柴達木盆地西部第三系湖相原油碳同位素和生物標志物特征

柴達木盆地西部第三系湖相原油碳同位素和生物標志物特征

柴達木盆地以西（以下簡稱柴西）面積約4.14km2。第三系咸水湖相烴源廣泛分布，形成大量油氣。自1977年發(fā)現尕斯庫勒油田以來,該地區(qū)已相繼找到十幾個油氣田,集中占全盆地80%～90%的油氣儲量和產量,因此被列為柴達木盆地目前至今后相當長一段時間內的重點勘探區(qū)。發(fā)育有咸水湖相沉積的含油氣盆地在我國為數不多,因而柴西地區(qū)的咸水湖相原油及其源巖的地球化學特征引起不少國內外學者研究興趣(黃杏珍等,1993;Rittsetal.,1999;Hansonetal.,2001)①?，F有研究表明:本區(qū)的原油多為低熟原油,具有一般的咸水湖相原油性質。但這類原油地球化學特征與其源巖沉積環(huán)境之間的內在關系方面尚有許多問題還沒有闡明;而且,隨著近年來盆地油氣勘探的不斷深入和新的含油構造的發(fā)現,有必要進一步認識原油地球化學性質的區(qū)域性變化規(guī)律,為明確下一步的勘探目標提供科學依據。為此,本文在系統(tǒng)分析原油及源巖樣品的基礎上,重點對該地區(qū)咸水湖相原油獨特的碳同位素組成和異常的生物標志物分布特征從成因機制上進行剖析,并結合源巖分析資料闡明其區(qū)域上的變化規(guī)律。1柴達木盆地西部第三系生油巖及原油物理工藝柴達木盆地在中-新生代總體上經歷了早期斷陷、中期坳陷和后期沉積坳陷中心轉移3個構造演化階段。發(fā)育有中-下侏羅統(tǒng)淡水湖沼相、第三系咸水湖相和第四系生物氣源巖3套烴源層系,分別主要分布在盆地的北緣、西部和東部;其中,第三系和中-下侏羅統(tǒng)主要烴源層的展布范圍如圖1所示。目前所發(fā)現的油氣田主要分布在盆地的西部和北緣地區(qū)(圖1)。西部含油氣區(qū)以茫崖—英雄嶺凹陷軸部為界分成南區(qū)和北區(qū),南區(qū)由西向東分布的油田有七個泉、紅柳泉、獅子溝、花土溝、躍進一號(尕斯庫勒)、躍進二號和烏南油田等;北區(qū)主要有咸水泉、油泉子、南翼山、開特米里克、尖頂山及大風山構造等油氣田。北緣地區(qū)主要有冷湖、南八仙和魚卡3個油氣田。柴達木盆地西部第三系生油層縱向上分布廣泛,從路樂河組(E1-2)到上油砂山組(N2222)均有分布;在橫向上受湖盆的演化變遷控制,各層位生油巖分布范圍有很大變化。古新統(tǒng)-漸新統(tǒng)下部(E1-2-E1331)深湖-半深湖相生油層主要發(fā)育于茫崖—英雄嶺凹陷;漸新統(tǒng)中上部-中新統(tǒng)下部(E2332-N1111)生油巖分布范圍擴大,是本區(qū)的主力烴源層;中新統(tǒng)上部-上新統(tǒng)生油層(N2112-N2)主要發(fā)育于小梁山凹陷及茫崖—英雄嶺凹陷的部分地區(qū)。這些生油巖的TOC較低,大多低于0.5%;而其氯仿瀝青“A”含量相對較高,一般在0.07%到0.14%之間。柴西地區(qū)第三系原油物性呈一定的區(qū)域性變化趨勢,南區(qū)原油比重較高,在0.84～0.96范圍,其中躍進地區(qū)的一些淺層油藏原油因生物降解作用比重較高;北區(qū)原油油質相對輕些,比重變化在0.77至0.87之間,其中開特米里克和南翼山深層油藏原油屬輕質油,比重低。原油的含蠟量主要變化在9%到26%之間,躍進一號和躍進二號油田中部分原油含蠟量較高,屬中-高蠟原油。這些原油的含硫量均不高;南區(qū)原油相對較高,為0.12%～0.60%;北區(qū)原油均<0.10%;明顯不同于江漢盆地的第三系典型咸水湖相原油,后者含硫量高達2%～10%。本研究在盆地西部各油田現場采集了40余個代表性原油樣品及第三系生油巖樣品;同時,為了進行對比研究,還采集了盆地北緣各油氣田的侏羅系原油樣品。原油樣品全部進行了全油氣相色譜(GC)和飽和烴、芳烴組份色質(GC/MS)分析;測試在江漢石油學院測試分析研究中心完成,GC分析在HP6890氣相色譜儀上進行,色譜柱為60m×φ0.32mmHP-5MS彈性石英毛細管柱;GC/MS分析在HP6890GC/5973MSD色質聯用儀上進行,色譜柱為30m×φ0.32mmHP-5MS彈性石英毛細管柱。部分原油樣品進行全油、族組份和單體烴碳同位素分析,測試在中國石油勘探開發(fā)研究院實驗中心完成,所用儀器為MAT-252氣相色譜—同位素質譜儀。生油巖樣品也進行了相應的地球化學分析。2原油碳固定的組成特征(1)柴西地區(qū)咸水湖相原油的有機質組成柴西地區(qū)第三系咸水湖相原油全油碳同位素組成重,δ13C值主要集中在-26‰至-24‰之間(表1);與江漢盆地潛江凹陷咸湖相原油相當(-27.2‰～-23.9‰);反映出咸水湖相原油碳同位素偏重的一般特征。雖然許多人都注意到這個地球化學特征,但都難以作出合理的解釋。按常規(guī)觀點,原油的碳同位素取決于有機質生物源。一般認為來源于陸源高等植物的有機質碳同位素重,如煤成油δ13C通常變化在-26‰至-24‰之間;而源于水生生物的有機質碳同位素輕,如古生代海相和深湖相原油碳δ13C大多<-30‰。顯然,從有機質生物源上無法解釋咸水湖相原油碳同位素偏重的原因,因源巖干酪根顯微有機組份組成和生物標志物分布均表明這些原油的成油母質主要為水生生物有機質。國外許多學者對此進行過探討,Schidlowskietal.(1984)指出在高鹽環(huán)境中有機質碳同位素重是由于其水體中因CaCO3的沉淀導致溶解的CO2濃度低所致;而Petersetal.(1996)則認為這是由于咸水湖相環(huán)境中光合生物過分繁盛造成CO2濃度低的緣故。最近,Schoutenetal.(2001)認為上述兩種因素都與高鹽生態(tài)中有機質碳同位素偏重有關?？梢?咸水湖相環(huán)境中溶解的CO2少是致使有機質碳同位素重的根本原因,因其能導致自養(yǎng)生物中13C分餾作用減弱(Poppetal.,1998)。這些原油的飽和烴和芳烴組份碳同位素組成也反映出咸水湖相有機質的特殊性。圖2是柴西地區(qū)第三系咸水湖相原油及北緣侏羅系湖沼相原油這兩組份δ13C值的分布圖,圖中的直線(δ13C芳=1.14δ13C飽+5.46)是Sofer(1984)依據大量原油數據統(tǒng)計回歸出來作為區(qū)分海相與陸相原油的分界線。北緣侏羅系湖沼相原油均在陸相油一側,表明這種原油分類法的合理性;而西部第三系咸水湖相原油卻全落在海相油一側,似乎意味著咸水湖相原油具有海相有機質的碳同位素組成特征。這種情況也出現在江漢盆地高鹽相原油中(Petersetal.,1996)。實際上,這種用碳同位素組成劃分原油類型的方法,并非區(qū)分原油源巖的沉積相,而是區(qū)分其有機質類型。由于咸水湖相有機質生物源與海相沉積類似,主要為水生生物和細菌,因而在上述圖中有相近的分布范圍。在柴西地區(qū)咸水湖相原油族組份碳同位素組成中還有一個值得注意的現象:在飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質組份之間,δ13C值相差很小,飽和烴與瀝青質的δ13C的差值僅1‰左右;而在一般淡水湖相的原油中此差值較大,如盆地北緣侏羅系原油的此值在3‰±。這表征咸水湖相原油成烴母質的特殊性,可能是其在成烴過程中同位素分餾不顯著。(2)咸水湖相原油正烷烴13c值分布曲線如圖3所示,本區(qū)咸水湖相原油C13～C33正構烷烴系列的單體烴碳同位素δ13C值變化不大(在1‰范圍),雖有一定的波動,但沒有隨碳數呈上升或下降的變化趨勢,整條分布曲線總體上呈水平狀分布。而北緣南八仙油田侏羅系湖沼相原油(仙5井和仙6井)的正烷烴單體烴碳同位素分布曲線則完全不同,其δ13C值隨碳數的增加呈明顯變低的趨勢,高碳數部分要輕3‰左右。許多學者還研究過不同類型原油的正烷烴碳同位素曲線的分布模式。Murrayetal.(1994)和Schoutenetal.(2001)一致認為,碳同位素隨碳數增加而變輕的分布表征陸源高等植物有機質生物源。這種觀點可用上述的南八仙原油來證實。該油田原油經油源對比表明來源于中-下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖,有機質生物源主要來自高等植物,它們的正烷烴δ13C值分布就呈這種模式。已有研究表明,海相原油正烷烴δ13C值分布曲線隨碳數增加一般呈水平或增高的分布模式(Murrayetal.,1994)。關于咸水湖相原油正烷烴的δ13C值分布曲線類型報道不多。本文所研究的咸水湖相原油正烷烴δ13C曲線呈水平狀分布,表明其有機質生源類同于海相環(huán)境,以水生藻類和細菌為主,陸源有機質很少。此外,在所分析的柴西咸水湖相原油中,正烷烴δ13C值分布曲線都有一共同特征,即在C23附近有低谷,而在其兩側分別為兩個寬緩的波峰,可能有某種生物來源上的意義。3生物特征及其生物來源和沉積環(huán)境的重要性(1)柴西地區(qū)原油中p/p值的源巖及其成因全油氣相色譜分析表明,柴西咸水湖相原油正烷烴和類異戊二烯烴系列的組成和分布具有特殊性。除開特米里克油田外,各油田原油正烷烴碳數分布模式均具雙重性,在C11～C17范圍呈奇偶優(yōu)勢分布,而在C18～C26(C28)范圍內呈偶奇優(yōu)勢分布(圖4);并非咸水湖相樣品中常見的單一的偶奇優(yōu)勢分布。這意味著該系列化合物有多種成因和來源。有報道,在C11～C17范圍內呈奇偶優(yōu)勢的正烷烴可能直接來源于藻類中的烴類(Fowleretal.,1986)。具偶奇優(yōu)勢分布的正烷烴一般認為是咸水環(huán)境有機質的普遍特征。按常規(guī)觀點,這類正烷烴是由脂肪酸、醇類的還原作用或經碳酸鹽礦物催化發(fā)生β斷裂形成;還有可能是直接來源于生物先質(GrimaltandAlbaiges,1987)。這些原油中類異戊二烯烴呈植烷優(yōu)勢,Pr/Ph值大多在0.6以下(表1);反映其源巖形成于強還原沉積環(huán)境。咸水湖相沉積環(huán)境的強還原性與其水體鹽度高導致密度分層作用有關。由于水體分層能阻擋水體在縱向上的對流,造成水體底部和沉積物中因沉積有機質的微生物化學作用的持續(xù)而缺氧,使之處于強還原狀態(tài)。如表1數據所示,在柴西地區(qū)原油Pr/Ph值呈區(qū)域性變化。南區(qū)七個泉、獅子溝、躍進和烏南一帶原油的此值較低,大都變化在0.4至0.6之間;北區(qū)咸水泉—油泉子—開特米里克一線及以北地區(qū)原油稍高一些,為0.5～0.95,其中開特米里克油田和大風山構造帶上的原油Pr/Ph較高,在0.90左右。在這兩區(qū)帶內該參數由西向東也有增加的趨勢。這些變化表明本區(qū)原油源巖的沉積相帶有所不同,沉積環(huán)境的還原性總體上由南向北、從西往東減弱。(2)柴西地區(qū)基本有機植物源巖沉積環(huán)境與其它盆地咸水湖相原油一樣,柴西地區(qū)原油中富含伽瑪蠟烷,一些原油在m/z191質量色譜圖上其峰高與C30藿烷相當(圖5a)。伽瑪蠟烷以往常被當作沉積水體鹽度的標志。由于人們注意到淡水湖相環(huán)境中也常有高伽瑪蠟烷的現象,Damsteetal.(1995)提出伽瑪蠟烷實質上是指示沉積水體分層的標志,因在水體化學活躍層內及之下的厭氧環(huán)境中厭氧纖毛蟲繁盛,能合成大量的伽瑪蠟烷先質物四膜蟲醇。咸水湖相沉積環(huán)境中水體常呈密度分層,因而這個化合物通常在咸水環(huán)境中很豐富。柴西地區(qū)大部分第三系咸水湖相原油的藿烷系列分布具有特征性。如圖5a所示,在高碳數化合物中其呈“翹尾巴”分布模式,即C35>C34(>C33);因而相當一部分原油的C35/C34藿烷比值高于1.0,表征強還原的沉積環(huán)境性質,與Pr/Ph呈低值相一致。北區(qū)原油中C35藿烷較低(圖5b)。不同油田原油中伽瑪蠟烷和C35藿烷的含量有明顯的差異,伽瑪蠟烷/C30藿烷與C35/C34藿烷比值呈區(qū)域性變化。在南區(qū),西端的七個泉等油田原油伽瑪蠟烷/C30藿烷和C35/C34藿烷比值均在1.0以上,向東這兩比值分別逐漸降低至0.5和0.6(表1,圖6)。北區(qū)各油田原油的這兩比值相對較低,大都分別低于0.85和0.65,且也有從西往東降低的趨勢。這兩項參數的變化反映出這些原油源巖沉積環(huán)境的差異性?？傮w來說,南區(qū)原油的源巖沉積環(huán)境鹽度較高,還原性較強;而北區(qū)原油源巖的沉積環(huán)境鹽度相對降低,還原性相對減弱。實際分析資料表明柴西地區(qū)生油巖的地球化學參數有相應的區(qū)域性變化趨勢。下面以主力烴源巖漸新統(tǒng)中-上部地層為例予以說明。該層位泥巖氯離子含量呈南高北低的分布格局,南區(qū)氯離子平均含量達12000×10-6,北區(qū)其平均含量僅1700×10-6;這兩地區(qū)地層氯離子分別由東向西變低,南區(qū)西部的獅子溝一帶其平均值高達50000×10-6,到東部東柴山地區(qū)降低到1000×10-6以下;北區(qū)西部小梁山一帶氯離子為(1000～8000)×10-6,其東部大風山地區(qū)僅為數百×10-6。這表明湖盆水體的鹽度由于水流補給、沉降作用等因素的不同在平面上呈明顯的分區(qū)性,導致烴源巖沉積特征和地球化學性質發(fā)生區(qū)域上的變化,使得所生原油存在上述地球化學差異性。在這些原油中均檢測到奧利烷,由于柴達木盆地第三紀氣候干燥,陸地高等植物不發(fā)育,因而這個表征高等植物有機質生物源的生物標志物含量不高,奧利烷/C30藿烷比值變化在0.03到0.16之間;意味著其成烴母質中陸源高等植物有機質生物源比例很低。(3)西部油田的有機質生物來源飽和烴組份的GC/MS分析結果表明,柴西地區(qū)第三系咸水湖相原油中甾烷系列化合物含量很高。其甾烷/藿烷比值都在1.0以上,高者可達4.0以上(表1),比盆地北緣的侏羅系原油(均<0.25)高一個數量級;表明其有機質生物來源中水生藻類比例很高。西部各油田原油的甾烷組成以C28化合物相對含量高為特征,大都占C27～C29甾烷總量的30%以上(表1,圖5)。雖然有報道C28甾烷的含量與地質時代有關,在新生界中較高(GranthanandWakefield,1988),但比較不同類型第三系原油的甾烷組成可發(fā)現,高C28甾烷是咸水湖相有機質的一個特有的生物指標,可能與某種嗜鹽藻類有關。另外,由于生物來源以水生生物為主,它們的C27甾烷含量均較高,在30%以上。4重要的芳香山的組成和分布(1)芳哌烷和原油的混合狀態(tài)GC/MS定量分析結果表明,柴達木盆地西部第三系咸水湖相原油芳烴組份主要以萘、菲系列為主,萘系列占已定性芳烴化合物總量的40%～60%,菲系列占15%～25%。三芳甾烷系列化合物的含量也較高,僅次于萘和菲系列,變化在5%至15%之間。一般認為三芳甾烷來自單芳甾烷的芳構化,其先質物主要是具有一個以上雙鍵的甾醇,與飽和烴中的甾烷可能有不同的成因;甾烷可能是由源巖中與干酪根呈結合狀態(tài)的或自由狀態(tài)的任何甾醇通過完全的氫化和脫官能團作用轉變而來,因而三芳甾烷與甾烷的相對含量和分布并不完全對應。其它芳烴系列均較少,含量大都在5%以下。令人不解的是,作為咸水湖相原油,它們所含的二苯并噻吩類系列等含硫有機化合物含量卻不高,大多變化在2.0%至3.0%之間,與原油含硫量較低相一致。一般認為,在碳酸鹽巖—蒸發(fā)巖等局限性強還原、厭氧沉積環(huán)境中有利于硫酸鹽還原菌繁殖和活動,所形成的H2S與有機質相結合能形成含硫有機化合物,因而在碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖及所生原油中這類化合物很豐富。如江漢盆地潛江組原油中二苯并噻吩系列含量在20%以上,晉縣原油中更高,達70%以上(潘志清等,1988)。本區(qū)原油中這類化合物較少的可能原因是其源巖不屬于典型的蒸發(fā)巖。柴西地區(qū)鉆孔揭露的第三系剖面中缺乏鹽巖沉積,暗色泥巖為鈣質泥巖,碳酸鹽礦物含量在30%左右,硫酸鹽類礦物較少,B含量為(43～221)×10-6,粘土礦物中伊利石相對含量大多為20%～70%,表征半咸水—咸水沉積環(huán)境。而江漢盆地潛江組地層屬典型的蒸發(fā)巖系,暗色泥巖與鹽巖互層,鹽巖占地層厚度的1/3以上;泥巖中碳酸鹽含量高于20%,B含量為(180～350)×10-6,粘土中伊利石一般占90%以上,反映水體高度咸化的沉積環(huán)境性質,在氧化還原性、酸堿度和礦物基質等方面不同于前者。(2)源巖沉積環(huán)境性質芳烴組份中的三芴系列化合物可能來源于同一種先質化合物,其基本碳骨架中含有一個五員環(huán)。其C-9碳原子屬于α碳原子,其化學性質活潑,在還原環(huán)境中可被硫取代成硫芴(二苯并噻吩系列),在弱氧化—氧化的濱淺湖和沼澤成煤環(huán)境中被氧化為氧芴(二苯并呋喃系列)(林壬子等,1987),因而常用芳烴三芴系列確定原油源巖的沉積環(huán)境性質。如前所敘,雖柴西地區(qū)的各油田第三系咸水湖相原油的硫芴(SF)含量并不呈高值,但其氧芴(OF)含量均較低,都在30%以下(圖7),反映出咸水湖相厭氧的還原性沉積環(huán)境性質,與盆地北緣的侏羅系湖沼相原油形成區(qū)別。北緣原油以高氧芴(>38%)為特征。ChakhmakhchevandSuzuki(1995)