地表油气地球化学技术在油砂勘探中的应用:以松辽盆地西斜坡小太平山为例

2019-02-10仝立华郝国丽杨孝杰邰文超李锋徐银波刘轶松王洁宁

世界地质 2019年4期

仝立华, 郝国丽, 杨孝杰, 邰文超, 李锋,徐银波, 刘轶松, 王洁宁

1.中国地质调查局油气资源调查中心，北京100083;2.中国地质调查局非常规油气地质重点实验室，北京100083;3.吉林大学地球科学学院，长春130061；4.中化地质矿山总局吉林地质勘查院，长春130033;5.中国地质调查局油气资源调查中心和中化地质矿山总局油砂地质调查与技术研发实验室, 长春130033;6.中国珠宝玉石首饰行业协会，北京100013

0 引言

油砂作为石油和天然气重要的替代能源，是中国油气资源重要的战略补充之一[1-3]。油砂属非常规油气资源，是指出露地表或近地表，包含有烃类的沉积岩，油砂中所含的烃类物质，包括重油、固体沥青及轻质油等，且烃类的含量(含油率)不低于3%[1,4-6]。松辽盆地西部斜坡带是中国重要的油砂成矿区域，油砂资源潜力较大[7-9]，据全国油砂资源评价结果显示，松辽盆地西部斜坡带油砂分布面积近1 700 km2，油砂油地质资源量约为4.75×108t[1]。由于区内绝大部分油砂未出露地表，受地质特征、勘探手段和经济成本等条件的制约，探明的资源量十分有限，2002—2013年内仅在图牧吉和西北沟两处开展了油砂详查工作，探明面积仅约100 km2[10-11]。因此，寻求一种适合松辽盆地斜坡带隐伏油砂矿体的高效、经济的勘探方法，对进一步查明优质油砂的分布特征和准确评价资源潜力具有重要的指导意义。

石油和天然气地球化学勘查简称油气化探，是通过地球化学方法从土壤、岩石等介质中检测烃类及其伴生物和蚀变产物，预测盆地的含油气远景，指出油气聚集趋势或范围，提供探井部署建议的一种勘查技术[12-15]。油气化探常用的勘查方法有烃类检测法和间接指标法两类。烃类是探测地下油气的直接指标，烃类测量法是油气化探方法体系的基本手段。在自然条件下，地表沉积介质对由地下油气藏迁移上来的烃气有天然的吸附效应，因此通过酸萃取技术脱附沉积物中的吸附烃，可得到更为准确的深部有效信息[16]。间接指标法常见有蚀变碳酸盐(ΔC)法和热蚀汞(RHg)法等，其与烃类在油气藏上升迁移中发生的生物-物理-化学蚀变有关，是油气化探的重要依据，蚀变碳酸盐(ΔC)法和热蚀汞(RHg)法被纳入油气化探综合方法序列[16-18]。笔者基于化探调查方法，通过采集地表土壤样品和分析处理酸解烃、蚀变碳酸盐和热蚀汞等地球化学指标，并结合地质背景和钻探成果，论述该方法在松辽盆地西斜坡小太平山地区油砂勘查工作中的应用效果。

1 地质概况

本次研究区所在的西部斜坡带是松辽盆地北部的一级构造单元，整体上西部斜坡区构造平缓，构造格局和演化与加拿大阿尔伯塔盆地东部类似，前人的大量研究显示，西斜坡地区的油源来自中央坳陷区(主要为齐家—古龙凹陷)上白垩统青山口组和嫩江组湖相泥岩，经长距离运移过程中不断稠化而形成油砂[19-20]。西部斜坡区油砂资源主要分布在南部地区，目前已发现有图牧吉和西北沟油砂矿等，主力目的层为上白垩统姚家组，本次调查区所在的小太平山地区位于二者东南，具有较好的勘探前景。

小太平山地区油砂产出层位为上白垩统姚家组，据邻区资料显示，该区姚家组顶面构造形态为东倾的单斜，构造上发育一条北东向延伸的逆断层，断层倾角约70°，普遍断穿层位姚家组，局部断穿层位白垩系至新近系，其上盘一侧发育了沿断层展布的一系列构造圈闭，为油砂的富集成矿提供了有利条件。区内姚家组储层为一套以细砂岩为主的沉积组合，岩性多为长石细砂岩、粉砂质细砂岩。储层埋深较浅，成岩作用较差且胶结较疏松，根据已有资料该区姚家组储层平均孔隙度为35.3%，平均渗透率为5.1 μm2，属高孔高渗储层[21]。

2 样品采集与测试方法

2.1 室内布点

采样点的布局通常根据油气化探测量阶段的工作任务与要求，结合调查区的地质构造特征和含油气圈闭特点进行设计。本次调查区处于松辽盆地边部的斜坡区，具有少量的油气工作基础，但该区油砂调查程度较低。基于区内研究程度和现有资料，本次土壤测量工作网度的线点网度为1 000 m×1 000 m，测线方向为NW45°(图1)，垂直于构造线方向。

图1 地表土壤采集区位置示意图Fig.1 Location of surface soil samples collection area

2.2 土壤测量野外采集方法

采样点设计的准确性是化探工作精度的保证，在1∶5万化探手图上布置测网，野外采用手持GPS定位。在采样过程中，点位一般不允许移动，若设计点位不具备采样条件时，可移动采样点，移动距离不超过点距的1/10，若超过1/10，则修改设计点，并注明移点的原因。采样定点误差不超过70 m。

出队前制作好采样记录卡，记录采样点位、点号、取样深度和样品性质等描述记录工作。

采样介质土壤为黏土、亚黏土或亚沙土，区内第四系覆盖较厚，取样深度取1.0～2.0 m，一般在地形低佳、沼泽化比较明显的地区，可适当加深。野外采集过程中采用洛阳铲取出土壤，取样时应采集铲槽中心部位的新鲜土壤样品，避免铲内边缘表土的混入，保证后续测试结果的准确性。按分析项目要求取全、取够样量，现场用双层密封的铝箔袋包装，写好标签，清点与验收后及时送至实验室进行样品加工和分析测试。

野外工作期间各项工作严格执行三级质量管理制度，野外工作结束后，参照中国地质调查局项目管理办法和质量体系管理要求，对野外工作完成效果进行验收审查，确保野外工作质量。

根据上述工作方法，依托中国地质调查局能源矿产地质调查项目，在研究区实施了土壤地球化学测量985 km2，测量网度1 000 m×1 000 m，采集样品1 088件，其中原点样品974件，密码样、重复样40件。

2.3 分析测试方法

油气化探是一项通过调查地质产物中的含量水平和空间展布特征，揭示地质过程，从而解决矿产勘查问题的技术方法[16]。在这个过程中，微量组份的测试分析就是获取各种指标信息的直接途径，因此，样品的分析测试方法的规范性和准确性对于异常识别和各指标的综合运用尤为重要。

2.3.1 酸解烃测定

酸解烃是指样品中能够被浓度为1∶6的盐酸溶液分解的烃类物质[22]。试验样品测试前，野外采集的样品须在阴凉通风的室内阴干，碎样过40目筛，经混合缩分后取不少于160 g装于密封袋内供测试使用。酸解烃测定方法为在真空和水浴恒温40℃条件下，样品经盐酸分解，释放出来的气体经碱液吸收去除二氧化碳，剩余气体驱赶至量气管以计算所脱出气体的体积并保存在密封容器中。对气相色谱仪设备进行必要的标准气校准后，将一定量所脱出的气体注入色谱仪，进行色谱测定，用外标法进行定量计算含量，组份含量单位为μL /kg。

2.3.2 蚀变碳酸盐测定

蚀变碳酸盐(ΔC)是指样品中由烃氧化成的二氧化碳与其中某些盐类及水发生作用，生成一种分解温度为500℃～600℃之间的碳酸盐[23]。蚀变碳酸盐(ΔC)测定方法为将试样放入氧化炉中在500℃(±1℃)条件下通氧气，氧化过程除去有机物和低温分解碳酸盐。随后在分解炉中600℃(±1℃)条件下进行分解，释放出的二氧化碳用红外线气体分析仪测试测定。用工作曲线法进行含量计算，组份含量单位为%或10-2。

2.3.3 热蚀汞测定

热蚀汞是指样品在250℃(±1℃)的恒温炉中加热释放出来的汞，主要是有机汞、金属汞和氯化汞[24]。试验样品测试前，野外采集的样品须在阴凉通风的室内阴干，碎样过200目筛，经混合缩分后取不少于20 g装于密封袋内供测试使用。热蚀汞测定方法为样品在 250℃(±1℃)条件下恒温加热，热蚀时间6 min，释放出的汞用金丝捕汞管捕集，形成的金汞齐在 850 ℃(±20℃)高温炉中分解，释放出的汞用测汞仪测定，组份含量单位为10-9。

本次土壤样品的酸解烃、蚀变碳酸盐和热释汞的分析测试工作由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所实验研究中心完成，样品精密度合格率为100%。

3 地球化学指标及异常分析

3.1 地球化学指标

土壤样品的地球化学测试分析结果显示，甲烷/总烃>75%样品个数为943件，满足甲烷/乙烷>20%样品个数为965件，满足丙烷/甲烷>15%样品个数为904件。据统计已知以油为主的油田iC4/nC4在0.6～0.9之间[25]，小太平山地区绝大多数烃类异常均在0.58～0.94范围内，指示地面土壤的烃类异常与地下油砂的烃类逸散存在关联。

由表1可见，甲烷与乙烷、丙烷、异丁烷和正丁烷的指标相关性较好，其中与乙烷和丙烷的指标间相关系数在0.961，以上表明甲烷主要来源于地下油砂矿藏，与乙烷、丙烷、异丁烷和正丁烷等烃类指标属同一个母体，可以排除地表干扰。蚀变碳酸盐(以下简称“ΔC”)与烃类各指标间属典型正相关，相关系数在0.356以上，其中与乙烷相关性最好，相关系数为0.400，表明ΔC与烃类在成因机制上有内在相互关系，同时说明ΔC来源于深部油砂矿藏。热蚀汞(以下简称“RHg” )与烃类等指标均无明显相关性，表明烃类与其他指标在成因机制和地球化学分布特征上不同。

表1 松辽盆地西斜坡小太平山地区土壤样品主要组分相关性系数

Table 1 Correlation coefficient of principal components in soil samples, Xiaotaipingshan area in western slopeof Songliao Basin

C1C2C3iC4nC4iC5nC5ΔCRHg甲烷(C1)1.000乙烷(C2)0.9801.000丙烷(C3)0.9610.9811.000异丁烷(iC4)0.7520.7720.7831.000正丁烷(nC4)0.7520.7780.7980.9031.000异戊烷(iC5)0.1350.1510.1790.1810.1711.000正戊烷(nC5)0.1300.1520.1730.2740.2910.2771.000ΔC0.3830.4000.3960.3570.3630.0330.0361.000RHg0.0670.0800.0710.0520.0600.0270.0110.0211.000

注：酸解烃的含量测定单位为 μL /kg；蚀变碳酸盐的含量测定单位为10-2；热释汞的含量测定单位为10-9。

3.2 异常下限值的确定

数据处理是化探工作的重要环节，从数据总体中寻找化探指标的区域背景值和异常下限值是油气化探数据处理的首要任务。在数据总体服从正态分布的条件下，用数据总体的平均值代表化探指标的背景值，用平均值加上n倍(整数或小数)标准离差作为异常下限值。计算过程大致如下：对测试结果数据求算术平均值，分别以6倍、5倍、4倍、3倍算术平均值作为特高值的下限进行数据处理，大于特高值下限的数据采用算术平均值代替。对处理特高值后的数据求均值(背景值)和均方差，将均值加上一倍的标准离差作为该指标的异常下限值。将异常下限的1、2、3、4倍视为异常浓度等级，作为提取和圈定综合异常区的依据。

选取C2+(C2- C4)的组份总和作为重烃指标，重烃最大值为111.07 μL /kg，最小值为0.00 μL /kg，平均值为6.62 μL /kg，标准离差为8.05 μL /kg，变异系数为1.22，指标值相对于均值呈两级分化趋势。采用全区所有数据，统计计算时迭代剔除高值点后求其平均值和标准离差，基本按均值加上一倍的标准离差作为该指标的异常下限值，计算后得出重烃的异常下限为9.65 μL /kg(图2a)。ΔC的平均值为0.59×10-2，标准离差为0.35×10-2，变异系数为0.59。数据多集中在均值附近，离散程度较小，数据符合似正太分布规律。数理统计之后，ΔC的异常下限为0.898×10-2(图2b)。RHg的平均值为5.47×10-9，标准离差为2.45×10-9，变异系数为0.45。数据集中在均值附近，且存在一定的离散程度。数理统计之后，RHg的异常下限为7.72×10-9(图2c)。

a.重烃；b.蚀变碳酸盐；c.热蚀汞。图2 松辽盆地西斜坡小太平山地区地表土壤地球化学异常浓度分布图Fig.2 Distribution map of soil geochemical anomaly concentration in Xiaotaipingshan area in western slope of Songliao Basin

3.3 异常特征与异常区优选

通过分析重烃、ΔC、RHg的测量结果指标进行解释发现，重烃异常呈环状、似环状、带状和块状等形态，ΔC呈似环状、片状和块状，RHg异常多呈由单个块状组成的环状和似环状等，多种异常吻合度较好(图2)，指示异常的形成与深部油砂矿藏的影响有关。因此，烃类异常的分布特征研究，对于缩小油砂调查区范围和提供钻探目标有重要的指示意义。

前人对松辽盆地西斜坡油砂化探异常与油砂地质特征对比，重烃异常特征与油砂分布情况配比性较好[10]。区内重烃异常显示丰富，异常多呈环状、似环状、带状和港湾状等集中于F1断层两侧分布。其中套保至小太平山一线重烃异常浓度较高，重烃异常值最高为42.29 μL /kg，最低为1.64 μL /kg，平均值为15.15 μL /kg，平面上各单块异常组合形态呈圆环状分布；长山堡周边重烃异常沿F1断层北侧呈带状分布，重烃异常值最高为28.20 μL /kg，最低为0.39 μL /kg，平均值为12.53 μL /kg；工区西侧的波力营子附近形成港湾状重烃异常，异常值最高为32.82 μL /kg，最低为0.24 μL /kg，平均值为8.19 μL /kg。区内ΔC异常呈半环状或块状，分布在F1断层东西两侧，小太平山附近形成半环状，异常值最高为1.67×10-2，最低为0.23×10-2，平均值为0.76×10-2；长山堡以西出现连片异常区，异常值最高为1.92×10-2，最低为0.21×10-2，平均值为0.80×10-2；波力营子附近形成似环状ΔC异常，异常值最高为2.46×10-2，最低为0.29×10-2，平均值为0.84×10-2。RHg异常分布范围广泛，异常值波动平稳，形态上表现为由多个单独块状异常组成的似环状异常组合。

结合区内以岩性-构造为主的油砂成藏类型[8,21, 26-28]，推断区内油砂形成的烃类异常为环状、半环状和顶置异常。通过对研究区酸解烃、ΔC等异常特征分析，识别出该区有3个明显的异常区，分别为小太平山异常区、长山堡异常区和波力营子异常区。其中小太平山和长山堡异常区位于F1断层东侧，是油砂成藏的有利部位，特别是小太平山异常区内的重烃、ΔC和RHg呈套合环状异常，综合异常与构造特征匹配性良好，是一类异常区，预测部署钻探成功率较高。长山堡异常区位于化探区北部，该异常区内的重烃异常呈条带状紧邻断层北侧分布，ΔC呈带状或似环状与重烃异常具一定的匹配性，通过现有资料预测该区存在油砂成藏的优势构造，因埋深略大具一定的钻探风险性，为二类异常区。波力营子异常区内重烃异常浓度值较高，呈港湾状，但该区各异常间的匹配关系一般，且位于F1断层西侧，远离优势构造部位，不具备较好油砂成藏条件，钻探风险性较大，故作为三类异常区。

4 钻探验证与地质解释

4.1 钻探效果

对优选的3个异常区实施10口验证井钻探工程，针对小太平山异常区实施验证井6口，长山堡异常区实施验证井3口，波力营子异常区实施验证井1口。小太平山和长山堡异常区的9口钻井均钻遇油砂显示(表2)，其中以小太平山异常区内的钻探效果最为良好，显示丰富。

表2 钻井岩芯含油性测试结果

注：含油性测试工作由中化地质矿山总局化工地质矿山第四实验室完成。

根据钻探效果，小太平山地区油砂主要赋存于上白垩统姚家组顶部的二三段，对应盆地内部的萨尔图油层，岩性以中-细砂岩、粉砂岩为主，胶结较疏松。区内油砂含油性较好，在姚家组发现4～6层饱含油、油浸砂岩，岩芯断面被原油充填呈黑色-黑褐色，岩芯表面见黑-深褐色原油外溢(图3)，油味浓，极易污手，单层厚度0.3～2 m不等。另外，在嫩江组底部钻获1～2层含油粉砂岩，通常呈厚度<0.3 m的薄层产出。区内油砂见矿深度位于347.54～462.27 m，油砂顶底板为灰绿-棕红色泥岩和泥质粉砂岩，夹层多为灰绿色薄层泥岩或粉砂质泥岩。含油性测试分析结果显示，该区油砂最高含油率达12.86%，平均含油率达5.40%，姚家组油砂的含油率明显高于嫩江组。经统计，该区钻获油砂(含油率≥3%)的单井最大净厚度达12.40 m，其中达到优质品位的油砂(含油率>6%)单井最大净厚度达5.70 m(表2)。

图3 JZD4井饱含油的细砂岩 Fig.3 Fine sandstone of Well JZD4 with high oil saturation

4.2 小太平山异常区地质解释

在原油演化和油砂形成的过程中，地球化学场处于动态变化的状态，因此要提高异常解释的准确性，势必要将地球化学特征与构造演化、油气成藏条件等相结合以解释其异常特征与地质本质的关系[15,25,29]。

小太平山油砂是典型的斜坡背景下的降解型油砂[8-9]。原油运移和降解过程中，分子量小的较分子量大的组份逃逸速度快，在逃逸通道内，通常是流速快的小分子量组份集中在通道中间，而流速慢的大分子量组份在通道外侧迁移，因此，在原油氧化降解及油砂形成的过程中，通常在油砂上方形成烃类和ΔC的环状异常，而RHg则在其外围形成更宽广范围的异常晕，表现出油藏处于演化后期的异常组合特征[29]：在平面上油砂外侧为RHg环状异常，RHg异常内部或油砂上方呈重烃和ΔC的环状异常；在剖面上表现为异常指标的双峰特征，外侧为更宽广的RHg异常双峰，内侧为更贴近油砂分布的重烃和ΔC异常双峰(图4)。这种多异常套合和构造匹配的组合特征，为进一步寻找勘探有利区提供了重要依据。

图4 小太平山地区油砂地表地球化学理想异常图Fig.4 Ideal surface geochemical anomaly map of oil sand in Xiaotaipingshan area

4.3 波力营子异常区验证失败的原因分析

值得注意的是，波力营子异常区实施的验证井未钻获油砂的事实提示该区的异常指标与油气地质背景可能存在偏离，通过分析化探方法和研究该区油砂成藏条件，得出：

(1)对化探采集过程、样品地质景观等环节的复查，发现该区存在大量孤立或连片的盐碱滩地，说明该区土壤更偏于碱性，在同一化探采样深度(1.0～2.0 m)难以取得粒度、颜色和有机质含量等岩性特征均一的样品。前人研究表明碱性土壤具有更高的烃类富集能力，随土壤pH值增大土壤中 C1、C2、C3、nC4的含量存在倍数增长的趋势[30-31]。因此，土壤酸碱度的非均一性可能成为导致该区样品烃类异常指标含量值增高速率较快的主要原因之一。

(2)蚀变碳酸盐(ΔC)作为化探异常的间接指标，其是由烃类沿垂向运移过程中由土壤介质衍生形成的次生异常[16]。正是由于蚀变碳酸盐形成过程的特殊性，导致其具有一定的多解性，在油砂形成的历史过程中，存在过油藏聚集或油藏被破坏，也可能形成ΔC异常，即：与油砂有关的烃类组份已消失但ΔC异常依然保留在土壤介质中，且平面上其位置可能位于已发现的油砂矿藏之外[29]。这就从油砂成藏的地质过程角度，解释了波力营子地区的ΔC异常与油砂矿藏的不对应。

综上所述，波力营子异常验证结果说明，本次取样方法对于地表土壤酸碱性变化较大的地区应用时具有一定的局限性，1.0～2.0m的取样深度不能准确保证样品岩性的均一性。因此，建议增加取样深度的同时对异常进行校正、抑制和约束干扰因素，提高化探异常成果的可靠性。