論4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖質量的關系*
——基于北部灣盆地勘探實踐

傅 寧

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

國內外關于4-甲基C30甾烷的成因及應用已有大量的研究報道[1-6]，歸納起來主要觀點基本相近：認為4-甲基C30甾烷主要源自藻類或細菌，且有溝鞭藻化石或細菌活動的證據[2-3]；其豐度與藻類(或細菌)的含量成正相關[1,3]，可作為指示烴源巖的生源和環境指標[1-6]，主要用于油源對比。到目前為止，尚未有人提出4-甲基C30甾烷豐度可作為烴源巖質量評價指標，特別是對于中、低豐度4-甲基C30甾烷與烴源巖質量的關系研究更是甚少。

南海北部灣盆地始新世裂陷期沉積了流沙港組湖相烴源巖，其中流二段為中深湖相烴源巖，是該盆地各凹陷的主力烴源巖[7-9]。這套中深湖相沉積層底部的烴源巖通常是以高豐度4-甲基C30甾烷為主要特征，是該盆地各凹陷優質烴源巖和油源研究的重要標志物，但在應用時卻造成了一種“混亂”，即烴源巖和原油中只要檢測到一點豐度不高的4-甲基C30甾烷，就被認為來自中深湖相烴源巖，故而推測凹陷深部存在中深湖相優質烴源巖[10]，其結果可能會造成主力烴源巖的誤判以及盆地資源量的錯誤評價。筆者以北部灣盆地勘探程度較高的潿西南凹陷和烏石凹陷為例，應用大量的巖石樣品和原油樣品的地化分析資料，結合相關的沉積和地質資料，研究4-甲基C30甾烷豐度與湖相烴源巖質量的對應關系，并力求從定量的角度加以論證，以希對正確認識4-甲基C30甾烷豐度的指標意義、不同質量烴源巖的識別以及資源量的準確計算提供重要的依據。

1 烴源巖發育特征

1.1 地質背景

北部灣盆地是在南海北部大陸邊緣發育起來的新生代沉積盆地，其主體位于北部灣海域，總面積約22 000 km2，主要由潿西南、烏石、邁陳、海中、福山等凹陷組成[7-9](圖1)。該盆地新生代可分為斷陷、拗陷2個構造演化階段，其中古近紀為斷陷期，先后沉積了古新統長流組、始新統流沙港組及漸新統潿洲組，以湖相及河流相沉積體系為主。流沙港組自下而上可進一步分為流三段、流二段和流一段。流二段湖相優質烴源巖(油頁巖)是北部灣盆地最主要的烴源巖，目前盆地所發現的油氣主要源自該套烴源巖。

圖1 北部灣盆地構造單元劃分

1.2 烴源巖質量非均質性

統計表明，北部灣盆地流沙港組不同層段烴源巖的豐度具有明顯的差異性(表1)。其中,流一段(El1)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品約占17%，其余78.7%左右的樣品為好烴源巖，含煤層;流二段(El2)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品僅占1.4%左右，其余98.4%左右的樣品為好烴源巖，可見流二段主要為湖相優質烴源巖;流三段(El3)泥巖TOC值為0.6%～1.0%的樣品占13.3%左右，其余63.6%左右的樣品為好烴源巖，含煤層。流沙港組各層段其他豐度指標與有機碳含量有相似的變化特征(表1)。

表1 北部灣盆地流沙港組烴源巖特征

統計表明，流一段含相對較多的III型干酪根(占38.3%)，II2型和II1型干酪根分別占34.2%和24.2%，典型的I型干酪根很少(僅3.3%)；流二段烴源巖的III 型干酪根很少(僅占4.2%)，II2、II1和I 型干酪根分別占到35.2%、38.4%和22.2%；流三段烴源巖有較多的III和II2型干酪根(分別占32.6%和34.8%)，II1型干酪根占22.5%，典型的I型干酪根為10.1%。這說明流沙港組各層段烴源巖有機質類型差別較大，存在著非均質性。

圖2 北部灣盆地流沙港組二段烴源巖IH與Tmax關系

特別值得一提的是，流二段烴源巖中I型、II1型、II2型和III型干酪根都有分布(圖2)，顯示了烴源巖較強的非均質性。流二段優質烴源巖的干酪根類型主要為I型和II1型，湖相好烴源巖的干酪根類型為II1和II2型，湖相一般烴源巖的干酪根類型為II2型和III型。

1.3 烴源巖成熟度

北部灣盆地潿西南、烏石、海中和邁陳凹陷鉆井揭示烴源巖樣最深不超過4 000 m，其實測的Ro值約為1.0%。以Ro值等于0.5%為生油門限，依此趨勢推斷的各凹陷生油門限深度為：潿西南凹陷約2 300 m，海中凹陷約2 800 m，烏石凹陷約2 500 m，邁陳凹陷約2 600 m，各凹陷深部流二段烴源巖均已達到成熟—高成熟的生油高峰階段。

2 樣品與實驗分析

2.1 樣品

目前北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷勘探程度較高，潿西南凹陷有探井188口，烏石凹陷有探井53口。本文重點剖面井巖樣取自潿西南凹陷WZ-A井、WZ-B井和烏石凹陷的WS-2井(圖1)，共取巖屑樣品120個以及各井不同層位的原油樣品約80個。原油和巖樣的前期處理、色質分析均由中國石油大學(北京)完成，巖石樣品的孢粉-藻類分析由同濟大學完成。

2.2 實驗分析

2.2.1巖石熱解分析

巖石樣品粉碎至60～80目,在Rock-Eval Ⅲ型儀器上做熱解分析。升溫程序為:加熱至90 ℃恒溫2 min 得S0；加熱至300 ℃恒溫3 min 得S1;加熱至600 ℃得S2；在600 ℃加熱氧化5 min得S4。

2.2.2色質分析

巖樣粉碎至80目,用氯仿抽提,抽提物經硅膠一氧化鋁色層柱分離,正己烷淋洗獲得飽和烴組分，然后對飽和烴餾分進行色質分析；油樣則經過脫硫、脫水通過氧化鋁-硅膠色層柱分離獲飽和烴,用分子篩除正構烷烴，所獲異構烷烴做色質分析。色譜質譜分析條件：儀器為惠普公司5 809臺式質譜儀,色譜柱為HPG5 ms石英彈性毛細柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm)；升溫程序:50 ℃恒溫2 min,從50 ℃至100 ℃的升溫速率為20 ℃/min,100 ℃至310 ℃的升溫速率為3 ℃/min,310 ℃恒溫15 min。進樣器溫度300 ℃,載氣為氦氣,流速為1.04 mL/min,掃描范圍為50～550 amu；檢測方式為全掃描，電離能量為70 eV,離子源溫度230 ℃。

2.2.3孢粉-藻類分析

巖樣(5～10 g)先用HCl去除碳酸鈣質，再用HF去除硅質，經水洗篩選或重液(密度為2.1 g/cm3)浮選后取得全部篩選或懸浮物質，將所得物質洗凈后制片作透射光顯微鏡觀察，其中包含孢粉、浮游藻類等有機壁微體化石及各種有機屑。

3 結果與討論

3.1 不同質量烴源巖的地化特征

前人大量研究認為，流二段湖相烴源巖是北部灣盆地的主力烴源巖[7-9]。然而，由于湖相烴源巖存在較強的非均質性，使得流二段不同位置烴源巖質量存在明顯的差異，這種差異可以依據烴源巖所處的沉積相帶、烴源巖的熱解生烴潛力S2與有機碳TOC相關圖得以區分(圖2、3),可將流二段湖相烴源巖劃分出優質烴源巖(油頁巖)、好烴源巖(中深湖相泥巖)和一般烴源巖(濱淺湖相泥巖)三類。大量烴源巖和原油樣品的地化分析結果對比發現，上述三類不同質量的烴源巖對應著不同豐度的4-甲基C30甾烷，并在北部灣盆地各凹陷起著不同的供烴作用。

3.1.1優質烴源巖(油頁巖)

圖3 北部灣盆地流二段烴源巖TOC-S2關系

北部灣盆地潿西南凹陷和烏石凹陷不少探井均鉆遇到流二段優質烴源巖(油頁巖)，其厚度不等，但以流二段底部厚度最大(約50～100 m)，豐度最高，類型最好(圖2、3)。這種分布特征在3口典型井的地球化學剖面上也可以得到充分驗證(圖4～6)。

地球化學分析資料統計顯示，潿西南凹陷和烏石凹陷流二段底部優質烴源巖有機碳TOC值主要為2.00%～19.09%(平均4.50%)，S2值主要為7.8～97.4 mg/g(平均22.0 mg/g)，氫指數(IH)主要為367～873 mg/g(平均499 mg/g)，干酪根以I型為主。顯然，這套富有機質頁巖是優質烴源巖，具有良好的生油能力。

圖4 潿西南凹陷WZ-A井烴源巖有機地化剖面

圖5 潿西南凹陷WZ-B井烴源巖有機地化剖面

圖6 烏石凹陷WS-2井有機地球化學剖面

在優質烴源巖生物標志化合的組成特征中，Pr/Ph為0.6～2.5,源于陸生高等植物標志物奧利烷含量很低，奧利烷/C30藿烷為0.05～0.20,最為顯著的是甾烷組成中富含極高豐度的4-甲基C30甾烷，4-甲基C30甾烷指數(∑4-甲基C30甾烷/∑C29ααα甾烷)在1.5以上(圖4～6)，孢粉、藻類組合中浮游藻類的含量可達60%以上，無定形有機質占有機屑總數可達80%(圖4、6)。

3.1.2好烴源巖

除上述優質湖相烴源巖外，北部灣盆地流沙港組各層段還可見到不少好烴源巖，這類烴源巖的有機質豐度明顯低于優質烴源巖，主要分布在流二段的中、上部(圖4、5)。好烴源巖TOC值為0.56%～8.10%(平均1.75%)，S2值為1～24 mg/g(平均6 mg/g)，IH值為108～641 mg/g(平均335 mg/g)，干酪根以II1型為主，含中等豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數為0.5～1.5)(圖4、5)，孢粉-藻類組合中浮游藻類的含量為40%～60%，無定形有機質占有機屑總數的40%左右(圖4)。

3.1.3一般烴源巖

一般烴源巖在北部灣盆地流沙港組各層段廣泛分布，其地球化學豐度指標均低于上述兩類烴源巖。如WZ11-2-A井流二段上部烴源巖(圖4)，其TOC值為0.48%～3.68%(平均1.42%)，S2值為0.55～13.80 mg/g(平均3.47 mg/g)，IH值為53～495 mg/g(平均196 mg/g)，干酪根以II2型為主，含低豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數小于0.5),孢粉-藻類組合中浮游藻類的普遍含量低于40%，無定形有機質占有機屑總數的40%以下。

3.2 高豐度4-甲基C30甾烷指示高生產力烴源巖

3.2.1北部灣盆地4-甲基C30甾烷的成因

前人研究表明，4-甲基C30甾烷既可由甲藻(或溝鞭藻)形成,也可由某些細菌產生[3-6]。淡水湖泊相4-甲基甾烷主要為溝鞭藻生源,沉積物中甲藻化石的含量與其豐度呈正相關[1，3]。北部灣盆地孢粉-藻類分析資料表明，流沙港組沉積時期湖泊富營養，適宜水生低等生物繁殖，主要發育的藻類為非海相溝鞭藻(甲藻類)、綠藻和球藻等，且流二段以百色藻-球藻為主[11-12]，其底部為藻類最高富集層段(60%～80%)，形成厚逾300 m的富無定形有機質沉積層(圖7)。而北部灣盆地4-甲基C30甾烷普遍檢出于流二段烴源巖層，且高豐度的4-甲基C30甾烷又主要出現于流二段底部(圖4～6)，這充分證明北部灣盆地流二段烴源巖中的4-甲基甾烷生源為藻類，其豐度與藻類含量呈正相關。

圖7 潿西南凹陷WZ-A井古近系浮游藻類和無定形含量剖面

3.2.2高豐度4-甲基C30甾烷是藻類勃發期的產物

劉傳聯 等[13]研究認為，“勃發”指的是藻類在一定的條件下、在一定的時期內可以形成單屬種的極度生長和富集,形成“白水”、“紅水”或“赤潮”。藻類勃發現象在古近紀生油湖泊中相當普遍,而且貫穿于各類油源巖的形成過程,這類事件性沉積是湖相油源巖形成的一種重要機制。藻類化石紋層的存在、油源巖中細粒方解石紋層的存在以及無定形有機質紋層的存在都是藻類勃發事件的依據。

烏石凹陷WS-2井全巖鏡下觀察表明[11]，流二段底部(埋深2 370～2 374 m)優質烴源巖中富有機質紋層富集，其內部發育大量層狀藻，并含有較多具有熒光顯示的瀝青質；而該井的非油頁巖油層中雖然含有機質，但富有機質紋層不發育，可見分散的孢子體或藻類體，層狀藻不發育。優質烴源巖(油頁巖)中富含層狀藻充分證明了流二段底部沉積時期為藻類勃發期,因此該層段巖樣中富含的高豐度4-甲基C30甾烷是藻類勃發期的產物(圖6)。

3.3 烴源巖質量與4-甲基C30甾烷豐度的相關性

3.3.1平面相關性

潿西南凹陷和烏石凹陷有大量探井鉆遇到流二段烴源巖，統計其中7口井約80個烴源巖樣品的分析數據，發現烴源巖質量(TOC、IH)與4-甲基C30甾烷指數有較好的線性正相關性(圖8)。

3.3.2縱向相關性

由圖4所示的潿西南凹陷WZ-A井流三段至流一段有機地化剖面的4-甲基C30甾烷的分布可以看出，流二段底部(埋深3 402 m附近)4-甲基C30甾烷豐度最高，4-甲基甾烷指數普遍大于1.5，對應的是優質烴源巖層段(高TOC、高S2、高IH、富藻層和無定形有機質層)；中部(埋深3 242～3 344 m)4-甲基C30甾烷的豐度中等，4-甲基甾烷指數普遍在0.5～1.5，對應的是好烴源巖層段，其各類豐度指標(TOC、S2、IH、富藻層和無定形有機質含量)明顯低于優質烴源巖；上部(埋深3 146 m以淺)4-甲基C30甾烷的豐度更低，4-甲基甾烷指數普遍低于0.5，對應的是一般烴源巖層段。潿西南凹陷WZ-B井也有類似的分布規律(圖5)，即流二段底部(埋深2 720～2 900 m)有高豐度的4-甲基C30甾烷分布，其4-甲基甾烷指數普遍大于1.0，烴源巖質量也最優；此層段之上為好烴源巖層段，其4-甲基C30甾烷豐度明顯降低，4-甲基甾烷指數普遍小于1，烴源巖質量也隨之有明顯的降低。

圖8 北部灣盆地流二段烴源巖TOC、IH與4-甲基C30甾烷指數關系

烏石凹陷上述變化規律與潿西南凹陷基本相似，即在流二段底部(埋深2 150～2 350 m)4-甲基C30甾烷豐度最高，同時也對應著高質量的優質烴源巖層段(圖6)。所不同的是，烏石凹陷優質烴源巖之上的烴源巖層段均出現4-甲基C30甾烷豐度和質量有一個突降變化，這可能反映了在流二段沉積晚期兩凹陷水體有不同的變化。

總之，從直觀的單井剖面上看，烴源巖的4-甲基C30甾烷豐度基本與富藻層、高無定形有機質層和優質烴源巖層有明顯的正相關性，即高豐度的4-甲基C30甾烷預示著高生產力的優質烴源巖。與此相反，低豐度的4-甲基C30甾烷自然對應的是較低生產力的烴源巖。因此，4-甲基C30甾烷豐度不僅是常用的油源對比指標，也可作為評價烴源質量的有效指標。

3.4 應用效果

3.4.1油源對比

依據4-甲基C30甾烷指數對北部灣盆地各凹陷近100個原油樣品進行了詳細的油源確認[14]，結果表明流二段三類烴源巖均可以找到與之對應的原油(圖4～6，9)，其中潿西南凹陷優質烴源巖生成的原油占整個凹陷原油產量的約80%，而烏石凹陷優質烴源巖生成的原油占比高達約90%，證明了優質烴源巖是潿西南凹陷和烏石凹陷真正的主力烴源巖，也再次證明了“4-甲基C30甾烷”指標是很好的油源對比指標。

圖9 北部灣盆地原油甾萜生物標志化合物分布

3.4.2優質烴源巖的分布預測

北部灣盆地烴源巖的4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖的質量成正比關系，且與原油中的4-甲基C30甾烷具有一一對應的油源關系。因此，在深部烴源巖沒有揭示的情況下，可以依據原油中4-甲基C30甾烷豐度來判斷和預測凹陷中優質烴源巖的分布，從而指示油氣勘探的有利方向。

由北部灣盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指數分布(圖10)可以看出，該盆地原油4-甲基甾烷指數呈西北高、東南低的分布格局，具有高豐度4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數大于1.5)的原油主要分布在潿西南凹陷全區和烏石凹陷東洼的東北區；而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷目前所發現的原油均顯示出低豐度4-甲基C30甾烷的分布特征，其4-甲基C30甾烷指數普遍低于1.0。依據這種分布格局不難得出，北部灣盆地的優質烴源巖主要集中分布在潿西南凹陷和烏石凹陷東洼的東北區，而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷可能不發育大規模的優質烴源巖。

需要特別指出的是，福山凹陷是北部灣盆地第3個富烴凹陷，累計發現三級原油儲量僅為約1億m3。大量烴源巖和原油的分析數據表明[15-17],福山凹陷烴源巖不具有潿西南凹陷和烏石凹陷那種優質烴源巖的特征，其流二段主力烴源巖的TOC值平均約為1.29%，生烴潛力(S1+S2)平均約為4.04 mg/g、氫指數(IH)普遍小于400 mg/g，且烴源巖和原油中均普遍不含高豐度的4-甲基C30甾烷，原油Pr/Ph普遍大于3，高的可達10，表明原油形成于偏氧化的沉積壞境，其油氣的生成可能與福山凹陷火山發育有密切的成因關系[18]。由此可見，整個福山凹陷可能都不發育中深湖相優質烴源巖，這一結果無疑進一步佐證了上述依據原油的4-甲基甾烷指數預測優質烴源巖分布方法的正確性。

圖10 北部灣盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指數分布

4 結論

1) 北部灣盆地流二段不同質量的烴源巖對應不同豐度的4-甲基C30甾烷：湖相優質烴源巖(油頁巖)含高豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數大于1.5)；湖相好烴源巖含中等豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數為0.5～1.5)；湖相一般烴源巖則含低豐度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指數小于0.5)。

2) 高豐度的4-甲基C30甾烷基本與富藻層、高無定形有機質層和優質烴源巖有明顯的正相關性，充分證明了4-甲基C30甾烷豐度與烴源巖質量有密切關系，即高豐度的4-甲基C30甾烷預示著高生產力的優質烴源巖。因此，4-甲基C30甾烷不僅是常用的油源對比指標，也是判別烴源巖質量的有效指標。

3) 依據原油中4-甲基C30甾烷指數的分布，推測北部灣盆地優質烴源巖主要集中分布在潿西南凹陷和烏石凹陷東洼的東北區，而海中凹陷、邁陳凹陷和福山凹陷可能均不發育大規模的優質烴源巖。