车排子凸起东翼石炭系稠油特征及成因分析

2019-03-15徐佑德

特种油气藏 2019年1期

徐佑德

(中国石化胜利油田分公司，山东东营 257015)

0 引言

车排子凸起位于准噶尔盆地西北缘，在构造上属于准噶尔盆地西部隆起，西北部紧邻扎伊尔山，东以红车断裂带为界、与沙湾凹陷及中拐凸起相接，西南以艾卡断裂为界、与四棵树凹陷相邻。车排子凸起东翼石炭系火山岩是近几年油气勘探的重要增储领域，中国石化探区共发现石油储量7 300多万吨。石炭系目前发现的油藏具有埋藏浅、油质稠等特点。前人对车排子凸起稠油研究相对较少，且多针对中、新生界储层中的稠油，余琪祥等[1]认为稠油主要来自于东部沙湾凹陷二叠系烃源岩，经红车断裂带运移至研究区，大致经历了白垩纪晚期、喜山晚期两期油气充注，原油在运移和聚集成藏过程中遭受大气水淋滤、氧化及严重生物降解，导致稠油形成；赵晓东等[2]认为沙湾组稠油主要是轻质油经过氧化、边底水的冲洗和微生物降解而形成；张枝焕等[3]通过对中、新生界原油地球化学特征进行分析，认为稠油成因为生物降解作用；赵子俊[4]认为石炭系原油经过长距离搬运，轻质组分蒸发、逸散，聚集成藏后受边底水的冲洗和微生物的降解作用不断稠化，最终形成稠油，但没有提供典型的地球化学证据。总体上，目前对车排子东翼石炭系稠油分布规律、成因机理认识不清，制约了该区下步勘探部署。在对车排子凸起东翼石炭系稠油基本特征研究的基础上，采用地质、地球化学等技术手段，选取研究区9口石炭系重点探井油样进行地球化学分析，阐明稠油地质和地球化学特征，揭示稠油成因机理，为该区下步勘探部署提供借鉴。

1 稠油特征

1.1 原油物性

研究区石炭系原油主体属于高黏度原油、重质油，但黏度变化较大，为38.5～48 990.0 mPa·s；含蜡量为0.65%～8.09%，其中，多数含蜡量低于1.50%，属低含蜡原油；含硫量为0.06%～0.20%，属于典型的低硫原油。平面上，车排子凸起东翼石炭系原油密度也呈现明显的规律性，东部相对较稀，西部较稠。原油密度与黏度总体上呈指数正相关，同时，原油密度与埋深有较好的相关性，随着埋深的增加，原油密度减小，表明浅层地质作用对原油组成具有显著影响。

1.2 原油族组成

原油族组成是反映油气成因与来源的重要基础参数[5]，对采集的9件原油样品进行了族组成分析，发现研究区原油与邻区红车断裂带样品[6]相比，具有相对低饱和烃含量(44.45%～64.38%)，高非烃与沥青质含量(16.27%～34.94%)，以及较低的饱和烃与芳烃比值(1.92～4.88)。原油密度与非烃和沥青质含量呈现良好的正相关性，而与总烃含量呈负相关性，展示出原油化学组成对物性的影响。

1.3 原油饱和烃组成

1.3.1 原油链烷烃组成

原油的饱和烃总离子流谱图具有高度相似的特征，谱图基线呈现明显的“鼓包”状态，反映色谱分析未分辨的复杂混合物的主要成分是环烷烃及异构烷烃，称之为UCM峰，该现象通常作为原油遭受生物降解作用的标志。正构烷烃和类异戊间二烯烷烃损失严重，但仍可见不同程度的少许分布(图1)。

1.3.2 甾萜类化合物分布

甾萜类化合物有相对较好的抗降解能力[7-10]，但不同类化合物之间存在差异。9个原油样品均检测出相对完整且丰富的三环萜烷及藿烷系列化合物，三环萜烷化合物的丰度普遍较高(图2)。其中，排668、排60井等7口探井原油三环萜烷系列丰度要远高于藿烷系列，而排665、排685井原油m/z217质量色谱图中以25-降藿烷为主峰，三环萜烷系列与藿烷系列丰度大体相当，但均损失严重。因此，可以看出车排子凸起东翼石炭系原油总体成熟度较高，且经受了较强的生物降解作用，特别是排665、排685井降解最为严重。

同时，根据原油m/z217质谱分析，石炭系原油均具有较高的孕甾烷和升孕甾烷，其中，排66、排661、排666井原油中孕甾烷和升孕甾烷含量略低于C27—C29规则甾烷系列，C21—C22与C27—C29甾烷值之比较小，为0.10，其余6口探井原油中孕甾烷和升孕甾烷丰度均远高于C27—C29规则甾烷系列，甾烷系列几乎消失殆尽，C21—C22与C27—C29甾烷值之比为0.35～0.89。除了可能存在较小的成熟度差异外，更重要的是其生物降解极为强烈，甾烷系列都发生了严重损耗。

1.4 三芳甾烷系列分布

三芳甾烷类具有非常强的抗生物降解能力。车排子地区石炭系原油中三芳甾烷系列分布非常相似，含量丰富，且分布完整，C20、C21三芳甾烷含量较低，均以C27三芳甾烷为主峰(图3)。

图1石炭系原油总离子流谱图

图2石炭系原油m/z217色质谱图

图3石炭系原油m/z231色质谱图

2 稠油成因机理分析

稠油的形成主要包括原生型和次生型2种[11-16]。通过对研究区石炭系原油族组成及生物标志化合物特征进行剖析发现，生物降解作用是该区原油蚀变发生稠化的主要原因。为了对研究区稠油的形成机制提出全面合理的解释，在重点讨论原油生物降解作用的同时，也从氧化作用、水洗作用、扩散作用等其他的蚀变作用进行了分析。

2.1 生物降解作用

根据m/z191和m/z217色质谱图分析，研究区原油藿烷与甾烷均发生一定程度的生物降解。C21—C22甾烷具有与重排甾烷相近的较强的抗生物降解能力，因此，可以选取C21—C22甾烷及重排甾烷的相对丰度及其与规则甾烷的比值进行原油生物降解程度的判断。同时，所有原油样品均检测到完整的25-降藿烷系列，并且C30藿烷的缺失与25-降藿烷的富集存在良好的相关性，使得C2925-降藿烷与C30藿烷比值成为藿烷降解与程度判定的有效证据[17]。由图4可知，虽然三环萜烷具有高度的抗生物降解能力，通常在藿烷消除后依然保存下来，但由于研究区原油经历了剧烈的生物降解作用，其三环萜烷也受到了影响。随着生物降解程度的增加，藿烷消耗殆尽，25-降藿烷逐渐成为主峰，同时，三环萜烷也逐渐发生降解。总体上，随着降解程度的递增，C21—C22甾烷及重排甾烷的相对丰度及其与规则甾烷的比值逐渐增加，C2925-降藿烷与C30藿烷比值也随降解程度的增加而增大。

图4 甾烷与藿烷参数判定原油生物降解程度

对研究区石炭系原油进行生物降解程度的定量分析表明，原油普遍经历了严重的生物降解改造，使得原油中正烷烃、类异戊间二烯烃等基本损失殆尽，藿烷和规则甾烷亦遭受重大损失，个别原油中抗生物降解非常强的重排甾烷、三环萜烷都受到了消耗。降解程度与原油密度、原油黏度呈良好的正相关性，进一步说明了生物降解是原油稠化的主要蚀变因素。

2.2 氧化作用

对车排子凸起东翼石炭系地层水性质分析表明，研究区地层水矿化度较高，水型主要为CaCl2型，也存在NaHCO3型。CaCl2型地层水形成于地壳深部封闭性良好、水体交替停滞、利于油气藏保存的还原环境。根据水型判断研究区的油水界面处于偏还原环境中，但较低矿化度NaHCO3型地层水的存在，也反映局部地区可能有偏氧化环境。研究区地层水PH值显示，地层水为中—碱性，密度较大的稠油PH值为6.5～7.5，此环境适宜大多数细菌生存。因此，研究区氧化作用对原油稠化的贡献较小。

2.3 水洗作用

水洗作用会使得原油中溶解度高的组分含量减少甚至消失。原油族组分中饱和烃的溶解度要比芳烃的溶解度低得多，因此，可以根据原油中芳烃含量、饱和烃与芳烃含量比值判断水洗作用对原油稠化的影响[18-19]。研究区原油均经历严重的生物降解作用，在判断水洗作用对原油密度的影响时，应排除生物降解作用的影响。因此，选取降解程度基本相同的排60、排61和排668井进行分析，研究结果表明，在降解程度基本相同的情况下，随着原油密度的增加，芳烃含量下降，饱和烃与芳烃含量比值增加。水洗作用对原油稠化存在贡献(表1)。

表1 降解程度基本相同的原油密度及饱和烃芳烃含量特征

结合研究区油水分布特征，认为研究区原油遭受水洗作用，但由于与细菌活动同处相同的深度或温度带，故其特征可能已被细菌作用掩盖，从烃类的分布特征上不易识别。但是，从稠油密度的分布上可看出水洗作用的影响，如稠油密度最大的排662井正是地层水富集的油水并存带，研究表明，地层水对原油进行了冲刷、溶解，进而加剧了蚀变作用的强度。

2.4 扩散作用

扩散作用即分子挥发和逸散的物理作用。这种作用主要发生在较浅部地层或地表，特别是沥青脉或沥青矿床往往标志着这种作用过程。对于研究区的稠油来说，其具有明显的生物降解特征，且氧化作用及水洗作用均在剧烈的生物降解作用下难以明显识别，而且根据研究区地层水水型判断研究区稠油成藏后所在环境多数为较为封闭的偏还原环境，故扩散作用对原油稠化的贡献较小。

3 原油充注方向与稠化模式

油气运移是贯穿整个成藏过程的纽带，油气运移路径和方向的识别对于确认有利富集区至关重要。在油藏的充注过程中，后期成熟度较高的原油驱动先期成熟度较低的原油，以“波阵面”的推进方式，持续向前运移、充注，直到充注过程全部完成，从而导致油藏内部原油存在一定的成熟度差异，以及原油化学组成、物理性质的非均质性。因此，可以依据先、后期注入原油的成熟度的微细差异，表征原油的运移、充注过程，即从原油成熟度相对较高的部位，向成熟度相对较低部位的指向或路线，可以示踪石油运移、油藏充注的方向与途径；油藏内成熟度最高的地点最接近于烃源灶的位置，可以标志油藏充注点的位置所在[20-21]。

3.1 示踪参数的优选

由于研究区稠油生物降解严重，有些生物标志物消耗殆尽，无法识别，而有些生物标志物虽然可以识别，但是受到生物降解影响显著，已不能准确代表其原始地球化学意义。故必须首先对其是否可以作为有效示踪油气运移路径的参数进行分析讨论。

由于藿烷、规则甾烷系列化合物遭受到不同程度的生物降解改造，不能准确反映其成熟演化程度。因此，针对抗生物降解能力极强的重排甾烷，特别是基本没受到生物降解影响的三芳甾烷进行了分析，显示示踪效果较好。因此，主要选用三芳甾类(Ⅰ)/三芳甾类(Ⅰ+Ⅱ)、C26TAS20S/(20S+20R)、C28TAS20S/(20S+20R)进行油气运移示踪分析。在较高成熟度条件下这3项参数比单芳甾烷更为灵敏，沿油气运移方向上其比值逐渐减小。

分析表明，研究区石炭系原油主要有2个充注方向：一是从排661井东南向西部排666井、北部排66井运移；二是从排668井南部沿排663井、排685井向北部运移(图5)，在运移过程中原油密度逐渐增大，表明运移过程中发生了原油的稠化。南、北方向各井位密度较大，表明原油聚集成藏后，也发生了成藏后阶段的稠变。

图5原油生物标志化合物示踪油气充注路径与方向(底图为石炭系顶面构造图)

3.2 油气充注与原油稠化模式

结合油气成藏期次研究及构造演化[22]，认为车排子凸起东翼石炭系原油主要经历了以古近纪和新近纪两期构造拉伸引起油藏平衡条件改变而发生调整运移过程中的2次稠化过程。

3.2.1 古近纪末石炭系首次油气充注成藏

红车断裂自二叠纪晚期至今一直保持着继承性活动；侏罗系毯砂形成于扇三角洲前缘水下分流河道微相，是一套厚度大、平面分布面积广、中高孔、中高渗的优质输导毯，可长时间作为高效的横向运移通道。通过红车断裂和侏罗系毯砂复合输导体系，沙湾凹陷二叠系烃源岩和车排子凸起东翼石炭系圈闭建立了良好的源圈关系。

古近纪末发生的构造拉伸产生了大量正断裂，导致原生油藏平衡条件改变，油气沿着红车断裂向上运移，至石炭系不整合淋滤带横向运移，并在控圈断裂横向运移终止，在石炭系顶面侧向运移至不整合淋滤带。石炭系顶面风化壳不整合面，不整合面上底砾岩的连通孔隙和半风化岩石的风化裂缝系统构成了油气运移的双重通道，在这种长距离、活动剧烈、严重开启的运移路径上，原油的生物降解作用、氧化作用、水洗作用等都比较强烈，使得石炭系原油剧烈稠变而形成高密度、高黏度稠油油藏。

3.2.2 新近纪末石炭系第二期充注成藏

新近纪车排子地区北部差异抬升，构造格局由南高北低逐渐演变为北高南低。红车断裂带及邻区的油藏再次调整改造，通过封闭能力相对较弱的红车断裂南部向车排子凸起石炭系进行二次充注，主要由排662井沿着断裂一直向北运移(排668、排683、排685、排60井)至排687井；另一方面，部分地区第一期充注形成的油气藏由于发生构造调整，使得部分油藏中的油气沿断裂和不整合面向北部构造高部位发生调整运移，至排672井一线。因此，在北部构造高部位普遍接受了两期油气充注(排672、排687井)，但二者的两期混合来源存在差异。由于再次运移的指向为凸起构造高部位的北部、西部，油藏埋深较浅，温度、压力较低，系统开启，原油的生物降解作用、氧化作用、水洗作用继续使原油稠化，气体或轻质组分不断发生挥发扩散，使运移距离愈长的原油愈稠、密度愈大。因此，研究区东南部是石炭系生物降解作用相对较弱、原油物性相对较好的有利区域。