准噶尔盆地吉木萨尔凹陷页岩油地球化学特征及油—源对比

覃建华， 高儇博， 彭寿昌， 高 阳， 董 岩， 李映艳， 査小军，姜 峰， 谭先锋， 谭文豪， 杨天赐

( 1. 中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000； 2. 重庆科技学院 石油与天然气工程学院，重庆 401331； 3. 复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331； 4. 江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007 )

0 引言

原油生物标志化合物组合特征研究作为油气地球化学的重要研究手段之一，可以提供有机质来源、沉积环境、成熟度和生物降解等方面信息[1-4]。随化学分析技术的不断革新，生物标志化合物在油气成因分析、油—源对比和油气运移判断方面起关键作用[5-9]。生物标志化合物有时受多种因素(成熟度、生物降解、水洗等)的影响，在应用过程中，需要综合多种生物标志参数并结合地质背景得到客观真实的结果。随常规石油资源的枯竭，页岩油成为非常规石油勘探开发的重点和热点[10]。生物标志化合物成熟应用于常规油气勘探，在致密油及页岩油中的应用相对较少。韩雨樾等[11]研究四川盆地北缘下寒武统页岩生物标志化合物特征，筇竹寺组黑色页岩检测的4-甲基甾烷为典型热液喷口微生物分子化石，构建研究区古海洋模型。蒋启贵等[12]研究济阳坳陷页岩油岩心样品，基于页岩油化合物组成、含油性和赋存空间三者之间的关系，建立表征页岩油可动性分子地球化学评价参数模型。王俞策等[13]利用生物标志化合物，研究准噶尔盆地芦草沟组致密油系统油—源对比与成藏非均质性。王浩力[14]分析烃源岩生物标志化合物，结合电加热中温度场的数值模拟，评价松辽盆地南部嫩江组页岩油资源。王强[15]通过有机地球化学分析，探讨鄂尔多斯盆地延长组长7段致密油和页岩油的地球化学特征及成因。

新疆吉木萨尔国家级陆相页岩油示范区是中国首个国家级页岩油示范区，目前探明储量达12亿t。吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组是页岩油主要富集和产出层位，在烃源岩评价、储层特征描述及页岩油聚集机理等方面进行研究[16-19]，有关原油及烃源岩生物标志化合物特征方面的研究较少。笔者选取吉木萨尔凹陷芦草沟组原油及烃源岩样品，采用气相色谱—质谱分析技术(GC—MS)，基于生物标志化合物谱图特征分析和参数对比，对芦草沟组上、下段原油及烃源岩进行精细刻画、类型划分和油—源对比，为吉木萨尔凹陷页岩油的研究和勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

吉木萨尔凹陷是一个西断东超的箕状凹陷，位于新疆准噶尔盆地东部隆起西南缘，北部为沙奇凸起，南部为三台凸起，西部为北三台凸起，东部为古西凸起，面积约为1.3×103km2(见图1)。吉木萨尔凹陷经历海西、印支、燕山和喜马拉雅等构造运动，但凹陷内构造活动相对较弱，缺乏构造圈闭[16-17]。

图1 吉木萨尔凹陷芦草沟组顶部构造特征及地层综合柱状图

吉木萨尔凹陷主要地层分布由老到新依次为石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。二叠系芦草沟组是吉木萨尔凹陷页岩油主要的烃源岩和储集岩层系(源储一体)，原始沉积环境为残留海封闭后的咸化湖盆，发育半深湖—深湖相沉积，岩性较细，沉积厚度大，分布面积广，其中厚度超过200 m的面积达0.8×103km2[20]。吉木萨尔凹陷芦草沟组自下而上划分为芦草沟组一段(P2l1)和芦草沟组二段(P2l2)，烃源岩岩性包括泥质岩、白云岩和灰岩3种类型，有机质丰度高，类型较好，以Ⅱ型干酪根为主，成熟度适中。其中大部分烃源岩样品有机碳质量分数大于1.00%，平均为3.24%；生烃潜量(S1+S2)大于6.0 mg·g-1；热解最高峰温(Tmax)为428～459 ℃；镜质体反射率(Ro)为0.66%～1.65%，表明烃源岩达到成熟。芦草沟组孔隙尺度变化较大，发育毫米级、微米级和纳米级孔隙；储集空间类型种类多，包括粒内溶蚀孔、原生粒间孔、次生粒间溶孔、晶间孔和微裂缝5种孔隙类型；实测总孔隙度为6%～17%，覆压渗透率小于0.1×10-3μm2，表现典型的中—低孔隙度、特低渗透率特征。

2 样品与实验

2.1 原油与烃源岩样品

选取吉木萨尔凹陷芦草沟组一段和二段不同井位与深度有代表性的原油和烃源岩样品各20个(见表1)。其中烃源岩样品岩性为泥岩和白云质泥岩，原油样品主要为中质原油。由表1可以看出，芦草沟组一段和二段原油物理性质存在明显差异。芦草沟组二段原油密度为0.874 0～0.889 8 g/cm3，平均为0.882 5 g/cm3；黏度为32.01～57.70 mPa·s，平均为41.81 mPa·s；蜡质量分数为8.31%～16.15%，平均为12.95%。芦草沟组一段原油密度为0.894 5～0.918 9 g/cm3，平均为0.904 1 g/cm3；黏度为49.93～265.70 mPa·s，平均为117.91 mPa·s；蜡质量分数为3.09～5.92%，平均为4.48%。芦草沟组二段原油比芦草沟组一段具有密度低、黏度低、蜡质量分数高的特征。

表1 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油及烃源岩样品族组分及物性参数

2.2 实验方法

2.2.1 索氏抽提

在进行族组分分离前，将岩石样品有机质组分抽提出来。先对岩心样品进行碎样(烃源岩样品洗油后碎样)，过100目筛；称取200 g过筛后的粉末，置于索氏抽提仪并连续抽提48 h(砂岩)或72 h(泥岩)，抽提用试剂为氯仿∶甲醇=98∶2(体积比)，抽提温度为75 ℃。抽提后的氯仿沥青A在旋转蒸发仪上浓缩至3～5 mL，在不超过40 ℃温度时自然挥发干，放入干燥器保存待用。

2.2.2 柱层析

取原油或抽提物50～100 mg，超声溶解在正己烷中，静置不少于12 h。用脱脂棉过滤得到沥青质，滤液通过旋转蒸发仪浓缩至3～5 mL；使用硅胶∶氧化铝=3∶2(体积比)的方式制作色谱柱，将滤液倒入色谱柱，分别用正己烷(50 mL)、二氯甲烷∶正己烷=2∶1(体积比，共计50 mL)和氯仿∶无水乙醇=98∶2(体积比，共计70 mL)依次淋洗饱和烃、芳香烃和胶质组分[21]。

2.2.3 GC—MS分析

选用美国安捷伦7890色谱仪、5975质谱仪对样品进行分析测试。其中色谱柱型号为DB-5MS，进样口温度为300 ℃，选取自动进样模式，进样量为1 μL。设置7 min的溶剂延迟时间，初始温度为50 ℃，保留1 min，然后以20 ℃/min升至100 ℃，再以3 ℃/min升至310 ℃，保留26 min。根据峰型及保留时间对目标化合物定性。

3 页岩油地球化学特征

3.1 族组分

原油族组分特征反映原油原始沉积环境、有机质来源及生物降解程度等重要信息。由表1可以看出，芦草沟组原油页岩油组分以饱和烃为主，芳香烃和胶质次之，芦草沟组一段和二段存在一定差异。芦草沟组二段饱和烃质量分数较高，为58.91%～66.76%，平均为63.91%；芳香烃质量分数为10.26%～18.81%，平均为13.96%；饱芳比平均为4.68。芦草沟组一段饱和烃质量分数相对较低，为41.40%～54.29%，平均为47.42%；芳香烃和胶质质量分数相对增加，平均分别为16.49%和22.07%；饱芳比平均为2.94(见表1)。芦草沟组一段和二段原油族组分特征与物性特征一致。

3.2 正构烷烃和类异戊二烯烷烃

图2 吉木萨尔凹陷芦草沟组典型原油样品正构烷烃GC—MS色谱(m/z=85)

芦草沟组一段和二段原油正构烷烃分布存在较大差异。其中芦草沟组二段主峰碳为C23，芦草沟组一段主峰碳为C17(见图2)；且芦草沟组一段姥鲛烷(Pr)、植烷(Ph)质量分数明显高于正构烷烃的，原因是芦草沟组一段原油成熟度相对较高，后期遭受二次蚀变。

正构烷烃的奇碳数和偶碳数的相对丰度可以初步评价原油的热成熟度，常用的是碳优势指数(CPI)和奇偶优势(OEP)[22]。芦草沟组一段和二段原油CPI和OEP差异不大，反映两个层位的原油具有相似的成熟度，其中芦草沟组二段CPI平均为1.36，OEP平均为1.30；芦草沟组一段CPI平均为1.34，OEP平均为1.16(见表2)。较高的CPI和OEP表明芦草沟组原油成熟度较低。

姥鲛烷和植烷作为原油中最常见的两个类异戊二烯烷烃，其比值通常反映沉积时水体的氧化还原条件。芦草沟组二段Pr/Ph平均为1.39，略高于芦草沟组一段的(平均为1.09)(见表2)。Pr/Ph大于1反映芦草沟组原始沉积环境相对较还原[4]。Pr/nC17和Ph/nC18的相关关系见图3。由图3可以看出，芦草沟组原始沉积环境整体较还原，且芦草沟组一段比二段更具有还原性。

表2 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油生物标志化合物参数

图3 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油样品Pr/nC17和Ph/nC18相关关系(据文献[4]修改)

3.3 生物标志化合物

甾烷和三环萜烷类化合物是生物标志化合物研究中最为重要的两类化合物，蕴藏原油沉积环境、母质来源、成熟度等重要信息[23-24]。芦草沟组一段和二段萜烷类化合物分布特征基本一致(见图4)。C30藿烷质量分数具有绝对优势，C19～C21三环萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷质量分数随碳数的升高而逐渐降低，C24四环萜烷质量分数相对较高(见图4)。芦草沟组一段和二段原油萜烷类典型生物标志化合物参数体现一致性(见表2)。其中芦草沟组二段C24四环萜烷/C26三环萜烷为0.97，伽马蜡烷/C30藿烷平均为0.13，Ts/(Ts+Tm)平均为0.10，三环萜烷/藿烷平均为0.19；芦草沟组一段C24四环萜烷/C26三环萜烷为0.98，伽马蜡烷/C30藿烷平均为0.14，Ts/(Ts+Tm)平均为0.08，三环萜烷/藿烷平均为0.22。C24四环萜烷及伽马蜡烷质量分数表明芦草沟组沉积时的水体盐度不高[25]，为弱咸水沉积环境；Ts/(Ts+Tm)和三环萜烷/藿烷表明芦草沟组原油成熟度相对较低[4]。在众多一致的生标参数中，C29藿烷/C30藿烷体现芦草沟组一段和二段原油细微的差异性。其中芦草沟组二段C29藿烷/C30藿烷为0.35～0.69，平均为0.53；芦草沟组一段C29藿烷/C30藿烷相对较高，整体分布在0.62～0.72之间，平均为0.68(见表2)，表明芦草沟组一段陆源有机质输入相对增加[4]。

图4 吉木萨尔凹陷芦草沟组典型原油样品三环萜烷GC—MS色谱(m/z=191)

芦草沟组原油C27～C29规则甾烷呈“上升型”分布，反映母源以陆生高等植物输入为主、低等水生生物输入为辅[4]；孕甾烷质量分数高于升孕甾烷的(见图5)。由表2可知，芦草沟组一段、二段以规则甾烷为主，质量分数平均分别为91.16%和90.58%；重排甾烷质量分数平均分别为6.16%和6.43%，几乎不含4-甲基甾烷。反映芦草沟组原始沉积水体具备一定盐度，为微咸水环境[4]。此外，芦草沟组C27～C29规则甾烷分布特征一致，但质量分数存在一定差异(见表2)。相比芦草沟组一段，芦草沟组二段原油C27规则甾烷质量分数更高，C29规则甾烷质量分数相对较低，C27规则甾烷/C29规则甾烷和C28规则甾烷/C29规则甾烷平均分别为0.45和0.79，高于芦草沟组一段的(平均分别为0.26和0.65)，反映芦草沟组二段藻类和浮游植物输入占比逐渐升高。

图5 吉木萨尔凹陷芦草沟组典型原油样品甾烷GC—MS色谱(m/z=217)

根据C27～C29甾烷质量分数分布特征，芦草沟组一段和大部分芦草沟组二段样品投点在Ⅴ(以陆生植物为主)区域，小部分芦草沟组二段样品投点在Ⅳ(混合来源)区域(见图6)，表明芦草沟组原油母质来源以陆生高等植物为主，兼具低等水生生物。芦草沟组原油大部分属于低熟油，只有小部分芦草沟组一段原油达到成熟，与烃源岩实测Ro数据一致(见图7)。

4 油—源对比

4.1 族组分

芦草沟组一段和二段烃源岩饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质质量分数相似，平均分别为54.12%和52.19%、17.76%和15.89%、25.58%和27.79%、2.80%和2.83%；饱芳比基本一致，平均分别为3.23和3.48(见表1)。与芦草沟组原油族组分特征存在细微差别，可能是由排烃导致的。

图6 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油C27～C29αααR甾烷质量分数三角图

图7 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油C29S/(S+R)和C29ββ/(αα+ββ)相关关系

4.2 正构烷烃和类异戊二烯烷烃

对比正构烷烃和类异戊二烯烷烃数据，芦草沟组一段和二段原油与烃源岩具有良好的亲缘关系。首先，芦草沟组一段和二段烃源岩正构烷烃主峰碳数表现没有像原油一样绝对的一致性，整体上，芦草沟组二段烃源岩主峰碳以C23为主，芦草沟组一段烃源岩主峰碳以C17为主(见图2)，与同层位原油主峰碳一致。其次，芦草沟组烃源岩CPI和OEP相似，芦草沟组二段烃源岩CPI平均为1.34，OEP平均为1.24；芦草沟组一段烃源岩CPI平均为1.32，OEP平均为1.23(见表3)。表明芦草沟组原油与烃源岩成熟度相同。最后，芦草沟组一段和二段烃源岩Pr和Ph相关参数体现差异性，芦草沟组二段烃源岩Pr/Ph平均为1.41，高于芦草沟组一段的(平均为0.97)；芦草沟组二段烃源岩Pr/nC17和Pr/nC18平均分别为0.86和0.65，远低于芦草沟组一段的(平均分别为1.53和2.08)(见表3)。这些差异与芦草沟组一段和二段原油差异一致，证实芦草沟组一段和二段原油分别来源于同层位的烃源岩。

4.3 生物标志化合物

对比典型生物标志化合物参数，芦草沟组一段和二段原油与烃源岩具有良好的亲缘关系。芦草沟组二段烃源岩伽马蜡烷/C30藿烷平均为0.17，Ts/(Ts+Tm)平均为0.12，三环萜烷/藿烷平均为0.18，C29藿烷/C30藿烷平均为0.57，C19三环萜烷/C23三环萜烷平均为0.14，与同层位的原油基本一致；芦草沟组一段烃源岩伽马蜡烷/C30藿烷平均为0.16，Ts/(Ts+Tm)平均为0.09，三环萜烷/藿烷平均为0.25，C29藿烷/C30藿烷平均为0.72，C19三环萜烷/C23三环萜烷平均为0.13，与同层位的原油基本一致(见表3)。

芦草沟组烃源岩和原油C24四环萜烷/C26三环萜烷存在较大差异，芦草沟组二段和一段烃源岩C24四环萜烷/C26三环萜烷平均分别为1.45和1.14(见表3)，明显高于同层位原油的(平均分别为0.97和0.98)(见表2)，表明芦草沟组烃源岩中C24四环萜烷质量分数高于同层位原油的，可能是由成熟度差异导致的。随烃源岩成熟度的增加，具有较高热稳定性的C24四环萜烷质量分数随之增加，造成烃源岩与已排出原油之间C24四环萜烷质量分数的差异[4]。此外，芦草沟组烃源岩和原油在三环萜烷谱图分布存在差别，芦草沟组原油C19～C21三环萜烷呈“上升型”分布，芦草沟组烃源岩有近一半样品C19～C21三环萜烷呈“∧型”分布，C21三环萜烷质量分数略低于C20三环萜烷的。

芦草沟组一段和二段烃源岩甾烷质量分数及相关参数与同层位原油也基本一致，规则甾烷质量分数占绝对优势，分别为89.47%和90.64%；重排甾烷质量分数分别为6.80%和5.58%(见表3)；几乎不含4-甲基甾烷。芦草沟组二段烃源岩C27规则甾烷质量分数明显高于一段烃源岩的，C27规则甾烷/C29规则甾烷和C28规则甾烷/C29规则甾烷平均分别为0.43和0.79，芦草沟组一段平均分别为0.25和0.69(见表3)。

表3 吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩生物标志化合物参数

根据选取典型生物标志化合物参数相关关系，厘清芦草沟组一段和二段的油—源关系(见图8-9)。芦草沟组一段和二段原油来自于同层位烃源岩，符合页岩油“自生自储”的成藏特性[26]。

图8 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油及烃源岩C27～C29αααR甾烷相对质量分数三角图

图9 吉木萨尔凹陷芦草沟组原油及烃源岩C27规则甾烷/C29规则甾烷与Ph/nC18关系

5 结论

(1)准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组二段原油相比芦草沟组一段原油具有密度、黏度小，蜡质量分数、饱和烃质量分数高的特征。

(2)芦草沟组正构烷烃分布存在较大差异，其中芦草沟组二段主峰碳为C23，芦草沟组一段主峰碳为C17，且芦草沟组一段Pr和Ph质量分数明显高于正构烷烃的；芦草沟组一段和二段原油萜烷分布特征相似，为C30藿烷质量分数占绝对优势，C19～C21三环萜烷呈“上升型”分布，C31～C34升藿烷质量分数随碳数的升高而逐渐降低，伽马蜡烷质量分数相对较低，C24四环萜烷质量分数相对较高。

(3)芦草沟组原油规则甾烷质量分数高于重排甾烷的，C27～C29规则甾烷呈“上升型”分布，几乎不含4-甲基甾烷；芦草沟组二段C27甾烷和C28甾烷质量分数高于芦草沟组一段的。

(4)芦草沟组一段和二段原油分别来源于芦草沟组一段和二段烃源岩。芦草沟组一段和二段原油和烃源岩成熟度为低熟—成熟，烃源岩原始沉积环境为较还原的微咸水环境，母质来源为陆生高等植物兼具浮游植物和藻类。相比芦草沟组一段，芦草沟组二段原始沉积环境偏氧化。