准噶尔盆地西北缘风城组烃源岩热演化生物标志化合物变化及意义

蒋文龙，阿布力米提·依明，卞保力，王韬，任海姣，韩杨

（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）

生物标志化合物研究是评价有机质成熟度、判断有机质类型、进行油源对比以及识别原油是否遭受次生作用等信息的重要手段。然而许多研究表明，不同烃源岩在不同的热演化阶段，会释放出不同强度的生物标志化合物，并且由于不同化合物的热稳定性存在差异，致使部分油源对比参数在高熟阶段失去指示意义[1-3]。Seifert研究发现，萜烷化合物在原油中的含量随成熟度升高而降低，到达一定成熟度后含量降为0[4]；Moldowan等在对Adriatic盆地三叠系未熟烃源岩含水热解实验时发现，规则甾烷会随着温度的升高由反“L”型分布逐渐转变为不对称的“V”型分布[5]；Dzou 等研究表明，Pennsylvania 西部和Ohio 东部地区石炭系煤的镜质体反射率从0.53%变为1.51%，Pr/Ph降低约84%，伽马蜡烷和C30霍烷含量明显下降，C29规则甾烷的绝对浓度也随着成熟度的变化而发生较大改变[6]。这种生物标志化合物含量随成熟度变化逐渐降低和趋同的现象，使生物标志化合物在高熟—过熟阶段油源对比中的可靠性降低。

准噶尔盆地西北缘的油气主要来源于玛湖凹陷、盆1 井西凹陷和沙湾凹陷三大主力生烃凹陷。目前仅玛湖凹陷的油气来源较为明确，以二叠系风城组烃源岩为主[7-9]。盆1 井西凹陷和沙湾凹陷的油气来源仍存在争议，目前的主流观点认为油气主要来源于二叠系下乌尔禾组和风城组烃源岩，但高熟油气主要来源于前者[10-12]。这种观点存在2 点矛盾：一是现今这两大生烃凹陷内风城组烃源岩已达高熟—过熟阶段，但目前仅发现了来源于风城组的低熟与成熟原油，却未发现高熟油气，与地质背景不符；二是目前在盆1井西凹陷多口井钻遇下乌尔禾组泥岩，但评价均较差，不具备大规模生烃的能力，与目前发现的大量被认为是来源于下乌尔禾组烃源岩的高熟油气的勘探现状不符。

鉴于目前在盆1 井西凹陷和沙湾凹陷没有钻遇有效烃源岩，本次研究拟选取玛湖凹陷风城组典型泥质烃源岩样品，通过进行黄金管热模拟实验，对风城组烃源岩生物标志化合物参数随成熟度的变化进行研究。以期为盆1 井西凹陷和沙湾凹陷的高熟油气源对比提供借鉴，为深层—超深层的风险勘探目标优选提供方向。

1 地质概况

准噶尔盆地是中国西部典型的大型叠合含油气盆地，油气具有多源多期、多藏多调整、多油气系统控藏的成藏特征，发育石炭系、二叠系、侏罗系等多套烃源岩。研究区位于准噶尔盆地中央坳陷西部（图1），二叠纪以来历经陆内裂陷、陆内拗陷和前陆盆地阶段，受到海西末期、印支期、燕山期、喜马拉雅期等多期构造运动影响，形成玛湖凹陷、沙湾凹陷和盆1井西凹陷。

图1 准噶尔盆地西北缘构造单元划分Fig.1.Division of structural units in the northwestern margin of Junggar basin

风城组烃源岩是准噶尔盆地重要的烃源岩之一[13-15]，以成熟—高熟阶段的Ⅱ型干酪根为主，有机质丰度高，整体具有早期生烃、持续生烃、多期高峰、生油时间长的特征，目前已钻遇的风城组烃源岩主要集中于风二段和风三段。风二段烃源岩的倾油性强于风三段，生烃潜力也明显更高[16]。风城组主体为碱性湖泊背景下的多源混合细粒沉积建造，岩石组成复杂，既有碎屑岩，又有火山岩，局部有化学岩及少量藻类石灰岩，烃源岩以泥岩和白云质泥岩为主。不同地区岩性组合差异较大，湖盆中心发育碳酸盐岩类，向外发育凝灰质泥岩、火山碎屑岩、沉火山岩等，具有典型的碱湖—咸水湖沉积特征[17-18]。

2 实验样品与方法

通过对玛湖凹陷南部靠近生烃中心的风城组烃源岩岩心进行筛选，选取玛湖085 井风二段埋藏深度为4 322.88 m 的泥质烃源岩样品分析，样品总有机碳含量为1.94%，游离烃含量为2.82 mg/g，热解烃含量相对较高，为11.04 mg/g，岩石热解峰温为435 ℃。

实验在中国科学院广州地球化学研究所完成，采用黄金管全封闭模拟实验系统，压力为50 MPa，样品以2 ℃/h 的升温速率从室温加热至600 ℃，设置12 个温度点，温度间隔为24 ℃。

实验中获得的液态烃色谱-质谱分析条件为气相色谱仪型号为安捷伦7890N，色谱柱为HP-5，30 m×0.32 mm×0.25 mm。分析方法为设定进样口温度为290 ℃，柱箱初始温度为40 ℃，恒温5 min，然后以4 ℃/min 的速率升高到290 ℃，恒温10 min。后加入50 μL 单位D50-nC24正构烷烃为0.83 μg/μL 的内标溶液进行定量分析。

3 实验结果与讨论

3.1 热模拟生物标志化合物演化特征

3.1.1 正构烷烃系列

样品正构烷烃碳数分布在nC12—nC35，呈单峰型分布。随热演化程度增高，主峰碳由nC25向nC21、nC19等前移。样品在热模拟过程中，∑nC21-/∑nC22+和nC21+22/nC28+29均随着成熟度增高逐渐增大，但增速较为缓慢，∑nC21-/∑nC22+在高熟阶段可达到2.73，随后迅速减小，与实际情况相差较大，推测可能是由于封闭体系抑制轻烃组分生成，导致数据失真。奇偶优势指数与碳优势指数总体均随着成熟度增高而逐渐趋近于1，当达到过熟阶段时，由于化合物绝对含量过低，数据已不具备参考意义（表1）。

表1 烃源岩样品与热模拟产物正构烷烃、类异戊二烯烃与胡萝卜烷系列化合物参数Table 1 .Parameters of source rock samples and thermal simulation products (e.g.n-alkanes，isoprenoids and carotenes)

3.1.2 类异戊二烯烷烃系列

一般在低熟—成熟阶段，姥植比（Pr/Ph）受成熟度影响较小，可作为油源对比参数；在更高热应力条件下，随着热裂解作用增强，姥植比随成熟度增高而增大，Pr/nC17和Ph/nC18随成熟度增高而减小，以上参数在成熟度较高原油进行油源对比时慎用[19-20]。

如表1和图2所示，随着热模拟温度升高，成熟—高熟阶段，样品姥植比总体呈升高趋势，但是在不同阶段，其机理却有所不同：低熟—成熟阶段，姥鲛烷与植烷的绝对含量均增大，推测导致姥植比增大的原因是姥鲛烷前驱物较植烷前驱物优先释放[21]或者是由于烃源岩中存在较多的姥鲛烷前驱物[22]，导致姥鲛烷合成速率高于植烷；高熟阶段，姥鲛烷与植烷的绝对含量均减小，但是可能由于植烷强烈裂解、脱甲基形成姥鲛烷，促使姥鲛烷相对含量下降相对较慢，姥植比依然持续增大；过熟阶段，姥植比又呈下降趋势，这时根据Easy%Ro模型反演所得镜质体反射率已达2.52%，姥植比失去沉积环境与油源判识意义。

图2 类异戊二烯烃系列生物标志化合物参数随热模拟温度的变化Fig.2.Variations of isoprenoid parameters with thermal simulation temperature

随热模拟样品成熟度不断增高，Pr/nC17和Ph/nC18均呈减小—增大—减小的趋势。低熟—高熟阶段，随着热解程度增高，高碳数烃类裂解强度增大，nC17和nC18的生成速率增大，Pr/nC17和Ph/nC18持续减小；高熟阶段后期以及过熟阶段，Pr/nC17和Ph/nC18先增大后减小，同样由于高成熟度，化合物质量分数过低，导致其已不具备参考意义。上述实验结果反映了Pr和Ph的热敏感性，因此，用Pr/Ph讨论沉积环境并作为油源对比参数时，需要考虑成熟度的影响。

3.1.3 胡萝卜烷系列

β-胡萝卜烷是咸水和还原湖泊沉积环境[23-24]或者高局限性的海相沉积环境[25]的典型生物标志化合物。γ-胡萝卜烷通常与β-胡萝卜烷共生，γ-胡萝卜烷/β-胡萝卜烷通常随成熟度增高而增大，随降解程度增高而减小[26-27]。准噶尔盆地西北缘来源于二叠系风城组的原油和抽提物中发现了大量β-胡萝卜烷，因此，β-胡萝卜烷不仅反映了风城组烃源岩为高盐的碱湖沉积环境，也可作为指示风城组来源的典型生物标志化合物[26]。

原始样品β-胡萝卜烷与γ-胡萝卜烷绝对含量均较高，随着热模拟温度升高，β-胡萝卜烷含量持续降低，尤其是进入高熟阶段后，β-胡萝卜烷与γ-胡萝卜烷含量均骤降，说明该类化合物热稳定性较差（图3a）。

在成熟阶段，由于β-胡萝卜烷绝对含量降低以及γ-胡萝卜烷绝对含量增高，导致γ-胡萝卜烷/β-胡萝卜烷随成熟度增高而增大，并在温度为384 ℃时达到最大；在高熟阶段，由于γ-胡萝卜烷热裂解速率相对更大，γ-胡萝卜烷/β-胡萝卜烷随成熟度增高而减小；当温度超过432 ℃时，由于镜质体反射率已超过1.70%，该参数不具备参考意义。此外，β-胡萝卜烷相对含量（β-胡萝卜烷/nC主峰碳）随着热模拟温度升高不断降低，从低熟阶段到成熟阶段，该参数由18.65骤降至0.48，同样说明该参数不适用于成熟度较高的原油进行油源对比（图3b）。

图3 胡萝卜烷系列生物标志化合物参数随热模拟温度的变化Fig.3.Variations of carotane parameters with thermal simulation temperature

3.1.4 萜烷系列

在热模拟过程中，随着温度升高，C19与C20三环萜烷的绝对含量先升高后降低，其他三环萜烷的绝对含量均持续降低（图4）。由于三环萜烷含量总体偏低，C19—C23三环萜烷的相对含量变化较小，以山峰型为主，与前人研究成果一致[28-29]，说明三环萜烷的分布样式主要受烃源岩有机相控制，受成熟度影响较小。但当镜质体反射率达到1.08%时，三环萜烷绝对含量极低，已不具备参考意义（图4、图5）。

图4 三环萜烷系列化合物绝对含量随热模拟温度的变化Fig.4.Variations of the absolute contents of tricyclic terpenes with thermal simulation temperature

前人对全球范围内的烃源岩和原油的研究结果表明，多数样品藿烷的相对含量高于三环萜烷，而三环萜烷相对含量高于藿烷的少见[30]。Seifert 等人认为，成熟度会影响三环萜烷和藿烷的分布，并观察到∑三环萜烷/∑藿烷随成熟度增高而增大[4]。Aquino等也提出，随着成熟度增高，三环类化合物会优先从干酪根或沥青中析出，使得三环萜烷相对含量高于藿烷[31]。盆地西北缘地区风城组多数原油样品三环萜烷相对含量高于藿烷[32]，除受生物降解作用影响之外[27]，高成熟度是导致这种现象的主要因素。热模拟实验中，随着样品成熟度增高，∑三环萜烷/∑藿烷由低熟阶段的0.19 增大至成熟阶段的4.97，证实成熟度是影响该参数的主要因素（表2）。

3.1.5 甾烷系列

准噶尔盆地西北缘地区部分风城组烃源岩孕甾烷和升孕甾烷相对含量均较高，并且以C21孕甾烷大于C22升孕甾烷为特征。类似的现象在中国其他地区也有发现，证实异常高孕甾烷和升孕甾烷相对含量是高熟—过熟烃源岩在生物标志化合物方面呈现的又一特性[33-34]。黄第藩等人研究认为，孕甾烷主要来自生物激素孕甾醇和孕甾酮、热演化中规则甾烷的侧链断裂等，而原始沉积输入的孕甾烷仅占10%～20%，热解生成的孕甾烷占比却高达80%～90%。因此，在烃源岩成熟阶段，热裂解形成的孕甾烷会掩盖其原始输入量[35]。

由表2 可以看出，烃源岩成熟阶段初期，（孕甾烷+升孕甾烷）/规则甾烷仅为0.05～0.07；至成熟阶段中—后期，该比值快速增大至0.43。（孕甾烷+升孕甾烷）/ααα20R-C29规则甾烷具有相似的变化趋势，在成熟阶段初期，（孕甾烷+升孕甾烷）/ααα20R-C29规则甾烷仅为0.39～0.54；至成熟阶段中—后期，该比值快速增大至3.51。这些高丰度的孕甾烷和升孕甾烷可能主要来自沥青质中具孕甾烷骨架前驱物的断裂降解以及规则甾烷侧链断裂。因此，在高熟—过熟阶段，虽然受热裂解作用影响，孕甾烷和规则甾烷的绝对含量均降低，但由于规则甾烷发生侧链断裂形成大量孕甾烷，导致孕甾烷与规则甾烷之比仍在增大（图5）。

表2 烃源岩样品与热模拟产物萜烷与甾烷系列化合物参数Table 2 .Parameters of source rock samples and thermal simulation products (e.g.terpenes and steranes)

图5 热模拟产物m/z 191与m/z 217随热模拟温度变化的色谱-质谱图Fig.5.Chromatograms-mass spectrograms illustrating the variations of m/z 191 and m/z 217 with thermal simulation temperature

随着热模拟温度的升高，C27、C28和C29规则甾烷绝对含量迅速降低，但由于裂解速度有所不同，导致规则甾烷相对含量的变化较为明显。此外，随着热模拟温度的升高，甾烷成熟度参数C2920S/（20S+20R）与C29ββ/（αα+ββ）逐渐增大，但是由于甾烷系列化合物的绝对含量在成熟阶段后期因热裂解作用而急剧降低，导致C2920S/（20S+20R）与C29ββ/（αα+ββ）同样不适用于指示高熟和过熟原油的成熟度。

3.2 高熟原油来源判识及意义

对于低熟—成熟的原油，因其含有丰富的生物标志化合物，可依据姥植比、Pr/nC17、β-胡萝卜烷含量等生物标志参数识别来源于风城组烃源岩的原油[36-37]。由于不同生物标志化合物的热稳定性存在差异，一些典型的生物标志化合物在高熟阶段含量降至极低甚至为0，因此部分参数无法指示成熟度较高原油的油源。例如，位于盆1井西凹陷的盆5井，该井深度为3 921 m处的原油样品密度为0.872 0 g/cm3，成熟度较低，具有典型风城组来源特征；4 243 m 处的原油密度为0.755 3 g/cm3，为高熟凝析油，许多典型生物标志参数已失效（表3、图6）。前期由于没有考虑成熟度对生物标志化合物参数的影响，依据高姥植比、不含或微含β-胡萝卜烷的特征认为其油气主要来源于下乌尔禾组烃源岩。

图6 盆5井典型成熟度原油样品色谱-质谱图Fig.6.Typical chromatograms-mass spectrograms of oil samples with different maturitie in Well Pen-5

表3 盆5井不同成熟度原油样品生物标志化合物参数对比Table 3 .Parameters of biomarkers in oil samples with different maturities in Well Pen-5

由于盆5 井高熟原油样品的各生物标志化合物参数随成熟度的变化趋势与本次热模拟实验中风城组烃源岩的变化趋势较为一致，因此，根据来源为风城组烃源岩的22个原油样品，结合前人的5个风城组烃源岩样品的正构烷烃单体碳同位素资料[38]，建立了准噶尔盆地西北缘地区风城组正构烷烃单体碳同位素图版，重新对盆5井高熟原油样品进行油源分析。

玛湖凹陷风城组烃源岩不同碳数正构烷烃单体δ13C变化范围较小，最大值与最小值之差不到2‰（图7a）。同样来源于玛湖凹陷的原油样品正构烷烃单体δ13C则变化较大，且重于烃源岩，但总体可分为2 类：Ⅰ类原油样品正构烷烃单体δ13C 为-32‰～-28‰，同一样品不同单体的δ13C变化较小（图7b）；Ⅱ类原油样品正构烷烃单体δ13C 为-34‰～-29‰，在nC20之后δ13C 逐渐变轻（图7c）。推测造成这种现象的原因可能是由于风城组为碱湖沉积环境，水体分层较为显著，导致在不同地区或同一地区不同深度该套烃源岩的沉积环境、有机相等差异较大。

盆5井深度为4 243 m处高熟凝析油样品正构烷烃单体δ13C分布特征与风城组Ⅱ类原油样品相似（图7c），由此推测该原油可能来自风城组烃源岩，证实其生物标志化合物参数的差异是由于成熟度较高所致，而非来源于不同的烃源岩。

图7 准噶尔盆地西北缘风城组烃源岩与原油样品正构烷烃单体碳同位素分布（图7a数据引自文献［38］）Fig.7.Carbon isotope distribution of n-alkane monomers of the source rock samples and oil samples from Fengcheng formation in the northwestern margin of Junggar basin(data in Fig.7a cited from Reference[38])

4 结论

（1）由于黄金管封闭体系热模拟环境，低碳数正构烷烃的生成可能被抑制，导致该系列部分参数不能正确随热模拟温度的升高而变化；而随着样品成熟度的升高，姥植比总体升高，而Pr/nC17与Ph/nC18则总体逐渐减小，直到过熟阶段时该系列参数失去参考意义；β-胡萝卜烷与γ-胡萝卜烷热稳定性较差，当达到高熟阶段时，绝对含量迅速降低，不适用于风城组高熟原油的判别。

（2）C20、C21与C23三环萜烷的分布样式受成熟度影响较小；随着成熟度的升高，三环萜烷的相对含量会逐渐高于藿烷；C29规则甾烷相对含量随成熟度变化相对较小，但甾烷成熟度参数C2920S/（20S+20R）与C29ββ/（αα+ββ）随着热模拟温度升高均逐渐增大，因此该参数不适用于指示高熟、过熟原油的成熟度。

（3）盆1 井西凹陷盆5 井的高熟凝析油来源于风城组烃源岩，证实盆1 井西凹陷存在风城组来源的高熟油气。