牛心坨油田中生界原油地球化学特征及油源对比

王 杨

(中国石油辽河油田分公司,辽宁 盘锦 124010)

牛心坨油田坨32块具备油气成藏基本地质条件,钻探证实油井具有一定产能,但还存在着如下地质问题:一是新发现坨32、坨33井中生界油层的油源不清楚;二是如果存在中生界油源,那么中生界的母源在什么部位,其资源潜力有多大?三是本区下第三系资源潜力如何?本文除采用常规的有机地化分析指标对该地区进行有机质丰度、有机质成熟度及有机质母质类型研究外,还采用了色谱/质谱、双质谱、含氮化合物、碳同位素δ13C等新方法,对烃源岩有机地球化学特征作了研究,并重点在油-岩和油-油对比研究方面作了探讨。

1 地质概况

1.1 构造特征

自燕山运动本区进入区域性构造活动期,早第三纪古新世晚期,地幔拱张,地壳块断,沿张家街大断裂玄武岩喷发,始新世时期(S4)地壳开始沉降,形成高升“隆起”、陈家洼陷、台安洼陷和牛心坨洼陷等构造单元[1]。始新世末和渐新世初(S3)发生较强的断裂活动,沉降幅度可达1 000 m以上,沙三段末期又抬升遭受剥蚀。沙一段时期盆地稳定沉降,东营时期再次较大幅度沉降,而北部牛心坨构造快速抬升,致使沙一段和沙三段上部地层遭受剥蚀,至渐新世末基本上停止了拉张运动。因此本区的构造特点是正逆断层交错存在,断裂活动的分期性及分段性,造成不同构造演化阶段及不同洼陷烃源岩分布具有明显的差异。

1.2 地层特征

本区的地层从老至新发育比较完整,太古界主要为混合花岗岩,元古界为白云岩、石英砂岩和变余石英岩,中生界地层主要分布在牛心坨洼陷北部和张家街西北部的宋家洼陷,由可疑沙四段、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段及东营组组成下第三系,馆陶组、明化镇组则组成上第三系。沙四段是本区的主要含油层段,沙四段下部主要发育牛心坨油层,沙四段中部主要发育高升油层,沙四段上部主要发育杜家台油层[2]。

1.3 沉积特征

本区早第三纪早期属大陆湿热气候,沙四时期玄武岩喷发后,进入裂谷盆地早期裂陷阶段,地壳缓慢沉降、高升“隆起”的两侧相对沉陷,形成陈家洼陷、台安洼陷的初始形态及牛心坨洼陷[3]。依其沉降的大小,三个洼陷相应为湖湾、湖湾-浅湖和湖相环境,横向上沉积环境由南至北逐渐变差。纵向上陈家沙四、沙一为强还原相,陈家沙三、台安沙一、沙三及牛心坨中生界为还原偏弱还原相,宋家中生界、牛心坨沙四为弱还原相,其它层段属于弱氧化—氧化相。

2 烃源岩特征

沙一、二段—东营组埋藏较浅且分布局限,暗色泥岩多分布在生油门限之上,未成熟,不能作为有效烃源岩,烃源岩主要为下第三系的沙三段～沙四段,中生界暗色泥岩在宋家凹陷比较发育。沙三段的沉积北薄南厚,中心在陈家凹陷,暗色泥岩最大厚度可达1 000 m。沙四段沉积北厚南薄,沉积及沉降中心主要分布在牛心坨地区,沉积厚度最大1 434 m(坨25井未钻穿),暗色泥岩沉积厚度300～800 m,单层最大厚度可达到249 m。

2.1 有机质丰度

从纵向看,本区烃源岩S4段有机碳含量、氯仿沥青A含量、总烃含量以及生油潜量均较高,属于好—良好生油岩。其中陈家S4、台安S4、高升地区S4中段、牛心坨地区S4下段最好,高升地区S4上、牛心坨地区S4中为好生油岩,高升地区S3为中等生油岩,牛心坨地区S4上、S3段为差生油岩。从横向上,由于各凹陷构造演化特征不同,造成各凹陷的湖盆形成时期、持续时间、湖盆大小及水体深度等都有差异,致使烃源岩的有机质丰度及类型等指标有所差异,相同层位烃源岩以陈家凹陷最好,其次是牛心坨凹陷,较差是台安洼陷和宋家凹陷(见表1)。

2.2 有机质母质类型

本区烃源岩母质类型以Ⅱ1～Ⅱ2型为主。从横向看,陈家凹陷类型最好,以Ⅱ1型居多;牛心坨凹陷是Ⅱ1～Ⅱ2型。从纵向看,S4下、S4中湖相-湖湾环境发育的泥岩、白云质泥岩、油页岩等有机质类型较好,以Ⅰ型、Ⅱ1型为主;其次,高升地区S4上湖相、扇三角洲相发育的泥岩,有机质类型以Ⅱ1、Ⅱ2型为主;牛心坨地区S4上以及S3段扇三角洲～浅湖沉积的泥岩有机质类型较差,以Ⅲ型为主(见表2)。

2.3 有机质成熟度

西部凹陷北部地区有机质的Ro、Tmax、20S/(20S+20R)、22S/(22S+22R)等指标偏低,热演化程度偏低,属于低成熟至成熟阶段[4]。其中高升地区成熟门限深度在2 465 m 左右,台安凹陷沙四段至沙三段下部的烃源岩基本上在低熟—成熟阶段,牛心坨地区成熟度在1 800 m(或沙四中段以下)左右,其北部沙四段烃源岩为低熟～成熟烃源岩,而南部沙三段底界埋深一般>3 200 m,所以,沙四段及沙三段中、下部烃源岩进入了低熟—成熟门限(见表3)。从烃源岩的成熟度来看,牛心坨凹陷的油气主要源于沙四段烃源岩,高升北部台安地区的油气主要源于沙三段与沙四段烃源岩,高升南部地区的油气源于陈家凹陷的沙三、沙四段烃源岩。

表1 西部凹陷北部地区有机质丰度参数

表2 西部凹陷北部地区干酪根显微组分特征

表3 西部凹陷北部地区有机质热演化参数

3 可溶有机质生物标志物特征

3.1 正构烷烃系列

烃源岩中正构烷烃从nC13～nC39均有分布,峰形有多种形态,以前高双峰和后高双峰形态为主,指示了该地区有机质以菌藻类低等水生生物及高等植物双重生源输入的特征。

3.2 类异戊二烯烷烃系列

该地区的植烷系列是在饱和烃馏份中占绝对优势的类异戊二烯烷烃化合物,其姥植比普遍小于1或在1左右,即偏氧化沉积环境,其它井段都显示出强的植烷优势,即强还原的咸水沉积环境;沙四上段和沙三段、甚至中生界也是这样,大多数姥植比值小于1或在1左右,表明该地区沉积环境为强还原的咸水沉积环境,而且相对较为稳定。

3.3 三环萜烷系列和四环萜烷

该地区的烃源岩有机质饱和烃馏份中,三环萜烷系列是比较常见的生物标志物,虽然C24四环萜烷在烃源岩中不常见,但在原油中也有较高的含量,而且不同层位的烃源岩和原油其三环萜烷系列和四环萜烷的分布与组成特征也存在一定差异。烃源岩中的C21和C23的相对丰度大于C19和C20,个别样品C23的相对丰度远大于C19和C20,而且C24四环萜烷的含量极少或没有,具有长链三环萜烷的C28和C29的含量也较高,表明该地区烃源岩的沉积环境为湖相,沉积水体较深,还原性较强,低等生物如菌藻类的供应较充分。原油的三环萜烷分布特征与烃源岩基本相似,但原油中较高含量的C24四环萜烷与原油生成后发生降解有关[5]。

3.4 三萜烷

该地区烃源岩及原油有机质饱和烃馏份中的(五环)三萜烷包括C27～C35藿烷系列、重排藿烷、新藿烷、伽马蜡烷以及奥利烷等几类生物标志物,其中藿烷系列是三萜烷中的主体。总体上看,沙四段三萜烷系列的分布特征均有一定的可比性,表现为C30藿烷是三萜烷系列中的主要成员,其次是C29降藿烷、C31升藿烷和伽马蜡烷。原油中三萜烷的分布特征与烃源岩的分布特征有很大的相似性,主要成员都是藿烷和降藿烷,但原油中增加了不同程度的重排藿烷。在中生界的原油中,伽马蜡烷的相对含量也丰富,和中生界烃源岩中的伽马蜡烷分布很相似。此外,中生界原油中奥利烷的含量很少或没有,而沙四原油及太古界原油中奥利烷的含量相对较丰富。

3.5 甾烷系列

该地区甾烷系列主要由C27～C29规则甾烷组成,而C27重排甾烷和C30胆甾烷以及C21～C22孕甾烷的相对丰度较低。甾烷的分布主要有三种类型:即V—反L型C28 C29> C28三种类型。沙四段、太古界原油中规则甾烷的分布主要以斜坡型C27

4 油源对比

油源对比目的在于追踪储层中油气的来源,目前所用的方法主要是正构烷烃碳数分布特征、生物标志物组成特征和稳定碳同位素组成分析[6]。

4.1 正构烷烃分布及类异戊二烯烷烃特征

4.2 甾、萜烷等生标化合物特征

甾、萜烷烃的相对含量和立体构型特征主要受有机质母源输入条件、沉积环境和有机质热演化程度的共同控制[7],可以根据甾、萜烷系列化合物分布规律进行油源对比,其中生物标志物多因素对比、系列组分指纹图对比以及各参数相关图对比是最有效手段。

1)规则甾烷原始构型(20R)化合物碳数分布。规则甾烷原始构型的碳数分布能够灵敏地反映烃源岩的母质特征,确定原油、烃源岩之间成因联系[8]。该地区烃源岩规则甾烷的分布主要有三种类型:即V—反L型C28 C29> C28(坨24中生界)三种类型。原油规则甾烷的分布有太古界和沙四段直线斜坡型C27

2)萜烷分布特征。牛心坨地区烃源岩及原油萜烷的分布有以下特征:沙四段(坨35-33)和太古界(坨12)的油源是一致的,而中生界的原油(坨32和坨33)相互间有很强的可比性。此外,在沙四和太古界原油里还检测到代表成熟度较低的ββ藿烷。从岩-岩对比来看,沙四段烃源岩的萜烷分布相互之间相似,坨32中生界烃源岩含有较丰富的三环萜烷和伽马蜡烷,其相对较丰富的伽马蜡烷和坨24井中生界的烃源岩相似。从油-岩对比上看,沙四段的原油和烃源岩相似,而坨32的中生界原油和中生界烃岩有可比性,坨24中生界烃源岩和中生界原油的共同点是伽马蜡烷含量较高。

3)生物标志物多因素综合对比。影响生物标志物组成的因素是十分复杂,任何单一指标判断烃源岩与原油具有亲缘都具有局限性[9],在岩-岩、油-油、及油-岩对比中,把源岩参数、成熟度参数及沉积环境参数结合起来应用,如伽马蜡烷/藿烷与伽马蜡烷/C31(S+R)、Ts/Tm与C29/C29Ts、重排藿烷/藿烷与C29/C29Ts、重排藿烷/藿烷与伽马蜡烷/藿烷等,可以取得较好的对比效果,中生界原油与中生界烃源岩之间均具有相近的参数分布(见图1)。沙四和太古界的原油参数分布相近,且与沙四的烃源岩具有可比性,但中生界烃源岩与沙四烃源岩、中生界原油与沙四及太古界原油没有可比性(见图2)。

4.3 原油中性氮化合物组成特征

原油中性含氮化合物是一种极性组份,在原油运移成藏的过程中,随着运移距离的增加,原油中咔唑类化合物将发生规律性变化[10]。中生界原油与牛心坨凹陷沙四段原油中性含氮化合物烷基咔唑含量数据和屏蔽参数比值存在较大差异(见表4),中生界原油烷基咔唑屏蔽参数和烷基化参数从坨33井向坨32井呈逐渐增加的趋势,同时烷基靠近N—H官能团的衍生物(如1,8-二甲基咔唑)与烷基远离N—H官能团的衍生物(如2,4-二甲基咔唑)之间的相对比例a/c值降低,其变化规律与来自沙四的原油没有延续一致的变化趋势。利用苯并咔唑a/c比值也可以预测运移距离,距离越远比值越小,坨32、坨33较高的苯并咔唑相对含量和a/c比值至少可以证明坨32、坨33井原油不是从远距离的牛心坨凹陷沙四段运移而来的。另外,宋2井原油与坨32、坨33井原油具有相似的较高比例苯并咔唑特征,不同于牛心坨沙四段原油。

表4 原油中性含氮化合物C0-C3取代烷基咔唑和苯并咔唑的相对含量及比值

4.4 稳定同位素特征

沙四段烃源岩的饱和烃与干酪根δ13C平均值分别为-27.25‰和-26.7‰,中生界源岩的饱和烃和干酪根平均值分别为-29.63‰和-29.0‰,沙四源岩有机质比中生界源岩有机质富重碳同位素13C。中生界原油的碳同位素相近且平均值为-29.68‰,接近于中生界源岩同位素值(-29.63‰和-29.0‰)且略轻,表明中生界原油与中生界源岩具有较好相关性。而与沙四段烃源岩同位素值(-27.25‰和-26.7‰)差距相对较大,说明中生界原油与沙四源岩有机质存在差异,不具亲缘关系。同位素分析与生标研究结论一致,即中生界的原油不同于沙四和太古界的原油,沙四和太古界的原油来源于沙四段烃源岩,中生界的原油来源于中生界的烃源岩。

5 结论

1)牛心坨凹陷烃源岩有机质丰度以沙四段为最好,而坨32块中生界烃源岩的生油指标较差,生油潜力有限。

2)本区烃源岩母质类型以Ⅱ1～Ⅱ2型为主,烃源岩中的有机质成熟度偏低,属于低熟-成熟这一演化阶段。

3)牛心坨沙四段及太古界的原油来自牛心坨凹陷中心的沙四段烃源岩,而中生界的原油不同于沙四段及太古界的原油,油源来处于中生界,属于自生自储,但油源有限。

4)牛心坨中生界坨32、坨33井原油与宋家凹陷中生界宋2井原油具有相似的成熟度、稳定碳同位素特征、甾萜烷分布特征以及较高苯并咔唑比例,这些特征不同于牛心坨凹陷的沙四段烃源岩和原油。