溱潼凹陷斜坡帶原油物性和地化特征及成因

昝靈，柴方園，印燕鈴

中石化華東油氣分公司勘探開發研究院，南京 210019

0 引言

隨著勘探開發對象由中淺層轉向深層、常規轉向非常規，沉積學在淺水和深水沉積砂體分布規律、深層—超深層儲集層發育機理、富有機質頁巖發育模式及非常規儲層特征等研究方面取得重要進展[1]。筆者嘗試通過原油的物性和生物標志物特征分析，揭示優質烴源巖形成環境，豐富富有機質頁巖發育模式，分析形成于不同沉積環境的烴源巖生成原油的差異性。我國老一代油氣地質學家提出的陸相生油論對于陸相湖盆油氣發現起到巨大推動作用[2]，當時認為大型淡水湖泊是陸相優質烴源巖形成的有利環境[3]。但越來越多的研究表明，無論是海相還是陸相優質烴源巖均形成于咸化環境[4-9]，咸化環境烴源巖具有排烴早、時間長、效率高的特點。蘇北盆地古近系烴源巖形成時間為65～51 Ma，此時東部湖盆氣候較干燥，渤海灣盆地主要為紅層沉積，局部發育膏巖沉積。溱潼凹陷優質烴源巖主要分布在泰州組二段、阜寧組二段中下部和阜寧組四段上部[10-11]，有機質類型以Ⅱ1型為主，Pr/Ph偏低，β-胡蘿卜烷和伽馬蠟烷含量較高，形成于較強的還原環境。

溱潼凹陷位于蘇北—南黃海盆地東臺坳陷的東南部，介于吳堡低凸起與泰州凸起之間（圖1），南部連江都隆起，東北部接梁垛低凸起，呈北東東向展布，面積約1 100 km2。自東向西可劃分為斷階帶、深凹帶和斜坡帶。經過多年勘探，目前已發現帥垛、茅山等十七個油田，提交探明儲量四千五百余萬噸。溱潼凹陷古近系原油具有明顯的低熟特征[12-15]，C29甾烷ααα20S（20S+20R）值小于0.29，高等植物和菌藻類微生物是低熟原油最為重要的成烴母質。低熟油在斷階帶、坡壘帶及外斜坡均有分布[15]。原油在地質歷史時期經過了初次運移、二次運移，物性受到母源、運移距離、保存條件等多種因素影響[16-19]，是油藏形成過程的綜合反映。原油中的生物標志化合物能揭示形成環境、母質類型、成熟度等信息，且受到地質歷史時期各種因素的影響較小，是研究油氣運移的重要指標。原油在運距過程中會形成成熟度差異[20]，油氣從成熟度高的部位向成熟度低的部位運移[21-30]，因此可以根據原油成熟度的變化趨勢推測原油充注方向，原油成熟度最高點被認為是油氣的充注點。硫含量也是油源對比的一個有效指標，高含硫原油形成于鹽湖—咸化烴源巖，低含硫原油來自淡水—微咸水烴源巖，中等含硫原油多為混源油[31]。筆者以溱潼凹陷原油物性資料和生物標志物信息為基礎，結合成藏條件研究，剖析原油性質、分布規律及形成原因，為尋找有利區帶提供參考。通過深化優質烴源巖沉積環境、生烴演化認識，推動非常規油氣沉積學快速發展，助力非常規油氣資源探索。

圖1 溱潼凹陷原油密度變化趨勢圖Fig.1 Variation trend chart of crude oil density in Qintong Sag

1 原油性質及分布規律

溱潼凹陷由西向東依次發育港口、儲家樓、時堰三個主生油洼陷，阜二段烴源巖生成的油氣沿著斷層、火山通道逐漸向外坡運聚成藏，具有多層系立體含油的特征。不同區帶的油源、運移、聚集和保存條件等存在明顯差異，原油性質差異較大。根據原油物性及構造背景將溱潼凹陷原油劃分為超重油、重質油、中質油3類，以中質油為主，其次為重質油和超重油（表1）。

表1 溱潼凹陷原油物性分類Table 1 Physical classification of crude oil in Qintong Sag

三種原油生標特征差異也比較大，中質油地球化學特征如下（圖2a）：總粒子流圖上正構烷烴碳數呈正態型分布，主峰碳為C22，奇偶優勢不明顯，Ph含量>Pr含量，Pr/Ph為0.74；β-胡蘿卜烷含量很低或不含；三環萜烷含量中等，C20、C21、C23三環萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量不高，伽馬蠟烷/C30藿烷為0.15，Ts含量高于Tm，Ts/Ts+Tm為0.58；ααα20RC27、C28、C29甾烷呈“V”型分布，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27，ααα20RC27/C29為0.69，孕甾烷、升孕甾烷含量較高，孕甾烷含量高于升孕甾烷。原油對應的Ro值約為0.87%，屬于成熟油。

重質油正構烷烴碳數呈正態型分布（圖2b），主峰碳為C22，奇偶優勢不明顯，Ph含量>Pr含量，Pr/Ph為0.23，β-胡蘿卜烷含量較高；三環萜烷含量中等，C20、C21、C23三環萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量很高，伽馬蠟烷/C30藿烷為0.78，Ts含量低于Tm，Ts/（Ts+Tm）為0.14，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27甾烷，幾乎不含孕甾烷、升孕甾烷。C29甾烷αα20S（20S+20R）值為0.19，C31升藿烷22S/（22S+22R）值為0.54，原油成熟度較低，屬于典型的咸化烴源巖產物[14]。

超重油飽和烴生物標志物特征（圖2c）：無正構烷烴與異構烷烴的分布，可見藿烷系列化合物的分布，存在明顯鼓包，遭受生物降解，β-胡蘿卜烷豐度較高，形成于咸化環境。C20、C21、C23三環萜烷呈上升型分布，總體豐度較低，三環萜烷/藿烷為0.50，（C19+C20）三環萜烷/藿烷值為0.07，Ts比Tm豐度低，Ts/（Ts+Tm）值為0.36，伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.34，升藿烷指數為0.07，孕甾烷與升孕甾烷的豐度中等，重排甾烷豐度較低，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27甾烷，C29甾烷αα20S（20S+20R）值為0.31，C31升藿烷22S/（22S+22R）值為0.59，原油成熟度中等至低。

圖2 原油飽和烴生物標志物特征Fig.2 Biomarkers of saturated hydrocarbons in crude oil

從原油物性和地化參數來看，中質油具有相對密度較低，黏度低，硫含量低，無植烷優勢，伽馬蠟烷含量低的特征，主要分布在內斜坡阜三段。超重油具有相對密度高、黏度大、凝固點低、初餾點高的特征，缺少正構烷烴，β-胡蘿卜烷豐度高，主要分布在淺層三垛組。重質油物性介于二者之間，植烷優勢明顯，伽馬蠟烷含量較高，主要分布在外斜坡阜三段和戴南組（圖1）。

2 原油性質的主要影響因素

原油的性質受到水介質條件、母質類型、盆地演化史及油氣運移、保存條件多因素控制。其中，油源差異是內因，運移和保存條件是外因，分別影響原油性質的不同方面。

2.1 油源差異

2.1.1 油源分析

烴源巖的形成環境、類型及熱演化程度影響了原油的組成及性質。從生標譜圖和生標指紋圖對比來看，溱潼凹陷原油主要來自阜二段烴源巖[11-13]（圖3，4）。原油和阜二段烴源巖的正構烷烴，甾、萜烷化合物特征比較相似，總粒子流圖上正構烷烴碳數呈正態型分布，奇偶優勢不明顯，Ph含量>Pr含量，C20、C21、C23三環萜烷呈上升型分布，伽馬蠟烷含量中等，Ts含量高于Tm，ααα20RC27、C28、C29甾烷呈不對稱“V”型分布，ααα20RC29甾烷含量高于ααα20RC27。原油的生標參數差異主要為伽馬蠟烷含量以及成熟度指標，Gr/C30H為0.15～0.7，C29甾烷ααα20S（20S+20R）為0.19～0.55。

圖3 溱潼凹陷原油和阜二段烴源巖對比圖Fig.3 Comparison diagram of source rock between crude oil in Qintong Sag and the E f2 members

2.1.2 阜二段烴源巖形成環境分析

東部斷陷湖盆沉積環境研究表明[32-33]，受古氣候、古水體鹽度、古水深和古物源影響，巖性從灰巖到泥質灰巖—灰質泥巖—泥巖，有機質豐度先升高后降低[11]，紋層狀沉積構造逐漸減少，沉積環境的還原性逐漸減弱，半潮濕氣候、半咸水、深水的還原環境最有利于形成富有機質泥頁巖。溱潼凹陷阜二段底部為厚層泥灰巖夾薄層粉砂質泥巖，泥灰巖厚度最大可達10 m，中部為泥巖、灰質泥巖和泥灰巖組合，頂部發育厚層深灰色泥巖，局部含粉砂質泥巖。阜二段沉積早期，由于氣候比較干燥，蒸發量大于降水量，地表淡水注入少，水體介質鹽度高，表現為黃鐵礦、伽馬蠟烷含量高，鍶鋇比高，不利于有機質生長，陸源物質輸入較少，在凹陷西部和北部，有少量粉砂質輸入，有機質豐度不高，烴源巖品質一般。阜二段沉積中期，湖平面逐漸上升，降雨頻發，湖平面震蕩頻繁，氣候由干熱向潮濕過渡，高等植物和菌藻類等較發育，水體鹽度適中，有利于有機質繁殖和保存，發育優質烴源巖。阜二段沉積晚期，湖平面相對降低，處于潮濕氣候，有利于有機質生長，但蒸發量小于降水量，水體為弱還原—淡水環境，不利于有機質保存，在北部斜坡帶有少量粉砂質輸入，烴源品質較差。阜二段烴源巖發育受到氣候變化、降水強度、水體鹽度和陸源物質供給等因素影響（圖5），阜二段中部為最有利烴源巖發育段，底部次之，頂部品質最差[11]。

圖4 溱潼凹陷原油和烴源巖萜烷化合物指紋圖（E f3、E d、E s為原油；E f2為烴源巖）化合物代號，藿烷：T1?C19三環萜烷；T2?C20三環萜烷；T3?C21三環萜烷；T4?C22三環萜烷；T5?C23三環萜烷；T6?C24三環萜烷；T7?C25三環萜烷；T8?C24四環萜烷；T9?C26三環萜烷；T10?C26三環萜烷；T11?C28三環萜烷；T12?C28三環萜烷；T13?C29三環萜烷；T14?C29三環萜烷；T15?Ts；T16?Tm；T17?降藿烷；T18?18α（H）?30?降新藿烷（C29Ts）；T19?18α（H）?重排藿烷；T20?17β（H），21α（H）?30?降莫烷；T21?17α（H）,21β（H）?藿烷；T22?17β（H），21β（H）?莫烷；T23?17α（H），21β（H）?30?升藿烷（22s）；T24?17α（H），21β（H）?30?升烷（22R）；T25?伽馬蠟烷；T26?17β（H），21α（H）?30?升莫烷（20R）；T27?17α（H），21β（H）?30，31?二升藿烷（22S）；T28?17α（H），21β（H）?30，31?二升藿烷（22R）；T29?17α（H），21β（H）?30，31，32?三升藿烷（22S）；T30?17α（H），21β（H）?30，31，32?三升藿烷（22R）；T31?17α（H），21β（H）?30，31，32，33?四升藿烷（22S）；T32?17α（H），21β（H）?30，31，32，33?四升藿烷（22R）；T33?17α（H），21β（H）?30，31，32，33，34?五升藿烷（22S）；T34?17α（H），21β（H）?30，31，32，33，34?五升藿烷（22R）Fig.4 Terpane fingerprints of crude oil and source rock in Qintong Sag(crude oil of the E f3,E d and E s members;source rock of the E f2 members)

圖5 阜二段烴源巖沉積模式及形成環境分析Fig.5 Analysis of sedimentary model and formation environment of source rock in the E f2 members

2.1.3 原油組成差異影響因素分析

從內坡到外坡，原油成熟度不斷降低（圖6），受烴源巖平面熱演化差異性影響，深凹帶阜二段烴源巖Ro大于0.9%，外斜坡Ro介于0.5%～0.7%（圖7）。從內坡到外坡，原油的密度、含硫量和伽馬蠟烷含量不斷增加（圖8、圖9a），飽芳比不斷降低（圖9b），受到烴源巖形成環境和成熟度共同影響。原油的Gr/C30H最低值為0.15，最高值為0.7，證明微咸—半咸水還原環境是形成優質烴源巖的有利沉積環境，水體鹽度太低不利于有機質保存，太高不利于有機質繁殖。阜二段中下部咸化的泥灰巖早期生成的原油成熟度較低，低熟油具有低飽芳比、高植烷優勢、高伽馬蠟烷、高含硫的特征，低成熟原油先期充注，不斷通過斷砂輸導體系向外斜坡運聚成藏。后期阜二段中部低咸化的灰質泥巖生成的原油成熟度較高，飽芳比高，無植烷優勢，伽馬蠟烷、含硫量中等，高成熟原油后期充注，不斷驅替低熟原油向外斜坡聚集。咸化烴源巖在低熟階段生烴在江漢盆地、渤海灣盆地廣泛存在，可能原因是木栓質體、菌藻類組分早期成烴[15]。

圖6 溱潼凹陷原油甾、萜烷成熟度參數相關圖Fig.6 Correlation diagram of steroidal and terpene maturityparameters of crude oil in Qintong Sag

圖7 阜二段中部烴源巖R o（%）等值線圖Fig.7 R o(%)contour map for middle hydrocarbon source rock of the E f2 members

圖8 溱潼凹陷原油密度和含硫量相關圖Fig.8 Correlation diagram of crude oil density and sulfur content in Qintong Sag

圖9 原油成熟度與形成環境、原油組分變化關系圖Fig.9 Crude oil maturity and formation environment,crude oil component change diagram

2.2 次生變化

在油氣運聚、成藏過程中，地層水的氧化作用、生物降解作用以及保存條件對原油物理、化學性質的影響較大，這些因素在油藏形成的不同階段發揮不同作用。

2.2.1 油氣運移

從深層到淺層，原油物性逐漸變差（圖10），比如三垛組發現的基本都是稠油油藏，戴南組部分原油也有輕度生物降解，主要是由油氣運移和油藏所處環境的差異所致。溱潼凹陷主要發育阜二段中下部生、阜三段儲的成藏組合，阜二段優質烴源巖與阜三段儲層不直接接觸，中間間隔一百米左右泥巖段，油氣垂向運移需要晚期活動的深大斷層溝通阜二段中下部烴源巖。原油由深層向淺層、凹陷中心向邊緣運移的過程中，氧化作用使原油中的輕組分不斷散失，保存重組分，造成原油物性逐漸變差。其次，原油沿縱向輸導斷層從深部向淺部運移過程中，溫度、壓力不斷降低，溶解氣也不斷散失，使原油物性變差。三垛期是重要油氣成藏期[12-14]，三垛期活動斷層是重要的垂向輸導斷層（圖11），尤其在西部內斜坡帶，輸導斷層比較發育，油氣沿斷層運移過程中，原油物性逐漸變差，且運移距離越遠，輕質組分散失越多，油質越差。運移效應也使得低熟原油主要分布在外斜坡和淺層。

圖10 原油物性隨深度變化趨勢圖Fig.10 Trend chart of changes in crude oil properties with depth

圖11 溱潼凹陷斜坡帶油氣成藏模式圖Fig.11 Oil and gas accumulation model diagram of Qintong Sag slope belt

2.2.2 油藏保存條件

保存條件也是影響原油性質的重要因素，主要包括氧化作用和生物降解作用。在斷層和不整合面附近油藏最容易遭受次生改造，容易形成稠油油藏，比如在外斜坡帶北漢莊和興北油田（圖1，11），阜三段地層遭受剝蝕，直接與三垛組底塊砂巖呈不整合接觸，靠近凹陷邊緣，地表水活躍，使得阜三段和三垛組原油遭受氧化、生物降解等次生變化[17]，原油物性變差。內斜坡阜三段雖然斷層發育，但地層封閉性好，油藏保存條件好，原油密度和黏度均較低。同時在戴南組、三垛組等中淺層，由于地溫較低、封閉性相對較差，原油容易遭受次生改造。油水界面附近原油密度、黏度變大的現象說明了水洗作用明顯。

3 油氣成藏過程分析

溱潼凹陷斜坡帶主要發育兩類斷層[12,34-35]（圖1，11），北東向斷層形成于吳堡期，主要起側向封堵作用，分布在外斜坡。近東西向斷層形成于三垛期，與油氣成藏期向匹配，主要起縱向輸導作用，分布在內斜坡。內斜坡順向斷層在三垛期開始活動，不斷溝通阜二段中下部烴源巖，生成的油氣沿三垛期斷層垂向運移至阜三段、戴南組。在構造圈閉發育區，油氣在阜三段、戴南組內部側向運移至高部位構造圈閉成藏。在構造圈閉不發育區，油氣沿反向正斷層向外斜坡運移，在阜三段、戴南組砂巖尖滅帶聚集成藏。

深凹帶阜二段烴源巖在三垛初期生成低熟油（圖12），三垛末期生成成熟油，低熟油先充注，后期成熟原油驅替早期低熟油向外坡運移聚集。從內坡向外坡，原油成熟度逐漸減小、物性變差，且外斜坡原油普遍具有高伽馬蠟烷、低姥植比、較高含硫量等特征，說明溱潼凹陷斜坡帶油源相對比較充足，原油經過較長距離運移，外斜坡阜三段剝蝕帶也是有利的勘探區。油源差異和油氣運移對原油性質的環帶狀分布起主要作用。

圖12 溱潼凹陷深凹帶和外斜坡單井熱演化史圖Fig.12 Thermal evolution history of single well in deep depression zone and external slope of Qintong Depression

4 結論

（1）溱潼凹陷的原油劃分為超重油、重質油、中質油三類。平面上，相同層系的原油從深凹帶向外斜坡帶物性逐漸變差，同時含硫量增加。縱向上，從深層向淺層原油物性逐漸變差。

（2）原油成熟度與形成環境具有良好相關性，低熟原油形成于咸化泥灰巖。外斜坡普遍發育低熟油，后期成熟油驅替低熟油不斷運聚到外斜坡成藏。溱潼凹陷斜坡帶油源比較充足，原油經過較長距離運移，阜三段剝蝕帶也是有利的勘探區。

（3）溱潼凹陷斜坡帶原油物性受到油源、油氣運移、氧化作用、生物降解等因素影響，油源差異和油氣運移對原油物性的環帶狀分布起主要作用，而保存條件對于局部原油物性變化起重要作用。