歧口凹陷古近系原油地球化學特征及油源分析

孫 肖,魏真真,王丙賢,王厲強,楊 靜

(1.中國石油大學勝利學院油氣工程學院，東營 257000；2.中石化石油工程設計有限公司，東營 257000；3.中國石油大港油田分公司采油工藝研究院，天津 300280)

1 區域地質背景

圖1 歧口凹陷區域構造位置與原油試樣分布Fig.1 Regional tectonic location and distribution of crude oil samples in Qikou Sag

2 試樣與試驗

試驗采用Varian CP3800氣相色譜儀完成。試驗過程中，設定初始溫度30 ℃，恒溫時長18 min，然后分別以1.5、2.5、4 ℃/min的速率升溫至70、130、250 ℃，最終恒溫時長18 min。原油試樣數量大、分布廣，且試樣分析、測試條件一致，保證了試驗結果的準確性。

3 古近系原油地球化學特征

原油地球化學特征分析是油源對比確認油氣來源的基礎[10-12]。對岐口凹陷典型試樣進行質量色譜分析，對不同層段原油類異戊二烯烷烴、甾萜烷類生物標志物等地球化學特征進行系統分析，為后續原油類型劃分及油源對比提供了重要依據。

3.1 類異戊二烯烷烴特征

類異戊二烯烷烴分布特征可較好地反映出有機質沉積環境，作為推斷油源的依據[13-15]。東三段類異戊二烯烷烴的分布特征總體相似，大多數原油試樣以姥鮫烷略占優勢，Pr/Ph為1.0～2.5，伽馬蠟烷含量較低，伽馬蠟烷異常指數大多小于1.0[圖2(a)、圖2(b)]，表明東三段沉積時水體鹽度相對低，屬淡水-微咸水的弱氧化-弱還原環境。沙河街組類異戊二烯烷烴分布特征差異較大，植烷、姥鮫烷呈現不同優勢。其中，沙一中段為姥鮫烷與植烷均勢或姥鮫烷占優勢，Pr/Ph為0.88～2.01，且試樣中伽馬蠟烷含量很低，伽馬蠟烷異常指數均小于1[圖2(a)、圖2(b)]，其分布范圍與東三段極為相似，表明二者在母質輸入與沉積環境上的一致性。沙一下段與沙一中段差異較大，有相當部分試樣呈現明顯的植烷優勢，Pr/Ph為0.2～0.9，且伽馬蠟烷含量高，伽馬蠟烷異常指數均大于2，另有部分原油試樣呈現姥鮫與植烷均勢或姥鮫烷略占優勢，Pr/Ph為1.0～1.54，略低于沙一中段，且伽馬蠟烷含量與沙一中段類似或略高[圖2(a)、圖2(b)]，反映沙一下段沉積環境變化相對較大，既有鹽湖或者咸水強還原沉積環境，又微咸水還原或者弱還原沉積環境。沙三段類異戊二烯烷烴的分布特征與沙一下段類似，既有植烷優勢，也有姥鮫烷優勢，Pr/Ph為0.5～1.7，伽馬蠟烷異常指數為 0.15～2.8[圖2(a)、圖2(b)]，同樣反映出沉積環境的復雜多變。

圖2 岐口凹陷原油代表性地化參數相關圖Fig.2 Relationship diagram of representative geochemical parameters of crude oil in Qikou Sag

3.2 甾萜烷類生物標志物特征

歧口凹陷各層段中甾萜烷類生物標志化合物特征存在一定差異，為研究區原油類型劃分和油源對比提供了依據。

C19/C23三環萜烷比值為0.09～0.55，C20/C21三環萜烷比值為0.42～0.82[圖2(c)]，與沙三段相似，而與沙一中亞段和東三段顯著不同。此外， 4α-甲基C29甾烷含量與4α-甲基C30甾烷含量相近[圖2(d)]、氯仿瀝青“A”碳同位素值較大[圖2(e)]也是將沙一下亞段與其他層段有效區分的參考指標。圖2(f)為伽馬蠟烷異常指數與三環萜烷/藿烷相關圖。

沙一下亞段甾萜烷類生物標志化合物組成最具特色，以三環萜烷含量較高，伽瑪蠟烷含量較高和Pr/Ph較小為特征。與沙一中亞段相比，沙一下亞段萜烷的分布中三環萜烷的相對含量明顯有所增高(圖3)，三環萜烷/C30藿烷可達0.18～0.70，且與成熟度無關，反映出沙一下亞段與沙一中亞段在母質與沉積環境上的差異。

沙三段與沙一中亞段的甾萜烷類生物標志化合物總體特征無顯著差異，但對比規則甾烷組成特征可發現，沙一中亞段C28甾烷含量比沙三段總體偏高(圖3)。萜烷類組成中，沙一中亞段三環萜烷含量極低，m/z 191質量色譜圖中幾乎無顯示，極少試樣∑三環萜烷/αβC30藿烷會超過0.1，而沙三段中該比值總體較低但一般均超過0.1。∑三環萜烷/αβC30藿烷與伽馬蠟烷異常指數的相關圖中可將二者區別開來[圖2(f)]。此外，相同成熟條件下，沙一中亞段的重排甾烷含量略大于沙三段(圖3)；氯仿瀝青“A”碳同位素組成中，沙一中亞段碳同位素值一般小于沙三段[圖2(e)]。綜合上述多種參數特征，可將沙一中亞段和沙三段有效區分開來。

東三段與沙一中亞段甾萜烷類生物標志物分布總體特征極為相似，未找到有效參數區分，僅在氯仿瀝青“A”碳同位素與姥鮫烷/植烷(Pr/Ph)相關圖[圖2(e)]中，東三段和沙一中亞段烴源巖分布區域存在差異[圖2(e)]。

圖3 歧口凹陷古近系甾萜烷類生標質量色譜圖Fig.3 Quality chromatography of Paleogene steroterpenoids in Qikou Sag

4 原油類型劃分

依據類異戊二烯烷烴、甾萜烷類生物標志物等地球化學特征，可將歧口凹陷不同層段原油有效區分。但區內古近系形成環境與有機母質來源的相似性，為油源對比帶來一定困難。同時，研究區為典型陸相斷陷盆地，縱、橫向交叉的立體式油氣運移方式[16-19]，導致不同來源石油的充注混合，也進一步增加了油源對比難度。因此，綜合考慮反映生油母質與沉積環境的多種地球化學參數，采用Q型聚類分析方法進行原油類型劃分。

Q型聚類分析法是一種多元統計方法，其基本原理為以試樣間變量的相似程度為依據對試樣聚合分類，直至將所有試樣聚合完畢，并用系統直觀的譜系圖表示[20-23]。Q型聚類分析法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。以歧口凹陷102個試樣為研究樣本，選取18個甾萜烷參數作為分析變量，采用SPSS統計軟件，以相似系數0.85為標準，分別在北大港地區、歧南歧北地區、歧口南坡地區進行聚類分析，得出各區聚類譜系圖(圖4)，各分區原油類型劃分、命名及主要參數特征如表1所示。

Q型聚類分析：不進行預處理，相似系數，遠鄰連接；D1、D2、D3、D4、D5、Q1、Q2、Q3、Z1、Z2、Z3、Z4、Z5表示原油類型；Es表示沙河街組；Ed表示東營組；Ng表示館陶組；Nm表示明化鎮組圖4 歧口凹陷各分區原油分類聚類譜系圖Fig.4 Clustering spectrum of crude oil’s classification in different regions of Qikou Sag

表1 歧口凹陷聚類分析結果與主要參數特征

續表1

聚類分析區域原油類型劃分主要參數特征分析變量歧南歧北地區Q1伽馬蠟烷異常指數高,奧利烷含量較高,三環萜烷含量中等到較高,升藿烷含量中等Q2伽馬蠟烷異常指數低,奧利烷含量較低,三環萜烷含量較低到中等,升藿烷含量較高Q3伽馬蠟烷異常指數極高,奧利烷含量高,三環萜烷含量低,升藿烷含量低,成熟度參數顯示低成熟歧口南坡地區Z1伽馬蠟烷異常指數高,奧利烷含量中等,三環萜烷含量較低,升藿烷含量低,成熟度參數顯示低成熟Z2伽馬蠟烷異常指數較高,奧利烷含量中等,三環萜烷含量較低到中等,升藿烷含量低到中等Z3伽馬蠟烷異常指數低到較高,奧利烷含量低到中等,三環萜烷含量較低,升藿烷含量較高Z4伽馬蠟烷異常指數較高,奧利烷含量較低,三環萜烷含量高,升藿烷含量低Z5伽馬蠟烷異常指數低到較高,奧利烷含量高、三環萜烷含量高,升藿烷含量高,成熟度參數顯示高成熟度三環萜烷/C30霍烷、伽馬蠟烷異常指數、C19/C23三環萜烷、C20/C21三環萜烷、C29Ts/C29降藿烷、C29Ts/(Ts+Tm)、C31S/(R+S)、升藿烷/C30藿烷、C27重排甾烷/C27規則甾烷、C29甾烷C20S/(C20S+C20R)、C27甾烷/C29甾烷、C28甾烷/C29甾烷、Pr/Ph、碳同位素(其中,Ts為三降新霍烷;Tm為三降霍烷;S為逆時針異構體;R為順時針異構體)

為綜合得出歧口全區原油類型劃分，在前述分區聚類分析基礎上抽取各區試樣典型代表，綜合聚類分析后將歧口凹陷全區劃分為D1-Q1-Z2、D4-Z3、D5-Q3-Z1、Q2、D2、D3、Z4、Z5共8種代表性原油類型，典型飽和烴質量色譜圖可清晰顯示出不同原油類型的生物標志化合物特征(圖5)。

圖5 歧口凹陷各類原油典型飽和烴質量色譜圖Fig.5 Typical saturated hydrocarbon quality chromatogram of crude oils in Qikou Sag

5 油源對比分析

在原油類型劃分基礎上，筆者結合研究區烴源巖的地球化學特征對各類單原油和混源油的可能來源進行識別與分析。

5.1 D1-Q1-Z2類原油

D1-Q1-Z2類原油具有伽馬蠟烷異常指數高、奧利烷含量中等到較高、三環萜烷含量中等到較高和升藿烷含量低到中等的典型特點。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(a)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(a)]均顯示其與沙一下亞段、沙三段具有明顯的相關性，且飽和烴生物標志化合物質量色譜圖與沙一下亞段對比良好(圖5)，尤其伽馬蠟烷含量高，伽馬蠟烷異常指數均大于1，三環萜烷含量較高。以上特征均可指示D1-Q1-Z2類原油以沙一下亞段為主要來源或唯一來源。此類原油在空間分布廣泛。

圖6 歧口凹陷各類原油Pr/Ph與碳同位素油源對比Fig.6 Oil sources comparison of various crude oils’ Pr/Ph and carbon isotope in Qikou Sag

5.2 D4-Z3類原油

D4-Z3類原油具有伽馬蠟烷異常指數低到較高、奧利烷含量低到中等、三環萜烷含量較低和升藿烷含量中等到較高的典型特征。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(b)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(b)]均顯示其具有混源油特征，既與沙一中亞段烴源巖具有相似性，也與沙一下亞段、沙三段烴源巖具有相似性。其中，唐家河地區、張巨河地區的原油與沙一中亞段、東三段烴源巖分布區域接近，且飽和烴生物標志化合物質量色譜圖與沙一中亞段、東三段烴源巖具有可比性，尤其與沙一中亞段烴源巖對比良好(圖5)，此類原油以沙一中亞段為主要來源或唯一來源。此類原油分布局限，僅在唐家河地區和張巨河地區的構造低部位有所分布，不超出沙一中亞段至東三段的有效烴源巖分布范圍。除此之外的D4-Z3類原油顯示混源的特性，從伽馬蠟烷異常指數變化范圍特征來看，既有沙一中東三段與沙一下亞段的混合，也有沙一中亞段—東三段與沙三段的混合，或者三源混合。

5.3 D5-Q3-Z1類原油

D5-Q3-Z1類原油數量較少，僅包括莊1069井沙一下亞段、張海16井沙一下亞段、紅18-41井沙三段原油。其具有伽馬蠟烷異常指數極高、Pr/Ph小、三環萜烷含量低和升藿烷含量低的特征。伽馬蠟烷異常指數、Pr/Ph特征及三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(c)]均指示此類原油與沙一下亞段烴源巖關系最為密切，尤以來源于沙一下亞段的原油樣品與沙一下亞段淺層烴源巖的甾萜烷構成最具可比性。因此，此類原油主要來源于沙一下亞段烴源巖。

5.4 D2類原油

D2類原油具有伽馬蠟烷異常指數變化較大、 Pr/Ph變化較大、奧利烷含量低到中等、三環萜烷含量較低、升藿烷含量較高的典型特征。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(c)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(d)]均顯示其與沙一下亞段、沙三段具有明顯相似性，為沙一下亞段與沙三段的混合油，在北大港地區分布廣泛。

5.5 D3類原油

D3類原油具有伽馬蠟烷異常指數總體較小、Pr/Ph多大于1、奧利烷含量中等到較高、三環萜烷含量低和升藿烷含量高，且含有一定量甲藻甾烷的典型特征。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(c)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(d)]顯示其處于沙一下亞段、沙三段、沙一中亞段與東三段的過渡區域，指示此類原油為多源混合型原油。D3類原油在北大港地區分布最為廣泛。

5.6 Q2類原油

Q2類原油在歧南歧北地區廣泛分布，依據地球化學特征的細微差異，可將其進一步劃分為兩類。其中，以館陶組岐133-1井、歧132井原油為代表，具有伽馬蠟烷異常指數很低、奧利烷含量較低、三環萜烷含量很低、升藿烷含量較高、甲藻甾烷含量較低的典型特征。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(c)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(d)]顯示其處于沙一中亞段和東三段烴源巖分布區，指示此類原油主要來源于沙一中亞段或東三段。而以沙三段岐南3井、岐北3井、岐北12井和岐124井原油為代表，盡管其伽馬蠟烷異常指數同樣很低，但具有奧利烷含量中等、升藿烷含量較高，并含有一定量三環萜烷的特征。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(c)]和三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖7(d)]顯示其處于沙一下亞段和沙三段分布區，且原油飽和烴生物標志化合物質量色譜圖與沙三段烴源巖具有較好的可比性(圖5)，推斷此類原油主要來源于沙三段烴源巖。

5.7 Z4類原油

Z4類原油主要分布在張巨河地區，以張參1井沙二段凝析油為代表。此類原油生物標志物分布特征與張巨河地區其他原油均不同，具有三環萜烷含量高、三環萜烷/五環萜烷比值極高，伽馬蠟烷含量明顯但不高，甾烷C27>C28>C29，且甲基甾烷和甲藻甾烷含量很低。碳同位素與Pr/Ph相關圖[圖6(c)]顯示其與岐北3井原油非常接近，指示此類凝析油來源于沙一下亞段和沙三段。

5.8 Z5類原油

Z5類原油主要分布在張巨河地區，以張海19井沙二段和沙三段原油為代表，具有伽馬蠟烷異常指數低至較高、奧利烷含量高、三環萜烷含量高和升藿烷含量高的典型特征。三環萜烷C19/C23與C20/C21相關圖[圖6(c)]顯示沙二段樣品處于沙三段和沙一下亞段烴源巖分布區，沙三段樣品處于沙一中亞段和東三段烴源巖分布區，且飽和烴生物標志化合物質量色譜圖與沙三段烴源巖具有較好的可比性(圖5)，結合其產出層位，綜合推斷此類原油主要來源于沙三段烴源巖。

6 結論

(1)來自歧口凹陷古近系不同烴源巖層段的原油地球化學特征存在一定差異。綜合Pr/Ph、伽馬蠟烷異常指數、C19/C23三環萜烷、C19/C23三環萜烷、三環萜烷/萜烷、氯仿瀝青“A”碳同位素等地球化學指標可將不同層段原油有效區分。

(2)Q型聚類分析研究表明，歧口凹陷全區可劃分為D1-Q1-Z2、D4-Z3、D5-Q3-Z1、Q2、D2、D3、Z4、Z5共8種代表性原油類型。

(3)綜合原油地化特征識別、對比、分析油源表明，D1-Q1-Z2類原油來源于沙一下亞段烴源巖，全區廣泛分布；D4-Z3類原油在唐家河、張巨河地區來源于沙一中亞段烴源巖，其他地區具有混源特征；D5-Q3-Z1類原油主要來源于沙一下亞段烴源巖；D2類原油為沙一下亞段與沙三段烴源巖的混合來源，D3類原油為多源混合，二者均在北大港地區廣泛分布；Q2類原油主要分布在歧南歧北地區，館陶組原油來源于沙一中亞段與沙三段烴源巖，沙三段原油來源于沙三段烴源巖；Z4類原油主要來源于沙一下亞段與沙三段烴源巖，Z5類原油來源于沙三段烴源巖，二者均分布于張巨河地區。