柴達(dá)木盆地西部第三系湖相原油碳同位素和生物標(biāo)志物特征

柴達(dá)木盆地西部第三系湖相原油碳同位素和生物標(biāo)志物特征

柴達(dá)木盆地以西（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiàn)尕斯庫(kù)勒油田以來(lái),該地區(qū)已相繼找到十幾個(gè)油氣田,集中占全盆地80%～90%的油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量,因此被列為柴達(dá)木盆地目前至今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的重點(diǎn)勘探區(qū)。發(fā)育有咸水湖相沉積的含油氣盆地在我國(guó)為數(shù)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(xué)特征引起不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者研究興趣(黃杏珍等,1993;Rittsetal.,1999;Hansonetal.,2001)①?，F(xiàn)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(zhì)。但這類(lèi)原油地球化學(xué)特征與其源巖沉積環(huán)境之間的內(nèi)在關(guān)系方面尚有許多問(wèn)題還沒(méi)有闡明;而且,隨著近年來(lái)盆地油氣勘探的不斷深入和新的含油構(gòu)造的發(fā)現(xiàn),有必要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原油地球化學(xué)性質(zhì)的區(qū)域性變化規(guī)律,為明確下一步的勘探目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)。為此,本文在系統(tǒng)分析原油及源巖樣品的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)該地區(qū)咸水湖相原油獨(dú)特的碳同位素組成和異常的生物標(biāo)志物分布特征從成因機(jī)制上進(jìn)行剖析,并結(jié)合源巖分析資料闡明其區(qū)域上的變化規(guī)律。1柴達(dá)木盆地西部第三系生油巖及原油物理工藝柴達(dá)木盆地在中-新生代總體上經(jīng)歷了早期斷陷、中期坳陷和后期沉積坳陷中心轉(zhuǎn)移3個(gè)構(gòu)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(xiàn)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(gè)泉、紅柳泉、獅子溝、花土溝、躍進(jìn)一號(hào)(尕斯庫(kù)勒)、躍進(jìn)二號(hào)和烏南油田等;北區(qū)主要有咸水泉、油泉子、南翼山、開(kāi)特米里克、尖頂山及大風(fēng)山構(gòu)造等油氣田。北緣地區(qū)主要有冷湖、南八仙和魚(yú)卡3個(gè)油氣田。柴達(dá)木盆地西部第三系生油層縱向上分布廣泛,從路樂(lè)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(kuò)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(duì)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(shì),南區(qū)原油比重較高,在0.84～0.96范圍,其中躍進(jìn)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(zhì)相對(duì)輕些,比重變化在0.77至0.87之間,其中開(kāi)特米里克和南翼山深層油藏原油屬輕質(zhì)油,比重低。原油的含蠟量主要變化在9%到26%之間,躍進(jìn)一號(hào)和躍進(jìn)二號(hào)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(duì)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(dá)2%～10%。本研究在盆地西部各油田現(xiàn)場(chǎng)采集了40余個(gè)代表性原油樣品及第三系生油巖樣品;同時(shí),為了進(jìn)行對(duì)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(jìn)行了全油氣相色譜(GC)和飽和烴、芳烴組份色質(zhì)(GC/MS)分析;測(cè)試在江漢石油學(xué)院測(cè)試分析研究中心完成,GC分析在HP6890氣相色譜儀上進(jìn)行,色譜柱為60m×φ0.32mmHP-5MS彈性石英毛細(xì)管柱;GC/MS分析在HP6890GC/5973MSD色質(zhì)聯(lián)用儀上進(jìn)行,色譜柱為30m×φ0.32mmHP-5MS彈性石英毛細(xì)管柱。部分原油樣品進(jìn)行全油、族組份和單體烴碳同位素分析,測(cè)試在中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院實(shí)驗(yàn)中心完成,所用儀器為MAT-252氣相色譜—同位素質(zhì)譜儀。生油巖樣品也進(jìn)行了相應(yīng)的地球化學(xué)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(jī)質(zhì)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(dāng)(-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(gè)地球化學(xué)特征,但都難以作出合理的解釋。按常規(guī)觀點(diǎn),原油的碳同位素取決于有機(jī)質(zhì)生物源。一般認(rèn)為來(lái)源于陸源高等植物的有機(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)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(jī)質(zhì)生物源上無(wú)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(jī)組份組成和生物標(biāo)志物分布均表明這些原油的成油母質(zhì)主要為水生生物有機(jī)質(zhì)。國(guó)外許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行過(guò)探討,Schidlowskietal.(1984)指出在高鹽環(huán)境中有機(jī)質(zhì)碳同位素重是由于其水體中因CaCO3的沉淀導(dǎo)致溶解的CO2濃度低所致;而Petersetal.(1996)則認(rèn)為這是由于咸水湖相環(huán)境中光合生物過(guò)分繁盛造成CO2濃度低的緣故。最近,Schoutenetal.(2001)認(rèn)為上述兩種因素都與高鹽生態(tài)中有機(jī)質(zhì)碳同位素偏重有關(guān)?？梢?jiàn),咸水湖相環(huán)境中溶解的CO2少是致使有機(jī)質(zhì)碳同位素重的根本原因,因其能導(dǎo)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(jī)質(zhì)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(jù)大量原油數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸出來(lái)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(cè),表明這種原油分類(lèi)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(cè),似乎意味著咸水湖相原油具有海相有機(jī)質(zhì)的碳同位素組成特征。這種情況也出現(xiàn)在江漢盆地高鹽相原油中(Petersetal.,1996)。實(shí)際上,這種用碳同位素組成劃分原油類(lèi)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(jī)質(zhì)類(lèi)型。由于咸水湖相有機(jī)質(zhì)生物源與海相沉積類(lèi)似,主要為水生生物和細(xì)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(gè)值得注意的現(xiàn)象:在飽和烴、芳烴、非烴和瀝青質(zhì)組份之間,δ13C值相差很小,飽和烴與瀝青質(zhì)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(zhì)的特殊性,可能是其在成烴過(guò)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(gòu)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(dòng),但沒(méi)有隨碳數(shù)呈上升或下降的變化趨勢(shì),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(shù)的增加呈明顯變低的趨勢(shì),高碳數(shù)部分要輕3‰左右。許多學(xué)者還研究過(guò)不同類(lèi)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(rèn)為,碳同位素隨碳數(shù)增加而變輕的分布表征陸源高等植物有機(jī)質(zhì)生物源。這種觀點(diǎn)可用上述的南八仙原油來(lái)證實(shí)。該油田原油經(jīng)油源對(duì)比表明來(lái)源于中-下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖,有機(jī)質(zhì)生物源主要來(lái)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(shù)增加一般呈水平或增高的分布模式(Murrayetal.,1994)。關(guān)于咸水湖相原油正烷烴的δ13C值分布曲線類(lèi)型報(bào)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(jī)質(zhì)生源類(lèi)同于海相環(huán)境,以水生藻類(lèi)和細(xì)菌為主,陸源有機(jī)質(zhì)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(cè)分別為兩個(gè)寬緩的波峰,可能有某種生物來(lái)源上的意義。3生物特征及其生物來(lái)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(lèi)異戊二烯烴系列的組成和分布具有特殊性。除開(kāi)特米里克油田外,各油田原油正烷烴碳數(shù)分布模式均具雙重性,在C11～C17范圍呈奇偶優(yōu)勢(shì)分布,而在C18～C26(C28)范圍內(nèi)呈偶奇優(yōu)勢(shì)分布(圖4);并非咸水湖相樣品中常見(jiàn)的單一的偶奇優(yōu)勢(shì)分布。這意味著該系列化合物有多種成因和來(lái)源。有報(bào)道,在C11～C17范圍內(nèi)呈奇偶優(yōu)勢(shì)的正烷烴可能直接來(lái)源于藻類(lèi)中的烴類(lèi)(Fowleretal.,1986)。具偶奇優(yōu)勢(shì)分布的正烷烴一般認(rèn)為是咸水環(huán)境有機(jī)質(zhì)的普遍特征。按常規(guī)觀點(diǎn),這類(lèi)正烷烴是由脂肪酸、醇類(lèi)的還原作用或經(jīng)碳酸鹽礦物催化發(fā)生β斷裂形成;還有可能是直接來(lái)源于生物先質(zhì)(GrimaltandAlbaiges,1987)。這些原油中類(lèi)異戊二烯烴呈植烷優(yōu)勢(shì),Pr/Ph值大多在0.6以下(表1);反映其源巖形成于強(qiáng)還原沉積環(huán)境。咸水湖相沉積環(huán)境的強(qiáng)還原性與其水體鹽度高導(dǎo)致密度分層作用有關(guān)。由于水體分層能阻擋水體在縱向上的對(duì)流,造成水體底部和沉積物中因沉積有機(jī)質(zhì)的微生物化學(xué)作用的持續(xù)而缺氧,使之處于強(qiáng)還原狀態(tài)。如表1數(shù)據(jù)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(gè)泉、獅子溝、躍進(jìn)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(kāi)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(kāi)特米里克油田和大風(fēng)山構(gòu)造帶上的原油Pr/Ph較高,在0.90左右。在這兩區(qū)帶內(nèi)該參數(shù)由西向東也有增加的趨勢(shì)。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(jī)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(zhì)量色譜圖上其峰高與C30藿烷相當(dāng)(圖5a)。伽瑪蠟烷以往常被當(dāng)作沉積水體鹽度的標(biāo)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(xiàn)象,Damsteetal.(1995)提出伽瑪蠟烷實(shí)質(zhì)上是指示沉積水體分層的標(biāo)志,因在水體化學(xué)活躍層內(nèi)及之下的厭氧環(huán)境中厭氧纖毛蟲(chóng)繁盛,能合成大量的伽瑪蠟烷先質(zhì)物四膜蟲(chóng)醇。咸水湖相沉積環(huán)境中水體常呈密度分層,因而這個(gè)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(shù)化合物中其呈“翹尾巴”分布模式,即C35>C34(>C33);因而相當(dāng)一部分原油的C35/C34藿烷比值高于1.0,表征強(qiáng)還原的沉積環(huán)境性質(zhì),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(gè)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(duì)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(shì)。這兩項(xiàng)參數(shù)的變化反映出這些原油源巖沉積環(huán)境的差異性?？傮w來(lái)說(shuō),南區(qū)原油的源巖沉積環(huán)境鹽度較高,還原性較強(qiáng);而北區(qū)原油源巖的沉積環(huán)境鹽度相對(duì)降低,還原性相對(duì)減弱。實(shí)際分析資料表明柴西地區(qū)生油巖的地球化學(xué)參數(shù)有相應(yīng)的區(qū)域性變化趨勢(shì)。下面以主力烴源巖漸新統(tǒng)中-上部地層為例予以說(shuō)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(dá)12000×10-6,北區(qū)其平均含量?jī)H1700×10-6;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(dá)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(fēng)山地區(qū)僅為數(shù)百×10-6。這表明湖盆水體的鹽度由于水流補(bǔ)給、沉降作用等因素的不同在平面上呈明顯的分區(qū)性,導(dǎo)致烴源巖沉積特征和地球化學(xué)性質(zhì)發(fā)生區(qū)域上的變化,使得所生原油存在上述地球化學(xué)差異性。在這些原油中均檢測(cè)到奧利烷,由于柴達(dá)木盆地第三紀(jì)氣候干燥,陸地高等植物不發(fā)育,因而這個(gè)表征高等植物有機(jī)質(zhì)生物源的生物標(biāo)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(zhì)中陸源高等植物有機(jī)質(zhì)生物源比例很低。(3)西部油田的有機(jī)質(zhì)生物來(lái)源飽和烴組份的GC/MS分析結(jié)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(dá)4.0以上(表1),比盆地北緣的侏羅系原油(均<0.25)高一個(gè)數(shù)量級(jí);表明其有機(jī)質(zhì)生物來(lái)源中水生藻類(lèi)比例很高。西部各油田原油的甾烷組成以C28化合物相對(duì)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(bào)道C28甾烷的含量與地質(zhì)時(shí)代有關(guān),在新生界中較高(GranthanandWakefield,1988),但比較不同類(lèi)型第三系原油的甾烷組成可發(fā)現(xiàn),高C28甾烷是咸水湖相有機(jī)質(zhì)的一個(gè)特有的生物指標(biāo),可能與某種嗜鹽藻類(lèi)有關(guān)。另外,由于生物來(lái)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(jié)果表明,柴達(dá)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(rèn)為三芳甾烷來(lái)自單芳甾烷的芳構(gòu)化,其先質(zhì)物主要是具有一個(gè)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(jié)合狀態(tài)的或自由狀態(tài)的任何甾醇通過(guò)完全的氫化和脫官能團(tuán)作用轉(zhuǎn)變而來(lái),因而三芳甾烷與甾烷的相對(duì)含量和分布并不完全對(duì)應(yīng)。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(lèi)系列等含硫有機(jī)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(rèn)為,在碳酸鹽巖—蒸發(fā)巖等局限性強(qiáng)還原、厭氧沉積環(huán)境中有利于硫酸鹽還原菌繁殖和活動(dòng),所形成的H2S與有機(jī)質(zhì)相結(jié)合能形成含硫有機(jī)化合物,因而在碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖及所生原油中這類(lèi)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(dá)70%以上(潘志清等,1988)。本區(qū)原油中這類(lèi)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(zhì)泥巖,碳酸鹽礦物含量在30%左右,硫酸鹽類(lèi)礦物較少,B含量為(43～221)×10-6,粘土礦物中伊利石相對(duì)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(zhì),在氧化還原性、酸堿度和礦物基質(zhì)等方面不同于前者。(2)源巖沉積環(huán)境性質(zhì)芳烴組份中的三芴系列化合物可能來(lái)源于同一種先質(zhì)化合物,其基本碳骨架中含有一個(gè)五員環(huán)。其C-9碳原子屬于α碳原子,其化學(xué)性質(zhì)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(zhì)。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(zhì),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)