塔中地区下奥陶统油气地球化学特征及成因

塔中地区下奥陶统油气地球化学特征及成因
李素梅;肖中尧;吕修祥;张宝收;张海祖
【摘要】通过多种地球化学分析方法,对塔中地区下奥陶统油气地球化学特征与成因进行详细研究,结果表明,下奥陶统原油是以低分子量轻质馏分为主、生物标志物含量极低的高-过成熟原油,以芳烃中含有高-超高丰度的含硫芳烃-二苯并噻吩(DTBs)而显著不同于中上奥陶统等上部层系.依据单体烃碳同位素特征,结合烃类组成与分布,认为下奥陶统原油为来自寒武系-下奥陶统和中上奥陶统的混源油,前者的贡献总体高于后者.下奥陶统原油中较高丰度的硫醇化合物、丰富的四氢噻烷、高含量H2S(近10%)伴生气以及超高丰度的含硫芳烃的存在,表明其经历了硫酸盐热化学还原作用、热化学作用等复杂的油气成藏后作用,这些作用改造了油气藏中的烃类并对油气藏的保存可能产生重要的影响.
【期刊名称】《新疆石油地质》
【年(卷),期】2011(032)003
【总页数】5页(P272-276)
【关键词】塔里木盆地;塔中隆起;下奥陶统;生物标志物;同位素;油源;硫酸盐热化学还原作用
【作者】李素梅;肖中尧;吕修祥;张宝收;张海祖
【作者单位】中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学地球科学院,北京102249;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000;中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;中国石油大学地球科学院,北京102249;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新
疆库尔勒841000;中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院,新疆库尔勒841000
【正文语种】中文
【中图分类】TE112.111
近年来，在塔里木盆地塔中地区下奥陶统海相碳酸盐岩中发现多口工业油气流井，包括中古5井、中古6井、中古7井、中古21井、塔中83井和TZ721井等，
预示着该盆地深层碳酸盐岩有良好的油气勘探前景。

塔中地区下奥陶统与中上奥陶统之间有明显的不整合面，下奥陶统的油气形成于埋藏更深、更为封闭的高温高压环境中，其油气性质、成因及成藏机制与中上奥陶统的油气性质、成因有何区别、成藏后高温高压下有何成藏效应等问题是当前塔中乃至整个盆地下奥陶统油气勘探急需解决的关键问题。

本研究结合前人的研究成果，剖析塔中下奥陶统油气地球化学特征、来源与成藏效应，为该区深部油气的成藏机理研究与勘探、开发提供依据。

共测试塔中下奥陶统原油样品17个、中上奥陶统原油样品8个（图1），以往中上奥陶统原油样品46个以及部分石炭系、志留系原油用于对比分析[1]。

实验包括全油色谱分析、饱和烃与芳烃色谱-质谱分析、单体烃碳同位素分析、原
油硫醇分析。

烃类色谱-质谱实验条件与化合物定量方法参见文献［2］，选用标
样包括nC24D50、D4C27胆甾烷和D10-蒽。

单体烃同位素分析采用HP6890气相色谱与同位素质谱相连，实验条件：色谱柱为苯基-甲基-硅酮固定相毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；气相色谱先升温50℃恒温1 min，以3℃/min
升到310℃，再恒温30 min；He载气为恒流模式，流量1.0 mL/min.
塔中地区下奥陶统液态油主要为凝析油，局部为高蜡油（塔中83井、TZ721井）及稠油（TZ4-7-38井）。

除个别原油外，该区原油以饱和烃轻质馏分为主（一般73.1%～96.4%），芳烃（2.09%～19.4%）、“非烃+沥青质”（0.2%～16.6%）
含量极低（表1），其特征充分反映下奥陶统原油具较高的成熟度。

下奥陶统原油总体表现出微弱的姥鲛烷优势，姥鲛烷与植烷比值为0.77～2.43（均值1.3），多数集中分布于0.96～1.24，与相同埋深的中上奥陶统原油
（0.95～1.42，均值1.2）相差无几（表1），反映母源岩弱氧化-弱还原的原始沉积环境。

下奥陶统原油的m（Pr）/m（nC17）、m（Ph）/m（nC18）值低于相同埋深的中上奥陶统原油，这种差异应与油气成因有关。

绝大多数下奥陶统原油中甾萜类生物标志物浓度极低，总体低于相同埋深的中上奥陶统原油。

除埋藏较浅的TZ162井、塔中52井、TZ4-7-38井原油外，下奥陶统原油C27-C29-规则甾烷一般局部甚至全部降解，低分子量孕甾烷系列通常含量较高（图2）。

在饱和烃m/z191质量色谱图中，萜类化合物有类似的特征。

五环三萜类化合物有不同程度的热裂解现象，低分子量三环萜烷系列一般较为丰富。

位于塔中地区中部的中古5井、中古6井、中古7井、中古8等井原油中生物标志物
含量甚微，在m/z217、m/z191图中几乎无法检测（图2），表明相关井区原油成熟度较高和（或）晚期气侵现象更为强烈。

值得关注的是，与中古5—中古7
井区相邻的中上奥陶统原油（如塔中82井、TZ823井、TZ828井、TZ826等井）随油藏深度的变化，甾类生物标志物演化似乎有“倒转”迹象，即随埋深增加化合物的保存似乎更为完好（图2），这种反常现象应该反映相对浅层原油遭受了晚期更高成熟度油气的充注混合。

多数下奥陶统原油由于热裂解改造作用已无法分辨规则甾烷的分布形态，仅埋藏较浅的下奥陶统原油显现“V”字型或反“L”型和“斜线”型（图2）。

由于较高
的热成熟度，常用生物标志物成熟度指标基本失效，m（C29甾烷20S）/m
［C29甾烷（S+R）］、C29甾烷发生“反转”现象，但m（Ts）/m（Ts+Tm）显示随埋深增加逐渐增加的趋势，反映成熟度的规律性变化（图3a）。

芳烃成熟
度参数三甲基萘指数（TMNr）、四甲基萘指数（TeMNr）有类似的变化规律
（图3b、图3c），但常用的甲基菲指数（MPI1）成熟度参数规律性似乎较差（图3d）。

由此判断，m（Ts）/m（Ts+Tm）、三甲基萘指数、四甲基萘指数在反映较高成熟度样品时可能更为有效。

鉴于塔中隆起奥陶系油藏深度具有东高西低的特征，上述成熟度指数反映该构造带原油成熟度总体具有从西往东逐渐降低的趋势。

原油中芳烃化合物主要是萘、菲、芴、硫芴系列，其次是屈、联苯、氧芴系列，其他化合物含量极低。

值得提出的是，绝大部分下奥陶统原油芳烃中硫芴含量（指在可定性芳烃化合物中的含量）较高，甚至为含量最高的化合物系列，如塔中83井（55.2%）、中古5井（52.3%）、TZ721井（41.4%）、中古6井（43.1%）和ZG111井（43.4%）。

观察到塔中下奥陶统原油明显比中上奥陶统有较高的二苯并噻吩/菲、二苯并噻吩/四甲基萘、硫芴/氧芴值，并且在多口井原油芳烃中还检测到长链四氢噻烷系列，如中古6、中古7、中古21、塔中83等井，该化合物系列一般出现在低熟样品中[3]，具有一定的对热不稳定性，其在高-过熟原油中的出现表明为烃类改造的中间产物。

在某些硫酸盐热化学还原反应（TSR）的研究中，观察到此类化合物[4]。

下奥陶统原油单体烃碳同位素分布型态近似呈“直线型”，nC13—nC30间碳同位素值相对接近（图4），低分子量正构烷烃碳同位素有变重趋势。

绝大部分下奥陶统原油正构烷烃碳同位素位于-33.4‰～-32‰，其中塔中83井、中古6井下奥陶统原油碳同位素明显偏重，ZG501井，中古13井原油则明显偏轻（图4），表明原油成因的差异。

与中上奥陶统原油相比，下奥陶统原油δ13C值总体偏重，中古15、中古16、中古162、中古19等井中上奥陶统原油与英买2井原油（O1）较为接近，δ13C值一般为-34‰～-35‰（图4），反映不同层系原油成因有所差异。

其中，靠近塔中Ⅰ号断裂带的中古17井（O2+3）、TZ452井（O1+2）原油碳同位素明显偏重，不同于邻近同位素相对较轻的中古19、中古
16等井，反映塔中45井区及其附近油气成因较为复杂。

尽管寒武系、奥陶系作为塔里木盆地海相油气主力烃源岩已达成共识，但进一步的烃源岩确认一直存在异议[1,5-8]。

研究表明，寒武系-下奥陶统与中上奥陶统烃源
岩及相关原油有明显的生物标志物、碳同位素差异。

几乎所有的钻遇井及测试结果都一致显示，寒武系-下奥陶统烃源岩具有以下典型特征：甲藻甾烷、三芳甲藻甾烷、4-甲基-24-乙基胆甾烷、24-降胆甾烷、伽马蜡烷丰度较高，重排甾烷丰度较低；C28-甾烷丰度相对较高，C27、C28、C29-规则规则甾烷呈反“L”型、“斜线型”分布；族组分及单体烃碳同位素偏重[1,5-12]。

下奥陶统原油成熟度较高，从埋藏相对较浅的下奥陶统原油如塔中52井、TZ162井原油生物标志物来看，似乎包含寒武系-下奥陶统、中上奥陶统烃源岩的生物标
志物特征。

以往研究认为，塔东2井（Э-O1）、TZ62井（S）、英买1井（O1）可作为寒武系-下奥陶统、中上奥陶统成因的端元油[1,11，13，14]，其同位素与
生物标志物有显著的差异。

本研究中采集的下奥陶统原油单体烃碳同位素无一例外地位于这两种端元油之间（图4），认为其主体为来自寒武系-下奥陶统、中上奥
陶统的混源油。

下奥陶统原油碳同位素稍重于上部层系，预示更多的寒武系-下奥
陶统烃源岩的成烃贡献，这与其位置接近寒武系-下奥陶统烃源岩因而捕获更多的
深部油气相一致。

先前对塔中百余个原油样品的研究表明，中上奥陶统、石炭系、志留系的原油主体为混源油，在这种前提下，下奥陶统原油仍为混源油是可能的。

下奥陶统与上部层系油气成因具一定程度的相似性，反映其油源仍较为充足，预示下奥陶统具有较大的油气勘探潜能。

下奥陶统原油有诸多不同于上部层系原油的特征。

从烃类组成与分布来看，下奥陶统原油m（Pr）/m（nC17）、m（Ph）/m（nC18）明显低于中上奥陶统，具有更低的甾烷丰度以及甾烷与藿烷比值、较高-超高丰度的芳香硫化合物-二苯并噻吩[1，15]；下奥陶统原油中有较高的硫醇含量（图5b），原油伴生气中H2S气体
含量高达10%，如塔中75井（7.6%）、中古7井（8.9%）、中古9井（10%）（图5a）等；此外，下奥陶统原油中检测到丰富的长链四氢噻烷，塔中83井
（O1）原油中检测到了不常见的硫代金刚烷[16]。

以上特征是中上奥陶统等上部
层系不常见的，说明下奥陶统烃类发生了成藏后改造与破坏作用，如硫酸盐热化学还原作用（TSR）及与其密不可分的纯热化学作用。

硫酸盐热化学还原作用显著地影响石油组成，其作用后一般有高丰度的H2S和
CO2[17-20]、饱芳比降低；含硫化合物硫醇与噻吩等增加[4，19，21]，可能出
现硫代金刚烷[16]；硫酸盐热化学还原作用由于促进了芳构化和硫和氧原子结合进入烃类，储集层焦沥青的化合物性质有显著变化（固体沥青部分或大量不溶）等[22]。

塔中下奥陶统油藏具备硫酸盐热化学还原作用（TSR）的条件，相关特征也与之较为吻合，下奥陶统等深部层系可能是硫酸盐热化学还原作用发生的主要场所，其油气发生了硫酸盐热化学还原作用并且对烃类产生了一定程度的影响至此应该是无疑的，但其作用程度仍然有待进一步验证。

下奥陶统与中上奥陶统油气上的差异，暗示前者有相对独立的成藏与深部流体活动体系，因而有不同的烃类热演化与有机-无机相互作用的物理-化学条件。

（1）塔中地区下奥陶统碳酸盐岩油藏中的原油多为轻质凝析油，饱和烃以链烷烃为主、甾萜类生物标志物浓度极低；芳烃以萘、菲、芴与硫芴系列为主，其中硫芴（二苯并噻吩）系列有时在芳烃中占绝对优势，远远高于中上奥陶统中的硫芴系列，表明油气成因的差异。

（2）下奥陶统原油主要为混源油，主体来自寒武系-下奥陶统、中上奥陶统。

（3）下奥陶统原油中检测出丰富的硫醇、四氢化噻烷、高-超高二苯并噻吩等含
硫化合物，原油伴生气中H2S气体含量高达10%，反映下奥陶统油气经历了复杂的油气成藏效应与改造，硫酸盐热化学还原作用、热裂解作用是重要的成藏后作用方式。

（4）下奥陶统油气有独特的成藏模式与流体活动环境。

其烃类组成与分布、同位素分布形式、有机与无机含硫化合物的组成、分布与上部层系既相区别又相联系，指示其油气成因的相似性、成藏方式与成藏环境某种程度的独特性，暗示下奥陶统具有较大的油气勘探潜能。

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