复合油藏形成中的蒸发分馏与生物降解联合控制作用——以渤海海域秦皇岛29-2油田为例

牛成民，王飞龙，汤国民，燕 歌，赵国祥

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司 渤海石油研究院，天津 300452)

自20世纪80年代末开始，油气在成藏过程中的“蒸发分馏”现象就引起了国内外学者的广泛关注和研究[1-14]，它对于油气性质及其组分具有较强的次生改造作用，在凝析油成因机制中的作用更是值得关注[4,7]，但在渤海海域的油气勘探中却鲜有研究。“生物降解”作用同样对于原油性质及其组分具有较强的次生改造作用，是稠油最重要的一种形成机制[15-19]，自20世纪70年代有报道以来一直是国内外的研究热点，国内有关生物降解稠油的研究正是从渤海湾盆地辽河油田开始[20]，之后有关研究多有报道，渤海海域有关生物降解稠油研究也有少许报道[21-22]。蒸发分馏作用是自下而上的，多见于深层；而生物降解作用则基本全部见于浅层，两者均需要较为严苛的地质条件。因此，蒸发分馏与生物降解现象在油气藏中往往是独立存在，难以出现在同一油气藏中。即使在多层系复合油藏广布的渤海湾盆地，目前为止也尚未见到蒸发分馏和生物降解共同作用于同一油气藏的报道。正因如此，少有学者将二者一并综合研究。

秦皇岛29-2 油田是中—大型优质商业油气藏，位于渤海海域的秦南凹陷南部，西块和东块分别发现于2009年和2012年，单井油层厚度和最大油层厚度可达218.4 m和133.7 m，测试平均日产原油和天然气分别为900 t和12.7×104m3，是渤海海域碎屑岩的产能之最[23]。秦皇岛29-2 油田不仅规模大、油层厚，而且同时具有凝析油、正常原油和稠油3种类型原油，原油类型复杂、物性多变。本文以秦皇岛29-2新近系和古近系复合成藏的油田为研究对象，从深层和浅层共选择了12个原油样品(古近系10个、新近系2个)，对其物理性质、油源特征、族组成、碳同位素、饱和烃GC/MS和成藏期次等进行研究，综合分析秦皇岛29-2油藏中的原油变化规律及主控因素。

1 区域地质背景

秦皇岛29-2构造位于渤海海域石臼坨凸起的东倾末端的北侧边界断层下降盘，凸起北部紧邻秦南凹陷次级洼陷(秦南凹陷东南洼)，南部为渤中凹陷。构造内部古近系发育有依附边界断层和地层尖灭的圈闭，新近系则主要发育断背斜圈闭。秦皇岛29-2构造地层发育完整，自下而上依次发育了古近系的沙河街组和东营组、新近系的馆陶组和明化镇组、第四系的平原组(图1)。油气主要分布在沙一、二段(E2s1+2)、馆陶组(N1g)和明化镇组(N1m)，其中又以沙一、二段为主，约占总储量的85%。

2 油藏特征

2.1 原油物性特征

秦皇岛29-2油气田原油类型多样，根据原油样品的密度和黏度特征，可将本区原油自下而上分为特稠油、轻质油、凝析油和稠油4种类型原油。特稠油位于整个油藏底部，密度(20 ℃) 1.03 g/cm3，黏度(50 ℃) 68 940.6 mPa·s，含蜡量10.96%，胶质含量11.95%，沥青质含量高达25.07%，凝固点39 ℃，为高蜡、多胶、高凝特稠油；轻质油主要分布在沙一、二段、少量在馆陶组，密度0.815～0.872 g/cm3，黏度2.71～15.76 mPa·s，含蜡量14.98%～25.22%，胶质含量3.28%～5.96%，沥青质含量0.62%～5.48%，凝固点21～32 ℃，为高蜡、少胶、高凝轻质油；凝析油主要分布在古近系气顶气之下、轻质原油之上，密度0.759～0.777g/cm3，含蜡量5.72%～6.26%，胶质含量0.05%～0.73%，沥青质含量0～0.1%，凝固点为4～7 ℃，为中蜡、少胶、中凝凝析油；稠油分布在复合油藏最上部，位于新近系馆陶组和明化镇组，原油密度0.951 g/cm3，黏度533.5 mPa·s，含蜡量为6.67%，胶质含量14.33%，沥青质含量4.42%，凝固点为-7 ℃，为中蜡、中胶、低凝稠油。从空间分布来看，轻质油分布层位最广最厚，其密度、黏度从深层油层(古近系)向浅层(馆陶组)逐渐降低，浅层向上、深层向下原油密度和黏度增加变为稠油(图2)，轻质油的规律性和稠油的异常性反映了次生蚀变作用的影响。

图1 渤海海域秦皇岛29-2油气藏位置及地层剖面Fig.1 Location of QHD29-2 reservoir and stratigraphic section in the Bohai Sea area

图2 渤海海域秦皇岛29-2油田原油物性特征Fig.2 Physical characteristics of crude oils of QHD29-2 oil field in the Bohai Sea area

2.2 油源特征

秦南凹陷是渤海湾盆地一个中小型凹陷，其烃源岩特征与渤海湾盆地基本一致，共发育沙三段(E2s3)、沙一段(E2s1)和东三段(E3d3)3套烃源岩[24-25]。沙三段沉积期湖盆处于强裂陷期，快速沉降导致水体加深，连通性变好、水动力变弱、补给充足，稳定水体分层容易形成，半咸水—淡水的水体促使湖相藻类勃发，其中沟鞭藻大量发育可以形成高丰度的C304-甲基甾烷[26-27]。沙一段沉积期湖盆处于裂陷热沉降期，构造整体抬升、水体变浅、断裂活动弱，气候干旱、补给不足，微咸水—咸水的水体易形成盐跃层，造成强还原环境，发育耐盐性生物致使伽马蜡烷丰富。东三段沉积期湖盆处于较强裂陷期，显著增加的沉降速率导致水体加深、湖盆扩张，水体为淡水，不仅藻类发育，陆源高等植物同样发育。由于沙三段和沙一段烃源岩发育时期藻类十分丰富，其有机质来源主要为水生低等生物，而陆源有机质输入则较有限，因此，渤海湾盆地沙三段和沙一段烃源岩有机质类型相对更好一些。

钻井资料证实，秦南凹陷发育有古近系沙三段、沙一段和东三段3套烃源岩。沙三段为Ⅱ1-Ⅱ2型好—优质烃源岩，厚度最大，成熟度高；沙一段为Ⅱ1-Ⅰ型优质烃源岩，厚度最小，成熟度较低；东三段为Ⅱ1-Ⅱ2型中—好烃源岩，厚度较大，成熟度低或未熟。沙三段烃源岩生标特征表现为高C304-甲基甾烷和低伽马蜡烷；沙一段烃源岩生标特征表现为较低C304-甲基甾烷和高伽马蜡烷；东三段烃源岩生标特征表现为低C304-甲基甾烷和低伽马蜡烷。

从原油色谱—质谱分析来看(图3)，秦皇岛29-2油气田无论深层还是浅层原油均表现为中等C304-甲基甾烷和中等伽马蜡烷的特征，具有相同的母质来源和沉积环境。结合烃源岩生标特征和烃源岩演化程度可以推测，研究区原油来自于紧邻的秦南凹陷南洼沙三段和沙一段烃源岩混源的贡献，但以沙三段为主，-26.7‰左右的全油碳同位素特征同样印证了这一点。这与前人认识的研究区原油来自秦南凹陷沙三段烃源岩的观点略有不同[28]。

图3 渤海海域秦皇岛29-2油田原油饱和烃质量色谱Fig.3 Gas chromatography-mass spectrometry of crude oils of QHD29-2 oil field in the Bohai Sea area

3 油藏形成机制

3.1 蒸发分馏作用

蒸发分馏是气态物质从油藏中分离出来的复杂的动态过程，其形成的油气藏类型多样，但其发生的必要地质条件是在剥蚀作用或断裂活动下原生油气藏的封闭能力降低，从而导致油气藏中大量气体析出或大量外源气进入，之后气体携带低—中等分子量的烃类化合物沿运移通道向上运移，形成气顶或在异处形成新的油气藏。因此，经历过蒸发分馏作用的油气藏在纵向上具有独特的、规律性的地球化学特征。秦皇岛29-2原油地球化学特征与油气藏地质特征的响应关系表明，蒸发分馏作用机制是研究区原油纵向分布特征的主控因素。

3.1.1 蒸发分馏的地球化学证据

(1)成熟度特征。从成熟度参数Ts/(Ts+Tm)、C29甾烷20S/(20S+20R)和C29甾烷ββ/(αα+ββ)来看，研究区原油从深到浅成熟度逐渐增大，且均为成熟油(图4a-c)，这与属于典型的蒸发分馏成因的南八仙油气田浅层原油成熟度较深层偏高相似[29]。造成这种现象一方面是由于同一油藏中在分馏作用下低密度的高成熟油气向顶部聚集，高密度的低成熟度油向油藏下部聚集；另一方面可能是由于埋深更浅、成熟度较低的沙一段烃源岩生成的油从深到浅混入量不断减少造成的。

根据研究区原油和烃源岩成熟度参数C29甾烷20S/(20S+20R)、C29甾烷ββ/(αα+ββ)得出原油相对应烃源岩的Ro应为0.71%～0.72%[28]。根据MPI-1(甲基菲指数)推测西区浅层原油对应烃源岩的Ro应为0.69%，深层为0.84%～0.99%；东区浅层为0.64%，深层为1.02%～1.18%。根据MPI-3推测西区浅层原油对应烃源岩的Ro为0.86%，深层为1.01%～1.02%；东区浅层为0.77%，深层为0.98%～1.03%(表1)。整体上浅层原油3种方法推测的Ro基本接近，而深层相差较远，考虑到沙一段低成熟度油对古近系油藏从下到上的混入作用，其对应烃源岩Ro≈1%，深、浅层原油对应的烃源岩Ro均未超过1.2%，低于热裂解成因Ro=1.3%的门限。因此，研究区气顶气系深层原油蒸发分馏作用的产物，与高温热解成因无关。

(2)族组成及饱和烃色谱特征。相同温压条件下，原油的不同组分溶解于气、液两相中的比例不同，饱和烃易溶于气相，而芳烃则易溶于油相[30]。因此，饱和烃和芳烃差异溶解会导致自下而上的蒸发分馏过程中饱和烃含量和饱芳比会逐渐增大。研究区深层原油饱和烃含量44.4%～68.4%、饱芳比2.28～5.41，浅层原油饱和烃含量高达73.7%～74.5%、饱芳比6.08～6.41，饱和烃含量和饱芳比整体上呈现从深到浅逐渐增大的趋势(图4d)。此外，原油自下而上主峰碳逐渐降低反映成熟度逐渐升高(图3)，浅层原油仅靠来自Ro≈0.7%的烃源岩生烃是难以达到近75%的饱和烃含量，这些也反映了深、浅层原油受蒸发分馏的影响。

图4 渤海海域秦皇岛29-2油田原油及油砂抽提物地球化学特征Fig.4 Geochemical characteristics of crude oils and oil sandstone extracts of QHD29-2 oil field in the Bohai Sea area

位置MPI-1Ro1/%MPI-3Ro3/%Ts/TmC29 20S/(20S+20R)C29ββ/(ββ+αα)西区浅层0.53 0.69 0.59 0.86 0.52 0.39 0.38 西区深层0.78～1.030.84～0.991.11～1.141.01～1.020.49～0.580.39～0.440.38～0.41东区浅层0.45 0.64 0.31 0.77 0.63 0.46 0.42 东区深层0.88～1.351.02～1.181.02～1.180.98～1.030.38～0.580.38～0.660.40～0.43

注：MPI-1为甲基菲指数[31]；Ro1=(0.6MPI-1+0.37)/100；MPI-3为(3-+2-)/(9-+1-)甲基菲；Ro3=(0.3MPI-3+0.68)/100。

蒸发分馏作用由于原油重质组分长期向油藏底部沉淀，易形成极性化合物(非烃+沥青质)含量较高的原油，甚至形成沥青垫。秦皇岛29-2油藏底部有极性化合物含量达44%的原油(3 390 m)，其饱和烃色谱形态完整(图3)，非常接近塔里木盆地牙哈、文留等油气藏沥青垫的60%～90%极性化合物含量。

(3)全油碳同位素特征。基于重力分异原理，重的物质 “下沉”、轻的物质 “上浮”，蒸发分馏作用致使原油的全油与饱和烃的稳定碳同位素比其衍生的凝析油的全油与饱和烃轻[1]。研究区深层原油全油碳同位素自下部轻质油的-29.2‰到上部凝析油的-26.4‰，浅层轻质油为-27.2‰，大体上从深到浅逐渐变重；饱和烃碳同位素自下部轻质油的-30.0‰到上部凝析油的-26.8‰，浅层轻质油为-27.6‰，与全油碳同位素相似，也是大体上从深到浅逐渐变重(图4e)。

(4)轻烃特征。THOMPSON将关于“石油中芳香烃的分馏和凝析油的产生”的研究成果归纳成交会图(图5)，纵座标为甲苯/正庚烷(Tol/nC7)、横坐标为正庚烷/甲基环己烷(nC7/MCYC6)，其中“蒸发分馏”用向量A表示[1]。研究区原油基本沿蒸发分馏作用的演化曲线分布(图5)，表明原油经历过不同程度的蒸发分馏作用。其中，浅层气侵分馏程度高，残留油中的轻芳香烃含量高，Tol/nC7为4.9～6.9，平均5.9；深层气侵分馏程度略低，Tol/nC7为0.06～4.5，平均0.65。

3.1.2 蒸发分馏发生的地质条件

油藏区大规模的剥蚀事件往往被认为是蒸发分馏作用发生的重要原因[2]，但地质分析表明研究区在油气成藏过程中及之后不存在大规模剥蚀事件。研究中对储层包裹体均一温度统计结果表明，古近系油藏内样品均一温度具有双峰特征，主要分布在95～135 ℃，表明古近系内油藏至少存在2期成藏；新近系油藏内样品均一温度主要分布在75～90 ℃，具单峰特征，指示新近系油藏可能具有单期成藏特征(图6)。结合研究区埋藏史分析表明，该油藏整体为晚期成藏，其古近系内油藏成藏期均在约4.5 Ma至今；新近系内油藏成藏期约为2 Ma至今(图6)。而埋藏史分析表明，油气田的主成藏期内(4.5 Ma 至今)并没有大规模的剥蚀事件发生(图6)。进一步分析表明，区内断裂活动导致的CO2充注可能是引起蒸发分馏的主因。

图5 渤海海域秦皇岛29-2油田原油次生变化模式

图6 渤海海域秦皇岛29-2油田埋藏史及成藏期Fig.6 Burial history and pool-forming period of QHD29-2 oil field in the Bohai Sea area

秦皇岛29-2油气田气顶气成分中含有CO2，其含量43.93%～90.61%，平均约57.82%。本次选取2个气样对其中的 CO2进行碳同位素测定，测得碳同位素分别为-5.2‰和-6.4‰，处于无机成因CO2的主要分布范围内(-8‰～3‰)[32]，3He/4He比值分别为6.21和5.49，R/Ra比值分别为4.44和3.92，40Ar/36Ar比值分别为334.7和299.7，具有明显的岩浆—幔源成因特征(表2)。另外，在沙一二段储层中发现CO2气体包裹体与油气包裹体共生，并且激光拉曼检测出CO2气体包裹体中含有CH4烃类气，反映出两者同时期充注的特点，结合成藏期沟通幔源的油源断裂F1的强烈活动(图7)，可以推测断裂活动导致的幔源CO2气体强烈气侵是引起蒸发分馏的主因。

表2 渤海海域秦皇岛29-2井天然气样品同位素组成Table 2 Composition of natural gas isotopes of well QHD29-2 in the Bohai Sea area

3.2 生物降解作用

生物降解是研究区浅层原油变稠的主要原因，一般而言，埋深越浅生物降解作用越强烈，其影响体现在原油的物理性质、化学性质、碳同位素等各个方面。浅层原油随着埋深变浅，原油的密度、黏度越来越大(图2a，b)，由于生物降解消耗了更多低分子量的饱和烃和芳烃，因此，沥青质和硫含量越来越大，含蜡量则越来越小(图2c-e)。浅层原油(2 010 m)油藏温度低于80 ℃，遭受了一定程度的生物降解作用，色谱中显示轻组分基本消耗殆尽，而色谱—质谱中则显示甾烷、藿烷系列依然保持完整，根据生物降解等级划分标准可以将其归为4～5级(图3)。生物降解稠油研究和原油细菌降解实验认为，与同源正常原油相比，被降解原油的烷烃富集重同位素[33]。研究区浅层原油在蒸发分馏作用机制下，普遍具有较高的饱和烃含量，且组分较轻，生物降解作用对于浅层原油的降解在一定程度上等同于对其饱和烃的降解，因此其全油碳同位素和饱和烃碳同位素相对于未降解浅层原油急剧加重，全油碳同位素正常浅层原油为-27.2‰，而生物降解油则为-25.9‰(图4e)。蒸发分馏作用导致的饱和烃轻质组分含量高的原油晚期持续向浅层充注，因此，浅层原油生物降解程度低，饱和烃含量高，碳同位素变重幅度大。

4 油气成藏模式

前已述及，秦皇岛29-2油气藏原油物性受控于蒸发分馏作用和生物降解作用，查明这2种作用在油气成藏时期的先后，对于深入认识该油气藏的成藏机制和分布规律具有重要意义。综合构造演化、烃源岩热成熟特征、成藏期分析，可建立秦皇岛29-2油气藏的以下4个阶段的运聚成藏模式(图7)：

(1)古近系沉积时期(65～23.3 Ma)，盆地拉张断陷，秦南凹陷南洼烃源岩成熟度低，深、浅层圈闭还未形成，幔源物质上涌，沿断裂F1上来的CO2气体散失，无油气聚集。

(2)新近系馆陶组沉积时期与明化镇组沉积早中期(23.3～4.5 Ma)，盆地进入拗陷期，部分沙三段烃源岩开始成熟排烃，深层圈闭初步形成，浅层圈闭还未形成，但受断裂长期活动影响，CO2气体与早期较少的油气散失。

(3)明化镇组沉积晚期(4.5～2 Ma)，沙一段烃源岩开始成熟，部分沙三段烃源岩大规模排烃，深层圈闭定型，浅层圈闭初步形成，CO2气体与油气沿F1断裂活动性较强的东、西两侧同期注入深层圈闭，并在活动性弱的中部地区保存下来形成以沙三段供烃的油气藏(图1)，且CO2气体对油藏初步进行蒸发分馏作用，形成了稠油、轻质油、高CO2含量烃类气组合的油气藏，而浅层圈闭受断裂长期活动影响未成藏。

图7 渤海海域秦皇岛29-2油田成藏模式(a)和断层F1活动速率(b)剖面位置见图1。Fig.7 Reservoir model (a) and displacement velocity of the fault F1 (b) of QHD29-2 oil field in the Bohai Sea area

(4)平原组沉积时期(2 Ma至今)，沙一段烃源岩开始排烃，全部沙三段烃源岩大规模排烃且未进入生气阶段，深、浅层圈闭定型，CO2气体与沙三段与沙一段混合供烃的油气继续注入深层圈闭，受断裂活动影响早期的深层油气藏不断破坏调整至浅层圈闭成藏，CO2气体对深层油藏持续进行蒸发分馏作用。因此，保存条件较好的深层圈闭形成特稠油、轻质油、凝析油和高CO2含量烃类气等多类型组合的油气藏；而浅层圈闭先期接受4.5～2 Ma时期深层圈闭的轻质油和烃类气，但由于晚期派生断层发育保存条件差导致烃类气散失，浅层大部分油藏温度低于80 ℃，遭受生物降解而变稠，后期浅层稠油还持续接受深层圈闭调整而来的轻质油和凝析油的注入稀释，进而形成高饱和烃含量、轻烃相对完整，同时还遭受生物降解的稠油。

5 结论

(1)原油对比证实秦皇岛29-2古近系油藏与新近系油藏同源，但它们在轻烃组成、族组成和饱和烃色谱分布上存在显著差异，表明经历了强烈的蒸发分馏作用。结合该区烃源岩热演化、成藏期次和断裂活动史认为，幔源CO2气体侵入引起了该区蒸发分馏作用。

(2)蒸发分馏和生物降解作用联合控制着该油气藏的原油物性差异分布，从深到浅依次分布着特稠油、轻质油、凝析油和稠油，深、浅层油藏整体受控于前者，从深到浅原油物性逐渐变好，饱和烃含量、饱芳比逐渐增加，全油碳同位素及饱和烃碳同位素逐渐变重；浅层油藏同时受控于后者，造成饱和烃和轻芳香烃含量高与饱和烃色谱轻组分降解现象共存。

(3)2种作用共存于同一油藏，既需要有已遭受蒸发分馏影响的先存深层油藏，也需要后成藏的浅层油藏遭到生物降解的同时，接受先存油藏的晚期持续充注。值得注意的是，如果浅层成藏时期过早或持续性较差，其轻烃组分和高饱和烃含量等蒸发分馏的直接证据则难以保存，原油的生物降解程度大幅提升，以至于掩盖蒸发分馏作用的存在。

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