鄂尔多斯盆地陕北地区延长组长6原油地球化学特征及油源分析

杜江民,王青春,赵彦德,徐　智,丁　强

(1.河北地质大学 资源学院,河北 石家庄　050031；2.中国石油长庆油田公司 勘探开发研究院,陕西 西安　710018;3.中国石油长庆油田公司 第六采油厂,陕西 西安　710020)

鄂尔多斯盆地是中国典型的大型内陆拗陷型克拉通盆地,晚三叠世受印支运动的影响,盆地南部发育大型湖泊和三角洲沉积,油气成藏条件优越,形成了中生界大型含油气系统。盆地区域构造平缓,油气储集层以低渗透—特低渗透为显著特征,油藏类型以连续性岩性油藏为主,具有大面积、多层段普遍含油气的特点[1-5]。

陕北地区地处鄂尔多斯盆地中东部,位于盆地一级构造单元伊陕斜坡(见图1),构造平缓。其中，上三叠统延长组是该区域内重要的含油气储集层。受沉积与成岩等作用的影响,区域内主要含油层段延长组长6段低渗透储层非均质性强,油气分布规模不同。同时,陕北地区，尤其东北部的安塞、延安等到地区，受烃源岩空间分布的影响,其油气空间赋存存在差异。关于鄂尔多斯盆地烃源岩的地质地球化学特征，前人进行了许多研究,取得了许多重要认识。本文重点从三叠系烃源岩的基本特征入手,通过对延长组的原油特性、族组成、饱和烃和芳烃色谱、生物标志物组成特征的分析,讨论研究区烃源岩和延长组原油的地球化学特征和油源问题,旨在从烃源条件方面探讨研究区的油气勘探前景。

1　样品与分析

原油样品采自陕北地区三叠系延长组长6油层。对泥岩、含油砂岩样品进行抽提，原油样品脱沥青质，分析使用Agilent7890-5975c气相色谱质谱联用仪，测试条件：色谱，载气为99.999%氦气；进样口300℃；传输线300℃；色谱柱HP-5MS弹性石英毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 m)；柱温为初温50℃，1min；20℃/min升温至120℃；以4℃/min升温至250℃，再以3℃/min升至310℃，保持30 min；载气流速1 mL/min；质谱为EI源，绝对电压为1 047 V；全扫描。

图1　研究区区域地质图Fig.1　Map showing regional geology of Ordos Basin

2　原油地球化学特征

2.1　原油的物性及族组成特征

原油密度、黏度和含硫量是原油最主要的物性参数,它们与生油母质的性质、成烃环境、演化程度、次生稠变作用等都具有十分密切的关系。由于油气成藏条件及油气藏的后期变化不同,决定了流体性质的差异性。鄂尔多斯盆地陕北地区延长组长6原油地面密度介于0.817 5～0.884 1 g/cm3,平均值为0.847 6 g/cm3;黏度介于2.81～21.91 mPa·s,平均值为6.116 mPa·s;凝固点11～31℃,平均值为22℃。原油呈现出低密度、低黏度、低凝固点的特征,油性较好,属于轻质油。石油的族组成受母质类型的影响,与母质成因有关。不同类型的烃源岩,其族组成存在差异[6-7],原油和油砂抽提物族组成变化比较大：饱和烃质量分数为53.69%～71.88%,平均值为62.60%;芳烃质量分数为3.23%～11.65%,平均值为7.10%;非烃质量分数为0.00%～7.95%,平均值为2.85%;饱和烃/芳烃的值介于3.29～5.55,平均值为4.58,表明生源母质以水生低等植物为主。

2.2　碳同位素特征

原油的碳同位素值取决于烃源岩的沉积环境和成烃母质的类型或生源构成:来源于陆生高等植物的Ⅲ型干酪根δ13C值较高,δ13C值一般大于-25.5‰;而来源于水生生物的Ⅰ型干酪根δ13C值则较低,δ13C值小于-28.0‰[8-12]。研究区延长组长6原油δ13C值介于-32.9‰～-32.0‰,均值为-32.60‰,反映出湖相水生生物成因的组成特征。

2.3　饱和烃的气相色谱特征

长6原油和油砂抽提物中，正构烷烃的分布总体相似,碳数分布型式为单峰态(见图2),主峰碳为nC13～nC22,CPI值为1.11～1.19,平均值为1.16;OEP值为1.26～1.36,均值为1.32,具有奇偶优势;nC21-/nC22+介于0.70～0.90,平均值为0.78;(nC21+nC22)/(nC28+nC29)为1.27～1.50, 均值为1.41,轻质组分占有优势,表明油质较轻[13];姥鲛烷、植烷含量均较低,姥鲛烷不具明显优势,Pr/Ph为0.88～1.05,平均为0.98;Pr/nC17为0.28～0.45,平均为0.35;Ph/nC18为0.28～0.41,平均为0.33，表明原油生油母质形成于相对还原的淡水—半咸水沉积环境中,其中以淡水—微咸水湖沉积环境形成为主。母质类型应以腐泥型有机质为主。

2.4　饱和烃地球化学特征

研究区长6原油的生物标志物特征为:正构烷烃碳数分布呈近似正态型(见图2),Pr/Ph值介于0.67～1.68,表明该类原油形成于还原环境或弱还原-弱氧化环境[14];β胡萝卜烷含量很低;ααα20RC27，ααα20RC28，ααα20RC29甾烷相对含量呈“V”型分布(见图2),其中ααα20R C27甾烷相对含量高于ααα20R C29甾烷,表明其生源中藻类等水生生物贡献较大[15-17]；伽马蜡烷具有指示沉积环境的作用[18-21],伽马蜡烷含量较低(见图2),伽马蜡烷/C30藿烷介于0.06～0.12表明长6原油生源母质处于微咸水—淡水沉积环境。成熟度参数Ts/(Ts+Tm)值介于0.36～0.93,C31ω升藿烷(22S)/ω(22S+22R)值介于0.51～0.57,C29甾烷αααω(20S)/ω(20S+20R)值分布在0.33～0.46,C29甾烷ω(ββ)/ω(αα+ββ)值介于0.52～0.58,表明生成此类原油的烃源岩处于成熟阶段[22-23]。

2.5　芳烃地球化学特征

陕北地区延长组长6原油样品中检测到的芳烃化合物主要有萘、菲、蒽、惹烯、荧蒽、芘、苝、芴、联苯、二苯并呋喃、甲基芴、二苯并噻吩、苯并芘、苯并蒽、苯并芴等常规系列化合物,还检测到具有不同芳构化程度的甾类化合物和含氧化合物。其中菲的丰度最高,含有一定量的屈、苯并[e]芘、联苯、芘、芴、二苯并呋喃和二苯并噻吩；萘、蒽、甲基蒽、惹烯、苯并[a]蒽、苯并荧蒽和荧蒽等化合物的丰度较低；三芴系列化合物相对芴含量最高,氧芴和硫芴含量相近,硫芴丰度略高于氧芴,芴的丰度最高为54.5%,说明长6原油形成于弱氧化-弱还原的沉积环境中; MPI1平均值为0.64,处于成熟阶段。三芳甾烷和甲基三芳甾烷丰度较高,检测出的三芳甾烷有C20，C21，C26～C28(图3),甲基三芳甾烷有C21，C22，C27～C29,C26-三芳甾烷的丰度较低,C28-三芳甾烷的丰度较高,C26-三芳甾烷(20S)/C28-三芳甾烷(20S)平均值为0.20,表明原油生烃母质形成于淡水沉积环境[24-25]。

图2　鄂尔多斯盆地延长组原油部分生物标志物质量色谱图Fig.2　Mass chromatogram of Crude oils in Yangchang Formation Chang 6 in the Shanbei Area, Ordos Basin

3　油源分析

前人研究表明,鄂尔多斯盆地中生界三叠系延长组主要发育长7和长9两套烃源岩[26-27]。为进行精细油源对比，本研究分析了盆地潜在长6、长7和长9烃源岩的碳同位素、饱和烃和芳烃色质,通过碳同位素和生物标志化合物的指纹对比,厘定研究区长6油层组原油的成因和来源。

3.1　碳同位素特征

石油的同位素组成取决于原始有机质的性质、生成环境和演化程度。不同成因的石油稳定碳同位素组成有较大差异[28-29],但原油和沉积有机物中有一些化合物在基本碳骨架方面存在较大的相似性[30]；原油碳同位素组成特征也是研究油气来源的重要手段[31-32]。不同生物和有机质的碳同位素值不同,大多数研究者认为,陆生植物δ13C值平均为-25.5‰,湖沼高等植物δ13C平均值为-23‰,而淡水浮游生物δ13C值为-27‰ ～-32‰。统计延长组长7泥岩的干酪根碳同位素值可知,δ13C值均集中分布在-29‰～-29.5‰,表明生源母质均为淡水的浮游生物。但是，部分暗色泥岩的δ13C>-28.5‰,略高于淡水浮游生物的δ13C值,说明其生源母质中还混有少量陆生高等植物的成分。鄂尔多斯盆地延长组长9烃源岩干酪根碳同位素值介于-25‰ ～-29‰,明显高于长7烃源岩,表明长9源岩母质混入了大量陆生高等植物。陕北地区延长组长6原油δ13C值介于-32.9‰～-32.0‰,均值为-32.60‰,与长7烃源岩碳同位素值较为相近,与长9烃源岩存在较大差异。碳同位素值表明,陕北地区长6原油均来自长7烃源岩。

1 三芳甾烷-1; 3 三芳甾烷-3; 4 三芳甾烷-4;5 三芳甾烷-5;6 三芳甾烷-6;8 三芳甾烷-8;12 三芳甾烷-12;14 三芳甾烷-14图3　鄂尔多斯盆地延长组长6原油三芳甾烷和甲基三芳甾烷分布特征Fig.3　The distribution Miyoshi Sterane and methyl Miyoshi Sterane of Chang 6 crude oil, Ordos Basin

3.2　生物标志化合物

通过对陕北地区长6原油与长7烃源岩、仕望河剖面长9油页岩生物标志物质量色谱图对比表明,陕北地区长6原油与盆地中心长7油页岩地球化学特征基本一致,而与仕望河长9油页岩有一定的差别(见图4)。差别主要表现在:陕北地区这类原油和盆地中心长7烃源岩中C30重排藿烷含量均很低,C29降藿烷含量较高,Ts和Tm含量都比较低,且二者丰度相近。仕望河剖面长9油页岩抽提物中C30重排藿烷含量也很低,但是Ts明显低于Tm,ββ构型甾烷相对丰度也明显偏低,且含有比较明显的4-甲基甾烷,这与陕北地区长6原油地球化学特征存在比较明显的差别。

从陕北地区长6原油与长7烃源岩、仕望河长9烃源岩、D51井长9烃源岩的谱图对比可以看出(见图5),长7烃源岩中8β(H)补身烷和4,4,8,8,9-五甲基十氢化萘含量较高,这与陕北地区长6原油的地球化学特征一致,而与仕望河剖面长9和D51长9烃源岩存在差异。

为了进一步认识烃源岩和原油的对比情况,分别绘制了Ts/(Ts+Tm)～伽马蜡烷/C30藿烷,甾烷/藿烷～Pr/Ph,αααC29甾烷20S/(20S+20 R)～αααC31甾烷20S/(20S+20R)和ααα20R C27甾烷/C29甾烷～伽马蜡烷/C30藿烷关系图。从反应沉积环境、母质和成熟度的地球化学参数相关图上(见图6)也可以看出,陕北地区长6原油更接近于长7烃源岩。

1)ααα20RC27甾烷/C29甾烷反映母质类型,长6原油ααα20RC27甾烷/C29甾烷介于1.01～1.41,平均值为1.17;长7烃源岩介于1.12～1.85,平均值为1.39;长9烃源岩介于1.37～1.88,平均为1.49。Pr/Ph反映沉积环境,长6原油介于0.88～1.05,平均值为0.98;长7烃源岩介于0.79～1.19,平均值为0.98;长9烃源岩介于1.27～1.68,平均为1.39。从二者的相关图可以看出,长6原油与长7泥岩样品在上述参数相关性上较好(见图5A),表明长6原油和长7烃源岩与侏罗系原油具有亲缘关系；长9泥岩抽提物与长6原油二者相关性较差(见图6A)。

图4　长6原油与长7烃源岩、长9烃源岩甾萜类化合物质量图Fig.4　Mass chromatogram of Crude oils in Yangchang Formation Chang 6 and the Chang 7 and Chang 9 source rocks in the Shanbei Area, Ordos Basin

2)甾烷、藿烷类化合物是沉积有机质和原油中重要的生物标志化合物,常被用作研究母质来源和沉积环境。陕北地区延长组长6原油甾烷/藿烷比值介于0.15～0.36,均值为0.22;长7烃源岩甾烷/藿烷比值介于0.14～0.29,均值为0.23;长9烃源岩甾烷/藿烷比值介于0.11～0.25,均值为0.19。甾烷/藿烷-Pr/Ph的关系图(见图5B)上可以看出,长6原油样品中，甾烷/藿烷与Pr/Ph与长7烃源岩样品的比值接近,而与长9烃源岩样品的值差异较大。长6原油样品甾烷/藿烷-Pr/Ph的值绝大多数接近长7烃源岩样品,而与9烃源岩样品的值差别较大。

3)αααC29甾烷20S/(20S+20 R)和αααC31甾烷20S/(20S+20R)反映原油的成熟度,αααC29甾烷20S/(20S+20 R)介于0.40～0.46,均值0.43;长7烃源岩介于0.39～0.42,平均值为0.41;长9烃源岩介于0.39～0.44,平均为0.41。αααC31甾烷20S/(20S+20R)长6原油介于0.51～0.57,均值0.54;长7烃源岩介于0.49～0.55,平均值为0.52;长9烃源岩介于0.48～0.51,平均为0.50。从二者关系图中可以看出,长6原油样品成熟度与长7泥岩样品成熟度较为接近,二者具有较好的相关性;而与长9泥岩样品成熟度相关性较差,表明长6原油来源于长7烃源岩具有较高的相关性(见图6C)。

图5　陕北地区长6原油与长7、长9烃源岩的倍半萜类生物标志物对比谱图Fig.5　Northern Shanbei Chang 6 Crude oil and the Chang 7 and Chang 9 source rocks sesquiterpene biomarker comparison spectrum

4)伽马蜡烷主要来源于低等水生生物,同时也反映有机质沉积时的水体盐度[12-13],C30藿烷主要来源于细菌(原核生物)细胞壁的类脂化合物[14]。因此,伽马蜡烷/C30藿烷能较客观地反映沉积环境的盐度。长6原油伽马蜡烷指数介于0.06～0.12,均值为0.08,表明6原油形成于水体相对较淡的淡水环境。长7烃源岩伽马蜡烷指数介于0.06～0.13,均值为0.10,长9烃源岩伽马蜡烷指数介于0.15～0.24,均值为0.19。长6原油与长7烃源岩形成环境较为相似。伽马蜡烷/C30藿烷～ααα20RC27甾烷/C29甾烷关系图(见图6D)中,横、纵坐标分别表示有机质沉积环境和有机质母质类型。由图6D可以看出，长7泥岩与长6原油样品较为接近,而与长9泥岩样品有较大差别,表明和长7泥岩与长6原油样品具有相近沉积环境和母质类型。

图6　陕北地区长6原油与相邻地区长7，长9烃源岩部分生物标志物参数分布特征图Fig.6　Northern Shanbei Chang 6 oil and adjacent areas of the Chang 7 and Chang 9 source rocks biomarker parameters distribution diagram

4　结　论

1)鄂尔多斯盆地陕北地区长6原油物为轻质原油,具有低密度、低黏度、低凝固点的特征；原油和含油砂岩抽提物族组成中，饱和烃含量所占比重大,饱芳比高；原油碳同位素轻,小于-32‰。

2)原油正构烷烃碳数分布型式为前峰型单峰态,正构烷烃保存完整,主峰碳为nC13～nC22,原油具明显奇偶优势比,轻质组分占优势,植烷优势明显。

3)原油规则甾烷呈“V”和“L”型分布,β胡萝卜烷含量很低,ααα20RC27甾烷相对含量高于ααα20RC29甾烷;伽马蜡烷含量低,孕甾烷及规则甾烷相对较高,硫芴含量较高,三芳甾烷和甲基三芳甾烷丰度较高,反映了原油的母源形成于盐度不高的沉积环境,有机质母源以浮游水生生物及高等植物的输入为主。

4)原油饱和烃中甾，萜烷的αααC29甾烷20S/(20S+20 R)，αααC31甾烷20S/(20S+20R)等参数均处于热演化平均状态,芳烃化合物中甲基菲指数均表明原油处于成熟阶段。

5)通过对延长组长9、长7段泥岩与长6原油和含油岩心抽提物甾、萜类化合物特征对比分析表明,长6原油生物标志化合物与长9烃源岩的存在较大差别,二者对比性较差,不具备相关性,没有亲缘关系;与长7烃源岩的对比性较好,具亲缘关系。因此认为，长6原油主要来源于长7段烃源岩。

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