准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油地球化学特征和来源

吴小奇,任新成,刘德志,陈迎宾,穆玉庆, 王 斌,商丰凯,孙中良,曲彦胜,宋振响,邱 岐

1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126;2.中国石化 油气成藏重点实验室,江苏 无锡 214126;3.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257001

准噶尔盆地是我国西北部重要的含油气盆地之一,其油气勘探已历经半个多世纪。近年来,准噶尔盆地油气勘探从凸起区不断向凹陷区推进,相继在玛湖、沙湾、阜康等凹陷取得重要突破,凹陷区勘探层系也逐渐从侏罗系向三叠系、二叠系拓展[1-6]。沙湾凹陷是准噶尔盆地中西部重要的生烃凹陷之一,在凹陷周缘先后发现了莫索湾、莫南等多个油气田[7-10]。近年来随着勘探向凹陷区拓展,位于沙湾凹陷西部斜坡的沙探1等井[2]和凹陷东部斜坡的Z10井均在二叠系上乌尔禾组获得重要突破,展现了凹陷深层良好的勘探前景。

油气地球化学研究是揭示油气来源和成藏富集过程的重要手段[11-14]。目前对沙湾凹陷油气地球化学特征及来源的研究主要针对凹陷周缘邻区的中拐凸起、莫索湾地区[7,9-10,15],沙湾凹陷内中下二叠统埋深较大,目前尚没有钻揭二叠系烃源岩[16],因此目前对该区二叠系烃源岩地球化学特征的认识,主要基于对凹陷周缘凸起带及西北缘玛湖凹陷等地区的样品[17-20]。沙湾凹陷东部永进和征沙村地区有多口钻井在侏罗系、二叠系等层位先后获得工业油气流,前人仅对永进地区侏罗系及白垩系部分原油样品开展了初步的油源分析,主要基于生物标志化合物特征,未开展同位素地球化学分析,且对一些原油来源的认识存在争议[21-22]。例如秦黎明等[21]研究发现下白垩统吐谷鲁群原油样品Pr/Ph比值介于0.67～1.07,并认为其来自中二叠统下乌尔禾组烃源岩;李二庭等[9]则认为,典型下乌尔禾组烃源岩Pr/Ph比值一般为1.0～2.0,而Pr/Ph比值小于1往往指示了风城组烃源岩或下白垩统烃源岩的贡献[23]。此外,永进地区侏罗系部分原油被认为有二叠系烃源岩的贡献[21-22],但对中下二叠统的具体贡献未进行区分。而近年来的研究表明,中下二叠统烃源岩生成的原油在胡萝卜烷、类异戊二烯烷烃、三环萜烷、伽马蜡烷指数及同位素组成等特征上均有一定差异[9,20]。

由此可见,对沙湾凹陷东部原油地球化学特征认识的分歧,导致目前对该区原油来源的认识存在争议,这极大限制了对油气成藏过程和富集规律的认识。因此,本文通过对沙湾凹陷东部典型井原油样品开展碳同位素和生物标志物地球化学研究,探讨不同层系原油的来源,以期为揭示该区油气成藏机理和拓展勘探领域提供科学依据。

1 地质背景

准噶尔盆地是我国陆上第二大沉积盆地,常被划分为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、西部隆起、东部隆起和南缘冲断带6个一级构造单元(图1a)。沙湾凹陷位于准噶尔盆地腹部中央坳陷西南部,北侧为盆1井西凹陷和中拐凸起,南侧为南缘冲断带,东、西两侧分别与莫索湾凸起和车排子凸起相邻(图1b)。

图1 准噶尔盆地腹部沙湾凹陷东部位置(a)及井位分布(b)

沙湾凹陷自下而上发育石炭系、二叠系佳木河组(P1j)、风城组(P1f)和下乌尔禾组(P2w)4套烃源岩,为周缘油气成藏提供了良好的物质基础。其中,P1f和P2w烃源岩有机质丰度高,类型好,处于高成熟演化阶段,是凹陷内主力烃源岩[18]。此外,中下侏罗统煤系是该区次要烃源岩,下白垩统吐谷鲁群(K1Tg)在局部地区发育厚层暗色泥岩,为一套强还原的咸化环境下沉积,也具有一定的生烃潜力[20,24]。

沙湾凹陷东部以往油气发现主要位于上组合的中侏罗统西山窑组(J2x)、下侏罗统三工河组(J1s)和下白垩统吐谷鲁群,近年来在下组合勘探逐渐取得突破,如Z10井在上二叠统上乌尔禾组(P3w)和中三叠统克拉玛依组(T2k)均获得油气发现,展现了该区较好的油气勘探潜力。

2 分析方法

本文采集了沙湾凹陷东部P3w、J1s、J2x、K1Tg中的7个原油样品,并采集了盆地西北缘哈山地区H11井P1f油样,开展分子地球化学分析。样品分析测试在中国石化油气成藏重点实验室进行,其中全油和正构烷烃单体碳同位素组成采用Thermo Finnigan Delta V plus稳定同位素质谱仪,原油在进行正构烷烃单体碳同位素分析前进行柱色谱分离获得饱和烃,碳同位素检测依据国家标准《地质样品有机地球化学分析方法 第2部分:有机质稳定碳同位素测定 同位素质谱法:GB/T 18340.2—2010》,分析精度为±0.5‰;饱和烃气相色谱采用Agilent 7890A型气相色谱仪,检测依据国家标准《地质样品有机地球化学分析方法 第5部分:岩石提取物和原油中饱和烃分析 气相色谱法:GB/T 18340.5—2010》,色谱柱为DB-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm),柱温初始为80 ℃,保留2 min,以3 ℃/min速率升温至300 ℃,保留15 min;饱和烃和芳烃组分色谱—质谱分析采用Agilent 6890/5973型色谱—质谱联用仪,检测依据国家标准《气相色谱—质谱法测定沉积物和原油中生物标志物:GB/T 18606—2017》。

3 结果与讨论

3.1 原油全油碳同位素组成

准噶尔盆地腹部原油全油碳同位素值(δ13C)多数小于-29.0‰,侏罗系有少量原油样品碳同位素组成较重[20]。沙湾凹陷东部原油样品中Y2井J2x油样δ13C值为-27.3‰,反映其可能受到了侏罗系来源原油的影响;其他样品的δ13C值介于-31.5‰～-29.4‰,均小于-29.0‰,与二叠系及下白垩统烃源岩特征较为一致(图2)。

图2 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油Pr/Ph与δ13C相关图

3.2 饱和烃生物标志物特征

3.2.1 正构烷烃和类异戊二烯烷烃

准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油正构烷烃碳数主要分布于C14—C29,主峰碳数介于C15—C19(表1,图3)。OEP和CPI分别介于1.00～1.16和1.03～1.16,不具有明显的奇偶优势(表1,图3)。

表1 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油生物标志化合物及全油碳同位素组成特征

图3 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油饱和烃气相色谱图

沙湾凹陷东部P3w、J1s、J2x原油样品中类异戊二烯烷烃化合物含量相对较低,Pr/nC17和Ph/nC18比值分别介于0.25～0.59和0.12～0.50,Pr/Ph介于1.20～2.17,均大于1;K1Tg原油样品中类异戊二烯烷烃化合物含量相对较高,Pr/nC17和Ph/nC18比值分别介于0.64～0.65和1.04～1.05,Pr/Ph均为0.68,明显小于1。这反映了沙湾凹陷东部K1Tg原油样品其烃源岩形成于还原环境,水体盐度较高,表现出海相或盐湖相沉积特征,与玛湖凹陷P1f具有一定的相似性,其余层系(P3w、J1s、J2x)原油其烃源岩主要为混合型(Ⅱ型)有机质(图4)。

图4 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油 Pr/nC17与Ph/nC18相关图

准噶尔盆地西北缘P1f来源的原油Pr/nC17和Ph/nC18比值常大于1,Pr/Ph比值一般小于1[26];盆地内白垩系烃源岩抽提物也具有异常低(<1)的Pr/Ph值[23];下乌尔禾组烃源岩Pr/Ph比值一般介于1.0～2.0[9];侏罗系来源的原油Pr/Ph比值一般高于2.5[23]。本次工作中H11井P1f原油样品中类异戊二烯烷烃较为丰富,其Pr/nC17和Ph/nC18比值则分别为1.10和2.12,Pr/Ph为0.64,明显小于1(表1,图3,图4),为典型P1f来源。Y6井K1Tg原油样品Pr/Ph比值同样小于1,但其Pr/nC17比值均明显小于1,与典型P1f来源的原油Pr/nC17比值普遍大于1[26]明显不同,反映其可能与白垩系烃源岩具有较好的亲缘性。沙湾凹陷东部二叠系和侏罗系原油样品中,除Y2井J2x样品可能受侏罗系烃源岩部分影响而Pr/Ph大于2.0外,其余样品Pr/Ph比值均介于1.0～2.0,与下乌尔禾组烃源岩较为一致(图2)。

3.2.2 甾烷类和胡萝卜烷类化合物

在甾烷类化合物特征上,沙湾凹陷东部不同层系原油样品中规则甾烷含量明显高于重排甾烷含量(图5)。C27—C29αααR规则甾烷中C29相对含量占48.2%～60.9%,除K1Tg油样的C27≈C28

图5 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油甾烷(m/z 217)和萜烷(m/z 191)质量色谱图

3.2.3 萜烷类化合物

萜烷类化合物是反映烃源岩沉积环境的有效参数,如湖相烃源岩常以C21三环萜烷(TT)或C23TT含量最高,而煤系烃源岩中三环萜烷含量相对丰度随碳数增大呈降低的趋势,且C24四环萜烷(TeT)含量高于C26TT[29-30]。准噶尔盆地腹部及西北缘原油三环萜烷相对含量可以指示不同的来源,其中P1f来源的原油具有C20C23TT的上凸型分布,P1j来源的原油往往以C20为主峰,C21和C23基本相等或依次降低,而侏罗系煤成油典型特征为C19TT、C20TT和C24TeT含量显著[26]。

沙湾凹陷东部原油样品中萜烷类化合物组成多数表现出C20C23TT、C24TeT/C26TT<1的特征,表明其主体与P2w烃源岩具有较好的亲缘性,与哈山地区P1f原油表现出C201(表1),与侏罗系煤成油特征一致;Z10井P3w油样表现出C20>C21>C23TT的下降型分布,表现出P1j来源的特征(表1)。Y6井K1Tg原油样品三环萜烷具有C20C23TT的特征,反映出与P1f来源原油存在显著差异。

准噶尔盆地西北缘P1f来源的原油不含或极少含Ts,Ts/Tm比值一般小于0.2;而P2w、P1j来源的原油中则通常含Ts,且P2w来源的原油Ts/Tm比值一般大于0.2[9,26]。西北缘H11井P1f油样及沙湾凹陷东部Z10井P3w油样中均未检出Ts(表1),与西北缘P1f来源的原油特征一致;沙湾凹陷东部其余原油样品Ts/Tm比值主体介于0.67～0.98,均小于1(表1,图5),与P2w来源的原油特征较为一致。Y6井K1Tg原油样品Ts/Tm介于0.93～0.98,与典型P1f来源的原油有显著差异,表明其与P1f烃源岩不具有良好的亲缘性。

伽马蜡烷指数即伽马蜡烷/C30藿烷(Ga/C30H)比值常被用于指示沉积水体的盐度。准噶尔盆地P1f烃源岩及生成的原油富含伽马蜡烷,Ga/C30H比值普遍超过0.30[27,31];白垩系烃源岩抽提物也具有异常高的Ga/C30H比值[23]。沙湾凹陷东部Y6井K1Tg原油样品中Ga/C30H比值介于0.69～0.76(表1),反映其烃源岩沉积水体盐度较高;其他样品均不超过0.30(表1),反映其烃源岩可能以P2w为主,P1f贡献相对较为有限。此外,研究区原油样品中C30藿烷含量均高于C29藿烷含量,C31—C35藿烷含量随碳数增加而逐渐降低,不具有翘尾现象(图5),C35S/C34S藿烷比值均明显小于1(表1)。

3.3 芳烃生物标志物特征

甲基菲(MP)系列组成与沉积环境、生源和成熟度等紧密相关,如半咸水—咸水环境富含菌类和藻类低等生物,有利于形成9-MP;弱氧化—弱还原环境中以高等植物为主要生源时,1-MP比9-MP含量更为丰富[32]。沙湾凹陷东部原油样品9-MP/1-MP比值介于1.12～1.67(表1),平均为1.35,均表现出半咸水—咸水沉积环境特征,有机质以菌、藻类等为主,高等植物输入不明显。

根据甲基菲异构体的分布与成熟度具有良好的相关性,KVALHEIM等[33]提出了甲基菲分布分数F1和F2[F1=(2-MP+3-MP)/(1-MP+2-MP+3-MP+9-MP),F2=2-MP/(1-MP+2-MP+3-MP+9-MP)]。F1和F2能够把成熟油和高熟油区分开,比甲基菲指数MPI1和MPI2更能有效反映有机质成熟度[34]。在甲基菲分布分数相关图上,沙湾凹陷东部P3w原油表现出高成熟特征,而其余样品均表现为成熟特征(图6)。

图6 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油F1与F2相关图 底图据包建平等[34]。

二苯并噻吩和二苯并呋喃类化合物含量受沉积环境影响,二苯并噻吩/菲(DBT/Phen)与甲基二苯并噻吩/甲基二苯并呋喃(MDBTs/MDBFs)可以指示烃源岩沉积环境[35-37]。沙湾凹陷东部原油样品DBT/Phen比值均小于1,Pr/Ph比值主体介于1～2.5,表现出一般湖相沉积特征;仅Y6井K1Tg样品Pr/Ph比值小于1,与西北缘H11井P1f样品类似,反映其烃源岩主要为贫硫湖相沉积(图7a)。MDBTs/MDBFs比值也均小于1,除Y6井K1Tg原油表现为来自贫硫湖相烃源岩外,其余样品均表现为来自一般湖相烃源岩的特征(图7b)。

图7 准噶尔盆地沙湾凹陷东部原油DBT/Phen(a)和MDBTs/MDBFs(b)与Pr/Ph相关图 底图分别据HUGHES等[35]和RADKE等[36]。

3.4 正构烷烃单体碳同位素组成

正构烷烃单体碳同位素组成在揭示古环境中有机质来源和油源精细对比方面发挥着重要作用。如准噶尔盆地风南1井P1f烃源岩抽提物的nC14—nC29单体碳同位素值普遍高于-29‰,且随碳数增大表现出先升高后降低的特征;而金探1井P2w烃源岩抽提物的nC14—nC29单体碳同位素值均小于-30‰,且随碳数增大表现出先降低后升高的特征,与P1f烃源岩抽提物明显不同[9]。

准噶尔盆地西北缘H11井P1f油样尽管nC14—nC29单体碳同位素值普遍低于风南1井P1f烃源岩抽提物,但其多数仍高于-30‰,且分布趋势与P1f烃源岩较为一致(图8),表现出较好的亲缘性。沙湾凹陷东部原油样品nC14—nC29单体碳同位素值分布趋势整体与金探1井P2w烃源岩抽提物整体较为一致(图8),表明其主体来自P2w烃源岩;Y2井J2x油样正构烷烃单体碳同位素值偏高,普遍大于-29.0‰,反映出侏罗系来源原油的显著贡献。准噶尔盆地白垩系烃源岩抽提物正构烷烃单体碳同位素组成很轻,一些样品nC19以上正构烷烃δ13C值甚至小于-34.0‰,且白垩系烃源岩抽提物具有异常低的Pr/Ph比值和很高的伽马蜡烷含量[23]。沙湾凹陷东部K1Tg原油样品正构烷烃单体碳同位素值普遍低于-31.0‰,且随碳数增大逐渐降低,与阿尔钦沟下白垩统烃源岩抽提物分布趋势一致,而与风南1井P1f烃源岩抽提物在正构烷烃δ13C值及分布趋势上均表现出明显差异(图8),表明其与下白垩统烃源岩具有较好的亲缘性,而与P1f烃源岩不具有明显的亲缘性。此外,这些K1Tg原油样品Pr/Ph值均小于1,Ga/C30H值介于0.69～0.76(表1),反映其主体来自白垩系烃源岩。

图8 准噶尔盆地沙湾凹陷东部二叠系(a)和白垩系(b)烃源岩抽提物及对应原油正构烷烃单体碳同位素值分布 金探1井P2w和风南1井P1f烃源岩据李二庭等[9];阿尔钦沟K1q烃源岩据陈建平等[23]。

3.5 沙湾凹陷东部原油不同类型原油特征对比

通过本文对典型原油样品地球化学特征及油源的分析,结合与西北缘来自P1f烃源岩的典型原油特征对比,总结出沙湾凹陷3种不同类型原油的典型特征(表2)。从整体上看,上二叠统至中侏罗统产层的原油主要来自P2w烃源岩,部分样品中有下二叠统烃源岩的少量贡献;中侏罗统部分储层中原油来自中下侏罗统烃源岩;下白垩统原油主要来自下白垩统自身烃源岩。

表2 准噶尔盆地沙湾凹陷东部不同类型原油及西北缘原油地化特征综合对比

4 结论

准噶尔盆地沙湾凹陷东部目前发现的原油主要分布于二叠系、侏罗系和白垩系等层位中,根据原油碳同位素和生物标志化合物特征可以将其划分为3种类型:

(1)二叠系及侏罗系原油样品主体特征为全油碳同位素值介于-31.0‰～-29.0‰,Pr/Ph比值介于1.0～2.0,αααR规则甾烷含量表现为C27C23TT、C24TeT/C26TT<1特征,Ts/Tm比值介于0.68～0.98,伽马蜡烷指数小于0.30,正构烷烃单体碳同位素组成分布趋势与下乌尔禾组烃源岩抽提物一致,表明其主体来自下乌尔禾组烃源岩;上乌尔禾组油样中未检出Ts,β-胡萝卜烷/C30藿烷比值大于1,三环萜烷呈C20>C21>C23TT分布,甲基菲分布分数指示了高成熟特征,反映了下二叠统风城组和佳木河组烃源岩也有部分贡献。

(2)中侏罗统少部分原油样品全油碳同位素值大于-29.0‰,Pr/Ph比值介于2.0～2.5,C19TT、C20TT和C24TeT含量较为显著且C24TeT/C26TT大于1,正构烷烃单体碳同位素值也普遍高于-29.0‰,表明其主体来自侏罗系烃源岩。

(3)下白垩统吐谷鲁群发现的少量原油样品其典型特征为全油碳同位素值均小于-31.0‰,Pr/Ph比值明显小于1.0,αααR规则甾烷含量具有C27≈C28

致谢:样品采集和资料收集得到了中国石化胜利油田分公司的大力支持,样品分析测试得到了中国石化油气成藏重点实验室的大力协助,审稿专家对初稿提出了宝贵修改意见,在此深表谢意!

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’ Contributions

吴小奇、任新成提供论文思路并完成论文主体内容撰写及修改;刘德志、陈迎宾、穆玉庆、王斌完成前期进展调研,参与论文框架结构和油源对比内容讨论;商丰凯、孙中良、曲彦胜、宋振响、邱岐协助完成样品采集、选送和资料收集,并参与原油地球化学特征分析。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

WU Xiaoqi and REN Xincheng provided paper ideas and completed the writing and revision of the main content of the paper. LIU Dezhi, CHEN Yingbin, MU Yuqing and WANG Bin completed preliminary research and participated in discussions on paper framework and oil-source correlation. SHANG Fengkai, SUN Zhongliang, QU Yansheng, SONG Zhenxiang and QIU Qi assisted in sample collection, selection and data collection, and participated in the analysis of geochemical characteristics of crude oil. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.