银额盆地吉格达凹陷原油地球化学特征及其意义

2023-10-11魏建设赵琳雁周俊林张宇轩王利伟姜亭王宝文

西北地质 2023年5期

魏建设，赵琳雁，周俊林，张宇轩，王利伟，姜亭，王宝文

（1.中国地质调查局西安地质调查中心/ 西北地质科技创新中心，陕西西安 710119；2.中国地质调查局北方古生界油气地质重点实验室，陕西西安 710119；3.西安石油大学地球科学与工程学院/陕西省油气成藏地质重点实验室，陕西西安 710065；4.中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西西安 710119）

位于内蒙古自治区西部的银额盆地，是中国陆地上油气勘探程度较低的地区之一（康玉柱，2008；卢进才等，2006，2011；余琪祥等，2016；陈治军等，2018），尤其是盆地西部居延海坳陷的吉格达凹陷工作程度更低，自然资源部中国地质调查局西安地质调查中心通过二维地震测量和油气地质条件综合评价优选井位目标，实施了凹陷内首口参数井（蒙额参3 井），该井在石炭系—二叠系获得了优质烃源岩和良好油气显示。通过两层地层含油气性测试，在华力西期侵入岩和二叠系白云质砂岩获得了具有工业价值的油气流，华力西期侵入岩裂缝油层获稳定油气当量为2.64 m3/d，二叠系砂岩获稳定油气当量为1.66 m3/d（姜亭等，2022）。

笔者通过对吉格达凹陷蒙额参3 井所获原油的物理与地球化学特征、原油成因及油源对比等的综合研究，明确原油的特征与来源，进一步指明银额盆地油气地质调查和勘探方向，为油气地质条件综合评价提供支撑。

1 区域地质背景

古亚洲洋闭合（中—晚泥盆世）之后，作为中生代与古生代叠合盆地的银额盆地演化经历了海陆演化阶段（石炭纪—二叠纪）和陆内盆山演化阶段（中生代）（任纪舜等，1999；卢进才等，2011；Xiao et al.，2011，2015；卢进才等，2012）。蒙额参3 井位于银额盆地的西部，石炭纪—二叠纪构造单元属北山-巴丹吉林裂谷盆地黑鹰山-额济纳旗坳陷带的南部边缘带（卢进才等，2011）；中生代构造单元属居延海坳陷吉格达凹陷（图1a、图1b）。

图1 研究区（a）及采样位置图（b）Fig.1 (a) The location map of study area and (b) sampling

居延海坳陷吉格达凹陷中部的蒙额参3 井完钻井深为2 850 m，地层自上而下为第四系全新统（Qh）、中生界下白垩统苏宏图组（K1s）、下白垩统巴音戈壁组（K1b）、古生界上二叠统（P3，未分组）、中—下二叠统（P1-2，未分组）和下二叠统—上石炭统干泉组（C2-P1g），完钻地层为华力西期浅红色钾长花岗岩。其中，中—下二叠统厚度达253 m，为灰色、深灰色泥岩，灰质泥岩夹灰色粉砂岩；下二叠统—上石炭统干泉组厚度170 m（未穿？），为灰色、深灰色灰质泥岩、泥岩夹灰色泥岩和粉砂质泥岩。干泉组暗色泥岩有机碳含量为0.53%～4.02%，平均为1.01%，生烃潜量（S1+S2）为0.05～13.52 mg/g，平均为6.41 mg/g，是区内主要的烃源岩，石炭系—二叠系烃源岩可达中等-好标准（魏建设等，2020）。原油样品Y1、Y2 采于蒙额参3井华力西期花岗岩裂缝油层，Y3 采于二叠系白云质砂岩（图1c）。

2 原油的物理性质

参照常用的原油分类方法与划分标准（刘文章，1998；张厚福等，1999；于连东，2001；魏建设等，2019），吉格达凹陷蒙额参3 井华力西期侵入岩原油密度为0.802 g/cm3，略高于二叠系白云质砂岩原油（0.795 g/cm3），下部原油粘度高于上部原油，下部原油硫含量略低于上部（表1）。蒙额参3 井华力西期侵入岩和二叠系白云质砂岩的原油物理性质存在一定的差异，但整体基本一致，为低密度低硫中质正常原油，原油性质较好。

表1 蒙额参3 井原油物理性质统计表Tab.1 Physical propertiesstatistical table of the crude oil of Mengecan 3 well

3 原油地球化学特征

3.1 原油族组成特征

原始沉积环境、母质组成与类型、原油的演化程度和后期改造作用等因素对原油的族组成具有一定的影响。有机质的性质接近时，高成熟原油具有较高烃类和较低极性组分的特点（常俊合等，2004；郭艳琴等，2006；李洪等，2015）。

蒙额参3 井华力西期侵入岩和二叠系白云质砂岩两层原油族组成特征（表2，图2），指示两层原油饱和烃含量较高、非烃和沥青质较低、饱芳比较高，且下部原油饱芳比远高于上部原油，表明该井原油具有较好的母质来源和较高的成熟度，且下部原油成熟度高于上部，与地层演化规律一致。

表2 蒙额参3 井原油族组成统计表Tab.2 Group componentsstatistical table of the crude oil of Mengecan 3 well

图2 蒙额参3 井原油族组分三角图Fig.2 Triangle diagram of group components of the crude oil of Mengecan 3 well

3.2 原油碳同位素特征

研究表明，相同来源的原油因成熟度不同而产生的稳定C 位素组成δ13C 差异小于2‰～3‰（Peters et al.，2005；王朋等，2015）。因此，若相近成熟度原油的稳定C 同位素δ13C 值相差超过2‰～3‰以上，则指示其为不同源。蒙额参3 井原油族组成稳定C 同位素表明，华力西期侵入岩两件原油的全油、饱和烃、芳烃、非烃与沥青质C 同位素大小差别不大，相差均小于2‰，而上部的二叠系砂岩原油非烃碳同位素与下部侵入岩原油差别较大，超过2‰，全油碳同位素相差超过3‰（表3），两层原油稳定C 同位素对比（图3）表明，华力西期侵入岩两件原油稳定C 同位素分布特征基本一致，均呈非烃“上凸型”，而二叠系原油呈全油“上凸型”和非烃“下凹型”，指示两层原油非同源。

表3 蒙额参3 井原油稳定碳同位素统计表Tab.3 Statistical table of stable carbon isotopes of the crude oil of Mengecan 3 well

图3 蒙额参3 井原油及族组成稳定碳同位素对比图Fig.3 Contrast diagram of stable carbon isotopes of the crude oil and group components of Mengecan 3 well

3.3 原油饱和烃气相色谱分布特征

原油饱和烃气相色谱中的正构烷烃特征包含沉积环境、生源构成、热演化程度和保存条件等丰富信息（Chen et al.，1996；尹伟等，2005；Hao et al.，2009；董君妍等，2017；田德瑞等，2018）。该井华力西期2 件原油样品的饱和烃馏分GC-MS 谱图类似（图4a、图4b），均呈单峰形，主峰碳为nC17，OEP 值分别为1.08 和1.07，CPI 值均为0.83，Pr 值均为1.33%，Ph 值分别为1.88%和1.97%，Pr/nC17值均为0.14，Ph/nC18值为0.21和0.22（表4）；二叠系原油饱和烃馏分GC-MS 谱图（图4c）显示其主峰碳亦为nC17，呈双峰形（nC17和nC19），OEP 值略高于华力西期原油，为1.12；CPI 值与华力西期原油相当，为0.85；Pr 和Ph 值高于华力西期原油，分别为2.05%和2.94%，Pr/nC17值为0.24，Ph/nC18值为0.36（表5）。蒙额参3 井两层3 件原油OEP 和CPI 值均小于1.2，指示其处于成熟阶段（图5）。华力西期原油具有奇偶均势的特征，二叠系原油具有弱的奇碳优势；3 件原油Pr/Ph 值均为0.5～1.0，并表现为植烷优势，反映了蒙额参3 井原油烃源岩为海相还原环境（图6）。

表4 蒙额参3 井原油饱和烃气相色谱数据统计表Tab.4 Statistical table of gas chromatograms of saturated hydrocarbons of the crude oil of Mengecan 3 well

表5 蒙额参3 井原油甾萜烷数据统计表Tab.5 Statistical table of steraneand sterane compounds of the crude oil of Mengecan 3 well

图4 蒙额参3 井原油饱和烃气相色谱图Fig.4 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of the crude oil of Mengecan 3 well

图5 蒙额参3 井原油OEP 与CPI 判断原油成熟度图Fig.5 Map of discrimination oil maturity by the relationship between OEP and CPI of Mengecan 3 well

图6 蒙额参3 井原油Pr/nC17 与Ph/nC18 关系图Fig.6 Relationship between Pr/nC17 and Ph/nC18 of the crude oil of Mengecan 3 well

3.4 原油生物标志化合物特征

原始沉积有机质中来自于生物体的生物标志化合物，在成岩演化过程中，正构烷烃、类异戊二烯、萜烷与甾烷等有机化合物基本保留着原始生物碳骨架（彭兴芳等，2006；卢双舫等，2008；陈建平等，2016；李谨等，2019）。主要反映萜烷、甾烷等生物标志化合物特征的饱和烃色谱质谱中，具有原油成熟度、生源等明确指示意义的生物标志化合物是萜烷和甾烷等（卢双舫等，2008；李谨等，2019）。

3.4.1 萜烷类

通常，三环萜烷含量较高是水生生物有机质的显著特征。沉积有机质中三环萜烷的分布特征一般呈现出C21和C23基本均势或其中一个略高（卢双舫等，2008）。蒙额参3 井两层（3 件样品）原油的三环萜烷分布呈现出C19三环萜烷含量低的特点，其中下部（华力西期）原油C19/C21＜1.0，C19/C23＜1.0；上部（二叠系）原油C19/C21＜1.0，C19/C23＞1.0（图7）。三环萜烷分布特征（图8）指示蒙额参3 井两层原油的三环萜烷C19、C21、C23三环萜烷分布形态基本一致，呈现出以C21为最高峰的“山峰型”特征，但又略有差别，下部原油呈C23三环萜烷略高于C19三环萜烷的不对称“山峰型”，上部原油基本呈对称“山峰型”（图8）。蒙额参3 井原油三环萜烷分布的这种差异性，可能反应油源及沉积环境的不同。

图8 蒙额参3 井原油三环萜烷分布折线图Fig.8 Line graph of tricyclic terpane distribution of the crude oil of Mengecan 3 well

伽玛蜡烷与C30藿烷的比值是指示沉积时水体原始盐度的常用参数，伽玛蜡烷是C30-三环萜烷的其中一种，是代表原生动物来源的生物标志化合物，一般来说，伽玛蜡烷含量高指示水体盐度高（Peters et al.，2005；宋来亮等，2016）。蒙额参3 井华力西期侵入岩与二叠系白云质砂岩原油萜烷类生物标志化合物特征共性与差异同在，饱和烃萜烷中均以C30藿烷占明显优势，C29降藿烷与伽玛蜡烷次之，C29Ts、C30RAH、C30莫烷、C31升藿烷和C32二升藿烷等含量相对较低，下部原油Ts 稍大于Tm，上部原油Ts 与Tm 相当（图9）。蒙额参3 井两层原油伽玛蜡烷含量均较高（图9），指示盐度较高的原始沉积环境。

图9 蒙额参3 井原油生物标志化合物特征图Fig.9 Characteristic map of biomarkers of crude oil from Well Mengecan 3 well

3.4.2 甾烷类

原油的甾烷特征对源岩母质来源、沉积环境和演化程度等特征具有较好的指示作用，常用的成熟度评价指标之一是甾烷异构化参数，其中C29甾烷异构化特征最为常用（刘洛夫等，2011；杨尚儒等，2018）。蒙额参3 井下部原油2 件样品规则甾烷分布相对一致（表5），其呈现出以C27甾烷稍占优势的近“V”字型分布形态（图9），表明有机质母源以浮游植物输入为主，同时具有高等植物一定的贡献（图10）；上部原油规则甾烷与华力西期原油略有差异，其呈以C29甾烷略占优势的近“V”字型分布特征（图9），表明以陆生高等植物输入为主，同时有浮游植物的贡献（图10）。ααα 甾烷C29S/（S+R）与伽玛蜡烷/C30藿烷等原油成熟度特征指示蒙额参3 井两层原油的烃源岩演化程度均为成熟（表5，图11、图12）。

图10 蒙额参3 井原油C27-C28-C29规则甾烷分布三角图Fig.10 Triangle chart of relative content of regular sterane C27-C28-C29 of the crude oil of Mengecan 3 well

图11 蒙额参3 井原油成熟度-盐度判别图Fig.11 Discriminant map of maturity and salinity of the crude oil of Mengecan 3 well

图12 白垩系—二叠系烃源岩生物标志化合物特征图Fig.12 Characteristic map of biomarkers in Cretaceous-Permian source rocks

4 原油成因及油源对比

4.1 原油成因

油源对比的常用方法是生物标志化合物对比法，生物标志化合物中的萜烷和甾烷化合物，可以反映原始生油母质中化合物的原始面貌，是油源对比的可靠参数（郭艳琴等，2006；罗丽荣等，2019；卢进才等，2020）。蒙额参3 井原油姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）呈现出植烷优势的特征，指示蒙额参3 井原油母质主要来源于海相还原环境；蒙额参3 井原油萜烷类生物标志化合物分布特征相似（图9），3 件原油样品的饱和烃萜烷均是C30藿烷占绝对优势，且C29降藿烷与伽玛蜡烷含量较高，C30莫烷、C31升藿烷、C32二升藿烷、Ts和Tm 等均检出，C29Ts 含量较低；但两层原油萜烷又存在一定的差异，下部原油Ts 略大于Tm，C29降藿烷含量明显低于伽玛蜡烷；二叠系原油Ts 与Tm 均势，C30莫烷含量略高于下部油层，二叠系原油C29降藿烷与伽玛蜡烷均势分布。ααα 甾烷C29S/（S+R）和伽玛蜡烷/C30藿烷关系特征指示了蒙额参3 井原油以高盐度沉积环境成熟烃源岩的贡献为主（图11）。规则甾烷分布形态表明华力西期侵入岩原油生烃母质以浮游植物为主，二叠系原油源岩以陆生高等植物为主，同时有浮游植物的贡献（图10）。总之，蒙额参3 井华力西期侵入岩和二叠系白云质砂岩原油源岩主要来源于盐度较高的海相还原沉积环境，生烃母质以浮游植物为主，但二叠系原油陆生高等植物的贡献较大。

4.2 油源对比

蒙额参3 井华力西期侵入岩段及二叠系砂岩段原油油源对比研究表明，两层原油生物标志化合物共性与差异同在，共性是藿烷均占绝对优势，藿烷系列分布范围广（C27～C35），C30藿烷含量明显偏高（图9），其次为C29降藿烷，C34四升藿烷和C35五升藿烷含量较少，且具有较高的伽玛蜡烷，都具有孕甾烷高于升孕甾烷的特点；差异在于华力西期侵入岩原油Ts 略大于Tm，二叠系原油Ts 与Tm 二者相当，华力西期侵入岩原油规则甾烷C27略大于C29，二叠系原油规则甾烷C29略大于C27，且前述原油C 同位素特征也指示两层原油非同源，华力西期侵入岩与二叠系砂岩原油不属于同一来源，华力西期侵入岩原油与干泉组上段烃源岩的生物标志化合物特征相似性较高，二叠系白云质砂岩原油与二叠系烃源岩的生物标志化合物特征相似性较高。蒙额参3 井上部白垩系巴音戈壁组烃源岩的生物标志化合物具有C30藿烷、C29降藿烷、C30莫烷、C31升藿烷含量较高，Tm 明显大于Ts，具有显著C29甾烷优势的特点，与吉格达凹陷两层原油差异明显（图12）。总之，蒙额参3 井华力西期侵入岩段及二叠系砂岩段原油与白垩系巴音戈壁组烃源岩不具有亲缘关系，其分别与石炭系—二叠系干泉组上段烃源岩和二叠系烃源岩具有良好的亲缘关系。