柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油地球化学特征

*中国石油天然气集团公司95重点科技攻关项目(编号:970207)资助。

朱扬明,男,1954年11月生,教授,博士,有机地球化学专业。

2003-03-13收稿,2003-06-18改回。

黄第藩,等.1987.柴达木盆地西部第三系油源岩的地球化学和生油评价.
柴达木盆地西部第三系
咸水湖相原油地球化学特征*
朱扬明1 苏爱国2 梁狄刚2 程克明2 彭德华3
(1.浙江大学地球科学系杭州 310027;2.中国石油天然气股份有限公司油气地球化学重点实验室
北京 100083;3.青海石油管理局石油勘探开发研究院甘肃敦煌 736202)
摘 要 在系统分析柴达木盆地西部各油田40余个原油样品碳同位素和饱和烃、芳烃组成的基础上,全面剖析了该地区第三系湖相原油的地球化学特征。

研究结果表明,这些原油具有特殊的碳同位素组成和异常的生物标志物分布。

其全油碳同位素偏重(-26 ~-24 );正构烷烃系列单体烃碳同位素分布曲线呈水平状,表现出类同于海相有机质的碳同位素组成特征。

它们的生物标志物中正烷烃系列兼具奇碳和偶碳优势双重碳数分布模式;呈强植烷优势,Pr/Ph 值大多<0 6;伽玛蜡烷普遍异常丰富,C 35藿烷含量高,表征高盐、厌氧的咸水湖相沉积环境性质。

芳烃组份以萘、菲系列为主,而二苯并噻吩等含硫有机化合物相对含量较低,反映该地区咸水湖相原油源岩沉积相的特殊性。

柴西各油田原油地球化学参数在区域上呈规律性变化趋势,与其源岩沉积相的时空变迁相一致。

关键词 咸水湖相原油 碳同位素 生物标志物 芳烃 柴达木盆地
中图分类号:T E121 文献标识码:A 文章编号:0563-5020(2004)04-0475-11柴达木盆地西部(以下简称柴西)面积约4 104km 2,广泛发育一套第三系咸水湖相烃源岩并生成大量油气。

自1977年发现尕斯库勒油田以来,该地区已相继找到十几个油气田,集中占全盆地80%~90%的油气储量和产量,因此被列为柴达木盆地目前至今后相当长一段时间内的重点勘探区。

发育有咸水湖相沉积的含油气盆地在我国为数不多,因而柴西地区的咸水湖相原油及其源岩的地球化学特征引起不少国内外学者研究兴趣(黄杏珍等,1993;Ritts et al.,1999;Hanson et al.,2001) 。

现有研究表明:本区的原油多为低熟原油,具有一般的咸水湖相原油性质。

但这类原油地球化学特征与其源岩沉积环境之间的内在关系方面尚有许多问题还没有阐明;而且,随着近年来盆地油气勘探的不断深入和新的含油构造的发现,有必要进一步认识原油地球化学性质的区域性变化规律,为明确下一步的勘探目标提供科学依据。

为此,本文在系统分析原油及源岩样品的基础上,重点对该地区咸水湖相原油独特的碳同位素组成和异常的生物标志物分布特征从成因机制上进行剖析,并结合源岩分析资料阐明其区域上的变化规律。

2004年10月地 质 科 学C HINESE JOURNAL OF GEOLOGY 39(4):475 485
1 地质 地球化学背景与样品
柴达木盆地在中-新生代总体上经历了早期断陷、中期坳陷和后期沉积坳陷中心转移3个构造演化阶段。

发育有中-下侏罗统淡水湖沼相、第三系咸水湖相和第四系生物气源岩3套烃源层系,分别主要分布在盆地的北缘、西部和东部;其中,第三系和中-下侏罗统主要烃源层的展布范围如图1所示。

目前所发现的油气田主要分布在盆地的西部和北缘地区(图1)。

西部含油气区以茫崖 英雄岭凹陷轴部为界分成南区和北区,南区由西向东分布的油田有七个泉、红柳泉、狮子沟、花土沟、跃进一号(尕斯库勒)、跃进二号和乌南油田等;北区主要有咸水泉、油泉子、南翼山、开特米里克、尖顶山及大风山构造等油气田。

北缘地区主要有冷湖、南八仙和鱼卡3
个油气田。

图1 柴达木盆地油气田分布图
Fig.1 A sketch map showing di stribution of oil and gas fields in the Qai dam Basi n
柴达木盆地西部第三系生油层纵向上分布广泛,从路乐河组(E 1-2)到上油砂山组(N 22)均有分布;在横向上受湖盆的演化变迁控制,各层位生油岩分布范围有很大变化。

古新统-渐新统下部(E 1-2-E 13)深湖
-半深湖相生油层主要发育于茫崖 英雄岭凹陷;渐新统中上部-中新统下部(E 23-N 1
1)生油岩分布范围扩大,是本区的主力烃源层;中新统上部-上新统生油层(N 21
-N 2)主要发育于小梁山凹陷及茫崖 英雄岭凹陷的部分地区。

这些生油岩的TOC 较低,大多低于0 5%;而其氯仿沥青 A 含量相对较高,一般在0 07%到0 14%之间。

柴西地区第三系原油物性呈一定的区域性变化趋势,南区原油比重较高,在0 84~0 96范围,其中跃进地区的一些浅层油藏原油因生物降解作用比重较高;北区原油油质476地 质 科 学2004年
相对轻些,比重变化在0 77至0 87之间,其中开特米里克和南翼山深层油藏原油属轻质油,比重低。

原油的含蜡量主要变化在9%到26%之间,跃进一号和跃进二号油田中部分原油含蜡量较高,属中-高蜡原油。

这些原油的含硫量均不高;南区原油相对较高,为0 12%~0 60%;北区原油均<0 10%;明显不同于江汉盆地的第三系典型咸水湖相原油,后者含硫量高达2%~10%。

本研究在盆地西部各油田现场采集了40余个代表性原油样品及第三系生油岩样品;同时,为了进行对比研究,还采集了盆地北缘各油气田的侏罗系原油样品。

原油样品全部进行了全油气相色谱(GC)和饱和烃、芳烃组份色质(GC/MS)分析;测试在江汉石油学院测试分析研究中心完成,GC 分析在HP6890气相色谱仪上进行,色谱柱为60m 0 32mm HP -5MS 弹性石英毛细管柱;GC/MS 分析在HP6890GC/5973MSD 色质联用仪上进行,色谱柱为30m 0 32mm HP -5MS 弹性石英毛细管柱。

部分原油样品进行全油、族组份和单体烃碳同位素分析,测试在中国石油勘探开发研究院实验中心完成,所用仪器为MAT -252气相色谱 同位素质谱仪。

生油岩样品也进行了相应的地球化学分析。

2 原油碳同位素组成特征
(1)全油与族组份
柴西地区第三系咸水湖相原油全油碳同位素组成重, 13C 值主要集中在-26 至-24 之间(表1);与江汉盆地潜江凹陷咸湖相原油相当(-27 2 ~-23 9 );反映出咸水湖相原油碳同位素偏重的一般特征。

虽然许多人都注意到这个地球化学特征,但都难以作出合理的解释。

按常规观点,原油的碳同位素取决于有机质生物源。

一般认为来源于陆源高等植物的有机质碳同位素重,如煤成油 13C 通常变化在-26 至-24 之间;而源于水生生物的有机质碳同位素轻,如古生代海相和深湖相原油碳 13C 大多<-30 。

显然,从有机质生物源上无法解释咸水湖相原油碳同位素偏重的原因,因源岩干酪根显微有机组份组成和生物标志物分布均表明这些原油的成油母质主要为水生生物有机质。

国外许多学者对此进行过探讨,Schidlo wski et al.(1984)指出在高盐环境中有机质碳同位素重是由于其水体中因CaCO 3的沉淀导致溶解的C O 2浓度低所致;而Pe -ters et al.(1996)则认为这是由于咸水湖相环境中光合生物过分繁盛造成CO 2浓度低的缘故。

最近,Schouten et al.(2001)认为上述两种因素都与高盐生态中有机质碳同位素偏重有关。

可见,咸水湖相环境中溶解的CO 2少是致使有机质碳同位素重的根本原因,因其能导致自养生物中13
C 分馏作用减弱(Popp et al.,1998)。

这些原油的饱和烃和芳烃组份碳同位素组成也反映出咸水湖相有机质的特殊性。

图2是柴西地区第三系咸水湖相原油及北缘侏罗系湖沼相原油这两组份 13C 值的分布图,图中的直线( 13C 芳=1 14 13C 饱+5 46)是Sofer(1984)依据大量原油数据统计回归出来作为区分海相与陆相原油的分界线。

北缘侏罗系湖沼相原油均在陆相油一侧,表明这种原油分类法的合理性;而西部第三系咸水湖相原油却全落在海相油一侧,似乎意味着咸水湖相原油具有海相有机质的碳同位素组成特征。

这种情况也出现在江汉盆地高盐相原油中(Peters et al.,1996)。

实际上,这种用碳同位素组成划分原油类型的方法,并4773期朱扬明等:柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油地球化学特征
非区分原油源岩的沉积相,而是区分其有机质类型。

由于咸水湖相有机质生物源与海相沉积类似,主要为水生生物和细菌,因而在上述图中有相近的分布范围。

在柴西地区咸水湖相原油族组份碳同位素组成中还有一个值得注意的现象:在饱和烃、芳烃、非烃和沥青质组份之间, 13C 值相差很小,饱和烃与沥青质的 13C 的差值仅478地 质 科 学2004年
图2 柴达木盆地原油饱和烃与芳烃组份碳同位素组成分布图Fig.2 Isotopic composition of aromatic vs.s aturate fractions of crude oils from the Qaidam Basin 1 左右;而在一般淡水湖相的原
油中此差值较大,如盆地北缘侏
罗系原油的此值在3 。

这表征
咸水湖相原油成烃母质的特殊
性,可能是其在成烃过程中同位
素分馏不显著。

(2)单体烃碳同位素
如图3所示,本区咸水湖相
原油C 13~C 33正构烷烃系列的单
体烃碳同位素 13C 值变化不大
(在1 范围),虽有一定的波动,
但没有随碳数呈上升或下降的变
化趋势,整条分布曲线总体上呈
水平状分布。

而北缘南八仙油田
侏罗系湖沼相原油(仙5井和仙6
井)的正烷烃单体烃碳同位素分
布曲线则完全不同,其 13C 值随碳数的增加呈明显变低的趋势,高碳数部分要轻3 左右。

图3 柴达木盆地原油正构烷烃单体烃碳同位素分布曲线Fig.3 Carbon isotopic compositions of indi vidual n -alkanes
in oils from the Qai dam Basin 许多学者还研究过不同类型
原油的正烷烃碳同位素曲线的分
布模式。

Murray et al.(1994)和
Schouten et al.(2001)一致认为,碳
同位素随碳数增加而变轻的分布
表征陆源高等植物有机质生物源。

这种观点可用上述的南八仙原油
来证实。

该油田原油经油源对比
表明来源于中-下侏罗统煤系烃源
岩,有机质生物源主要来自高等植
物,它们的正烷烃 13C 值分布就呈
这种模式。

已有研究表明,海相原油正烷烃 13C 值分布曲线随碳数增加一般呈水平或增高的分布模
式(Murray et al.,1994)。

关于咸水湖相原油正烷烃的 13C 值分布曲线类型报道不多。

本文所研究的咸水湖相原油正烷烃 13C 曲线呈水平状分布,表明其有机质生源类同于海相环境,以水生藻类和细菌为主,陆源有机质很少。

此外,在所分析的柴西咸水湖相原油中,正烷烃 13
C 值分布曲线都有一共同特征,即在C 23附近有低谷,而在其两侧分别为两个宽缓的波峰,可能有某种生物来源上的意义。

4793期朱扬明等:柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油地球化学特征
3 生物标志物及其生物来源和沉积环境意义
(1)正构烷烃与类异戊二烯烃
全油气相色谱分析表明,柴西咸水湖相原油正烷烃和类异戊二烯烃系列的组成和分布具有特殊性。

除开特米里克油田外,各油田原油正烷烃碳数分布模式均具双重性,在C11~C17范围呈奇偶优势分布,而在C18~C26(C28)范围内呈偶奇优势分布(图4);并非咸水湖相样品中常见的单一的偶奇优势分布。

这意味着该系列化合物有多种成因和来源。

有报道,在C11~C17范围内呈奇偶优势的正烷烃可能直接来源于藻类中的烃类(Fowler et al.,1986)。

具偶奇优势分布的正烷烃一般认为是咸水环境有机质的普遍特征。

按常规观点,这类正烷烃是由脂肪酸、醇类的还原作用或经碳酸盐矿物催化发生 断裂形成;还有可能是直接来源于生物先质(Grimalt and Albaiges,1987)。

图4 柴达木盆地西部代表性咸水湖相原油全油气相色谱图Fig.4 Gas chromatogram of representative saline l acustrine oils
i n wes t part of the Qaida m Basin
这些原油中类异戊二烯烃呈植烷优势,Pr/Ph值大多在0 6以下(表1);反映其源岩形成于强还原沉积环境。

咸水湖相沉积环境的强还原性与其水体盐度高导致密度分层作用有关。

由于水体分层能阻挡水体在纵向上的对流,造成水体底部和沉积物中因沉积有机质的微生物化学作用的持续而缺氧,使之处于强还原状态。

如表1数据所示,在柴西地
区原油Pr/Ph值呈区域性变化。

南区七个泉、狮子沟、跃进和乌南一带原油的此值较低,大都变化在0 4至0 6之间;北区咸水泉 油泉子 开特米里克一线及以北地区原油稍高一些,为0 5~0 95,其中开特米里克油田和大风山构造带上的原油Pr/Ph较高,在0 90左右。

在这两区带内该参数由西向东也有增加的趋势。

这些变化表明本区原油源岩的沉积相带有所不同,沉积环境的还原性总体上由南向北、从西往东减弱。

(2)五环三萜烷
与其它盆地咸水湖相原油一样,柴西地区原油中富含伽玛蜡烷,一些原油在m/z191质量色谱图上其峰高与C30藿烷相当(图5a)。

伽玛蜡烷以往常被当作沉积水体盐度的标480地 质 科 学2004年
志。

由于人们注意到淡水湖相环境中也常有高伽玛蜡烷的现象,Damste et al.(1995)提出伽玛蜡烷实质上是指示沉积水体分层的标志,因在水体化学活跃层内及之下的厌氧环境中厌氧纤毛虫繁盛,能合成大量的伽玛蜡烷先质物四膜虫醇。

咸水湖相沉积环境中水体常呈密度分层,
因而这个化合物通常在咸水环境中很丰富。

图5 柴达木盆地西部咸水湖相原油饱和烃m/z191和m/z217质量色谱图
Fig.5 m/z191and m/z217mas s chromatograms of saturate fracti on in s ali ne lacustri ne oils
from west part of the Qaidam Basin
柴西地区大部分第三系咸水湖相原油的藿烷系列分布具有特征性。

如图5a 所示,在高碳数化合物中其呈 翘尾巴 分布模式,即C 35>C 34(>C 33);因而相当一部分原油的C 35/C 34藿烷比值高于1 0,表征强还原的沉积环境性质,与Pr/Ph 呈低值相一致。

北区原油中C 35藿烷较低(图5b)。

不同油田原油中伽玛蜡烷和C 35藿烷的含量有明显的差异,伽玛蜡烷/C 30藿烷与C 35/C 34藿烷比值呈区域性变化。

在南区,西端的七个泉等油田原油伽玛蜡烷/C 30藿烷和C 35/C 34藿烷比值均在1 0以上,向东这两比值分别逐渐降低至0 5和0 6(表1,图6)。

北区各油田原油的这两比值相对较低,大都分别低于0 85和0 65,且也有从西往东降低的趋势。

这两项参数的变化反映出这些原油源岩沉积环境的差异性。

总体来说,南区原油的源岩沉积环境盐度较高,还原性较强;而北区原油源岩的沉积环境盐度相对降低,还原性相对减弱。

实际分析资料表明柴西地区生油岩的地球化学参数有相应的区域性变化趋势。

下面以主力烃源岩渐新统中-上部地层为例予以说明。

该层位泥岩氯离子含量呈南高北低的分布格局,南区氯离子平均含量达12000 10-6,北区其平均含量仅1700 10-6;这两地区地层氯离子分别由东向西变低,南区西部的狮子沟一带其平均值高达50000 10-6,到东部东柴山地区降低到1000 10-6以下;北区西部小梁山一带氯离子为(1000~8000) 10-6,其东部大风山地区仅为数百 10-6。

这表明湖盆水体的盐度由于水流补给、沉降作用等因素的不同在平面上呈明显的分区性,导致烃源岩沉积特征和地球化学4813期朱扬明等:柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油地球化学特征
性质发生区域上的变化,使得所生原油存在上述地球化学差异性。

图6 柴达木盆地西部原油伽玛蜡烷/C30藿烷、C35/C34藿烷比值分布图Fig.6 Dis tribution of gammacerane/C30hopane and C35/C34hopanes ratios
of oils i n wes t part of the Qaida m Basin
在这些原油中均检测到奥利烷,由于柴达木盆地第三纪气候干燥,陆地高等植物不发育,因而这个表征高等植物有机质生物源的生物标志物含量不高,奥利烷/ C30藿烷比值变化在0 03到0 16之间;意味着其成烃母质中陆源高等植物有机质生物源比例很低。

(3)甾烷
饱和烃组份的GC/MS分析结果
表明,柴西地区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,高者可达4 0以上(表1),比盆地北缘的侏罗系原油(均<0 25)高一个数量级;表明其有机质生物来源中水生藻类比例很高。

西部各油田原油的甾烷组成以C28化合物相对含量高为特征,大都占C27~C29甾烷总量的30%以上(表1,图5)。

虽然有报道C28甾烷的含量与地质时代有关,在新生界中较高(Granthan and Wakefield,1988),但比较不同类型第三系原油的甾烷组成可发现,高C28甾烷是咸水湖相有机质的一个特有的生物指标,可能与某种嗜盐藻类有关。

另外,由于生物来源以水生生物为主,它们的C27甾烷含量均较高,在30%以上。

4 芳烃组成与分布
(1)宏观组成
GC/MS定量分析结果表明,柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油芳烃组份主要以萘、菲系列为主,萘系列占已定性芳烃化合物总量的40%~60%,菲系列占15%~25%。

三芳甾烷系列化合物的含量也较高,仅次于萘和菲系列,变化在5%至15%之间。

一般认为三芳甾烷来自单芳甾烷的芳构化,其先质物主要是具有一个以上双键的甾醇,与饱和烃中的甾烷可能有不同的成因;甾烷可能是由源岩中与干酪根呈结合状态的或自由状态的任何甾醇通过完全的氢化和脱官能团作用转变而来,因而三芳甾烷与甾烷的相对含量和分布并不完全对应。

其它芳烃系列均较少,含量大都在5%以下。

令人不解的是,作为咸水湖相原油,它们所含的二苯并噻吩类系列等含硫有机化合482地 质 科 学2004年
物含量却不高,大多变化在2 0%至3 0%之间,与原油含硫量较低相一致。

一般认为,在碳酸盐岩 蒸发岩等局限性强还原、厌氧沉积环境中有利于硫酸盐还原菌繁殖和活动,所形成的H 2S 与有机质相结合能形成含硫有机化合物,因而在碳酸盐岩和蒸发岩及所生原油中这类化合物很丰富。

如江汉盆地潜江组原油中二苯并噻吩系列含量在20%以上,晋县原油中更高,达70%以上(潘志清等,1988)。

本区原油中这类化合物较少的可能原因是其源岩不属于典型的蒸发岩。

柴西地区钻孔揭露的第三系剖面中缺乏盐岩沉积,暗色泥岩为钙质泥岩,碳酸盐矿物含量在30%左右,硫酸盐类矿物较少,B 含量为(43~221) 10-6,粘土矿物中伊利石相对含量大多为20%~70%,表征半咸水 咸水沉积环境。

而江汉盆地潜江组地层属典型的蒸发岩系,暗色泥岩与盐岩互层,盐岩占地层厚度的1/3以上;泥岩中碳酸盐含量高于20%,B 含量为(180~350) 10-6
,粘土中伊利石一般占90%以上,反映水体高度咸化的沉积环境性质,在氧化还原性、酸碱度和矿物基质等方面不同于前者。

图7 柴达木盆地西部和北缘原油三芴系列相对组成三角图F.芴系列;OF.氧芴系列;SF.硫芴系列Fig.7 Triangular diagram for three series fl uorene composi tions of crude oils from w es t part and northern margi n of the Qaidam Basin (2)指示沉积环境的芳
烃系列
芳烃组份中的三芴系列
化合物可能来源于同一种先
质化合物,其基本碳骨架中
含有一个五员环。

其C -9碳
原子属于 碳原子,其化学
性质活泼,在还原环境中可
被硫取代成硫芴(二苯并噻
吩系列),在弱氧化 氧化的
滨浅湖和沼泽成煤环境中被
氧化为氧芴(二苯并呋喃系
列)(林壬子等,1987),因而
常用芳烃三芴系列确定原油
源岩的沉积环境性质。

如前
所叙,虽柴西地区的各油田
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)含量均较低,都在
30%以下(图7),反映出咸水
湖相厌氧的还原性沉积环境性质,与盆地北缘的侏罗系湖沼相原油形成区别。

北缘原油以高氧芴(>38%)为特征。

Chakhma khchev and Suzuki(1995)指出,不同类型源岩的原油中二苯并噻吩类化合物的组成有明显差别,来源于咸水环境的原油中无取代的二苯并噻吩(DB T)很少,而来自淡水环境中的原油则二甲基二苯并噻吩(D MDB T)少,本研究结果验证了他们的上述观点。

芳烃的GC/MS 分析资料表明,西部第三系咸水湖相原油的二苯并噻吩类化合物中以低DB T 、高4833期朱扬明等:柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油地球化学特征
484地 质 科 学2004年
DMDB T为特征,两者相对含量分别主要为5%~15%和55%~65%,指示咸水湖相沉积环境。

而源自淡水湖沼相源岩的北缘原油二苯并噻吩系列中DMDB T化合物较少,相对含量低于50%;其DB T较高,占20%以上,其中南八仙油田原油达40%以上。

5 结 论
系统样品的色质和色谱 同位素质谱等分析结果进一步揭示,柴达木盆地西部第三系咸水湖相原油有特殊的碳同位素组成和异常的生物标志物分布。

这些原油碳同位素偏重(-26 ~-24 );其族组份之间 13C差值小,正构烷烃系列单体烃碳同位素分布曲线呈水平状,具有类同于海相有机质的碳同位素组成特征。

它们的正烷烃具双重碳数分布模式,在C11~C17范围为奇碳优势,而在C18~C26(C28)范围为偶碳优势;类异戊二烯烃呈强植烷优势,Pr/Ph值大多<0 6。

五环三萜烷中伽玛蜡烷普遍异常丰富,C35藿烷含量高,表征高盐、厌氧的咸水湖相沉积环境性质。

本区咸水湖相原油芳烃的组成与江汉盆地等典型高盐咸水湖相原油有所不同。

其芳烃组份以萘、菲系列为主,而二苯并噻吩等含硫有机化合物相对含量较低,反映该地区原油源岩沉积相的特殊性。

柴西地区咸水湖相原油的伽玛蜡烷、C35藿烷相对含量和Pr/Ph值等地球化学参数在区域上呈规律性变化,反映出南区原油的源岩沉积环境盐度较高,还原性较强;而北区原油源岩的沉积环境盐度相对降低,还原性相对减弱。

参考文献
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