [10], 2012.)
图2 青东凹陷烃源岩部分饱和烃和非烃参数随深度变化Fig.2 Changing pattern of saturated-hydrocarbon and non-hydrocarbon parameters and depth of source rocks in Qingdong sag
许多生物标志物参数都可用于研究烃源岩和原油的成熟度[11],其中C29甾烷20S/(20S+20R)、C29甾烷ββ/(ββ+αα)和升藿烷22S/(22S+22R)等甾、萜烷的异构化参数是衡量原油成熟度的常用参数。但这些参数受烃源岩沉积环境、干酪根类型等的影响,在实际应用中通常需要结合多种参数综合分析。奇偶优势指数(OEP)和碳优势指数(CPI)主要受成熟度的影响,未熟—低熟烃源岩中正构烷烃具有明显的偶奇或奇偶优势,但进入生烃门限后,CPI和OEP值趋近于1,成熟烃源岩中正构烷烃奇偶优势消失;脱羟基维生素E异构体参数比值β/γ (DHVE)也可判断烃源岩的成熟度[12-13],该值小于1代表烃源岩或原油未成熟,大于1说明原油或烃源岩进入成熟阶段。从图2可以看出,在地层埋深小于2 255 m范围内,研究区烃源岩中正构烷烃的CPI和OEP均大于1.2,β/γ(DHVE)<1.0;大于2 255 m时,CPI和OEP接近1.0,β/γ(DHVE)>1.0,显然研究区烃源岩的成熟门限大致在2 255 m。C31升藿烷22S/(22S+22R)值被认为是确定烃源岩生油门限的最好参数,在热演化过程中该比值从0逐渐增加到0.6(0.57~0.62为平衡状态),比值在0.5~0.54表明刚刚进入生油阶段[11]。在地层埋藏深度小于2 255 m时,C31升藿烷22S/(22S+22R)值一般小于0.54,大于2 255 m时该比值很快达到平衡。而C29甾烷20S/(20S+20R)和ββ/(ββ+αα)在2 255 m深度时分别为0.30和0.32,超过2 255 m该两项参数增加较快。因此,以C29甾烷20S/(20S+20R)=0.30作为主要成熟度指标、辅助其他特征与参数对低熟油进行综合识别。据此发现,青东5井区、青东23井、青东17等井的原油CPI介于1.21~2.44,OEP介于1.31~2.07,αααC2920S/(20S+20R),介于0.27~0.29,且β/γ(DHVE)<1.0,应属于低熟油。
此外,研究区成熟度参数值较低的原油一般具有高密度、高黏度、中等含硫、中—高含蜡等特征,非/沥比值相对较高。如表1和图3所示,原油中正构烷烃具有明显的奇数碳优势及植烷优势;伽马蜡烷含量较高,普遍检测到羊毛甾烷。而羊毛甾烷的生成与分布一般与较低的热演化条件有关[12-14];济阳坳陷低熟油中脱羟基维生素E非常丰富,已成为低熟油的重要判别标志[15-16]。青东凹陷原油中检测出脱羟基维生素E,且其异构体参数值β/γ<1,也指示了较低的热演化程度;原油碳同位素值分布介于-28.77‰~-27.03‰,根据青东5井原油和烃源岩正构烷烃单体烃碳同位素分布特征来看(图4),烃源岩的碳同位素值比原油轻,表现出“源轻型”特征,这属于低熟油的典型特征[17]。前述特征均表明主要分布在凹陷西部斜坡带与西南部断阶等环洼部位的原油属于低熟油(图5)。
表1 青东凹陷沙河街组低熟油部分地球化学参数值分布
青东凹陷低熟油伽马蜡烷/C30藿烷>0.5, 4-甲基甾烷/ C29甾烷<0.1,均与沙四上亚段烃源岩的特征非常相似。低熟油与沙四上亚段烃源岩同样具有相似的甾、萜烷分布特征。二者均以C27胆甾烷为主,Pr/Ph都很低(0.13~0.30),且均含有较高的β-胡萝卜烷(图6)。此外,以低熟油普遍具有的短距离运移、近源成藏的特征[15]来看,青东凹陷低熟油也应当来自本区及邻近的沙四上亚段低熟烃源岩。
3 低熟油的成因机理
3.1 形成低熟油的物质基础
图3 青东凹陷原油部分生物标志化合物谱图特征(羊毛甾烷m/z 259,1、2、3分别为C30、C31、C32-羊毛甾烷;脱羟基维生素E m/z 135,1、2、3、4分别为δ、β、γ、α-DHVE)Fig.3 The spectrum characteristics of some biomarker in crude oil of Qingdong sag
良好的有机质类型与高有机质丰度是油气生成的物质基础。研究区沙四上亚段泥页岩有机质类型以腐泥型(Ⅰ)和腐泥-腐殖型(Ⅱ1)为主,TOC平均值为1.5%;S1+S2平均值为5.39 mg/g,氯仿沥青“A”平均值为0.20%。此外,有机质中存在着易于早期演化生烃的壳质组和腐泥组等富氢显微组分,这是低熟油形成的关键[18-21]。研究区烃源岩显微组分以腐泥组为主,其次为壳质组(表2、表3和图7),“壳质组+腐泥组”含量均超过50%,多数样品超过80%,镜质组含量介于0~40.6%,惰质组基本为0(图7(a))。壳质组主要由孢子体和壳屑体构成,腐泥组主要由藻类体(图8(a))和矿物沥青质基质构成。富氢组分与矿物沥青质基质成正相关(图9),且含有矿物沥青质基质的岩样有机质类型好、有机质含量高(表3)。由于矿物沥青质基质可以作为低熟油的重要物质基础[22],故矿物沥青基质对研究区低熟油的形成具有重要贡献。孢子体、壳屑体(壳质组分)和藻类体(腐泥组分)等显微组分中,孢子体和壳屑体含量高于藻类体(图7(b)),这些显微组分都能够形成低熟油[22]。由此,研究区低熟烃源岩成烃母质主要包括孢子体、壳屑体、藻类体以及矿物沥青基质。通过烃源岩特征的全面剖析,发现研究区烃源岩中生源物质种类较多,包括藻类、细菌、高等植物和水生生物等。沙四段烃源岩中常见的藻类组合包括沟鞭藻类(如德弗兰藻属、渤海藻属)、疑源类(如古囊藻属)以及绿藻类的盘星藻属、葡萄藻属,沟鞭藻和疑源类富集层的有机碳含量大于2.0%,是重要的生油层。有机岩石学分析也表明沙四段地层中有藻类体分布(图8(a))。根据TISSOT[23]的研究,世界大油田的形成期往往都与沟鞭藻、疑源类和颗石藻的繁盛期对应。藻类生烃机理模拟实验证实这些藻类能生成低熟油气[24],说明藻类为研究区低熟油形成的重要生源。
图4 青东凹陷沙河街组低熟原油与部分源岩正构烷烃碳同位素组成特征Fig.4 Characteristics of carbon isotope of N-alkanes of immature oil and source rocks from Qingdong sag
图5 济阳凹陷青东凹陷低熟油与膏盐分布范围Fig.5 Distribution area of immature and gypsum and salt rock formation in Qingdong sag
细菌和藻类一样,也是低熟油形成的重要母质生源。微生物改造可以影响烃源岩活化能,细菌活动对显微组分的降解能够产生丰富的矿物沥青基质等,从而达到促进低熟油气形成的作用[25]。研究区存在细菌活动的多种证据,如在青东121井烃源岩显微组分中存在黄铁矿(图8(b)),结合研究区地质背景分析,这应该缘于成岩作用早期,细菌或真菌分解有机质产生H2,使SO42-还原为H2S,H2S被氧化或与重金属结合形成硫化物,硫与铁结合,最终形成黄铁矿(FeS2)。而原油正构烷烃单体烃碳同位素曲线呈明显的锯齿状(图4),根据FREEMAN[26]的研究,这种现象主要由细菌活动造成。原油正构烷烃单体烃碳同位素还表现出另一特点,即较轻碳同位素分布于-29.0‰~32.5‰,较重者分布于-27.1‰~-28.9‰,这是陆源高等植物与水生生物共同输入造成的,因为水生生物为主要生源的有机质碳同位素偏轻,而以陆相高等植物为主要生源的有机质碳同位素偏重[27]。原油甾烷碳数一般呈“V”型分布(图3),也说明其为混合生源。
3.2 烃源岩与蒸发岩共生的咸化环境
研究区沙四上亚段烃源岩发育于半干旱气候条件下,以暗色泥岩为主,夹油页岩、薄层白云岩。西部斜坡带及其过渡带发育膏盐岩,且主要分布在沙四段泥页岩中(图5)。烃源岩具明显的植烷优势,伽马蜡烷含量相对较高,Pr/Ph平均值为0.56,伽马蜡烷/C30藿烷平均值为0.51,说明烃源岩形成于与蒸发岩共生的咸化还原环境。烃源岩与蒸发岩共生体系对低熟油气的形成非常有利,我国东部陆相断陷盆地表现尤为明显[28-30]。首先,还原-强还原条件下,低等水生生物发育,有机残体和生物碎屑能得以较好保存,有机质丰度高的烃源岩容易形成烃源灶。其次,膏盐层的存在有利于有机质的早期转化,导致高植烷、高伽蜡烷丰度以及高沥青转化率[31],这与研究区低熟油特征十分吻合。一方面膏盐层所具有的较高热导率会使其上表面附近升温,从而引起附近烃源岩生烃作用的增强[32];其次,泥页岩中所含膏盐矿物能有效催化生烃。热解实验数据(元素分析)揭示,80%以上的烃源岩中有机硫含量超过1.0%,从某种程度上反映有机质分子中存在诸如碳硫键(C-S)等杂原子键,这些弱化学键易在早期断裂而生烃。不只是硫酸盐对形成低熟油有利,碳酸盐矿物也能催化生烃,江汉盆地就属此类典型[33]。碳酸盐矿物能够通过降低生烃活化能而在低温条件下催化脂肪酸脱羧生烃[36]。从烃源岩发育特征来看,研究区也应存在这种催化机制。
图6 青东凹陷低熟油与源岩部分生物标志化合物特征图谱Fig.6 Characteristics of biomarker compounds of crude oil and source rocks from Qingdong sag
层位样品数/个范围A/%B/%C/%①②③④D/%⑤⑥⑦E/%Es4s17最大值2605109700068452410001000375220最小值10200000070000000020平均值11119759200336725743728788
注:A.形态显微组分总体积;B.“壳质组+腐泥组”;C.显微组分相对组成;D.“壳质组+镜质组”相对组成;E.矿物沥青基质含量;①腐泥组;②惰质组;③壳质组;④镜质组;⑤孢子体;⑥壳屑体;⑦藻类体。
表3 青东凹陷主要烃源岩有机岩石学及有机地球化学特征
图7 青东凹陷烃源岩显微组分(a)、富氢显微组分(b)组成三角图Fig.7 Triangular diagram of macerals and hydrogen-rich components in source rocks from Qingdong sag
图8 青东凹陷烃源岩显微组分特征(荧光照片,b图引自胜利油田内部资料,2010)Fig.8 Maceral characteristics of source rocks in Qingdong sag
3.3 地层水的促进作用
在成岩阶段早期,地层水中的矿物催化、盐类及地层水pH值能够促进有机质早期转化生烃[34]。研究区沙四段地层水矿化度非常高,其中又以青东5井区最高,达到2 500~44 818 mg/L,平均达30 000 mg/L;存在CaCl2、NaHCO3、MgCl2、Na2SO4等水型。各种盐类水溶液对未熟生油岩中脂肪酸脱羧率有所差别,尽管程度不同,但均有一定催化作用。由此可见,研究区高矿化度盐水对低熟油的生成产生促进作用。与此同时,水体pH值大多介于7~9。当盐水pH值为8时对未熟生油岩生烃的催化性最高[35],因此本区基本偏碱性的地层水对脱羧基作用具有很好的催化作用,从而促进有机质在低熟阶段生烃。
图9 “壳质组+腐泥组”相对含量与矿物沥青质基质含量关系图Fig.9 Relationship between exinite+ sapropel and mineral bituminous matrix
3.4 存在石油形成的两个演化阶段
图10 青东凹陷沙四上亚段烃源岩生油演化模式Fig.10 Oil generation model of the source rocks (Es4s) in Qingdong sag
从研究区主力烃源岩演化剖面上可以看出(图10),以2 255 m为界,存在两个生油窗,对应生成低熟油和成熟油,即存在非干酪根生烃和干酪根生烃两种生烃机制。第一个生油窗内生油高峰地层埋深在1 500~1 700 m之间,有机质转化率接近30%,第二个生油高峰在2 600~2 800 m之间,有机质转化率为25%左右,可见前者生烃量高于后者。结合烃源岩族组分演化特征,饱和烃含量随深度的增加而增加;芳烃含量变化不大;非烃含量基本一直呈降低趋势;沥青质含量在1 700~2 255 m范围内下降幅度最大,从45%下降到15%,大于2 255 m范围沥青质含量有所增加。可见,低熟阶段主要以沥青质生烃为主,非烃也有部分贡献。有机溶剂抽提可以将其中相对分子质量较小的组分溶解出来,再通过分离得到饱和烃、芳烃、非烃和沥青质等组分。研究区沙四上亚段烃源岩中有机质含量较高,其可溶有机质含量也高,由此说明可溶有机质是低熟油形成的主要贡献者。综合分析认为,可溶有机质在各种有利条件下,经过低温化学反应、细菌活动、催化作用等,在早期阶段演化,形成低熟油气。
4 结 论
(1)青东凹陷新生界存在低熟油,这些原油具有高密度、高黏度、中等含硫量、中-高含蜡量,且低饱/芳、高非/沥等特点;具有明显奇偶优势、高植烷、高伽马蜡烷含量、普遍存在羊毛甾烷,脱羟基维生素E异构体具有β/γ<1的特征;族组分碳同位素和单体烃碳同位素均体现低熟油的典型特征。低熟油来源于沙四上亚段低熟烃源岩,主要分布在沙四上亚段储层中。
(2)青东凹陷具备有形成低熟油的地质地球化学条件:①沙四段烃源岩具有形成低熟油的物质基础,泥页岩有机质丰度高,有机质以腐泥型(Ⅰ)和腐泥—腐殖型(Ⅱ1)为主,富含易于早期生烃的富氢组分;其生源母质类型以菌藻类为主;②烃源岩与蒸发岩共生的咸化还原环境及高矿化度地层水是有机质早期转化的有效催化剂;③可溶有机质是低熟油形成的主要贡献者。
(3)研究区沙四上亚段烃源岩可溶有机质经过低温化学反应、细菌活动、催化作用等,可在早期阶段演化形成低熟油气。因此针对青东凹陷的油气勘探,除了寻找成熟油藏以外,还应注意寻找低熟油藏。
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Study on the Genetic Mechanism of Immature Oil from Qingdong Sag, Jiyang Depression
GE Haixia1, ZHANG Zhihuan1,MIN Wei2,ZHANG Linpu2,LIU Dong1, ZHANG Chengjin1
(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249,China;2.PetroleumDevelopmentInstituteofShengliOilfieldCompany,SINOPEC,Dongying,Shandong257015,China)
The source potential of Qingdong sag has not been fully recognized due to low exploration extent. Thus study on the genetic mechanism of immature oil of this sag is important for future exploration. The immature oil of Qingdong sag is mainly discovered on the edges of the sag and the source rocks are believed to be the upper submember of the 4thmember of Shahejie Formation. Oil-source correlation shows that immature oil are mainly from immature source rocks of upper submember of the 4thmember of Shahejie Formation. On the basis of molecular geochemical and organic petrology analysis, the immature source rocks possesses geological and geochemical condition to generate immature oil, the mechanism of which are as follows: (1) the mudstone/shale of the 4thmember of Shahejie Formation has high organic abundance. The organic matters types are sapropelic type(Ⅰ)and sapropelic-humic type(Ⅱ1), abundant in hydrogen-rich components which are prone to generate hydrocarbons in early period; (2) the symbiotic saline reducing environment of source rocks and evaporates with the strata fluids of high salinity can promote hydrocarbon generating; (3) the soluble organic matters in the source rocks are easy to generate hydrocarbon influenced by low temperature chemical reactions, bacterial activities and catalysis during the early period of evolution. Therefore, more attention should be focused on the immature oil in the future exploration of Qingdong sag.Key words:immature oil; genetic mechanism; saline reducing environment; soluble organic matter; Qingdong Sag
2016-03-12;改回日期:2016-05-07;责任编辑:孙义梅。
国家重大科技专项(2016ZX05049-006)。
葛海霞,女,博士研究生,1987年出生,石油地质学专业,主要从事有机地球化学研究方向。Email:lily6059.com@163.com。
张枝焕,男,教授,博士生导师,1962年出生,石油地质学与环境科学专业,主要从事环境地球化学与油藏地球化学教学与研究。 Email:zhangzh3996@vip.163.com。
TE121.1
A
1000-8527(2016)05-1105-10