渤海灣盆地板橋凹陷原油地球化學特征

楊建磊,尚海港,胡秋媛

(1.中國石油大學勝利學院 油氣工程學院,山東 東營 257061; 2.中石化勝利油田分公司 孤東采油廠,山東 東營 257000)

原油地球化學特征研究一直是油氣勘探開發中的基礎性工作。20世紀50年代以來,我國諸多學者相繼提出了源控論、陸相生油論、疊合盆地晚期生油理論等獨具特色的理論,極大程度上豐富了我國的油氣勘探理論。板橋凹陷是渤海灣盆地黃驊坳陷的主要富油氣凹陷之一,具有良好的含油氣遠景。張剛慶(2009)、李卓沛(2011)、王偉(2012)、宋璠(2015)等相繼對板橋凹陷的原油芳烴組成、烴源巖演化、儲層、成藏特征進行相關研究[1-4]。其中,古近系被認為是凹陷中唯一生儲油巖層,沙一下亞段和沙三段為主力烴源巖。目前,除常規原油外,板橋凹陷中還富含多種非常規油氣資源,油源條件充足,具有良好的勘探潛力。但針對板橋凹陷原油地球化學特征尚缺少整體性、系統性認識。因此,筆者綜合運用地球化學手段,對板橋凹陷的原油物性、族組成、碳同位素組成、甾萜烷組成、芳烴化合物組成、輕烴組成等進行綜合研究,明確凹陷內原油的地球化學特征。

1 區域地質概況

板橋凹陷在構造位置上位于渤海灣盆地內黃驊坳陷的中北部,北西以滄東斷層與滄縣隆起相接,南東以港東斷層與北大港構造帶相鄰,北抵塘沽新港潛山構造帶,南達沈青莊潛山構造帶,整體為北西斷、南東超的箕狀斷陷盆地(圖1)。受北大港構造帶影響,研究區地勢呈北低南高長條狀,發育一系列與滄東斷層平行的NE向斷層,自北向南依次為海河斷層、長蘆斷層、板橋斷層、大張坨斷層、港西斷層、港東斷層[5]。

板橋凹陷為典型的陸相斷陷盆地,古近紀以來經歷了初始斷陷、擴張斷陷、穩定裂陷、衰減4期構造運動。凹陷內發育典型的華北型地層,其中,結晶基底自下而上由太古界、下古生界和中生界構成,沉積蓋層自下而上依次發育古近系沙河街組(Es)、東營組(Ed),新近系館陶組(Ng)、明化鎮組(Nm)及第四系平原組(Qp)等5套地層。

圖1 研究區大地構造位置與斷層分布圖

2 樣品與實驗

本次研究采集了板橋凹陷塘沽地區、板橋地區和大中旺地區的16個原油樣品,分別來自于館陶組、東營組及沙一段—沙三段(圖2),基本涵蓋了研究區各種原油類型。原油樣品由中石化石油勘探開發研究院無錫地質研究所使用Varian CP-3800氣相色譜儀檢測。本次實驗針對上述16個原油樣品詳細分析了包括族組分組成、原油碳同位素組成、原油飽和烴氣相色譜、原油甾萜烷組成等在內的多種地球化學特征,以期進一步認識原油性質和形成分布規律。

圖2 板橋凹陷原油樣品分布

3 原油地球化學特征

3.1 原油物性

板橋凹陷各層位的原油相對密度分布于0.71～0.97 g/cm3,包含輕質油、正常原油、中質油和重質油[6]。原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,極少數超過1 000 mPa·s。原油含硫量介于0.4%～1.0%,屬低硫原油。原油含蠟量、原油凝固點隨相對密度變化范圍均較大,其中,含蠟量分布于1.28%～34%,凝固點分布于-30～72 ℃。

3.2 原油生物標志化合物特征

3.2.1 原油族組成特征

板橋凹陷不同地區原油族組成表現出顯著的區域性差異。原油族組成三角圖中清晰顯示,板橋凹陷不同地區原油族組成可分為4個點群(圖3)。其中,第1點群為以板852-3為代表的板橋地區埋深較大的原油,飽和烴含量高至65%以上;第2點群為以板64-30k為代表的埋深較淺的原油,其典型特征表現為芳烴含量低,飽和烴、非烴和瀝青質含量集中在35%～55%;第3點群為以塘28為代表的塘沽地區原油,其原油族組成分布介于上述兩個點群;第4點群為以旺1102為代表的大中旺地區原油,其典型特征為飽和烴、芳烴含量較低,非烴、瀝青質含量高至75%。從整個板橋凹陷看,原油族組成分布表現出明顯的“南北分區”。以大張坨斷層為界,研究區北部族組分分布特征為飽和烴相對含量較高,非烴和瀝青質含量較低,芳香烴含量中等,飽芳較大;而相比之下,南部地區原油族組成特征相反。

圖3 研究區原油族組成分布特征

3.2.2 原油碳同位素組成特征

板橋凹陷原油碳同位素值相差較大,分布于-29.1‰～-24.5‰之間,整體表現出與原油族組成相似的特征。其中,板橋地區第1類原油碳同位素均大于-25.3‰,表明此類原油成熟度水平相對較高;相比之下,板橋地區第2類原油碳同位素較輕,且飽和烴、原油、芳香烴、瀝青質、非烴表現出依次增加的趨勢;紅8-1井油樣與大中旺地區的碳同位素與區內其他地區樣品特征具有顯著差異,在-27‰左右,整體較輕;塘沽地區原油碳同位素值最輕,均小于-28‰,整體分布趨勢與板橋凹陷第1類原油一致,但整體上相差3‰。

表1 研究區原油碳同位素組成特征

3.2.3 原油飽和烴氣相色譜特征

板橋凹陷原油氣相色譜圖表明,板橋凹陷既有保存良好的正常原油,也有正構烷烴明顯遭到生物降解的原油。依據氣相色譜圖特征,可將研究區原油劃分為4種類型。

板橋凹陷原油飽和烴氣相色譜特征表現出明顯差異。其中,板橋地區第1類原油的典型特征為峰型完整,正構烷烴(nC)分布完整,但環烷烴(CYC)、異構烷烴(iC)含量相對較低,前鋒型主峰碳優勢明顯,多集中在nC9和nC10,OEP和CPI均趨近于1,表現出成熟原油特征(圖4(a))。此外,原油樣品飽和烴氣相色譜顯示,該類原油特征參數∑C21-/∑C22+值分別在3.59和42.38之間,Pr/nC17值分別在0.33和0.56之間,Ph/nC18值分別在0.18和0.31之間,Pr/Ph值分布在1.96和2.49之間,以弱姥鮫烷優勢為特征。

板橋地區埋深較淺的樣品對應該地區第2類原油,集中于東營組(Nd)和館陶組(Ng)。原油樣品飽和烴氣相色譜圖顯示,該類原油以環烷烴(CYC)為主,正構烷烴(nC)和異構烷烴(iC)含量均較低,推測該類原油已遭受嚴重生物降解(圖4(b))。

大中旺地區為研究區典型的第3類原油,飽和烴氣相色譜圖中飽和烴整體含量較低,色譜基線出現明顯的“UCM”鼓包現象(圖4(c)),異構烷烴(iC)、環烷烴(CYC)含量高,而正構烷烴(nC)分布不明顯,加之該區域樣品埋深較淺,推測此類原油也遭受一定程度的生物降解。

塘沽地區為研究區典型的第4類原油,其飽和烴氣相色譜圖中峰型完整,正構烷烴(nC)分布完整,但含量明顯低于環烷烴(CYC)和異構烷烴(iC),以nC21、nC23為主峰。原油正構烷烴無明顯的奇偶優勢,CPI比值平均為1.15,OEP比值分布于1.05和1.13之間,反映出成熟原油的特征。飽和烴特征參數∑C21-/∑C22+值分布在0.59和1.31之間,Pr/nC17比值分別在0.48和0.60之間,Ph/nC18比值分別在0.75和0.96之間,Pr/Ph平均比值為0.56,表現出明顯的植烷優勢(圖4(d))。

3.2.4 原油甾萜烷組成特征

3.2.4.1 原油甾烷系列化合物特征

規則甾烷中重排甾烷、規則甾烷等參數可有效指示原油的母質差異[7]。依據m/z217對板橋凹陷原油甾烷進行定量—定性分析表明,研究區內原油甾烷系列化合物的地球化學特征均表現出明顯的區域差異。

板橋地區原油中規則甾烷呈不對稱V型分布,以C27、C29為優勢(圖5(a)、(b))。甾烷的典型特征為重排甾烷指數在研究區含量最高、4-甲基甾烷指數較高;∑(重排)/∑(規則)比值分布在0.109和0.340之間,∑(相對分子質量)/∑(規則)比值分布在0.020和0.072之間(表2)。板橋地區甾烷構成特征隨深度變化呈現出不同規律,其中,板橋地區第1類原油的甾烷構成特征為規則甾烷C27/C29比值、∑(重排)/∑(規則)比值、相對分子質量/∑(規則)比值、4-甲基甾烷/C29比值等參數均相對較高,且C27優勢特征明顯;而板橋地區第2類原油的上述甾烷參數則相對較低。

圖4 板橋凹陷原油飽和烴氣相色譜圖

大中旺地區原油的質量色譜圖中規則甾烷呈V字型對稱分布,以C27、C29為優勢(圖5(c))。該類原油的甾烷系列化合物含量總體較低,且樣品中未檢測到有效的4-甲基甾烷。

圖5 研究區原油典型質量色譜圖

表2 研究區原油甾烷特征參數

塘沽地區原油質量色譜圖顯示出,規則甾烷分布表現出典型的C29優勢,為典型的反L型(圖5(d))。該類原油的甾烷系列化合物特征為低分子量/∑(規則)比值較小;∑(重排)/∑(規則)平均比值為0.1;4-甲基甾烷含量很低,4-甲基甾烷/C29甾烷分布在0.05和0.08之間。相比板橋地區,塘沽地區原油的上述甾烷生標參數均較小。

3.2.4.2 原油萜烷系列化合物特征

萜類化合物是原油中分布廣泛的生物標志化合物。利用m/z123和m/z191對原油樣品的倍半萜烷、二萜烷、三環萜烷等萜類化合物進行了定量—定性分析,為研究區原油類型劃分提供有效依據。

萜類化合物中三環二萜烷為來自高等植物的先質[8]。依據研究區原油樣品的生物標志化合物參數,繪制出原油三環二萜烷/∑藿烷與二環倍半萜烷/∑甾烷的相關圖(圖6)。

圖中清晰顯示,板橋地區原油樣品可劃分為3種類型,板橋地區對應可分為第1類和第2類,大中旺地區原油對應第3類。對比3類原油的二環倍半萜烷/∑(甾烷)比值發現,第1類原油中該比值均在2以上,可知該類原油母質來源一致,且含有低等水生植物或較高細菌的先質;第2類原油中該比值在0.01～1之間;第3類原油中該比值與三環二萜烷/∑(藿烷)比值均很低,表明此類原油母質的差異性來源。

圖6 研究區原油二環倍半萜烷/∑甾烷與三環二萜烷/∑藿烷相關圖

4 原油類型劃分

圖7 板橋凹陷原油聚類譜系圖

前已述及,板橋凹陷原油的族組成、碳同位素組成、飽和烴氣相色譜、甾萜烷組成等地球化學特征研究表明,研究區板橋地區、塘沽地區和大中旺地區的原油各具特色,既表現出一定的層位差異,同時表現出顯著的區域性差異。因此,充分利用上述各項生物標志化合物特征基礎上,筆者以原油試樣間的相似程度為依據,采用多元統計方法—Q型聚類分析[9],進一步對研究區原油樣品進行分類,最大限度地利用了生物標志化合物的所有成因信息,有效規避了單一參數對比的局限性。本次研究中,以相似系數0.85為標準,采用SPSS統計軟件進行聚類分析,得出研究區聚類譜系圖(圖7)。結果表明,研究區原油樣品可劃分為4種典型類型,其中,板橋地區原油可劃分為兩類,以板852-3和板深5H1為代表的板橋地區埋深較大的原油定為Ⅰ類原油,以板78-12和板南3-1k為代表的板橋地區埋深較小的原油定為Ⅱ類原油;以旺1102為代表的大中旺地區原油定為Ⅲ類原油,以塘28為代表的塘沽地區原油定為Ⅳ類原油,與前述原油地球化學特征分析結果具有極高的吻合度。

5 結 論

(1)板橋凹陷原油屬典型的低硫原油,含硫量介于0.4%～1.0%,原油黏度集中于0.5～1 000 mPa·s,原油含蠟量、凝固點隨相對密度變化范圍均較大,其中,含蠟量分布于1.28%～34%,凝固點分布于-30～72 ℃。

(2)板橋凹陷原油地球化學特征表現出顯著的區域性差異。板橋地區埋深大的原油飽和烴含量高,碳同位素重,異構烷烴和環烷烴含量低,Pr/Ph值大,C27、C28、C29規則甾烷呈不對稱V型,低分子量甾烷、重排甾烷、4-甲基甾烷含量高,成熟度較高;板橋地區埋深小的原油飽和烴含量中等,非烴和瀝青質含量較高,碳同位素較重,甾萜類化合物與其埋深大的原油相似。大中旺地區原油碳同位素最輕,飽和烴含量較高, Pr/Ph值小,規則甾烷以C27、C29為優勢,呈反L型分布,成熟度水平相對較低。塘沽地區原油碳同位素較輕,非烴和瀝青質含量高,規則甾烷分布表現出典型的C29優勢,為典型的反L型,成熟度相對較低。

(3)Q型聚類分析研究表明,板橋凹陷原油樣品可劃分為4種類型,其中,以板852-3和板深5H1為代表的板橋地區埋深較大的原油定為Ⅰ類原油,以板78-12和板南3-1k為代表的板橋地區埋深較小的原油定為Ⅱ類原油;以旺1102為代表的大中旺地區原油定為Ⅲ類原油,以塘28為代表的塘沽地區原油定為Ⅳ類原油,與前述原油地球化學特征分析結果具有極高的吻合度。