北部湾盆地福山凹陷原油物理性质及地球化学特征

时 阳 郭 浩 廖飞燕 程 刚 李晓寒

(中国石油南方石油勘探开发有限责任公司勘探开发研究中心 海南海口 570216)

福山凹陷位于北部湾盆地东南部，其南半部属于海南岛北部，北半部属于琼州海峡(图1)。该凹陷为新生代箕状断陷，面积2 920 km2，近NEE向展布，受临高断裂、长流断裂和定安断裂控制而形成特殊的三角形结构[1-2]，沉积地层自下而上依次为古近系长流组、流沙港组(可细分为流三段、流二段和流一段)、涠洲组以及新近系和第四系[3-4]。

图1 福山凹陷构造单元划分及原油采样点分布图

福山凹陷中部为福山鼻状隆起，隆起西侧为皇桐洼陷，东侧为白莲洼陷[3,5]，目前已发现的8个油气田主要围绕这2个洼陷呈环带状分布[6]，油气主要来源于流沙港组湖相泥岩[6-8]。其中，东部油气田主要位于白莲洼陷南部，主要包括花场(主要产层为流一二段和流三段)、花东(主要产层为流一二段和流三段)、白莲(主要产层为流一二段、流三段和涠洲组)、金凤(主要产层为流三段)等油气田；西部油气田主要位于环皇桐洼陷周缘，主要包括博厚-朝阳(主要产层为流一二段和流三段)、美台(主要产层为流三段)、红光(主要产层为流三段)、永安(主要产层为流一二段和涠洲组)等油气田。

目前针对福山凹陷原油地球化学特征研究的文献相对较少，且已发表的研究成果多集中于花场油气田。例如，包建平 等[9-10]对福山凹陷花场油气田原油地球化学特征进行了分析，结果表明其原油与涠西南凹陷和乌石凹陷相比具有更高的姥植比和奥利烷含量，原始生烃母质中陆源有机质贡献较大。李美俊 等[11-15]利用油藏地球化学方法分析了花场油气田油气运移方向，结果表明其流三段上部油气主要来自白莲洼陷，油气主要沿流二段和流三段之间的不整合、流三段扇三角洲前缘砂体和断层构成的输导体系运移至花场凸起有利圈闭中聚集成藏。卢政环 等[16]分析了福山凹陷西部地区原油的地球化学特征和成因，结果表明在不同区块和层位的原油成熟度略有差异，但原油母质类型相似，主要为陆源高等植物和低等水生生物的混合来源；进一步油源对比结果显示，美台-红光地区原油来自皇桐洼陷流三段和流二段下部烃源岩，而永安地区原油可能来源于皇桐洼陷流一段烃源岩。本文主要是在福山凹陷已发现的8个油气田中系统采集了91个原油样品，开展了原油族组分分离、饱和烃气相色谱(GC)和饱和烃、芳烃组分色谱-质谱(GC-MS)等分析，研究了原油性质差异，并探讨了其沉积环境，以期为该地区下一步油源对比、油气成藏机理及分布规律研究提供参考。

1 原油物理性质

分析结果表明，福山凹陷原油API度为16.95～59.99(密度为0.73～0.86 g/cm3)，除了F23、F29井以外，其他井原油API度均大于32，原油黏度为0.46～10.36 mPa·s，属于陆相成因轻质油、凝析油，具有低含硫(为0.02%～0.65%)和中—低含蜡(为0.33%～21.67%)特征(表1)。

表1 北部湾盆地福山凹陷部分典型原油物理性质

平面上，福山凹陷不同油气田原油物理性质略有差异(表1)。其中，凹陷东部花场、花东、白莲、金凤地区主要产油层为流一二段和流三段，原油API度为32.2～59.9(密度为0.739～0.864 g/cm3)，平均为42.8(密度为0.812 g/cm3)，平均黏度为1.34 mPa·s，平均含蜡量为4.80%，平均含硫量为0.06%，属于低黏度、低含硫、低含蜡的凝析油和轻质油；同时，流一二段原油API度总体上小于流三段原油API度。凹陷西部博厚-朝阳、红光、美台、永安地区原油主要产自流一二段、流三段和涠洲组，原油API度为16.95～44.18(密度为0.805～0.953 g/cm3)，平均为36.74(密度为0.841 g/cm3)，平均黏度为5.00 mPa·s，平均含蜡和含硫分别为8.66%和0.10%，属于中等含蜡、低含硫的轻质油。

垂向上，福山凹陷原油API度随着深度的增加而增加(图2)，原油的密度主要受成熟度、干酪根类型和次生变化的控制[17]。除了博厚-朝阳地区2个埋深较浅的井(即F23、F29井)原油API较低以外，其他井原油API度均大于32，反映原油主要为陆源有机质和藻类混合的D/E相源岩(II/III型干酪根)在成熟阶段排出的产物[18-20]。分析认为，福山凹陷原油物理性质与深度有明显的正相关，反映烃源岩灶在不同阶段排出的油气在空间上以差异聚集的方式运移成藏，即早期生成的成熟度较低的烃类往往运移到浅部，而晚期生成的烃类一般为较深层、近烃源岩灶聚集。

图2 北部湾盆地福山凹陷原油API与深度的关系

此外，福山凹陷原油族组分特征在各地区表现出高度一致性，以饱和烃为主，饱和烃质量分数分布范围为46.51%～93.85%(平均为80.24%)，芳烃平均质量分数13.70%，饱芳比平均为7.57，非烃和沥青质的含量很低(平均为6.07%)。总体上，福山凹陷原油具有高饱和烃、高饱芳比、低“非烃+沥青质”的特征，各地区原油在族组成三角图中都聚为一类(图3)，反映原油母质来源的一致性。

图3 北部湾盆地福山凹陷原油族组分三角图

2 原油地球化学特征

2.1 正构烷烃及类异戊二烯烷烃类化合物特征

福山凹陷原油样品饱和烃气相色谱图显示正构烷烃完整，未遭受生物降解作用(图4、表2)。其中，凹陷东部花场、白莲、金凤地区流三段原油主要为单峰态前峰型，无明显的奇偶优势，CPI值主要分布范围为0.81～1.17，表现为成熟烃类特征；流一二段原油表现出双峰型，CPI值主要分布范围为1.13～1.27，呈弱奇偶优势。凹陷西部博厚-朝阳、美台、红光、永安地区原油主要产自流一二段和流三段，特征相似，均呈现出双峰型，CPI值介于1.05～1.24，奇偶优势不明显。上述正构烷烃特征反映凹陷东部流三段原油成熟度高于东部流一二段和西部原油，但均显示出成熟原油特征，且原油母质类型相似，具有低等水生生物和陆源高等植物双重来源特征[21]。

注：Ts为18α(H)-22，29，30三降藿烷；Tm为17α(H)-22，29，30三降藿烷；DH为C30重排藿烷；Ol为18α(H)-奥利烷；Ga为伽马蜡烷

表2 北部湾盆地福山凹陷部分典型原油地球化学特征

姥植比(即Pr/Ph)是最常用地球化学参数[22-24]，成熟度对其有一定影响[25-26]。但对于中国湖相含油气盆地，Pr/Ph值仍是有效的判断沉积环境的参数[27]，相对低的Pr/Ph值反映还原性沉积环境，相对高的Pr/Ph值反映氧化性沉积环境。福山凹陷原油均呈现出姥鲛烷优势，大部分原油样品Pr/Ph值均大于3.2(博厚-朝阳地区Chao2井除外，Pr/Ph值为1.13)，反映原油母质沉积环境为偏氧化环境。

Ph/nC18和Pr/nC17值通常反映原油成熟高低，同时也受母质来源的影响[22]。如图5所示，福山凹陷原油样品Ph/nC18为0.07～0.76，Pr/nC17值0.21～2.81，Ph/nC18和Pr/nC17值分布在一个较窄的范围内，反映原油母质沉积环境相似，为偏氧化环境的陆源III型母质，同时整体上流三段原油成熟度高于流一二段和涠洲组原油。此外，美台和红光地区流三段原油Ph/nC18和Pr/nC17值相对较高，数据点与花场、白莲地区流一二段原油重叠，表明二者原油成熟度相近。

图5 北部湾盆地福山凹陷原油Pr/nC17与Ph/nC18关系图(底图据文献[22])

2.2 甾烷类化合物特征

甾烷类化合物是重要的地球化学参数，其中C27、C28、C29规则甾烷是被广泛用于研究有机质来源的生物标志化合物，其相对含量反映有机质的生源构成[28]。福山凹陷原油检测出的规则甾烷相对组成中，C27和C29甾烷含量相近，C27甾烷相对含量为24.76%～58.02%(平均值为40.51%)，C29甾烷相对含量为27.57%～57.15%(平均值为41.24%)，而C28甾烷相对含量较低，为8.66%～28.65%(表2、图6)；C27-C28-C29ααα-20R甾烷在谱图上主要呈现“V”字型分布(图4)，表明原油母质来源主要为高等植物和水生生物双重贡献。

图6 北部湾盆地福山凹陷原油C27-C28-C29规则甾烷三角图

湖相环境中C304-甲基甾烷被认为主要来源于藻类[29-31]，因此C304-甲基甾烷也是常用的油源对比参数。如图4所示，福山凹陷原油中均检测出C304-甲基甾烷的存在，但相对丰度较低。分析认为，由于福山凹陷原油C304-甲基甾烷相对丰度与乌石凹陷WS-5井原油相似，且明显低于涠西南凹陷原油及乌石凹陷WS-7、WS-4井原油，反映福山凹陷原油母质类型相对较差[32]。

2.3 萜烷类化合物特征

福山凹陷原油中富含奥利烷(图4)，而奥利烷主要来源于被子植物。在珠江口盆地中，往往高的奥利烷指数(奥利烷/C30藿烷)反映母质以陆源有机质为主[33]。区域上，凹陷东部白莲地区流一二段与流三段原油的奥利烷指数分别为0.18～1.54和0.2～1.5，花场地区流一二段与流三段原油的奥利烷指数分别为0.44～0.61和0.34～0.62，虽然这两个地区流一二段和流三段原油的奥利烷指数范围相似，但从图7中可以看出流一二段原油的奥利烷指数相对集中在0.25左右，流三段原油的奥利烷指数相对分散，且大于0.3的数据点较多；而凹陷西部环皇桐洼陷的永安、博厚-朝阳地区流一二段原油的奥利烷指数相对较高，且高于美台和红光地区流一二段原油。分析认为，奥利烷指数的高低反映了陆源输入量的差异，因此凹陷东部白莲、花场地区流三段原油和西部永安、朝阳-博厚地区流一二段原油的奥利烷指数相对较高反映其母质中具有更高的陆源物质输入。

图7 北部湾盆地福山凹陷原油奥利烷/C30藿烷与C29藿烷/C30藿烷的关系

伽马蜡烷/C30藿烷是常用反映水体盐度的指标，其中高值往往指示高盐度的分层水体，低值表明沉积环境主要为偏氧化的碎屑沉积[34]。福山凹陷原油中伽马蜡烷丰度低，伽马蜡烷/C30藿烷值均小于0.4(图8)，表明原油母质主要沉积于偏淡水的氧化环境，与Pr/Ph值反映的沉积特征一致。

图8 北部湾盆地福山凹陷原油Pr/Ph与伽马蜡烷/C30藿烷的关系

2.4 多环芳烃类化合物特征

“三芴”参数是指芴、氧芴和硫芴的相对含量，是重要的母质环境判断指标。其中，硫芴相对含量高，指示强还原环境；氧芴相对含量高，指示弱氧化—弱还原环境；以芴、硫芴为主，则指示正常还原环境[35-36]。如图9所示，福山凹陷原油中硫芴相对含量较低，一般小于30%；氧芴相对含量变化较大，为0～70%；芴的相对含量最高，主要为70%～90%，指示原油母质沉积于偏氧化湖沼相沉积环境。

图9 北部湾盆地福山凹陷原油“三芴”系列组成三角图(底图据文献[37])

2.5 成熟度特征

原油成熟度评价是原油地球化学分析的重要工作之一，原油的物理性质也可以反映出原油的成熟度。如前文所述，福山凹陷原油具有相似的来源，API度的大小可以反映出成熟度的高低，其中东部白莲洼陷南部地区流三段原油API度整体上高于流一二段原油，说明流三段原油成熟度高于流一二段原油；西部环皇桐洼陷地区不同层位原油API度分布范围与东部地区流一二段原油相似，表明二者成熟度相近。

Ts/(Ts+Tm)、C29Ts /(C29Ts+C29藿烷)、C2920S/(20S+20R)、C29ββ/(αα+ββ)三甲基萘比值(TMNr)、四甲基萘比值(TeMNr)、甲基菲比值(MPR)和甲基菲指数(MPI1) 均是常规成熟度参数[38-41]。如图10所示，福山凹陷原油Ts/(Ts+Tm)和C29Ts/(C29Ts+C29藿烷)具有很好的相关性，总体上凹陷东部流一二段原油成熟度低于流三段原油，凹陷西部美台和红光地区流三段原油成熟度介于凹陷东部流一二段和流三段原油之间，而凹陷西部博厚-朝阳和永安地区流一二段、涠洲组原油成熟度与凹陷东部流一二段原油相近。另外，福山凹陷原油C29甾烷20S/(20S+20R)和C29甾烷ββ/(αα+ββ)两个参数均大于0.3，且部分参数基本达到异构化终点，表明凹陷原油主要为烃源岩在成熟阶段排出。

图10 北部湾盆地福山凹陷原油Ts/(Ts+Tm)与C29 Ts/(C29 Ts+C29H)和C29 20S/(20S+20R)与C29 ββ/(αα+ββ)的关系

由于福山凹陷原油主要为轻质油和凝析油，原油中生物标志物浓度相对较低，因此用芳烃成熟度参数可以更好地表征原油相对成熟度的高低。如图11所示，福山凹陷原油TeMNr与TMNr和MPR与MPI1两组参数均随着成熟度的增长而增加，且具有很好的相关性。根据MPI1与等效镜质体反射率(Rc)的换算关系式[40]，福山凹陷西部博厚-朝阳、美台、红光地区流三段原油MPI1值介于0.37～0.81，其Rc值为0.62%～0.88%；凹陷东部花场-花东-白莲地区流一二段原油MPI1值为0.76～0.93，其Rc值为0.85%～0.96%，而流三段原油MPI1值介于0.39～1.50，其Rc值为0.63%～1.55%。也就是说，总体上福山凹陷东部花场-花东-白莲地区流三段原油成熟度高于该地区流一二段和西部博厚朝阳-美台-红光地区原油。

图11 北部湾盆地福山凹陷原油TMNr与TeMNr和MPR与MPI1的关系

3 原油类型划分及成因分析

虽然Ph/nC18和Pr/nC17两个参数特征显示福山凹陷原油母质为III型有机质，但是Pr/Ph、规则甾烷、C304-甲基甾烷和奥利烷指数等参数特征表明凹陷原油母质类型和沉积环境相似，为同一来源。研究表明，福山凹陷主力烃源岩为流沙港组泥岩，其烃源岩类型相对于涠西南凹陷和乌石凹陷较差，主要形成于偏氧化的沉积环境，有机质为藻类和高等植物混合来源[42]。对原油API度、Pr/nC18、Ts/(Ts+Tm)、奥利烷指数和TeMNr等参数在SPSS Statistics软件上对原油进行聚类分析，结果表明福山凹陷原油可大致分为2个油族：油族I主要为花场、花东、白莲、金凤、永安地区流三段原油，具有相对较高的成熟度和高奥利烷指数的特征；油族II主要为花场、花东、白莲、金凤、博厚-朝阳地区流一二段原油和红光、美台流三段原油，原油成熟度相对较低(图12)。

图12 北部湾盆地福山凹陷原油聚类分析

研究表明，流二段和流三段暗色泥岩是福山凹陷主力烃源岩，且进入生油窗的烃源岩主要分布在皇桐洼陷和白莲洼陷，但两个洼陷烃源岩的成熟度Ro值略有差异，其中白莲洼陷流三段烃源岩Ro值最高达1.7%，而皇桐洼陷流三段烃源岩Ro值略低，最高仅达1.3%左右[6,42-43]。根据原油的成熟度和空间分布可以看出，福山凹陷西部博厚-朝阳、美台、红光、永安地区原油主要来源于皇桐洼陷，原油往往具有相对较低的成熟度；而凹陷东部花场、花东、白莲地区原油主要来源于白莲洼陷。此外，凹陷东部花场、花东、白莲地区已发现更多成熟度相对较高的原油，这与两个洼陷源岩灶成熟度的分布是一致的。

4 结论

1) 福山凹陷原油以轻质油或凝析油为主，具有高API度、低黏度、低含硫量、中—低含蜡量的特征；原油族组分中饱和烃含量高，非烃和沥青质含量低。Pr/Ph、甾烷、萜烷和芳烃等化合物特征显示，福山凹陷原油生烃母质具有相似的沉积环境，为藻类与高等植物双重贡献，沉积环境为淡水偏氧化湖相或湖沼相。

2) 原油的物理性质、类异戊二烯与正构烷烃相对含量、奇偶优势比等参数特征表明，福山凹陷原油均为烃源岩在成熟阶段排出的产物，原油可以分成2个油族，其中油族I主要以东部花场、白莲、花东、红光地区流三段原油为主，具有相对较高的成熟度和奥利烷指数；油族II主要以东部花场、白莲、花东地区流一二段和西部博厚-朝阳、美台等地区流三段原油为主，具有相对较低的成熟度。