柴西油沙山地区油沙有机地球化学特征研究

宋红莎，韩梅梅，曹占元, 张晓宝，陈文磊

(1.甘肃矿业开发研究院，甘肃 兰州 730000；2.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；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；4.中国地质大学，北京 100083)

随着我国经济的快速增长，我国原油对外依存度逐年递增。近年来，非常规油气资源开发得到了高度重视，并已带来全球能源行业资源供需格局、开采方式、技术创新等方面全方位的重大转变[1]。油沙资源作为重要的非常规油气资源，逐渐进入人们的视线。我国油沙资源丰富，地质储量59.7×108t，可开采资源量为59.7×108t[2]，开发利用初具规模，作为一种重要的非常规油气资源，其开发利用日益备受高度重视。截止目前，在准噶尔、柴达木、松辽、鄂尔多斯、塔里木等大盆地已开展油沙资源开发[3-4]。柴达木盆地作为典型的油沙资源盆地，目前已于油沙山、鱼卡、干柴沟等地发现20余处油沙矿。对该区内的油沙矿成矿规律的研究，不仅将有助于该区的油沙资源的勘探开发，也将有助于我国油沙资源成矿规律的研究。本文拟通过油沙山地区上干柴沟组(N1)8个油沙样品进行色谱-质谱分析，对油沙生油母质的沉积环境、成熟度及母质来源进行分析，以期为该区的油沙勘探提供有益借鉴。

1 基础地质背景及油沙特征

柴达木盆地是中国西北地区重要的含油气盆地之一，隶属于青藏高原北部，三面环山，北方与祁连山相连，西方与阿尔金山相接，南方与昆仑山相邻[5]。柴达木盆地总体具有南北向对冲、中央坳陷的三分地质构造，与此同时，东西部存在较大差异。油沙山油田位于柴达木盆地西部南区，油沙山地表背斜构造顶部平缓，北翼缓(3°～25°)，南翼陡(30°～75°)，为北西～南东向不对称半箱状背斜构造，轴线走向N105°～N113°，构造西高东低，长轴约8.15km，短轴约1.6km。研究区含油地层主要由下油沙山组(N21)和上干柴沟组(N1)两套地层，研究区含油层主要为上干柴沟组(N1)，油沙山油沙出露在油沙沟口往里0.8km处(图1)，并向东延伸至沥青沟，露头南北宽约0.75km，东西长约1.2km，面积约1.5km2，出露的油沙厚度74.14m[6]。

图1 油沙山地区油沙分布图

Fig.1 Oil sands distribution in the Youshashan area, western Qaidam Basin

油沙山油沙矿位于断层发育的油沙沟高点，出露的油沙以夹层状产出于地层中，油沙层产状较为平缓，多以凸透镜状和脉状产出，不具明显的成层性，其单层厚度多分布在0.2～9.85m之间，在平面上呈现出单层厚度由西向东逐渐增厚的特征。油沙层四周均出露于地表，不均圈闭条件。钻探资料显示，区内油沙矿含油率较高，其中以位于Ⅱ断块上的YZK12孔、YZK13孔、YZK14孔、YZK15孔、YZK17孔油沙含油率最高，以饱含油、富含油以及油浸为主，其含油率主要在2%～5%之间。研究区内油沙矿内原油以重质油为主，其次为中质油，挥发组分含量低，密度最大值0.935 g/cm3，最小值0.897 g/cm3，平均值0.920 g/cm3。前人研究认为，油沙山原油的烃源岩为盆地内部半深湖相的下干柴沟组上段和上干柴沟组[7-8]，其中下干柴沟组上段烃源岩主要为砂岩，厚度多在1.1～15m之间，TOC含量在0.07%～2.43%之间，平均值为0.85%，Ro在0.7%～1.0%之间，其内干酪根以腐泥型为主。上干柴沟组烃源岩主要为砂岩，厚度多在0.2～11m之间，TOC含量在0.02%～1.89%之间，平均值为0.59%，Ro在0.62%～0.91%之间，其内干酪根也以腐泥型为主。

2 样品及分析方法

研究区8块实验分析样品采自钻孔岩心，样品采集后采用低温保存，防止烃类的挥发[9]。选取岩样并称取一定重量粉碎至100目，将粉碎后的样品在索氏抽提器中抽提72小时，抽提出不溶有机质以及可溶有机质氯仿沥青A，不溶有机物氯仿沥青用正己烷脱除沥青质，可溶有机物再经层析柱(氧化铝和硅胶)进行族组分分离，之后用正己烷、二氯甲烷和甲醇淋洗填充柱，可得到饱和烃、芳烃及非烃组分，最后进行饱和烃色谱-质谱分析[6]。

实验仪器选取6890NGC/5973NMS型色谱-质谱(GC-MS)仪。色谱条件：进样口温度280°C，高纯氦载气，HP-5弹性石英毛细管柱(30m×0.25mm×0.25μm)，以80°C为起始温度，1min后以4°C/min升温至290°C，恒温30min。质谱条件：采用EI质谱离子源，230°C的离子源温度，150°C的四极杆温度，70eV的离子源电离能。色谱仪与质谱仪的接口温度为280°C[10]。

3 分析结果与分析方法

在油沙的研究过程中，生物标志化合物提供的信息能够反映其古沉积环境、成熟度及母质来源等多方面信息。本文实验采用色谱-质谱技术对8个油沙样进行研究，深入解读其生标的分布特征，其地球化学特征分述如下。

图2 油沙山地区饱和烃色谱-质谱图

Fig.2 Chromatograms and mass spectrograms of the saturated hydrocarbons in the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

3.1 生物降解程度与成熟度分析

对油沙样品进行GC-MS分析，8件样品中有7件样品饱和烃TIC扫描时间50min以后均检测出明显的藿烷系列，且扫描时间45～55min均出现UCM鼓包(图2)，表明样品受到微生物降解作用[11]。样品虽有鼓包出现，但正构烷烃遭受到轻微损失，峰型较完整，综合离子图和数据分析可知，样品其他组分完整，未见明显缺失，表明生物降解等级均不高。依据Peter和Moldowan的生物降解分级，油沙山油沙样品的正构烷烃受到轻度损失，降解程度为1级[12]。

研究区8个油沙样品测试结果表明(表1)，样品饱和烃分布介于0.53～0.81之间，平均含量为0.645，其饱和烃含量较高；芳烃分布范围为0.06～0.11，平均含量为0.084，较正常油的值偏低；非烃含量为0.05～0.34，平均含量为0.221；沥青质分布介于0.01～0.15，平均含量为0.054，饱和烃与芳香烃比值介于6～14，研究区饱芳比值大，表明生油母质类型好，对应的原油物质好[6]。油沙山地区油沙油饱和烃含量普遍较高，一般认为，原油族组分组成主要受烃源岩有机质类型和成熟度等因素影响，通常烃源岩有机质类型越好、成熟度越高，饱和烃含量越高。

表1 油沙山地区油沙抽提物分析

注：中科院兰州地质所测定

正构烷烃是反映有机质成熟度的重要参数[13]，OEP值是用正构烷烃奇偶数碳优势来判识有机质成熟的重要参数，该值越接近1，表明成熟度越高，但若OEP值小于1则表明样品发生微生物降解，6件样品的OEP值(表2)小于1，则OEP值不能作为表征原油演化程度的参数；m(Ts)/m(Tm)值分布在0.297～0.39，显示油沙油为低成熟油的特征(表3)。

表2油沙山地区油沙提取物中正构烷烃及类异戊二烯烃参数

Table2Parametersforthen-alkanesandisoprenoidhydrocarbonsintheoilsandssamplesfromtheYoushashanarea,westernQaidamBasin

样号深度(m)正 构 烷 烃类异戊二烯烷烃碳数分布峰型主峰m(ΣC21⁃)/m(ΣC22+)OEPm(Pr)/m(Ph)m(Pr)/m(C17)m(Ph)/m(C18)YZK⁃4⁃N97．45C12⁃C38单驼峰nC270．181．190．260．351．14YZK⁃6⁃N116．06C12⁃C39单驼峰nC201．130．910．380．561．66YZK⁃8⁃N127．63C12⁃C38单驼峰nC280．380．970．320．491．27YZK⁃10⁃N144．08C12⁃C38单驼峰nC270．360．930．260．451．32YZK⁃13⁃N158．12C12⁃C38单驼峰nC221．090．990．430．842．46YZK⁃16⁃N175．32C12⁃C39单驼峰nC300．150．860．270．381．29YZK⁃19⁃N187．9C12⁃C37单驼峰nC250．271．010．290．371．32YZK⁃20⁃N194．3C12⁃C38单驼峰nC240．910．910．320．431．49

注：中科院兰州地质所测定

图3 成熟度参数关系图

Fig.3 Diagram showing the relationship between individual parameters for the the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

油沙山油沙m(∑孕甾烷)/m(∑常规)非常低，最大值0.023，最小值0.016，平均值0.020(8)；m(∑重排)/m(∑常规)较高，最大4.471，最小2.703，平均值3.837(8)；据成熟度划分标准，m(C29ββ)/m[(ββ+αα)]最大0.295，最小0.257，平均0.274(8)，位于0.2和0.4之间，属低成熟油沙油；m(C29ααα-20S)/m[20(S+R)]最大0.313，最小0.274，平均0.294(8)，位于0.2和0.4之间，属于低成熟油沙油(图3)；C27ααα-20R%最大值40.764，最小值35.685，平均值38.708(8)，属Ⅱ1型干酪根。

3.2 氧化还原条件分析

从研究区8个油沙样品GC-MS总离子流图TIC(图2)和正构烷烃及类异戊二烯参数(表2)可得，油沙山油沙碳数分布范围较大，从C12，C13至C37和C38均有分布，多呈单峰型，主峰碳位于C22至C30之间，m(ΣC21-)/m(ΣC22+)分布于1.13～0.15之间，平均0.56(8)；m(Pr)/m(Ph)较低，介于0.43～0.26之间，平均值0.32(8)，表明其源岩沉积在强还原环境，且水体较深；m(Pr)/m(C17)较高，最大值0.84，最小值0.35，平均值0.49(8)；尤其是m(Ph)/m(C18)较大，最大值2.46，最小值1.14，平均值1.49(8)，源岩沉积在还原海相环境中(图4)。

表3 油沙山地区油沙提取物中萜烷参数

注：中科院兰州地质所测定

3.3 水体盐度分析

由表3可得m(C24四环)/m(C26三环)值分布于0.484～0.361之间，平均0.421(8)，反映了一定的高等植物注入；m(∑三环)/m(∑五环)值较高，分布于0.271～0.380之间，平均0.311(8)，表明水体较咸；m(r-蜡烷) 具有较强的抗生物降解能力，m(r-蜡烷)/m(0.5C31)可指示咸水环境，油沙油样品m(r-蜡烷)/m(0.5C31)藿烷值最大1.359，最小1.220，平均1.290(8)，均显示为高盐度咸水环境沉积[12]。甾烷C27、C28和C29参数，可反映母质类型，由表4可知，三参数表现为C27﹥C28﹤C29，成“L”型或“V”型分布，表明油沙油母质来源水生生物相对较多，从图5中可知低等水生生物为重要母质类型，有高等植物混入[14]。

表1油沙山地区油沙提取物中甾烷参数

Table1ParametersforthesteranesintheoilsandssamplesfromtheYoushashanarea,westernQaidamBasin

样号m(∑孕甾烷)/m(∑常规)m(∑重排)/m(∑常规)m(C29ββ)/m[(ββ+αα)]m(C29ααα⁃20S)/m[20(S+R)]C27ααα⁃20R(%)C28ααα⁃20R(%)C29ααα⁃20R(%)YZK⁃4⁃N0．0222．7030．2570．28640．76424．99834．238YZK⁃6⁃N0．0213．6820．2690．27438．20225．13236．665YZK⁃8⁃N0．0184．1580．2670．28439．08726．45734．456YZK⁃10⁃N0．0194．0490．2710．29939．7725．66634．563YZK⁃13⁃N0．0213．9420．2950．31335．68529．32534．99YZK⁃16⁃N0．0174．4710．2720．28638．59525．89435．511YZK⁃19⁃N0．0164．430．2750．30138．21827．73234．05YZK⁃20⁃N0．0233．2640．2850．30639．34427．01133．645

注：中科院兰州地质所测定

图4 油沙中m(Pr)/m(C17)与m(Ph)/m(C18)比值关系

Fig.4m(Pr)/m(C17) vsm(Ph)/m(C18) for the oil sands samples from the Youshashan area, western Qaidam Basin

图5 油沙甾烷关系三角图

Fig. 5 Triangular diagram of the parameters for the steranes C27, C28and C29

4 结果与讨论

油沙山地区油沙受到微生物降解，降解程度为1级，低等水生生物为该研究样品重要母质类型，有高等植物混入；油沙的源岩沉积于高盐度还原海相环境，热演化达低成熟阶段，样品均为低成熟油沙油品。

油沙山油沙矿古近纪就形成了生长背斜，N21时期，上干柴沟组烃源岩开始生烃，油沙山构造第一次成藏，形成了原生油气藏；N23—Q时期，油沙山地层形成了浅层的断展褶皱，为浅层滑脱构造，油气进行重新调整，形成浅层次生油气藏。本文实验所采样品抽提的烃类被运移至储集层时尚未达到完全成熟阶段，此后次生油气藏被抬升剥蚀，致使油藏被破坏，原油在地表受到风化作用、生物降解等次生蚀变作用[15]，形成油沙山油沙。