文安斜坡带原油芳烃组成特征及其成因分析

文安斜坡带原油芳烃组成特征及其成因分析

中南海是中国重要的油气分布区之一。富生烃沉积层中氮源岩的广泛分布为该地区油气资源的奠定了基础。分类。文安斜坡面积约2000km２,紧邻霸县凹陷,具备有利的油气富聚条件,其油气的成因及其富聚规律一直倍受关注。多年油气勘探显示,该区南北地质特征的差异,导致该斜坡带南北油气富集规律的复杂性［２］。油气藏的形成实际上是油气从富生烃凹陷生成、经输导体系中运移、至圈闭中富聚的结果［３，４］,在这一油气富聚过程中,同时伴有油气分子组成上的规律性变化［５］。石油地球化学研究可通过剖析分子组成变化揭示其油气富聚规律［６］。原油饱和烃分子组成,特别是生物标志物组成非均质性的研究,已成为揭示油气成因及富聚规律的有效手段［７］,然而,作为原油重要组成部分的芳烃化合物,相关研究则相对较薄弱。为此,笔者试图通过对文安斜坡原油芳烃分子组成的剖析,结合生物标志物研究成果［８］,揭示斜坡带不同构造单元分子组成非均质性的变化规律,以期有助于深入认识该区油气成因及富集规律。1文安斜坡早古近纪构造格局文安斜坡带位于霸县凹陷东部,东临大城凸起,西与霸县洼槽及马西-鄚州洼槽相邻,向南延伸到饶阳凹陷的南马庄构造带,向北以里坦断层与武清凹陷相隔。文安斜坡紧邻富生烃凹陷,具有较为优越的油源条件:其有效烃源岩层主要分布于沙河街组,具有厚度大、有机质类型好、丰度高、热演化程度大多处于生烃门限等特点。研究区发育有多套储层,主要包括古近系沙四段(Es４)、沙三段(Es３)、沙二段(Es２)、沙一段(Es１)、东营组(Ed)及新近系馆陶组(Ng)等,以三角洲沉积体系为主,为油气聚集提供了足够的空间［９］。文安斜坡形成于喜山运动之后基底断块的继承性翘起作用。斜坡基底古生界和中生界呈明显的楔状,向西逐渐尖灭。古近系则变为北北东向延伸、东抬西倾的缓坡。文安斜坡形成早,具继承性发育,斜坡之上古近系地层逐层由西向东逐渐减薄。古近纪构造运动使文安斜坡发育有一系列北北东向、北东向、北西向三组断裂体系和北西向断裂鼻状构造带,呈雁行排列与斜坡小角度斜交。其中北西向鼻状构造以及呈雁行排列的北东向正断层是文安斜坡的主要构造形态。自南向北形成了议论堡、长丰镇、史各庄、苏桥等断裂鼻状构造单元,均是油气聚集的有利区域,易形成地层构造和岩性构造复合油藏［１０］。2分析方法及质谱条件样品主要取自文安斜坡带,主要分布在议论堡、长丰镇、史各庄及苏桥鼻状构造带,共取得14件原油样品,11件油砂样品,样品信息及部分芳烃化合物参数见表1。样品的分析工作在长江大学地球化学测试分析研究中心完成。主要方法是将原油(或油砂氯仿抽提物)经异辛烷沉淀沥青质后直接进行GC/MS分析。GC/MS分析在HP6890/5973MSD上完成;色谱柱为HP-5MS(30m×0.25mm×0.25μm),载气为氦气;升温程序为40℃恒温2min,然后以4℃/min的程序升温至300℃,再恒温15min。质谱采用多离子检测模式,质谱电离方式EI,离子源电离能量70eV,质量扫描范围50~550amu,扫描间隔2s。芳烃化合物定性主要是基于其质谱特征及色谱相对保留时间与公开发现文献的对比［１１］,其定量均采用质荷比为分子离子的质量色谱图峰面积。3结果与讨论3.1文安斜坡富聚的油气密度特征萘系列化合物普遍存在于沉积有机质和原油中,其分布特征与热演化程度、有机质类型以及原油的次生蚀变作用有关［１２－１９］。文安斜坡带原油样品中检出了丰富的具有不同取代特征的的萘系列化合物(C０－５-萘),主要包括萘(N)及其甲基取代化合物:甲基萘(MN)、二甲基萘(DMN)、三甲基萘(TMN)、四甲基萘(TeMN)、五甲基萘(PMN)。对萘系列化合物分布特征(见图1)的分析发现,油砂样品与原油样品具有显著的差异:所有油砂样品中低碳数化合物均具有严重损失,这一差异可能是由于低碳数萘系列化合物具有较高的挥发性,在油砂样品保存过程中损失所致。因此,在讨论萘系列分布特征时,仅限于原油样品。原油样品中萘系列主要分布特征表现为低碳数取代化合物(C０－、C１-萘)丰度相对较高,而高碳数取代化合物(C２~C５-萘)则随取代基的增加,相对丰度具有降低的趋势(见图1(a))。对烷基萘相关参数的分析发现(见表1),史各庄构造带文46-1井及苏55-平1井2样品具有明显的异常。基于饱和烃分子组成特征的研究可知,这2口井的原油均经历过较严重的微生物降解作用［８］。微生物降解作用对烷基萘分布特征的影响最早发现于澳大利亚原油［１２］,在中国辽河盆地原油中也有报道［１３］。因此,烷基萘化合物分布的这种异常可能是遭受较严重微生物降解作用的结果。苏71井、文11-71井、文102井等原油样品饱和烃分子组成的剖析亦展现出相对较轻的微生物降解特征［８］,但烷基萘参数的变化并未表现出异常(见表1)。这一特征预示轻度的微生物降解,对该区萘系列化合物的影响不大。除微生物降解作用外,热演化是影响烷基萘分布特征的另一主要因素。随成熟度增加,烷基萘系列中热稳定性较高的异构体(β位具取代基的异构体)的相对丰度升高;因此,具有不同热稳定性的烷基萘异构体比值常用于衡量有机质的热演化程度;常用参数有2,6-+2,7-/1,5-DMN［１４］、2,3,6-/1,4,6-+1,3,5-TMN［１５］、1,3,7-+2,3,6-/1,3,5-+1,3,6-+1,4,6-TMN［１６］、1,3,6,7-/1,3,6,7-+1,2,5,6-+1,2,3,5-TeMN［１７］。从上述相关成熟度参数来看,其变化特征明显(见表1),预示文安斜坡富聚有不同热演化程度的原油。对相关成熟度参数变化特征的分析发现,参数间具有颇为一致的变化趋势,如2,3,6-/1,4,6-+1,3,5-TMN与1,3,6,7-/1,3,6,7-+1,2,5,6-+1,2,3,5-TeMN展现出颇佳的线性相关性(见图2)。结合区域构造分布特征发现,其成熟度参数于议论堡构造带原油具有相对较低值,史各庄及苏桥构造带原油具有相对较高值。这一不同构造单元具有不同成熟度原油的分布,可能预示其不同的油气富聚特征。此外,部分烷基萘异构体可能具有特殊的生源指示。Strachan等认为1,2,7-TMN可能源于被子植物组成香树脂醇的输入［１８］;Alexander等认为1,2,6-TMN可能与微生物先质输入相关［１９］。因此,1,2,7-/1,2,6-TMN比值的差异可能预示油源的不同。分析发现,该参数于文安斜坡南北区块具有明显差异,这可能预示存在不同的油气成因类型。成熟度参数1,3,7-+2,3,6-/1,3,5-+1,3,6-+1,4,6-TMN与油源参数1,2,7-/1,2,6-TMN的对比可以发现,位于斜坡带北边的史各庄和苏桥构造带原油具有较好的一致性,而南边的议论堡构造带原油则具有明显的差别(见图3)。由此可见,文安斜坡带南北区块原油在热演化程度和有机质的输入均存在明显差异。这一特征与生物标志化合物研究结论相吻合［８］。3.2文安斜坡带油砂烷基菲分布特征菲系列化合物是目前应用最广的芳烃组分之一,其分布特征受热演化程度、有机质输入、沉积环境以及次生蚀变作用等多种因素控制［２０］。对文安斜坡带原油(油砂)样品的分析均检出了丰富的菲系列化合物(C0-4-菲),主要包括菲(P)及其甲基取代化合物:甲基菲(MP)、二甲基菲(DMP)、三甲基菲(TMP)等(见图4)。总体来看,烷基菲系列表现出随取代基数目的增加化合物的相对丰度具有降低的分布特征。从菲系列的分布特征来看,油砂样品与原油样品并未检出明显的差别,预示在油砂样品保存过程中菲系列化合物的损失远低于萘系列化合物。对烷基菲常用参数的分析发现(见表1),文108井油砂、文46-1井和苏55-平1井原油样品具有明显的异常。基于相关饱和烃及烷基萘分布特征的研究可知,烷基菲分布的异常可能是较严重的微生物降解作用所致;微生物降解对烷基菲的影响也见于中国辽河盆地原油［１３］。甲基菲异构体的分布最成功的应用就是确定有机质的热演化程度,最常用的参数是甲基菲指数MPI1,对于Ⅲ型有机质MPI1与镜质体反射率具有良好相关性［２１］。由表1可以看出不同构造带之间原油的甲基菲指数变化规律不太明显,这说明甲基菲指数可能不适合于该区原油成熟度的评价,也可能间接预示文安斜坡带原油可能并非源于Ⅲ型有机质［２２］。对文安斜坡带原油烷基菲分布特征的分析发现,参数1,2,8-TMP/∑TMP和1,7-/2,3-DMP具有较明显的变化(见表1)。Budzinski等认为1,2,8-TMP的相对丰度与原油的热演化程度相关［２３］;而Armstroff等则认为其相对丰度变化也可能反映有机质来源的差异［２４］。将参数1,2,8-TMP/∑TMP与1,7-/2,3-DMP作图可以看出,2参数具有颇佳的相关性(见图5)。结合该参数在不同构造带分布来看,其区域分布特征明显:议论堡与长丰镇构造带具有相对较高值,史各庄与苏桥构造带比值相对较低值。这进一步预示文安斜坡带南北区块原油在热演化程度和有机质的输入等方面均存在差异。3.3文安斜坡带各构造单元原油油砂样品的dbt/p比对作为杂环类化合物,二苯并噻吩类化合物业已成功应用于原油成熟度评价及沉积环境的判识［２５］。在一定沉积环境下,烷基二苯并噻吩的分布特征主要受控于热演化程度。甲基二苯并噻吩比值4-/1-MDBT和二甲基二苯并噻吩比值4,6-/1,4-DMDBT是常用的成熟度参数［２１，２６］。参数二苯并噻吩/菲(DBT/P)、甲基二苯并噻吩/甲基菲(MDBT/MP),结合姥鲛烷/植烷(Pr/Ph)的变化可用于对沉积环境的判识［２７］。由表1可以看出,文安斜坡带各构造单元原油(油砂)样品的DBT/P比值变化范围相对较窄,比值均小于1.0。基于Hughes等对于沉积环境判识的研究方法［２７］,用参数DBT/P与Pr/Ph比值作图(见图6),可以看出该区原油样品总体上源于湖相贫硫沉积体系。对烷基二苯并噻吩成熟度参数的分析发现(见表1),参数4-/1-MDBT颇具规律性的变化特征。于文安斜坡南边的议论堡和长丰镇构造带样品,4-/1-MDBT比值相对较低,分布于1.07~2.53之间,多数样品在2.0以下;而位于文安斜坡北边的史各庄和苏桥构造带样品,该参数则具有相对较高值,分布于1.84~5.41,多数样品在3.0以上。对参数4,6-/1,4-DMDBT的分析,发现与参数4-/1-MDBT之间存在良好的正相关性(见图7)。这一特征再次佐证了文安斜坡带南、北区块原油热演化程度的差异,同时也预示其不同的油气富聚特征。3.4文安斜坡带油气运聚规律原油分子组成非均质性于油藏空间内规律性的变化,在一定程度上与其成因类型、运移与聚集密切相关［７］。同一油灶在渐进性的成烃过程中,不同阶段所生成的原油表现出不同的热演化程度。总体来看,早期生成的成熟度较低的原油常具有相对较高的密度,而后期生成的成熟度较高的原油常具有相对较低的密度。不同密度的原油在运移-聚集-成藏过程中,早期成熟度较低、密度较高的原油常被后期生成的成熟度较高、密度较低的原油驱替至离油灶更远的圈闭［２８］。因此,油区范围内,原油成熟度的变化常与油气运集密切相关。上述讨论可以看出,文安斜坡带南、北区原油/油砂样品芳烃分子组成存在明显的差异。这种差异表明该区块至少存在2种不同成因类型的原油:I类原油分布在议论堡和长丰镇构造单元,具有较低的1,2,7-/1,2,6-TMN比值,且1,2,8-TMP丰度相对较高;Ⅱ类原油分布于史各庄和苏桥构造单元,具有较高的1,2,7-/1,2,6-TMN比值,且1,2,8-TMP丰度相对较低。结合两类原油于文安斜坡的分布特点及其与相邻富生烃凹陷的关系,分布于斜坡南边的I类原油主要源于马西-鄚州洼槽,而分布于斜坡北边的Ⅱ类原油其油灶应该位于霸县凹陷。因此,文安斜坡至少存在2类端元油气的聚集。烷基二苯并噻吩在油区范围内规律性的变化与油气运移与聚集存在密切关系［２９］。对文安斜坡原油分析可知,烷基二苯并噻吩的分布特征在各构造区块具有相当明显规律性的变化。以北部史各庄构造单元为例,总体变化趋势如下:临近霸县凹陷埋藏相对较深的原油样品常具有相对较高成熟度,远离霸县凹陷埋藏相对较浅的原油样品常具有相对较低成熟度。如甲基二苯并噻吩参数4-/1-MDBT在近凹陷区沙河街组原油高达5.41,在远离凹陷区馆陶组原油低至3.05(见表1);这一总体上成熟度降低的变化趋势,结合文安斜坡沉积-构造分布特征,认为史各庄构造单元油气的富聚规律基本代表了文安斜坡带原油从近油灶区向远离油灶区、从深层(沙一段)至浅层(东营组至馆陶组)的一种富聚特征。基于不同成因类型及不同成熟度原油于文安斜坡上的分布特征来看,预示整个文安斜坡汇聚了来自相邻富生烃凹陷的多路/多期烃类的聚集。4