生物降解作用对辽河盆地原油甾萜烷成熟度参数的影响

-----------------------------------Docin Choose -----------------------------------豆 丁 推 荐

↓

精 品 文 档

The Best Literature----------------------------------The Best Literature

中国科学D辑:地球科学 2008年 第38卷 增刊Ⅱ: 38~46

38 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS

生物降解作用对辽河盆地原油甾萜烷成熟度参数的影响

包建平①②*, 朱翠山①②

①长江大学地球化学系, 荆州 434023;

②长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室, 荆州 434023

*E-mail: bjp405@

收稿日期: 2007-12-05; 接受日期: 2008-06-16

国家“十五”重点科技攻关项目(编号: 2004BA616A02-04-02-01)资助

摘要借助于色谱质谱(GCMS)仪, 通过对一组取自辽河油田遭受不同生物降解改造的原油中甾萜烷生物标志物的分布与组成特征的定量分析, 发现在生物降解过程中, 原油中的甾萜烷分子成熟度参数如Ts/Tm, C31升藿烷22S/(22S+22R)和C29甾烷20S/(20S+20R)比值会发生相应的变化. 研究结果表明, 对遭受生物降解改造程度不同的原油而言, 除了C31升藿烷22S/(22S+22R)比值几乎不受影响外, Ts/Tm比值呈现出随生物降解作用强度的增加而下降, 而C29甾烷20S/(20S+20R)比值在轻微-中等生物降解作用阶段几乎不受影响, 而在严重生物降解作用阶段则会显著升高. 导致这一变化的内在控制因素是不同立体构型的生物标志物在抗生物降解能力上存在明显差异, 抗生物降解能力弱的生物标志物的消耗速度快于抗生物降解能力强的生物标志物, 如18α(H)-22,29,30-三降藿烷(Ｔs)基本不受影响, 17α(H)-22,29,30-三降藿烷(Tm)的浓度则明显升高, 在C29甾烷组成中异构体20R快于20S, 结果致使相关比值随生物降解作用强度的变化发生明显变异. 因此, 在利用生物标志物的分布与组成特征研究生物降解作用原油的成熟度时, 应该关注原油所遭受的生物降解作用改造的程度和分子成熟度参数的类别及其变化规律. 关键词

生物降解原油甾烷

三萜烷

成熟度

辽河油田

原油遭受的生物降解作用是油气地球化学领域的一个研究热点, 这是因为储层中原油遭受生物降解作用改造的过程也是原油物理性质和化学组成发生变化的过程. 由于生物降解作用对原油中不同类型化合物的选择性消耗, 最后使油-油、油-岩的相关性研究和确定原油的成熟度和成因类型变得十分困难. 由生物降解作用导致的原油生物标志物分布与组成特征的变化已得到了广泛的关注[1~10], 依据生物标志物的分布与组成特征确定原油遭受生物降解作用程度的标准已被建立[11]. 实验室模拟生物降解作用原油与自然条件下生物降解作用原油化学组成间的对比也得到了关注和研究[12,13].

甾萜烷分子成熟度参数如Ts/Tm、C31升藿烷22S/(22S+22R)和C29甾烷20S/(20S+20R)比值广泛地被用以确定原油和烃源岩中有机质的成熟度. 但是, 由于生物降解作用的选择性使得原油中那些与成熟度有关的甾萜烷生物标志物的相对组成特征发生了变化, 在这种情况下, 这些所谓的分子成熟度参数的变化可能就不再遵循原有的热演化规律, 从而影响它们的使用效果.

本文通过对一组具有相同来源但生物降解程度不

中国科学 D 辑: 地球科学 2008年 第38卷 增刊Ⅱ

39

同的原油中甾萜烷生物标志物分布与组成特征的定量分析, 探讨了与成熟度有关的不同构型甾萜烷异构体浓度的变化特征及其与生物降解程度间的关系, 明确了不同甾萜烷成熟度参数在生物降解过程中的变化趋势, 同时对导致这些变化的原因进行了分析.

1 样品与实验

辽河盆地是一个生物降解形成的稠油资源十分丰富的地区, 其稠油的地球化学特征和形成机理也得到了广泛的关注[14~16]. 本文所研究的原油样品取自辽河盆地西部凹陷(图1), 它们分别产自始新统沙

河街组三段(E s 3)和一、二段(E s 1+2)的浊积砂岩, 而沙河街组三段和四段是辽河西部凹陷主力烃源岩层[17], 它们的主要差异体现在伽马蜡烷相对含量和甾烷碳 数相对组成上. 如冷东地区沙三段烃源岩具有贫伽马蜡烷和C 27~29甾烷呈“V ”分布, 伽马蜡烷明显低于C 31升藿烷, 两者比值小于0.10, 而沙四段烃源岩则具有伽马蜡烷和C 28甾烷含量高的特征, 伽马蜡烷与C 31升藿烷比值大于0.501). 本文所取原油样品均具有较高含量的伽马蜡烷和C 28甾烷, 所有原油中伽马蜡烷与C 31升藿烷比值大于0.55(表1), 表明它们具有相近的来源.

一般而言, 原油的物理性质和化学组成主要取决于其成因类型和来源, 但在遭受了生物降解作用的改造以后, 生物降解作用的程度则是重要影响因素. 此外, 生物降解作用导致的原油黏度的变化幅度远大于原油密度, 如在未遭受生物降解作用改造或遭受轻微生物降解作用改造的原油中, 其在20℃时

图1 辽河油田的构造区划与原油取样位置

1) 朴明植, 胡礼国. 辽河盆地未熟-低熟石油研究. 辽河石油勘探局(研究报告), 1999

包建平等: 生物降解作用对辽河盆地原油甾萜烷成熟度参数的影响

40

表1 本文研究的生物降解原油的基本地球化学参数

井号 深度/m

层位

密度a)/ g ·cm −3

黏度a)/mPa ·s

极性组分含量/%

伽马蜡烷/ C 31H C 28R/ C 27-29R/%

生物降解级别b)

冷43-98-560 1664.6~1700 S 3 0.910 423 27.1 0.72 33.72 1 冷43-94-662 1790~1825 S 3

0.916 610.2 39.90 0.73 33.11 2

冷86 1710~1726 S 3 0.944

651 34.74 0.91 34.38 2 冷90 1716~1685 S 3 0.917 691.81 36.81 0.73 31.27 2 冷116 1707.9~1738.9 S 3 0.925 1225.12 44.73 0.56 30.83 3 冷68 1824~1843 S 3 0.926 1277.04 43.41 0.81 32.64 3 冷80 1802~1807.1 S 3 0.927 1420.57 34.3

0.74 34.57

3 冷88 2206.5~2216.5 S 3

0.930 1702.14 33.07 0.62 31.67

3

冷61 1355.7~1386 S 1+2 0.937

4060 35.17 0.76 33.41 3 冷37-19-570 1828.1~1860.1 S 1+2 0.943

5292 41.57 1.14 32.23 3 冷43-95-160 1357~1399 S 1+2 0.952

11280 42.4 0.68 31.03 4 冷43-91-158 1794~1810 S 1+2 0.953

13600 41.1 0.65 31.79 4 冷82 1362.9~1385.8 S 3 0.967

30331.13 45.55 0.87 34.10 5 冷37

1620.18~1689.97 S 1+2 0.978

44239.5 50.98 1.24 12.31 6-7 a) 20℃时原油的密度和黏度; b) 生物降解原油程度的标准[11]

的密度和黏度分别小于0.90 g/cm 3和300 mPa ·s. 但随着生物降解作用程度的增强, 在原油遭受严重生物降解作用改造以后, 其密度可达到0.99 g/cm 3

以上, 而黏度可大于40000 mPa ·s, 此时的原油已变成了流动性很差的沥青或稠油了(表1), 开采成本十分高昂. 由此可见, 原油在遭受了生物降解作用的改造以后, 其物理性质和宏观化学组成如极性组分的含量均会发生显著变化, 而且黏度的变化明显大于密度的变化, 这里可以用生物降解原油的黏度来表征它们遭受生物降解作用改造的程度.

用正己烷沉淀原油中的沥青质, 再采用硅胶/氧化铝柱色层分离法, 把脱沥青质原油分成饱和烃、芳烃和非烃.

饱和烃色谱质谱分析: 仪器为惠普公司5890台式质谱仪. 色谱柱为HP-5ms 石英弹性毛细柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 µm). 升温程序: 50℃恒温2 min, 从 50℃至100℃的升温速率为20℃/min, 100℃至310℃的升温速率为3℃/min, 310℃恒温15.5 min. 进样器温度300℃, 载气为氦气, 流速为1.04 mL/min, 扫描范围为50~550 u. 检测方式为全扫描. 电离能量为70 eV , 离子源温度230℃.

正构C 20-1-烯和1,2,3,4-四氘化胆甾烷作为内标分别确定原油中链烷烃系列和甾萜烷生物标志物的浓度.

2 生物降解原油的烃类组成特征

全油色谱质谱分析的总离子流图(TIC)可以反映原油烃类的宏观化学组成特征及其遭受生物降解作用的强弱. 如图2所示, 部分原油中仍可以检测出完整的正构烷烃系列, 尽管其含量相对较低, 由此表明它们仅遭受了轻微生物降解作用的改造, 其降解程度相当1~3级[11]. 但是在其它原油中, 其总离子流图上已难以检测出正构烷烃系列, 暗示着这些原油遭受了中等至严重生物降解作用的改造, 其降解程度相当于4~7级[11]. 但值得注意的是无论原油遭受生物降解程度的差别有多大, 藿烷系列均是这些原油中的优势组分, 表明这类原油中细菌等微生物的贡献较大.

分析结果表明生物降解原油中链烷烃系列的浓度与原油黏度之间存在良好的负相关性, 原油遭受的生物降解作用的程度越高, 链烷烃的浓度越低(图3). 依据Peters 等[11]的研究结果, 当原油遭受中等强度的生物降解作用(相当于4级)改造时, 正构烷烃系列即完全消失, 反映出正构烷烃抗生物降解作用的能力相对较弱. 但值得注意的是原油中正构烷烃系列完全消失的时间可能相对较晚, 这是因为在某些已存在25-降藿烷系列的原油中仍可检测出微量的正构烷烃系列, 如冷82井原油, 这与Sun 等[6]的研究结果是一致的.