东海盆地西湖凹陷平湖地区油气源对比及油气运移特征分析

王 军,曹 磊,许怀智,钟荣全

(1.中海石油(中国)有限公司 上海分公司,上海 200335; 2.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065;3.陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065)

引言

平湖地区是我国东海海域西湖凹陷第一个被发现并首先开发的油气田区,具有良好油气勘探前景[1-3]。受到海上油气勘探分析化验资料相对较难获得的限制,前人对研究区油气源对比及油气运移特征的研究较为薄弱。其研究主要针对平湖地区宏观上油气运移、聚集特征[1-3],对油气源精细对比和油气运移路径研究不足,尤其缺乏对气源特征的研究。有些学者[4-8]认为,平湖地区运移模式主要是“下生上储,垂向运移”,油气主要来自原地深部烃源岩,这与最新的勘探认识和研究成果存在矛盾。

本文在前人研究成果的基础上,通过对原油和烃源岩生物标志化合物、干酪根和原油碳同位素、天然气碳同位素、天然气组分等特征的分析,开展油气源精细对比;基于地球化学指标地色层效应原理,选用δ13C1-干燥系数-iC4/nC4等多参数对天然气运移特征进行评价,选用含氮化合物绝对含量及其相关比值和原油物性对原油运移特征进行评价。

1 区域地质概况

平湖地区位于东海陆架盆地西湖凹陷平湖斜坡带南部,主断层呈北-北东走向,延伸长度100 km以上。油气田区由A断块(A1断块、A2断块、A3断块)、B断块、C断块和D断块组成。钻井揭示的地层自上而下依次为第四系东海群,上新统三潭组,中新统柳浪组、玉泉组、龙井组,渐新统花港组,以及始新统平湖组、宝石组、八角亭组(图1)。其中,平湖组为主力烃源岩[5,9-13]。平湖组形成于三角洲-海湾环境,以泥岩和薄层砂岩不等厚互层沉积,其间夹有多层0.5～4.0 m不等的煤层,泥岩以深灰色-灰黑色为主,有机质丰度高,有机碳质量分数平均1.35%,氯仿沥青“A” 质量分数平均0.11%,总烃质量分数平均647×10-6。煤有机质丰度远高于泥岩,有机碳、氯仿沥青“A”、总烃质量分数分别平均为43.3%、1.51%、6 934×10-6。平湖组内中段和下段烃源岩最为重要,上覆平湖组中段(上部)、平湖组上段和花港组为主要目的储层。

图1 平湖地区区域构造位置及地层柱状图

平湖地区从流体性质来看,花港组为轻质油层,平湖组为凝析气层,平湖地区总体上为“上油下气”的垂向分布模式[7,14-15]。

始新世平湖组下段和平湖组中段下部沉积时,研究区形成了以深灰色泥岩为主、砂泥间互、“泥包砂”样式、砂体层少且薄、碳质泥岩和煤层发育为特征的潮坪沉积。平湖组中段上部和上段主要为河流-三角洲前缘沉积,分流河道砂发育,分布横向叠加,在三角洲前端形成厚度较大、分布较广的砂坪或砂坝。始新世末,玉泉运动,凹陷整体抬升,海水退出,在凹陷部位形成了浅海湖泊环境。在平湖地区以河流为主的应力作用下,矿区花港组主要为一套网状河流相沉积,砂体垂向厚度大,横向连片,纵横交错,向上过渡为一套河流-泛滥平原相沉积,砂岩分选好,储油物性好,分布广。

2 样品及分析条件

本次研究中,分析了平湖地区8口井约150个原油和天然气样品,这些样品主要来自花港组的轻质原油、平湖组的天然气以及平湖组的凝析油(天然气到井口反凝析产物)。确定原油和凝析油生标、原油和凝析油同位素,天然气族组分、天然气碳同位素、原油物理性质的实验是在中海油实验中心和中国石油大学(北京)重质油国家重点实验室完成的。共收集了10口井的平湖组100多个烃源岩样品,并对这些烃源岩样品的饱和烃及芳香烃馏分进行气相色谱-质谱分析(GC-MS)和碳同位素分析,这两类分析测试是在中海油实验中心完成的。

GC-MS分析仪器为Thermo-Fisher的Trace1310-ISQ气相色谱质谱联用仪,配备HP-5MP弹性石英毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)。载气为99.999%氦气,载气流速:1 mL/min;色谱柱初始温度为50 ℃,以20 ℃/min的速度升温至120 ℃,再以4 ℃/min的速度升至310 ℃,最后保持30 min。在质谱分析中使用70 eV EI源,发射电流为100 mA,离子源温度为230 ℃,传输线温度为250 ℃,选择性离子扫描。原油碳同位素使用设备为Elementar UNCUBE-IsoPRIME 100,以氦气作为载气,载气流速100 mL/min,反吹流速250 mL/min;燃烧气体为纯氧,流速250 mL/min;燃烧管温度1 100 ℃,反应管温度为850 ℃。

3 原油地球化学特征及油源对比

3.1 原油物性特征

西湖凹陷平湖地区已发现的原油主要分布在花港组,前人通常根据井口原油密度对原油进行分类,平湖地区的原油密度为0.75～0.79 g/cm3,平均0.83 g/cm3。原油表现出轻质油的特征(低密度、低含蜡量)(表1)。

表1 平湖地区花港组原油物性

3.2 原油生标特征

3.2.1 类异戊二烯特征

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)均为植烷系列类异戊二烯烷烃,是光合作用中叶绿素的植醇侧链的成岩作用产物,在还原条件下,植醇脱水加氢形成植烷,在氧化条件下,植醇则先形成植烷酸,进而脱羧形成姥鲛烷[16]。因此,Pr/nC17,Ph/nC18以及Pr/Ph可以反映烃源岩沉积时期的沉积环境。一般情况,Pr/Ph<1.0为还原环境,1.0～2.0为弱还原-弱氧化环境,>2.0为氧化环境,>2.5为煤系地层沉积环境[17]。平湖地区花港组原油表现出弱氧化-弱还原条件成因(Pr/Ph:0.3～2.6,平均1.5),平湖组凝析油(天然气到井口反凝析产物)整体表现出氧化条件成因(表2)。

表2 平湖地区花港组原油、平湖组凝析油Pr/Ph、Gam/C30H分布

3.2.2 藿烷系列特征

藿烷类化合物是沉积物中分布最广泛的一类生物标志化合物,其大多为细菌群落生源。根据研究区原油与烃源岩中存在的藿烷系列化合物的差异特征,本文主要使用C30藿烷(C30H)、C30重排藿烷(C30Dia)、奥利烷(Olean)、伽马蜡烷(Gam)作为特征生标对原油进行评价。根据C30Dia、Olean/C30H以及Gam/C30H分别对奥利烷和伽马蜡烷进行评价。

前人研究认为,C30Dia形成于氧化环境中,为黏土矿物催化的产物[18],因此,该生物标志化合物具有沉积环境指示意义。在平湖地区,花港组原油C30Dia含量相对较低(图2(a)(c)(d)),而平湖组凝析油C30Dia含量相对较高(图2(b)),两个层位的原油表现出明显的差异。

图2 平湖地区不同层位原油、凝析油及不同岩性烃源岩饱和烃m/z191、m/z217谱

奥利烷的检出一般代表高等植物生源输入[19],根据现有数据分析发现,平湖地区平湖组的凝析油Olean/C30H比值要高于花港组原油(图2(a)-(d)),平湖组凝析油生源比花港组原油可能有更多的高等植物生源输入。伽马蜡烷的前身物是四膜虫,该类生物主要出现在盐度较高的沉积环境中[20],因此,伽马蜡烷含量较高(Gam/C30H>0.2)一般指向高盐度的咸水沉积环境。平湖地区Gam/C30H:0.01～0.65,平均0.22,表现咸水的海相沉积环境(图2)。

3.2.3 甾烷系列特征

本文主要根据C27ααα(20R)、C28ααα(20R)、C29ααα(20R)规则甾烷相对丰度和重排甾烷的分布对原油甾烷特征进行评价。甾烷类化合物几乎都来源于真核生物,一般认为水生生物富含C27甾烷,而高等植物富含C29甾烷,因此,C27甾烷与C29甾烷的相对丰度可以反映原油的生源构成特征[21]。重排甾烷出现主要的成因有酸性物质(如黏土矿物)催化作用以及热成因,其中重排甾烷的相对含量和C29甾烷20S/(20S+20R)、ββ/(αα+ββ)可作为原油成熟度指标[22]。

西湖凹陷平湖斜坡带原油中C27-C28-C29甾烷构型中“L”型、“V”型、反“L”型以及上升型均有分布(图3)。

图3 平湖地区平湖组凝析油及烃源岩饱和烃m/z191、m/z217谱

其中,“L”型代表C27规则甾烷占优势,表明生源以浮游水生生物为主;“V”型代表C27与C29甾烷相对含量相似,表明其主要为混合生源;反“L”型代表C29甾烷占优势,表明生源以高等植物为主。平湖地区花港组原油主要为“L”型(图2(a)(c)(d)),平湖组凝析油为“V”型(图3(b)(c))。

3.3 原油碳同位素特征

前人基于对典型陆相、海相烃源岩生成的原油饱和烃和芳烃δ13C的统计,提出典型陆相和典型海相原油同位素分别具有以下关系:δ13Caro(芳烃)=1.12δ13Csat(饱和烃)+5.45(陆相),δ13Caro(芳烃)=1.10 δ13Csat(饱和烃)+3.75(海相);从平湖地区原油δ13Csat与δ13Caro交汇图可以看出(图4),平湖地区花港组原油主要来自海相烃源岩,平湖组凝析油既有湖相也有海相烃源岩贡献。

图4 平湖地区原油和凝析油饱和烃δ13C与芳烃δ13C交汇图(据Sofer[23])

3.4 油源对比

本文综合使用Pr/Ph(姥鲛烷/植烷)、C30Dia(C30重排藿烷)、Olean(奥利烷)、Gam(伽马蜡烷)、C27-C28-C29甾烷构型进行油源对比研究。

平湖地区主要分为两类原油,第一类主要为花港组原油(图2(a)(c)(d)),表现出C30Dia含量较低,甾烷构型为“L”型,均含有丰富的重排甾烷,Gam/C30H=0.02(平均值),Olean/C30H含量明显。这与H11井(D断块)平湖组中段上部(简称平中上段)泥岩生标特征相似(图2(e)(f))。前人研究还认为,西湖凹陷平中段和平下段烃源岩中,平中段更为重要,其厚度大,指标好[24-25],因此,本文认为平湖地区花港组原油主要来自近源D断块平中段烃源岩。

平湖地区第二类主要为平湖组凝析油(图2(b)、图3(a)-(c)),表现出C30Dia含量明显,甾烷构型为反“L”型或近“V”型,重排甾烷含量相对较低,Gam/C30H=0.01(平均值),Olean/C30H含量较高。研究区D断块平中段烃源岩具有典型的甾烷“L”型特征、而A断块平中段烃源岩则具有典型的甾烷反“L”型特征(图3(d),图5),认为平湖地区平湖组凝析油主要来自A断块(图5)以及A断块和D断块的混源。

图5 平湖地区烃源岩(A断块)、原油和凝析油饱和烃甾烷三角图

研究区花港组和平湖组原油族组分中饱和烃碳同位素主要介于-27‰～-28‰,芳烃碳同位素主要介于-25‰～-26‰,碳同位素特征与H11井(D断块)平中段烃源岩抽提物族组分中饱和烃和芳烃碳同位素十分相似(表3)。烃源岩及原油碳同位素特征显示出与生标特征一致的结果。

表3 平湖地区D断块H11井平中段烃源岩抽提物族组分的碳同位素

4 天然气成因类型与气源对比

4.1 天然气成因类型与分布特征

前人针对天然气成因研究提出了多种天然气组分与同位素相关图版[26],这些图版在天然气成因判识和天然气勘探中取得了很好的应用效果,并得到广泛认可。

平湖地区凝析气主要分布于平湖组,天然气干燥系数在0.80～0.94,平均0.86,δ13C1分布在-46.0‰～-35.4‰,平均-38.6‰。天然气成因方面,依据戴金星[26]δ13C2-Lg(C1/(C2+C3))天然气成因鉴别图版分析,研究区天然气主要为凝析油伴生气和煤成气;同时,δ13C1-δ13C2-δ13C3有机成因烷烃气鉴别图版[27]显示,研究区H6井平湖组天然气样品具有Ⅲ型干酪根煤型气特征,其他样品基本为油型气和煤型气的混合气,少量油型气。另外,从δ13C1-C1/(C2+C3)天然气成因判别图版可以看出,研究区天然气主要为Ⅱ和Ⅲ型干酪根成因,与平湖地区烃源岩类型较为一致[24-25]。

4.2 气源对比

天然气δ13C1随烃源岩成熟度增大而增大,前人提出了多种根据天然气δ13C1计算腐泥型、腐殖型天然气成熟度的公式,并在具体的天然气勘探中取得了很好的应用效果[28]。因此,根据天然气δ13C1计算天然气成熟度来分析气源是有效可靠的。

Xiong Cheng[29]基于西湖凹陷平湖斜坡带烃源岩热模拟得到的天然气碳同位素及对应的烃源岩成熟度数据提出了公式δ13C1=58.67lgRo44.37。本文根据该公式计算得到平湖地区天然气成熟度Ro在1.28%～1.45%(表4)。前人研究认为平湖地区所在的平湖斜坡带均以晚期成藏为主(5 Ma-现今)[24-25],烃源岩在成藏关键时刻H5井附近(A断块)和H11井附近(D断块)的Ro值介于1.20%～1.40%(图6),这与本文计算的平湖组天然气成熟度较为吻合。同时,在2.4节中分析的平湖组天然气在井口的凝析油主要来自A断块和D断块的混源,二者的研究结果是一致的。

表4 平湖地区平湖组天然气组分碳同位素统计

图6 平湖地区平中段烃源岩在成藏关键时刻(5 Ma)的平面热演化图

5 油气运移特征

油气运移特征的评价是油气动态成藏以及油源对比的证据,本文主要基于地球化学指标的地色层效应,对天然气选用δ13C1-干燥系数-iC4/nC4组合参数对天然气运移进行评价[30],选用含氮化合物绝对含量[31]以及原油物性[32]对原油运移进行评价。

一般情况,随着天然气运移距离的增加,δ13C1逐渐变轻,干燥系数逐渐增加,iC4/nC4则逐渐增加;随着原油运移距离的增加,屏蔽型咔唑(1,8DMC)/开放型咔唑(2,7DMC)比值逐渐增加,含氮化合物总含量逐渐降低[5,15];随着油气运移距离的增加,原油密度逐渐减小。

平湖地区花港组原油含氮化合物指示的运移特征十分明显,从H1井花上段到H4井花上段含氮化合物绝对含量降低,屏蔽型咔唑/开放型咔唑比值略增加。H4井花下段到H5井花下段含氮化合物绝对含量降低,屏蔽型咔唑/开放型咔唑比值略增加(图7)。花港组原油从H1井运移到H4井再运移到H5井。结合油源对比的结果,花港组原油的运移路径为H11井→H1井→H4井→H5井,从D断块(H11井)→A2断块(H1井)→A1断块(H4井、H5井),原油运移需跨越多个断阶(图8),表现为断层垂向沟通烃源岩,砂体短距离横向运移特征(H11井到H5井约5.5 km),垂向+短距离的侧向运移(断砂搭接运移)的特征(图9)。

图7 平湖地区油气运移参数剖面示意图

图8 平湖地区天然气运移参数平面示意图

图9 平湖地区油气运移综合剖面示意图

平湖地区平湖组凝析油是研究平湖组天然气运移的重要辅助手段,从H1井到H4井,平湖组凝析油整体上含氮化合物绝对含量降低,屏蔽型咔唑/开放型咔唑比值增加(图7);类似的从H5井到H4井,平湖组凝析油整体上含氮化合物绝对含量降低,屏蔽型咔唑/开放型咔唑比值增加(图7)。同时,垂向上平湖组凝析油密度的变化特征也十分明显,随着油气运移距离的增加,凝析油密度逐渐减小(图7)。平湖组凝析油具有混源的特征,侧面佐证平湖组天然气具有混源的特征(图8、图9)。

平面上,平湖地区平湖组天然气从H11井→H1井→H5井即图12AA′方向,iC4/nC4组合参数大体呈现越来越大的趋势,干燥系数整体而言,参数整体呈现越来越大的趋势;从D断块(H11井)→A2断块(H1井)→B断块(H2井)即图12BB′方向,iC4/nC4和干燥系数增大的趋势明显(图8)。垂向上,iC4/nC4和干燥系数也呈现越来越大的趋势,H5井和H2井δ13C1逐渐变轻(图8)。综合平湖组凝析油运移特征认为,平湖地区天然气为垂向运移和短距离侧向运移为主,呈现典型的混源特征(图8、图9)。

6 结 论

(1)东海盆地西湖凹陷平湖地区花港组原油表现出C30Dia含量较低,甾烷构型为“L”型,均含有丰富的重排甾烷,Gam/C30H=0.02(平均值),Olean/C30H含量明显。这与H11井平中上段泥岩生标特征相似,平湖花港组原油主要来自近源D断块平中段烃源岩。

(2)平湖地区第二类主要为平湖组凝析油,表现出C30Dia含量明显,甾烷构型为近“V”型,重排甾烷含量相对较低,Gam/C30H=0.01(平均值),Olean/C30H含量较高。平湖地区平湖组凝析油主要来自A断块和D断块的混源。平湖组天然气成熟度Ro在1.28%～1.45%,烃源岩在成藏关键时刻H5附近(A断块)和H11附近(D断块)的Ro值介于1.20%～1.40%,与平湖组天然气计算的成熟度较为吻合。

(3)平湖地区花港组原油含氮化合物指示的运移特征十分明显,花港组原油的运移路径为H11→H1→H4→H5,原油表现为短距离横向运移特征。平湖地区天然气以垂向运移和近距离侧向运移为主,呈现典型的混源特征。