济阳拗陷生物降解原油地球化学特征及其地质意义

高长海 张新征 李豫源 王兴谋 张云银

稠油作为非常规油气资源，其资源量远大于常规油气资源[1]，具有广阔的勘探潜力。稠油可分为原生型稠油和次生型稠油，原生型稠油是指由未成熟或低成熟烃源岩生成的未经后期改造的原油[2-3]，次生型稠油是指正常原油后期经生物降解、水洗、氧化、脱沥青等作用改造而成的原油[4-6]。研究表明，稠油的资源量主要来自于次生型稠油的贡献，而次生型稠油多为生物降解作用所致[7-8]，且生物降解原油的资源量超过常规原油的资源量[9]。原油遭受生物降解作用，不仅可导致原油物理和化学性质的改变，还可形成新的勘探资源——原油降解气[10-11]。因此，研究生物降解原油的地质、地球化学特征及其与原油降解气的关系，对勘探开发具有重要意义。

济阳拗陷经过50多年的勘探，发现了大量稠油油藏[12-13]。前人对稠油成因机制及其油源对比、稠油油藏成藏机制及其分布规律等进行了大量研究[14-17]，但对整个济阳拗陷生物降解原油的地球化学特征仍然缺乏系统认识。笔者通过原油族组分、饱和烃、生物标志化合物等分析，结合原油生物降解模拟实验，阐述济阳拗陷生物降解原油的地球化学特征，并对其地质意义进行探讨，以期为油气勘探提供理论指导。

1 区域地质概况

济阳拗陷位于渤海湾盆地东南部，是一个中新生代断陷盆地，西北至埕宁隆起，南抵鲁西南隆起，东临渤海，拗陷内部由东营凹陷、沾化凹陷、车镇凹陷、惠民凹陷及多个凸起组成，勘探面积约2.6×104km2（图1）。济阳拗陷基底由太古界、古生界和中生界组成，古近纪以来经历了断陷期和拗陷期两大演化阶段[18]，相继沉积了古近系孔店组、沙河街组和东营组以及新近系馆陶组和明化镇组。古近纪与新近纪的断、拗转换期及新构造运动导致盆内中浅层断裂十分发育[19-20]，为稠油油藏和浅层气藏的形成提供了良好的地质条件。目前，济阳拗陷已在前第三系、古近系和新近系多个层系发现了大量生物降解成因的稠油油藏，其形成主要受控于油水界面及断裂等地质因素。这些稠油油藏主要分布于埋深小于1 600 m的东营凹陷和沾化凹陷的盆缘斜坡带、凸起带（图1），以新近系馆陶组为主，次为古近系沙河街组和东营组。截至2017年底，济阳拗陷已探明稠油储量（28.97×108t）占总探明石油储量（51.62×108t）的56.1%，且规模仍在继续扩大，展现出良好的勘探潜力。

图1 济阳拗陷稠油油藏与浅层气藏分布图

2 生物降解原油的地球化学特征

2.1 原油族组分特征

济阳拗陷生物降解原油族组分饱和烃含量介于3.89%～40.12%、芳烃含量介于21.97%～56.63%、非烃+沥青质含量介于28.13%～60.09%（图2-a）。罗801井模拟实验证实，原油遭受生物降解作用后，其族组分含量会发生明显变化，表现为饱和烃含量显著下降（由70.55%降至38.70%），而其他组分含量则会升高（图2-b）。因此，与正常原油相比，生物降解原油族组分具饱和烃含量低、芳烃含量高、非烃+沥青质含量高及饱/芳比低的特征，反映了轻质馏分（正构烷烃、类异戊二烯烃等）的散失和重质馏分的残留。

2.2 原油生物标志化合物特征

微生物对烃类降解的先后顺序通常为正构烷烃、类异戊二烯烃、二环萜烷、规则甾烷、藿烷系列、重排甾烷、孕甾烷、三环萜烷、伽马蜡烷等[21-22]。微生物降解模拟实验的原油饱和烃色谱分析表明（图3），微生物对原油的改造以饱和烃组分为主，正构烷烃首先遭受降解，降解后原油的族组分、正构烷烃的特征与油藏中生物降解原油的相一致，反映了微生物对正构烷烃的优先性消耗。

图2 生物降解原油的族组分特征展示图

图3 罗801井实验条件下（55℃）原油饱和烃降解趋势图

图4 济阳拗陷生物降解原油地球化学特征图

济阳拗陷生物降解原油的饱和烃总离子流图（TIC）基线普遍抬升，多数原油的正构烷烃损失严重，甚至消耗殆尽，部分残留少量类异戊二烯烃，降解程度较高的原油姥/植比多在1 左右（图4-a)。由于埋深、输导条件、盖层条件、原油充注等因素的影响，即使同一区带生物降解原油的饱和烃降解特征也存在明显差异，如郑家油田郑411井沙一段原油正构烷烃及类异戊二烯烷烃全部消耗殆尽，郑斜41井馆陶组原油仅剩类异戊二烯烷烃及少量正构烷烃，郑13井沙三段原油正构烷烃消耗殆尽及少量类异戊二烯烷烃，而郑361井沙一段原油仅正构烷烃有少量消耗。

济阳拗陷生物降解原油的甾烷类化合物由孕甾烷、重排甾烷、规则甾烷、4-甲基甾烷等组成（图4-b）。降解程度较低的原油甾烷分布相对较完整，ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈“L”型分布，如陈家庄油田馆陶组原油、三合村油田馆陶组原油、林樊家油田馆陶组原油等；降解程度较高的原油甾烷则发生损耗，ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈“V”型分布，部分原油规则甾烷和4-甲基甾烷均被完全降解，耐降解的重排甾烷也损失严重，如孤岛油田馆陶组原油、草桥油田馆陶组原油、单家寺油田馆陶组原油、郑家油田沙一段原油等（图4-b）。这些原油的重排甾烷、孕甾烷相对含量普遍较高，C29重排甾烷/C29规则甾烷值一般大于0.15，表明其抗生物降解能力强于规则甾烷，但随着降解程度的不断增加，重排甾烷、孕甾烷、规则甾烷和4-甲基甾烷等均遭到破坏，相对含量逐渐降低。

济阳拗陷生物降解原油的萜烷类化合物由倍半萜、三、四环萜、五环三萜等组成，其中C20、C21、C23三环萜烷丰度普遍较高，多呈山型或上升型分布，三环萜烷/五环萜烷一般大于1，三降藿烷Ts丰度普遍低于Tm，伽马蜡烷含量相对较高，部分萜烷中出现25-降藿烷化合物（图4-c)。值得注意的是，25-降藿烷通常表征原油遭受了较为强烈（中等程度以上）的生物降解作用[23-24]，但济阳拗陷部分轻度降解原油中亦检测到25-降藿烷系列，如林樊家油田馆陶组原油；而部分严重降解原油中却未检测到25-降藿烷，如单家寺油田馆陶组原油（图4-c)。这种原油烃类组成出现矛盾的现象主要由微生物降解甾烷和藿烷的先后次序[25-26]所造成，在济阳拗陷分布广泛，如陈家庄、孤岛、单家寺、林樊家、孤东、草桥等油田；其次由后期不同降解级别原油的混合作用[15]所造成，如郑家—王庄油田。

济阳拗陷部分降解原油的芳烃类化合物也遭到不同程度破坏。由图5可见，芳烃总离子流图基线大幅抬升，表明耐生物降解的芳烃遭受了显著的后期改造作用，但其降解程度远不及饱和烃，多数原油的萘、菲等仅遭受轻度损失。邱桂强等（2004）认为东营凹陷郑家—王庄油田多数稠油芳烃类化合物呈轻度损耗，仅郑411井沙三段、郑408-01井沙一段等原油残留少量高分子量芳烃[15]。

2.3 原油生物降解程度

根据原油生物标志化合物特征，采用原油生物降解程度标准[27]，对济阳拗陷生物降解原油的降解程度进行了划分（表1）。如东营凹陷林樊家油田馆陶组原油正构烷烃消耗、类异戊二烯烃受损，降解程度为中等；单家寺油田馆陶组原油正构烷烃消失、甾烷发生降解，降解程度为严重；草桥油田奥陶系原油低分子量芳烃损失殆尽、出现25-降藿烷，降解程度为严重；郑家—王庄油田沙河街组原油正构烷烃消失、甾烷损失显著、出现25-降藿烷，降解程度为中等—严重；沾化凹陷三合村油田馆陶组原油正构烷烃部分消失、类异戊二烯烃受损，降解程度为中等；孤岛油田馆陶组原油正构烷烃消失、出现25-降藿烷，降解程度为严重。因此，济阳拗陷生物降解原油总体上遭受了中等—严重程度的生物降解作用。

3 生物降解原油的地质意义

图5 济阳拗陷生物降解原油芳烃总离子流图

表1 济阳拗陷部分油田稠油地球化学特征一览表

图6 实验条件下原油降解产气变化特征

原油遭受生物降解的过程中，不仅会导致原油发生稠化形成稠油油藏，还会伴随原油降解气的生成，且降解气量随着原油降解程度的增加而增加[28-29]。罗801井模拟实验表明，原油生物降解可产生大量甲烷气（比例达45%），同时伴随二氧化碳气体产生，据估算平均1g原油可产1.5 mmol甲烷气，即1 t原油可产甲烷气33.6 m3/d（图6）。济阳拗陷中浅层发育了大量产甲烷菌，稠油油藏原油降解气中的二氧化碳经甲烷菌还原作用转化成甲烷[30-31]，不仅可使二氧化碳的生成和转化达到平衡，也可使甲烷气含量不断增加。因此，原油的生物降解作用为原油降解气的产生奠定了基础。研究表明，济阳拗陷浅层气属于次生气[31-32]，具有典型原油降解气特征：①以甲烷气为主，干燥系数大（＞0.95），为典型干气；②甲烷碳同位素呈现明显“倒转”现象；③异构烷烃中2、3-二甲基丁烷/环戊烷与2、4-二甲基戊烷/正己烷异常高；④二氧化碳碳同位素比值偏大（＞+2‰）；⑤甲烷氢同位素显著增大（＞－230‰）。这些原油降解气与稠油油藏自身的油溶释放气共同组成了浅层气藏的来源[31]。

勘探表明，济阳拗陷浅层气藏与稠油油藏呈现“耦合分布”特征：平面上，两者主要相伴分布于东营凹陷及沾化凹陷的盆缘斜坡带和凸起带（图1）；剖面上，浅层气藏主要分布于新近系上部（以馆陶组上段和明化镇组为主），稠油油藏主要分布于新近系下部及古近系（以馆陶组为主），两者多近距离垂向叠置，即浅层气藏位于稠油油藏上方（如三合村油田、飞雁滩油田等）或上倾方向（如单家寺油田、林樊家油田等）。另外，在浅层盖层封盖性能良好的前提下，浅层气藏的规模总体上受控于稠油油藏的规模及其降解程度，即稠油油藏规模越大、降解程度越高，浅层气藏规模越大，如孤岛、孤东、林樊家、三合村等地区。因此，基于稠油油藏与浅层气藏的成因关系及分布关系，提出了二者联合勘探思路，即在已知稠油油藏上方或上倾方向寻找关联未知浅层气藏，或在已知浅层气藏下方或下倾方向寻找关联未知稠油油藏，有望实现稠油油藏与浅层气藏的高效勘探。

4 结论

1）济阳拗陷生物降解原油分布广泛，具有密度大、黏度高、含硫量高、饱和烃含量低、芳烃含量高、非烃＋沥青质含量高及饱/芳比低的特征。

2）济阳拗陷生物降解原油总体遭受了中等—严重程度的次生改造作用，饱和烃、芳烃等化合物呈有序损失，表现完整的生物降解序列。多数原油正构烷烃损失严重，甚至消耗殆尽，部分残留少量类异戊二烯烃；甾烷类化合物重排甾烷、孕甾烷、规则甾烷等相对含量较高，但随降解程度的增加而降低；萜烷类化合物表现出三降藿烷Ts丰度低、伽马蜡烷含量高、部分出现25-降藿烷等特征；芳烃类化合物降解程度远不及饱和烃，多数原油仅遭受轻度损失。

3）微生物对原油的改造作用，不仅可形成稠油，还可形成天然气，这些天然气与稠油具有成因上的密切关系，且呈现“耦合分布”特征。基于此，提出了稠油油藏与浅层气藏的联合勘探思路，即针对已发现的稠油油藏开展成藏研究，预测浅层气藏有利区带，利用地震亮点及叠前反演等地震技术，寻找浅层气藏，或者针对已发现的浅层气藏开展成藏研究，预测稠油油藏有利区带，利用稠油地震识别技术，寻找稠油油藏。

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