吐哈盆地臺北凹陷侏羅系煤系源巖地球化學分類及意義①

王志勇 孟仟祥 王作棟 王曉華 杜宏宇 呂江陵

(1.中國科學院研究生院 北京 100049;2.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院 新疆哈密 839009;4.中國石油吐哈油田公司三塘湖采油廠 新疆哈密 839009)

吐哈盆地臺北凹陷侏羅系煤系源巖地球化學分類及意義①

王志勇1,3孟仟祥2王作棟2王曉華3杜宏宇3呂江陵4

(1.中國科學院研究生院 北京 100049;2.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院 新疆哈密 839009;4.中國石油吐哈油田公司三塘湖采油廠 新疆哈密 839009)

烴源巖的沉積環境、母源輸入與有機質性質有著密切聯系,吐哈盆地臺北凹陷不同層系、不同地區侏羅系煤系烴源巖由于其沉積環境、母源輸入的不同,導致其地球化學指標差異;通過對源巖地球化學指標相關性分析表明,姥植比(Pr/Ph)是反映源巖沉積氧化還原環境和水體鹽度的重要指標;C29ααα20R在C27～C29規則甾烷ααα20R中的相對含量也是反映沉積水體鹽度的重要指標。同時發現源巖類型劃分的主控指標是族組成中芳烴、瀝青質組分含量及飽芳比、非瀝比等四項指標,姥植比、伽馬蠟烷指數為源巖類型劃分的次控指標,據此將臺北凹陷侏羅系煤系烴源巖劃分為三類。

吐哈盆地 煤系源巖 生物標志化合物指標 源巖類型

對吐哈盆地臺北凹陷侏羅系煤系源巖生烴研究,前人做了大量的工作,取得了很多富有理論和實踐意義的重要認識。在這些理論研究的指導下,煤系油勘探取得了巨大的成果,發現并探明了一大批油氣田[1～11]。以往對原油、源巖地球化學性質與特征的多次研究,獲得了豐富的基礎數據和資料。本次研究在總結前人資料的項目,進行系統采樣,對84塊具有代表性的源巖樣品進行全面細致的地球化學分析和研究(表1),提出吐哈盆地侏羅系煤系源巖地球化學分類的新的認識,對在盆地內進行進一步油氣勘探和開發具有重要的理論和實際意義。

1 源巖樣品有機質豐度及可溶有機質族組成特征

源巖中有機質是源巖成烴的物質基礎,其豐度大小是源巖成烴能力的決定因素,根據本次源巖樣品瀝青抽提分析結果,對源巖有機質豐度進行評價。

表1 臺北凹陷侏羅系烴源巖樣品采集及分析項目Table1 Samp les and analysis item s of Jurassic source rocks in Taibei Depression

中侏羅統七克臺組(J2q)暗色泥巖氯仿瀝青“A”含量為0.01%～0.016%、總烴含量為49 X10-6～98 X 10-6,總體評價為中等-較差生油巖;族組成表現出烷烴、非烴組分含量較高,芳烴、瀝青質含量較低的特點,其飽芳比均大于3、非瀝比均大于1。中侏羅統三間房組(J2s)暗色泥巖氯仿瀝青“A”含量為0.009%～0.0375%、平均0.018%,總烴含量為41 X 10-6～230 X10-6、平均84 X10-6,總體評價為較差烴源巖;該組源巖樣品中多數烷烴、非烴組分含量較高,芳烴、瀝青質含量較低,一般飽芳比、非瀝比均大于1。中下侏羅統水西溝群(包括西山窯組(J2x)、三工河組(J1s)、八道灣組(J1b))源巖包括暗色泥巖、炭質泥巖及煤巖,暗色泥巖平均可溶有機質含量及總烴含量分別為0.022%、115 X10-6,總體評價為較差烴源巖;炭質泥巖及煤巖平均可溶有機質含量及總烴含量分別為0.86%、4 156 X 10-6,總體評價為好烴源巖。水西溝群源炭質泥巖及煤巖芳烴、瀝青質組分含量相對較高,暗色泥巖烷烴、非烴組分含量較高。

根據源巖有機質豐度指標氯仿瀝青“A”和總烴判斷吐哈盆地臺北凹陷侏羅系主力烴源巖應該為中侏羅統七克臺組(J2q)暗色泥巖和中下侏羅統水西溝群暗色泥巖、炭質泥巖及煤巖。

2 源巖地球化學指標相關性分析

圖1 源巖樣品地化指標相關分析(Ⅰ)Fig.1 The correlations of source rock geochemical parameters(Ⅰ)

對源巖進行類型劃分,首先是確定不同類型源巖的生烴能力及生烴特征,其次是在不同類型源巖與原油間建立對應關系。源巖類型劃分的理論依據是不同沉積環境條件下形成的源巖,其地球化學性質必定存在一定差異[12];手段是利用各項地球化學指標進行系統的對比統計、總結分類。對源巖樣品進行地球化學系列分析獲取的指標為數眾多(包括族組成、烷烴色譜、烷烴色質等分析的數十項指標)、關系復雜,因此在明確指示地質意義的指標基礎上進行相關性分析對確定源巖類型劃分指標是十分必要的。

圖1中(a)、(b)分別表現了源巖樣品可溶有機質芳烴、瀝青質組分含量指標及飽芳比、非瀝比指標間具有良好的正相關關系,說明源巖芳烴、瀝青質組分在一定程度上具有相似的成因機制,主要是受控于陸源有機質的輸入。

(c)、(d)表現了源巖樣品的飽芳比、非瀝比指標與姥植比(Pr/Ph)指標具有一定的相關性,特別是飽芳比與姥植比(Pr/Ph)指標有較好的相關性,反映出隨著沉積環境氧化性增強,源巖樣品的飽芳比、非瀝比指標逐漸降低的總體趨勢;還原性越強則飽和烴相對豐度越高,這與有機質氧化還原反應程度有關,氧化性越強芳烴相對豐度越高,氧化性增強有機分子被氧化為含氧化合物(非烴)的機率越高。

(e)表現出隨沉積環境氧化性增強(Pr/Ph)而增大,沉積水體鹽度降低(伽馬蠟烷指數減小)的大致趨勢。值得注意的是“O”內的三個顯著偏離整體趨勢數據點,這三塊樣品f中也表現出顯著偏離整體趨勢;分析認為這種偏離可能并非偶然因素:可能是在半深水體系的水源注入區域(前緣),沉積環境的氧化還原性仍為弱氧化-弱還原,由于水源注入造成水體鹽度降低及陸源有機質的更多輸入。

(f)表現了C29ααα20R%(在C27～C29規則甾烷ααα20R中的相對含量,下同)與姥植比(Pr/Ph)呈良好的正相關,以往的研究認為甾烷ααα20R向甾烷ααα20S轉化主要受控于熱作用;(f)顯示,甾烷這種異體構型轉化也受控于沉積環境的氧化還原程度,即強氧化環境有利于生物構型R向地質構型S的轉化。

圖2中(a)(d)表現了C29ααα20R甾烷指標與伽馬蠟烷指數、三環萜烷/三萜烷的相關性,甚至C29ααα20R%與伽馬蠟烷指數、三環萜烷/三萜烷均具有很好的負相關關系。對此現象的合理解釋是源巖有機質中陸源有機質輸入主要依賴于沉積體系中的水流注入,而水流注入的充沛與否直接影響沉積水體的鹽度;水源充沛注入的條件下,沉積水體鹽度較低,隨水流注入沉積體系的陸源有機質則更加豐富。就是說有機質沉積環境鹽度越高,甾烷生物構型R向地質構型S的轉化越慢。

圖2中(b)(c)分別表現了三環萜烷/三萜烷指標與姥植比(Pr/Ph)、伽馬蠟烷指數相關關系。其中三環萜烷/三萜烷指標與伽馬蠟烷指數具有一定正相關關系,與姥植比(Pr/Ph)呈負相關關系,表明在淡水氧化環境中,姥植比(Pr/Ph)高而三環萜烷和伽馬蠟烷含量低;咸化還原環境則正好相反。

3 源巖類型劃分依據及劃分結果

3.1 源巖類型劃分依據

針對源巖類型劃分目的,劃分依據的確定首先要有利于區別源巖的生烴性質,其次是能區別不同類型源巖形成的沉積環境。在此原則下,結合前述對指標的相關分析,選取以下指標作為源巖類型劃分的依據指標(圖2)。

主控指標——族組成中芳烴、瀝青質組分含量及飽芳比、非瀝比等四項指標;該系列指標不僅是源巖生烴產物性質的直觀體現,而且也受到沉積環境控制作用的影響,比如飽芳比指標與姥植比(Pr/Ph)指標就存在一定的相關關系。

次控指標——姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數。這兩個指標從不同側面反映源巖的沉積環境條件[13-17],對沉積環境的表征得到了廣泛的應用。樣品的其他多項指標與此兩項指標都具有不同程度的關聯關系,在源巖類型劃分時要綜合考慮。

由于C29ααα20R%與伽馬蠟烷指數具有很好的相關性,反映出源巖母質輸入受水源注入影響,即可能存在湖相水源注入區域C29ααα20R%正異常或咸水沼澤(水源注入不足)C29ααα20R%負異常的情況,因此C27、28、29規則甾烷內組成指標將不用于源巖類型劃分,可作為參考指標。

3.2 樣品類型劃分及特征總結

根據對源巖樣品類型劃分依據指標及其它特征指標的詳細分析、比較,在“主控分區、次控定型、輔助校正、參考無矛盾”的原則下,對研究樣品進行了較為細致合理的類型劃分,源巖樣品可劃分為以下三種類型(圖3、4)。

湖相泥巖:該類型源巖巖性主要為暗色泥巖,在中下侏羅統、下二疊統層位中均有分布;根據樣品各項地球化學性質可確定樣品形成的沉積環境基本都是淺-半深湖相(微咸水)。該類源巖樣品族組成具有低芳烴、高飽芳比(>2)、非瀝比(>0.7)的總體特征;在生物標志物構成上具有低姥植比(Pr/Ph<3)、低C24-四環萜烷/C26-三環萜烷(<10)及相對較高的伽馬蠟烷指數(>0.1)、三環萜烷/三萜烷(> 0.08),甾烷組成中一般C27ααα20R甾烷高于10%、C29ααα20R甾烷低于60%等系列特征。

圖3 臺北凹陷烴源巖飽芳比與非瀝比關系Fig.3 The correlation of saturated hydrocarbon/aromatic hydrocarbon and non-hydrocarbon/asphaltene of source rocks,Taibei Depression

煤沼源巖:該類型源巖巖性主要為煤、炭質泥巖及部分暗色泥巖;主要分布在水西溝群地層,七克臺、三間房組分布很少;根據樣品各項地球化學性質可確定樣品形成的沉積環境基本都是氧化性強的成煤沼澤。該類源巖樣品族組成具有高芳烴(>13%)、瀝青質(>20%),低飽芳比(<2)、非瀝比(<1)的總體特征;在生物標志物構成上具有高姥植比(Pr/Ph> 3)、高C24-四環萜烷/C26-三環萜烷(>1)及低伽馬蠟烷指數(<0.1)、三環萜烷/三萜烷(<0.08),甾烷組成中一般 C27ααα20R甾烷低于 15%、C29ααα20R甾烷高于60%等系列特征。

圖4 臺北凹陷烴源巖伽馬蠟烷指數與姥植比關系Fig.4 The correlation of saturated gammacerane ratio and Pr/Ph of source rocks,Taibei Depression

湖沼源巖:該類型源巖巖性為暗色泥巖、炭質泥巖及煤;主要分布在水西溝群地層,七克臺、三間房組幾乎沒有;該類型樣品在某些方面具有一些湖相特征性質,但另一些方面又表現出煤沼成因特征,推測該類樣品形成的沉積環境可能是湖泊與沼澤的交替過渡相帶。總體上該類型源巖樣品的各項特征指標多處在湖相與煤沼類型的過渡區域。

4 結論

(1)姥植比(Pr/Ph)是反映源巖沉積氧化還原環境和水體鹽度的重要指標;Pr/Ph值增大,源巖樣品中的飽芳比、非瀝比指標逐漸降低,反映沉積水體變淺、氧化性增強,有利于生物構型R向地質構型S的轉化。C29ααα20R在C27～C29規則甾烷ααα20R中的相對含量也是反映節目單沉積水體鹽度的重要指標;以往的認為甾烷ααα20R向甾烷ααα20S轉化主要受控于熱作用,本次研究發現甾烷這種異體構型轉化也受控于沉積環境的氧化還原程度,即強氧化環境有利于生物構型R向地質構型S的轉化。

(2)臺北凹陷侏羅系煤系源巖類型劃分的主控指標是族組成中芳烴、瀝青質組分含量及飽芳比、非瀝比等四項指標;姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數為確定源巖類型劃分的次控指標,姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數反映源巖的沉積環境條件,源巖類型劃分的次控指標。C27,28,29規則甾烷組成指標可作為參考指標。

(3)將臺北凹陷侏羅系煤系烴源巖劃分為三類;湖相源巖巖性主要為暗色泥巖,在中下侏羅統中均有分布,其沉積環境基本都是淺-半深湖相(微咸水)。煤沼源巖巖性主要為煤、炭質泥巖及部分暗色泥巖,主要分布在水西溝群,七克臺、三間房組分布很少,其形成的沉積環境為氧化性強的成煤沼澤。湖沼源巖巖性為暗色泥巖、炭質泥巖及煤,主要分布在水西溝群,七克臺、三間房組幾乎沒有,該類型樣品在某些方面具有一些湖相特征性質,但另一些方面又表現出煤沼成因特征,總體上該類型源巖樣品的各項特征指標多處在湖相與煤沼類型的過渡區域。

References)

1 吳濤,趙文智。吐哈盆地煤系油氣田形成和分布[M]。北京:石油工業出版社,1997:56-123[Wu Tao,Zhao Wenzhi.Formation and Distribution of Coal-Bearing Oil and Gas Fields in Turpan-Hami Basin [M]。Beijing:Petroleum Industry Press,1997:56-123]

2 王昌桂,程克明,徐永昌,等。吐哈盆地侏羅系煤成烴地球化學[M]。北京:科學出版社,1998:45-79[Wang Changgui,Cheng Kmaing,Xu Yongchang,et al.Geochemstry of Jurassic Coal-Derived Hydrocarbons of Turpan-Hami Basin[M]Beijing:Science Press, 1998:45-79]

3 程克明。吐哈盆地油氣生成[M]。北京:石油工業出版社,1994: 5-84[Cheng Keming.Hydrocarbon Generation of the Turpan-Humi Basin[M]。Beijing:Petroletrn Industry Press,1994:5-84]

4 黃第藩,盧雙舫。煤成油地球化學研究與展望[J]。地學前緣, 1996,6(增刊):183-194[Huang Difan,Lu Shuangfang.Geochemical research and prospects of coal derived oils[J]。Earth Science Frontiers,1996,6(Supp。):183-194]

5 戴卿林,郝石生,盛國英,等。吐哈盆地侏羅紀煤系源巖芳烴組成及生源和環境意義[J]。沉積學報,1997,15(2):198-201[Dai Qinglin,Hao Shisheng,Sheng Yingguo,et al.Aromatic hydrocarbon compositions and significance of origin and sedimentary environments of Jurassic coal-measures source rocks from the Turpan-Hami Basin[J]。Acta Sedmentologica Sinica,1997,15(2):198-201]

6 徐永昌,王志勇,王曉鋒,等。低熟氣及我國典型低熟氣田[J]。中國科學:D輯,2008,38(1):87-93[Xu Yongchang,Wang Zhiyong,Wang Xiaofeng,et al.Low-mature gases and typical low-mature gas fields in China[J]。Science in China Series D:Earth Sciences ,2008(2):312-320]

7 胡見義,趙文智,錢凱,等。中國西北地區天然氣地質基本特征[J]。石油學報,1996,17(3):1-11[Hu Jianyi,ZhaoWenzhi,Qian Kai,et al.Fundamental characteristics of petroleum geology in NW China[J]。Acta Petrolei Sinica,1996,17(3):1-11]

8 李文厚,邵磊,魏紅紅,等。西北地區湖相濁流沉積[J]。西北大學學報:自然科學版,2001,31(1):57-62[LiWenhou,Shao Lei, WeiHonghong,etal.Turbidity current depositsof lake facies in northwestern China[J]。Journal of Northwest University:Natural Science E-dition,2001,31(1):57-62]

9 王作棟,陶明信,孟仟祥,等。吐哈盆地烴源巖研究進展與低演化油氣的形成[J]。天然氣地球科學,2008,19(6):754-760[Wang Zuodong,Tao Mingxin,Meng Qianxiang,et al.Research progress of source rocks and formation of low evolution oil and gas in Turpan-HamiBasin[J]。Natural Gas Geoscience,2008,19(6):754-760]

10 房嬛,孟仟祥,孫敏卓,等。吐哈盆地中下侏羅統源巖和油的生物標志物分布特征——飽和烴餾分[J]。沉積學報,2008,26 (5):891-895[Fang Xuan,Meng Qianxiang,Sun Minzhuo,et al.Characteristics of biomarkers in saturated hydracarbon in coal of Carbonaceousmudstone and oils from the lower Jurassic coalmeasures in the Turpan Basin[J]。Acta Sedimentologica Sinica,2008,26(5): 891-895]

11 貝豐。石油有機地球化學[M]。成都:成都地質學院,1990:144-157[Bei Feng.Petroleum Organic Geochemistry[M]。Chengdu: Chengdu Institute of Geology,1990]

12 Didyk B M,Simoneit B R,Brassell SC,et al.Organic geochemical indicators of palaeoenvironmental conditions of sedimentation[J]。Nature,1978,272:216-222

13 Jiang ZS,FowlerM G.Carotenoid-derived alkanes in oils from northwestern China[J]。Organic Geochemistry,1986,10(4):64-66

14 JMichael Moldowan,Wolfgang K Seifert,Emilio JGallegos.Relationship between petroleum composition and depositional environment of petroleum source rocks[J]。AAPGBulletin,1985,69:1255-1268

15 Mann A L,Goodwin N S,Lowe S.Geochemistry characteristicsof lacustrine source rocks:a combined palynological/molecular study of a Tertiary sequence from offshore China[C]∥Proceedings of the Indonesian Petroleum Association,Sixteenth Association,Jakarta,Indonesia,1987:241-258

16 Volkman JK,Maxwell JR.Acyclic isoperoids as biologicalmarkers [M]∥Johns R B,ed.Biologic Markers in the Sedimentary Record.Elsevier,1986:1-24

Geochem ical Classification and Significance of Jurassic Coal-Bearing Source Rocks in Taibei Depression,Turpan-Ham i Basin

WANG Zhi-yong1,3MENG Qian-xiang2WANG Zuo-dong2WANG Xiao-hua3DU Hong-yu3LU Jiang-ling4
(1.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039; 2.Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000; 3.Research Institute of Turpan-Ham i Oil-field Company,Ham i,Xinjiang,839009; 4.Santanghu Oil Production Plant of Turpan-Ham i Oil-field Company,Ham i,Xinjiang 839009)

The sedimentary environments and the original inputs of source rocks close related with the nature of the organicmatter,in different layers and different regions of Taibei Depression,Turpan-Hami Basin,due to the differences of the depositional environments and the original inputs of Jurassic coal-bearing source rocks,result in differences of the geochemical index.The analysis of geochemical indicators of source rocks showing that Pr/Ph and C29ααα20R relative contentare important indicators of redox environmentand the salinity of water.At the same time,we found that themain indicators of the type of source rocks are aromatic hydrocarbon and asphaltene contents in the group composition of soluble organicmatter,the ratio of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon,also the ratio of nonhydrocarbon and asphaltene.Pr/Ph,gammacerane index are secondary indicators of classification of source rocks.The Jurassic coal-bearing source rocks can be classfied into three categories by the above index in Taibei Depression.

Turpan-Hami Basin;coal-bearing source rocks;biomarkers index;type of source rock

王志勇 男 1966年出生 高級工程師 油氣地球化學 E-mail:wangzy877@sohu.com

P593

A

1000-0550(2010)06-1238-06

①國家自然科學基金項目(批準號:40972099)資助。

2009-11-10;收修改稿日期:2009-12-11