冷湖地區油砂有機地球化學特征

梁曉飛，曹占元，吳遠東，賀 聰，張曉寶

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

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冷湖地區油砂有機地球化學特征

梁曉飛1，2，曹占元2，吳遠東1，2，賀 聰1，2，張曉寶1

(1.甘肅省油氣資源研究重點實驗室/中國科學院油氣資源研究重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院大學，北京 100049)

柴達木盆地是中國油砂資源最為豐富的含油氣盆地之一，對油砂有機地球化學特征研究甚少。依據油砂生物標志化合物指標，以探明冷湖地區油砂母質來源、沉積環境及成熟度。通過對柴北緣冷湖地區五號構造帶古近系上干柴溝組8個油砂樣品的質譜、色譜分析顯示，油砂常規甾烷呈不對稱“V”字型分布，ΣC21-與ΣC22+的比值為0.73～2.16，4-甲基甾烷與常規甾烷比值為0.051～0.143，反映母質來源為水生生物和高等植物混源；C29ββ與C29(ββ+αα)的比值為0.350～0.532，C29ααα-20S與C2920(S+R)的比值為0.397～0.493，Ts與Tm的比值為1.106～1.148，C30βα與C30αβ的比值為0.082～0.189，反映油砂樣品已達到成熟階段。伽馬蠟烷與0.5C31霍烷比值較低為0.117～0.423，且升霍烷未出現翹尾現象，反映油砂源巖為淡水沉積環境。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷較發育，說明其烴源巖與煤系有直接關系。該研究成果為冷湖地區油砂下一步勘探開發提供了理論基礎。

地球化學；母質類型；沉積環境；成熟度；色譜質譜；油砂；冷湖地區

0 引 言

油砂又稱為焦油砂，由巖石或砂粒、水和稠油組成，其作為一種常規資源的替代能源近十多年已在世界許多地區得到開發利用。中國對油砂的勘查程度較低，經過新一輪油砂資源地質調查發現，中國油砂主要集中在各大沉積盆地，包括塔里木盆地、柴達木盆地、羌塘盆地、四川盆地、鄂爾多斯盆地和準噶爾盆地。目前，中國積極開展油砂資源開發利用研究工作，在多個盆地進行油砂試開采加工，并取得一定經濟效益。柴達木盆地是中國油砂主要聚集地之一。盆地地表油砂主要分布在西部坳陷區(柴西)和北緣斷塊帶(柴北緣)，柴北緣冷湖油砂具有代表性且資源量可觀。通過對冷湖地區油砂淺鉆井樣品有機地球化學分析，系統闡述了其沉積環境、母質類型及熱演化程度等有機地球化學特征。

1 地質背景

柴達木盆地劃分為柴西隆起、一里坪坳陷、三湖坳陷和柴北緣隆起4個一級構造單元。冷湖五號構造地處柴達木盆地北緣斷塊帶西段，其西為阿爾金山，北為南祁連山脈的賽什騰山。冷湖五號構造處于冷湖反“S”形構造帶由北向南轉折的部位[1]。冷湖五號構造是一個被西傾大斷層切割而復雜化的背斜構造，其與冷湖四號、六號構造以鞍部相連。構造高部位出露地層為上干柴溝組(N1)，到構造翼部地層變新，主要為下油砂山組(N21)地層。通過野外地質勘查共發現7處油砂出露點，厚度為1.0～1.5 m，油砂最大單層厚度約為1.5 m。其巖性為厚層狀至塊狀砂巖和含礫砂巖，以油浸含礫砂巖為主。

2 樣品分析

研究區8塊油砂樣品均取自柴北緣冷湖地區LW-2井上干柴溝組(N1)。樣品采集后采取低溫保存，避免烴類揮發影響實驗結果。

首先將樣品粉碎至100目，經氯仿抽提并沉淀瀝青質后，再用硅膠(氧化鋁)分離可溶瀝青質。飽和烴、芳香烴、非烴分別用正己烷、甲苯、乙醇沖洗獲得。所得飽和烴用色譜質譜儀(GC-MS)進行分析鑒定。色譜儀型號為6 890 N，色譜柱為HP-5(30 m×0.25 mm)，進樣口溫度為280 ℃，載氣為氦氣。起始溫度為80 ℃，以4 ℃/min速率升溫至290 ℃，恒溫30 min。質譜儀型號為5 973 N，離子源溫度為：250 ℃，電子能量為70 eV[2]。

3 結果與討論

3.1 族組分

油砂樣品族組分分析結果顯示(表1)，冷湖油砂樣品中飽和烴含量為40%～83%，平均為69%；芳烴含量為3%～12%，平均為8%；非烴含量為4%～56%，平均為21%；瀝青質含量為1%～3%，平均為2%。

表1 油砂抽提物分析資料

3.2 油砂油母質來源

油砂油正構烷烴組成與分布常用于反映其母質輸入類型，∑C21-與∑C22+的比值常用于判別母質類型，該值越大，表明浮游植物對母質的貢獻越大[3-6]。冷湖油砂樣品正構烷烴呈單駝峰分布，碳數分布為C12—C38，主峰分布在C18前后；∑C21-與∑C22+的比值為0.73～2.16(表2)，2個樣品顯示為高碳正構烷烴優勢，其余樣品顯示為低碳正構烷烴優勢，反映浮游動植物和高等植物為重要母質輸入。

表2 油砂中正構烷烴和類異戊二烯分析資料

∑(C27+C29)與∑C31+的比值是判識樣品有機質母質類型的重要參數，C27和C29藿烷主要是陸源母質的貢獻，C31以后的長鏈藿烷主要來源于藻類及細菌微生物[7]。該比值越大，表明陸源貢獻大；該比值越小，表明浮游植物貢獻大。冷湖油砂∑(C27+C29)與∑C31+的比值為0.974～1.304，平均值為1.046(表3)，反映高等植物和浮游植物母質輸入相當。

表3 飽和烴中三環、四環和五環萜烷化合物參數

甾烷類物質因具特殊碳骨架而顯示較好熱穩定性，在地質過程中結構組成較不易遭受破壞，能夠較好反映生源物質組成，故其常用于母質類型的判定。甾烷類物質來源于甾醇化合物，不同甾醇化合物存在于不同生物之中。一般浮游動植物富含C27膽甾醇，高等植物富含C29豆甾醇，C27、C28、C29甾烷的相對含量反映其母質類型[8-9]。圖1顯示，

圖1 油砂規則甾烷分布特征

冷湖油砂分布較集中，位于混合源區，反映源巖成烴母質浮游動植物和高等植物均為重要組成成分。同時圖2顯示冷湖油砂常規甾烷呈不對稱“V”字型分布，C27和C29常規甾烷含量相當。

圖2 C29甾烷20S與(20S+20R)比值和C29甾烷ββ與(ββ+αα)比值關系

油砂油不但含有常規甾烷，而且含有相當數量4-甲基甾烷和重排甾烷。已有研究結果表明，4-甲基甾烷常來自藻類[4，8]，油砂油4-甲基甾烷與常規甾烷比值為0.051～0.143(表4)，顯示藻類是母質組成重要成分。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發育，降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷主要來源于高等植物，且與煤系直接有關[10]。這些結果顯示，冷湖油砂母質以浮游生物和高等植物組成為主，并有一定數量的藻類輸入，且可能與煤系直接相關。

3.3 油砂油沉積古環境

冷湖油砂OEP值為0.96～1.10，平均值為1.03(表2)，表現為奇偶優勢。Pr與Ph比值為1.16～1.42(表2)，顯示為姥鮫烷優勢，表征了弱還原—弱氧化沉積環境[11]。Pr與nC17、Ph與nC18的比值可以很好地反映油砂的沉積環境。研究表明，冷湖油砂分布較集中，形成于淡水湖沼相沉積環境。伽馬蠟烷具有強的抗生物降解作用，具有很好的環境指示意義[12-13]。高鹽度環境下，伽馬蠟烷含量較高，且會出現升霍烷翹尾[9，14-15]。冷湖油砂顯示，伽馬蠟烷與0.5C31比值較低，為0.117～0.423，且升霍烷未出現翹尾(圖3)，反映淡水沉積環境。冷湖油砂∑三環與∑五環的比值為0.120～0.259，顯示為淡水環境，與伽馬蠟烷及升霍烷所表征環境一致。

表4 油砂中甾烷分析資料

3.4 油砂油成熟度

有機質成熟度增加促使一些不穩定生物標志化合物向穩定型轉變，故通過研究不同構型生物標志化合物的比值可以較好地反映成熟度[16]。用生物標志化合物指示成熟度較為重要的指標是C29ααα甾烷2種異構體(20R、20S)，常用20S/20(R+S)比值。C29ααα甾烷20R是生物體原始構型，隨有機質趨于成熟20R逐漸向20S轉化[17]，當20S/20(R+S)接近0.5時反應趨于平衡狀態。另外，C29ααα甾烷20R和20S發生異構化作用使ββ/(αα+ββ)比值逐漸增加直至達到平衡狀態(0.7左右)。C29ββ/(αα+ββ)與母質無關，在高成熟階段具有更好的指示作用[18]。C29ββ/(αα+ββ)對20S/20(R+S)曲線在原油成熟度方面具較好指示作用。

圖3 冷湖油砂質譜圖

冷湖油砂C29ααα-20S與20(S+R)比值為0.397～0.493(表4)，C29ββ與(ββ+αα)比值為0.350～0.532間(表4)，接近反應平衡值，反映油砂已達到成熟。圖2顯示油砂樣品分布較集中。研究表明，βα-莫烷會隨著成熟度的增加逐漸向αβ-霍烷轉化，故βα-莫烷與αβ-霍烷比值越小指示成熟度越高[19-20]，當βα-莫烷與αβ-霍烷比值小于0.15時，指示其已達到成熟階段。冷湖地區油砂樣品C30βα與C30αβ比值為0.082～0.189，指示冷湖油砂達到成熟階段。另外，18α(H)三降霍烷與17α(H)三降霍烷的比值、C31霍烷異構體值和重排甾烷與常規甾烷比值均指示冷湖油砂達到成熟階段(表3、4)。

4 結 論

(1) 對冷湖地區油砂進行生物標志物組成及分布研究顯示，冷湖地區油砂母質來源為混源母質輸入，主要為高等植物和浮游生物，并有藻類母質輸入顯示。降新藿烷C29Ts與C30重排藿烷比較發育，說明其與煤系有直接關系。

(2) 冷湖地區油砂沉積古環境為淡水湖沼相，具有弱氧化—弱還原性，其成熟度已達到成熟階段。

(3) 通過對冷湖地區油砂母質來源、沉積環境及成熟度的研究，表明了冷湖地區油砂油已達到成熟階段且飽和烴組分含量較高，埋深較淺，具有很好的開發價值。

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編輯 張 雁

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.01.008

20150922；改回日期：20151117

中國科學院2012年度“西部之光”人才計劃支持項目“馬海地區深層構造特征及油氣藏成因類型研究”(1308RJZA310)

梁曉飛(1988-)，男，2012年畢業于昆明理工大學資源勘查工程專業，現為中國科學院大學地質工程專業在讀碩士研究生，主要從事石油與天然氣地質研究工作。

TE122

A

1006-6535(2016)01-0033-05