Characteristics and Genetic Type of the Oils in the Tazhong Uplift
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摘要: 塔里木盆地塔中隆起油气性质多样、分布与成因复杂, 为揭示油气的特征与成因, 对塔中及外围104个原油样品进行了精细地球化学研究.依据单体烃碳同位素、特征生物标志物分析, 将塔中原油分为4种类型: (1) 寒武系成因原油, 具有较重正构烷烃单体烃碳同位素(-29.6‰~-29.1‰)、甲藻甾烷较发育及C27、C28、C29规则甾烷呈反“L”型或线型分布等特征; (2) 中、上奥陶统成因原油, 具有较轻的正构烷烃单体烃同位素(-34‰~-35.6‰)、甲藻甾烷等不太发育与C27、C28、C29规则甾烷呈“V”型分布等特征; (3) 富含含硫芳烃-二苯并噻吩原油, 主要分布于塔中4井区; (4) 混源油, 单体烃碳同位素特征界于Ⅰ、Ⅱ类原油之间, 是塔中最为主要的原油类型.油-油对比与油气性质分析表明, 塔中地区至少有两套主力烃源岩供烃.塔中部分原油生物标志物显示寒武系-下奥陶统成因特征, 而单体烃碳同位素却与中上奥陶统成因原油更为接近, 这种不同馏分的不一致现象系不同成因原油混源的结果, 反映单一应用生物标志物指标有其局限性.塔中油气性质具有分带、分块、分层特征, 反映叠合盆地多源、多期成藏、储层非均质性等多种特性.Abstract: The central uplift of Tarim Basin (Tazhong Uplift) has become a hot exploration target in western China. Totally 104 oil samples were sampled and analyzed by conventional geochemical as well as compound specific isotopic approaches. The oil were divided into four genetic types. Type-Ⅰ is characterized by relatively heavier values of n-alkanes carbon isotope (-29.6‰~-29.1‰), and generally a reversed "L" shape of relative abundance of C27, C28 and C29 regular steranes with 4-metyl sterane and dinosteranes as well as gammacerane relatively enriched whereas diasteranes and diahopanes less developed. This type of oil shares typical features of Cambrian-low Ordivican derived oil (TD2, ∈-O1) in the Tarim basin. Type-Ⅱ has relatively lighter carbon isotope values of n-alkanes (-34‰~-35.6‰), and is poor in dinosteranes with "V" shape of C27, C28 and C29 regular steranes. This type of oil correlates well middle-upper Ordovician derived oil (YM2, O1) in the basin. Type-Ⅲ is distinguished from other oils by completely high concentrations of dibenzothiophene, which was primarily situated in TZ4 and TZ1-6 Blocks. Type-Ⅳ is mixed oil of type-Ⅰ and Ⅱ, and characterized by an intermediate carbon isotope value of type-Ⅰ and Ⅱ. This type oil is predominant in amount and widely distributed in the Tazhong Uplift. Oil -oil correlations showed that the oil analyzed was sourced from at least two sets of source rocks (i.e., ∈-O1 and O2+3, respectively). The un-consistency of the biomarkers (indicating ∈-O1 genetic affinity) and the compound specific compounds of n-alkanes (indicating more of O2+3 genetic affinity) in some oils analyzed indicates that the oils were widely mixed with different sources. The physical and chemical properties of the oils vary with tectonic belt and horizons suggest such typical characteristics of composite basin as multi-source and multi-stage of hydrocarbons migration and accumulation of the oils as well as obvious heterogeneities of carbonatite reservoir rock. The oil-mixing model suggested in this study is significant for further oil exploration.
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Key words:
- Tarim basin /
- Tazhong uplift /
- biomarkers /
- compound specific isotope /
- oil genetic type
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塔中隆起位于塔里木盆地中部, 是一长期发育的继承性古隆起, 紧邻生油凹陷, 具有优越的油气运聚条件. 塔中古隆起发育于以断块运动为主的早奥陶世末期, 具有上、下奥陶统之间广泛的不整合; 晚奥陶世末期以褶皱运动为特点, 形成塔中寒武-奥陶系巨型复式背斜古隆起; 加里东末期至早海西期为构造调整改造期, 海西期后稳定升降. 多期构造演化特征造成了塔中古隆起纵向上分层、平面上南北分带、东西分块的结构特征, 并控制了塔中多含油气层复合叠置的格局. 塔中低凸起包括Ⅰ号断裂构造带、北部斜坡带、南部斜坡带、中央断叠带和东部潜山带等5个构造单元, 主要含油区包括塔中Ⅰ号构造断裂带、塔中47-12、塔中16、塔中4、塔中1-6井区. 很多学者都对塔中油气的生成与运聚成藏进行过研究(黎茂稳等, 1996①; Zhang et al., 2000; 张水昌等, 2002; 肖中尧等, 2005; 赵宗举等, 2006), 多数针对早期发现的志留系和石炭系油气藏(韩晓东和李国会, 2000; 刘洛夫等, 2000; 陈元壮等, 2004; 吕修祥等, 2005). 近年, 塔中奥陶系取得重大突破, 特别是Ⅰ号坡折带, 探明及控制油气储量约2.106×108 t. 不同层系、不同井区油气地球化学特征及成因类型的对比研究尤为迫切, 有助于尽早揭示塔中油源及油气成藏机理.
① 黎茂稳, 王培荣, 肖中尧, 1996. 中国西北部断生代生物剖面及塔里木盆地海相主力油源时代研究. 塔里木油田分司勘探开发研究院.
1. 样品与实验
对塔中隆起71口井、102个原油样品(图 1) 及塔里木盆地已确认为寒武系-下奥陶统成因的塔东2 (∈~O1) (肖中尧等, 2005)、中上奥陶统成因的英买2 (O1) 井原油(内部确认) 进行了地球化学分析测试, 包括全油色谱、饱和烃与芳烃定量色谱-质谱分析, 选用nC24D50、D4C27胆甾烷、D10-蒽标样对烃类化合物进行绝对定量, 有关实验条件与化合物定量方法参见Li et al. (2003)、Jiang et al. (2001). 选用其中的17个原油进行单体烃同位素分析, 同时对3个储层方解石样品进行了包裹烃单体同位素分析.
图 1 塔中隆起区域构造(图中标注井点为本次样品采集点)Fig. 1. Sketch map showing the techonic zone and sampling points of Tazhong central uplift2. 原油物性特征
塔中原油物性差异性显著, 因层位、区块而异, 烃类分布包含沥青砂、稠油、正常油、轻质油、凝析油等多种表现形式. 统计表明, 志留系原油物性最差, 以稠油为主, 一般具高密度(0.76~0.98 g/cm3, 均值0.91 g/cm3/39个样)、高粘度(1.799~197.7 mPa·s)、高含硫(0.11%~1.52%)、低蜡(1.2%~11.8%) 等特点; 奥陶系原油物性最好, 一般具有低密度(0.75~0.85 g/cm3)、低粘度(0.5~8.69 mPa·s)、低含硫(0.01%~0.4%)、相对高含蜡(2.4%~22.49%) 的特点; 石炭系界于上述两者之间. 塔中Ⅰ号坡折带以轻质凝析油为主, 奥陶系原油密度(一般为0.76~0.88 g/cm3), 含硫量(0.02%~0.42%) 一般低于内带(Ⅰ号坡折带南侧), 而含蜡量(0.342%~22.5%) 普遍高于内带. 塔中47-15井区原油物性变化较大, 志留系以稠油为主; 塔中16、塔中4井区以正常油为主; 塔中1-6井区原油物性相对较好, 具有相对低密度、低含硫的特征. 塔中隆起原油物性的变化规律反映了油气的成因与成藏特征及演化过程.志留系原油物性普遍较差, 与晚加里东期大规模的构造破坏活动相吻合(周新源等, 2006); Ⅰ号构造带原油物性较内带好, 反映晚期成藏的相对高成熟原油在该区带较为富集.
3. 原油烃类组成与分布特征
3.1 原油族组分
原油族组成显示塔中原油显著的差异. 绝大多数奥陶系原油以饱和烃为主, 芳烃、非烃+沥青质含量极低. 对51个奥陶系原油的统计表明, 饱和烃含量为33.5%~91.3% (均值74.5%)、芳烃为7.0%~36.3% (均值15.5%)、非烃+沥青质为0.8%~46.9% (均值10.1%). 石炭系、志留系原油物性分布范围较宽, 多数志留系原油饱和烃含量相对较低(均值48.4%)、非烃+沥青质含量(均值25.3%) 相对较高, 与原油物性特征相吻合.
3.2 烃类生物标志物
塔中不同层系、相同层系不同区带全油气相色谱图差异明显, 低分子量成分丰度总体相对偏高, 反映塔中原油成因的多样性, 体现原油成熟度、次生变化程度等的差异. 分析原油CPI、OEP值均接近平衡值1, 表明原油较高的成熟度. 原油Pr/Ph值分布范围为0.77~1.83, 指示母源岩可能并非完全形成于封塞的强还原性原始沉积环境.
原油中的主要成分-正构烷烃和类异戊二烯烷烃丰度差异显著(图 2a, 2b), 不同样品间有时相差近40倍. Ⅰ号坡折带原油正构烷烃多为60~120 μg/mg, 最高值达128.5 μg/mg. 其他原油多数分布于3.8~47.3 μg/mg (图 2a). 原油中甾萜类化合物丰度也有较大差异. 塔中Ⅰ号断裂带TZ83 (O1)、TZ721 (O1) (高蜡油) 等原油中甾烷、藿烷类化合物已降解殆尽; 但某些原油中甾烷、藿烷类最高丰度分别高达2 771 (TZ6, CⅡ)、4 926.87 (TZ621, O) μg/g. 甾类化合物的分布型式主要有3种: 第1种为C27-、C28-、C29-规则甾烷相对丰度呈“V”字型, 绝大多数原油为此类(图 3). 第2种规则甾烷一般呈反“L”型, 如TZ452 (O)、TZ1 (O)、TZ24 (CⅢ) 与TZ6 (CⅡ) 等(图 3、图 4a), 具有该特征的原油往往伴随相对较低丰度的重排甾烷与低分子量甾类、相对较高丰度的伽玛蜡烷(图 4b, 4c). 第3种规则甾类化合物几乎消失殆尽, 如TZ83 (O1)、TZ244 (O3) 等(图 3). 在少数样品中还检测到甲基甾烷系列, 包括4-甲基甾烷、甲藻甾烷等, 似乎一般出现在甾烷异构化程度相对较低的样品中. 多数原油的C29甾烷ααα20S/(S+R) 为0.5~0.55、C29甾烷αββ/(ααα+αββ) 为0.5~0.6 (图 4d), 已达到平衡终点值. 对于高过成熟度原油, 此类参数的应用已表现出一定局限性.
图 2 塔中原油链烷烃、二苯并噻吩丰度分布特征(纵坐标井位按从西向东的顺序排列, 样品图例下同)Fig. 2. Oil-oil correlation of absolute abundance of n-alkane and dibenzothiophene in the oils
图 3 塔中部分原油m/z217质量色谱图Fig. 3. The m/z 217 mass fragmatogram of saturate fractions from partial oils in the Tazhong uplift
图 4 塔中原油基本地化参数分布特征Fig. 4. Diagrams showing characters of basic geochemical parameters for the oils in the Tazhong uplift由于原油相对较高的成熟度, 塔中原油相对低分子量倍半萜、三环萜类化合物丰度相对较高. 塔中Ⅰ号构造带奥陶系原油倍半萜/五环萜值最高达18.85. 与甾类化合物相似, TZ83 (O1)、TZ244 (O3) 井原油中的三环、五环萜类化合物已降解殆尽. 塔中所有分析原油中都含有较为完整的链烷烃, 部分原油含量极高(图 2a). 然而, 几乎在各个层系、各个区块的原油中都检测到了丰富的25-降藿烷系列, 包括塔中4、塔中16井区的石炭系等原油, 如果不是烃源岩携带的原生性质, 应反映塔中地区油气藏的破坏及混源的普遍性.
3.3 芳烃化合物
塔中原油中的芳烃化合物主要是萘、菲、联苯、硫芴、芴、氧芴等系列, 其他芳烃系列含量较低. Ⅰ号断裂构造带、塔中4、1-6井区(TZ1-4井区) 原油中的芳烃化合物丰度相对较高, 突出表现为三芴系列相对丰度较高. 塔中原油硫芴与氧芴的相对比值远高于陆相原油. 特别地, 塔中4井区(部分塔中1-6井区) 多数原油二苯并噻吩(硫芴) 系列的绝对丰度(图 2c) 和相对丰度都远高于其他原油, 部分甚至为芳烃中的最高组分, 显然反映原油的成因差异, 相关机理有待深入研究.
4. 原油成因分析
4.1 原油成因类型划分
研究认为, 寒武系(有时也被指为∈-O1) 与中上奥陶统源岩及相关原油的显著差异主要表现在(梁狄刚等, 2000; Zhang et al., 2000; 张水昌等, 2002, 2004; 肖中尧等, 2005) : 前者一般具有甲藻甾烷、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, 规则甾烷呈C27≤C28 < C29的“斜线型”或“反L型”分布的特点; 中上奥陶统烃源岩和相关原油一般具有与上述相反的特征, 规则甾烷呈“V”字型分布(C27 > C28 < C29). 由于塔中不少原油中甾萜类生物标志物含量极低、谱图不太清晰(图 3), 并且, 原油中的微量组分也并不能反映主要组分的成因与油源特征, 本研究结合采用了正构烷烃单体烃碳同位素分析. 依据原油中特征性生物标志物、同位素等特征, 将塔中原油共分为4类: 第1类(Ⅰ) 为具有寒武系~下奥陶统成因特征原油. 以TZ62井志留系残留古油藏原油为代表, 此类原油也记录于塔中志留系沥青砂岩包裹烃中(朱东亚等, 2007; 李素梅等, 2008). 该类原油不仅具有C28-甾烷丰度相对较高等寒武系-下奥陶统成因原油常有的生物标志物特征, 且有较重的正构烷烃碳同位素值. TZ62 (S) 原油正构烷烃不同碳数碳同位素一般界于-29‰~-30‰ (图 5a), 与公认的寒武系成因的TD2原油碳同位素值相近. 第2类(Ⅱ) 为具有中、上奥陶系成因特征原油, 除有上述以往确认的该类原油生物标志物特征外, 较低的正构烷烃单体碳同位素值是其另一重要识别标志. 塔里木盆地YM2 (O1) 井原油已被确认为中、上奥陶统来源的典型代表, 其同位素值显著低于其他原油(图 5a). 本次分析样品中, 塔中地区较纯的此类原油仅检测于TZ825奥陶系储层方解石包裹体中, 其具有与YM2井原油相同的特征(图 5a, 5b). 第3类原油(Ⅲ), 为高含二苯并噻吩原油, 主要分布在塔中4井区(图 2c)、也见于部分塔中1-6井区原油, 以石炭系为主、少量为奥陶系产层. 原油物性、族组成、主要烃类化合物的丰度与分布特征与第2类原油相似(图 2), 但芳烃与三芴系列的绝对浓度远高于第2类, 三甲基萘(TMNr)、四甲基萘指数(TeMNr) (图 6b, 6c) 也偏高, 指示原油成因的差异. 第4类原油(Ⅳ), 为第1、2类原油的混源油, 在塔中地区最为普遍. 识别其为混源油的重要依据是, 原油正构烷烃单体烃碳同位素值介于第1、2类原油之间, 与中上奥陶系成因原油更为接近, 一般为-33.4‰~-32‰ (图 5a).
图 5 塔中部分原油、储层包裹烃正构烷烃单体碳同位素分布特征Fig. 5. Compound specific isotope of n-alkane in the oils and fluid inclusions in Tazhong uplift
图 6 塔中原油成熟度相关参数特征Fig. 6. Diagrams showing the maturity-related parameters correlation for the oils in the Tazhong uplift第4大类混源油可进一步细分Ⅳ-1类: 主要分布于塔中Ⅰ号断裂带, 以轻质凝析油为主(局部有气侵). 基本特征是: 密度低、含硫量低、含蜡量较高; 链烷烃绝对丰度高(图 2a, 2b)、甾烷和藿烷类生物标志物浓度总体不高; 甲基甾烷不太发育、多呈“V”型规则甾烷分布(图 3); 重排甾烷(图 4c) 与重排藿烷丰度相对较高; 三芴系列绝对浓度相对较高(图 4b). 饱和烃Ts/(Ts+Tm) (图 5a) 等相对较高且分散; 三甲基萘(TMNr)、四甲基萘(TeMNr) 指数(图 6b, 6c) 也相对较高. Ⅳ-2:主要分布于塔中47-15井区, 以稠油(主要与加里东期油藏改造破坏有关)、正常黑油为主, 烃类指标一般具有与第1类原油相反的特征(图 2a, 2b; 图 4、6), 但同样具有“V”型甾烷分布, 仅C27-/C29-甾烷值相对较低(图 4a), 甲基甾烷种类少且丰度不高. Ⅳ-3:生物标志物特征似乎与寒武系成因原油(TD2) 更为接近(肖中尧等, 2005), 如近反“L”型甾烷分布(图 3中的TZ24 (CⅢ)), 4-甲基甾烷与甲藻甾烷有时相对发育、伽玛蜡烷丰度相对较高(图 4b)、重排甾烷和重排藿烷丰度相对较低(图 4c)、甾烷异构化程度相对低(图 4d) 等. 但其正构烷烃碳同位素值与TD2寒武系成因原油有本质差异, 前者偏轻, 与塔中多数原油相近仍稍重于Ⅳ-1, Ⅳ-2, 表明其仍然为混源油. 此外, Ⅳ-3原油看似零星分布, 但其几乎分布于各个井区的不同层系(图 4中的阴影框), 也反映混源应该是普遍的. 相对于混源油中的Ⅳ-1和Ⅳ-2类, Ⅳ-3类只是更多地显示了寒武系的生物标志物特征(可能与储层非均质性较强、混合更不彻底有关). 上述不同馏分反映的油源特征不一致现象, 充分说明了原油的混源特征. 混源油本身表现出的巨大差异, 认为主要与不同期次成藏有关. 塔中不同成因原油的普遍混源现象, 与东部东营凹陷极其相似(李素梅等, 2007).
值得提出的是, 同一类原油内部仍可能有一定的分异. 塔中Ⅰ号构造带TZ83、TZ721下奥陶统原油性质明显不同于中上奥陶统, 前者为高蜡油, 后者为凝析油或黑油.
4.2 原油成因分析
迄今为止, 已确认塔里木盆地有两套烃源岩, 分别是寒武系-下奥陶统、中上奥陶统(张水昌等, 2002; 肖中尧等, 2005). 在前人研究基础上, 结合烃类组成与分布及单体烃碳同位素分析, 确认上述第1、2大类原油分别来自寒武系-下奥陶统、中上奥陶统源岩. 第3类高含硫芳烃原油的源岩少见报道, 可能与源岩相变和/或局部有机-无机复杂化学作用有关, 相关研究仍在进行中. 第4类(Ⅳ) 混源油成因复杂, 包含同期不同源、同源不同期混源等含义, 油气性质最为复杂. Ⅰ号构造带Ⅳ-1类原油保留了更多的晚期充注油气特征, 而Ⅳ-2类原油则为相对早期成藏原油特征. 成藏期次不同与储层非均质性是导致塔中油气分区、分带、分层分布的重要原因. 主力烃源岩分布重叠、生排烃期重叠、某些优势运移通道的共用是导致塔中油气普遍混源的根本原因. 塔中原油的普遍混源及部分包裹烃也表现为混源油的同位素特征(图 5b), 表明塔中相当部分原油的混源作用可能发生在运聚途中.
对塔中油气成因与油源确认需考虑以下问题: (1) 热成熟度与气侵可能对烃类组成与分布有较大影响(Li et al., 2003), C27-/C29-规则甾烷值可能随成熟度增加而增加(图 4a, 4d); 伽玛蜡烷/C30藿烷、重排/规则甾烷可能也有类似的趋势(图 4b, 4c); 塔中4-甲基甾烷、甲藻甾烷更多地出现在甾萜类异构化程度较低的样品中(图 4d), 更高成熟度时此类化合物可能并非不发育而是发生热裂解等反应. 在塔北、塔河等成熟度不太高的地区适用的油源指标可能并不适于塔中过高成熟度的原油. (2) 相变与生源的变化可能影响烃类组成与分布, 相同层系烃源岩在不同的沉积相带, 其可溶物的组成与分布是有差异的, 正如渤海湾盆地东营凹陷南斜坡富钙、富藻类的滩坝相沙四段页岩(< 2 700 m) 可溶物富含4-甲基甾烷、甲藻甾烷, 而深凹带沙四烃源岩(> 2 700 m) 相应化合物不甚发育(李素梅等, 2002). 在塔里木盆地, 同层系、不同相带源岩仍缺少差异性研究(黄文辉等, 2006). (3) 混源问题, 塔中不同成熟度原油烃类浓度差异显著, 其混源可导致油源对比结果出现偏差甚至与实际情形相反的结论. 塔中下一步主要工作是, 确认主力源岩分布及其差异性与混源相对贡献的定量研究.
5. 结论
(1) 塔中共有4种类型原油. 塔中原油性质多样, 反映了叠合盆地多源、多期成藏、多期构造活动及油气藏的破坏与调整等特性. 可区分出寒武系-下奥陶统、中上奥陶统成因、高含硫芳烃原油、混源油4种成因类型原油, 绝大部分原油为混源油. 高-过成熟度和/或气侵显著油气主要分布在Ⅰ号断裂构造带, 多期充注、晚期定型特征较明显; 塔中内带原油热成熟度相对较低, 油气成藏相对较早.
(2) 多种分析测试途径、多馏分与多指标综合运用是解决塔中油气成因与油源问题的根本途径, 单体烃碳同位素被证实对于塔中原油划分与源岩追踪具有重要意义. 在复杂含油气区, 单纯的生物标志物指标难以进行有效的油气成因与油源研究. 塔中部分原油甾萜生物标志物特征与寒武系成因原油接近, 但正构烷烃单体烃碳同位素与寒武系成因原油不一致, 清楚表明其为混源油, 此时甾萜类生物标志物并不能全面地反映原油的真正成因. 塔中油气成因研究, 必须考虑成熟度大小与气侵对原油的影响、源岩相变与生源输入的差异、同源不同期与同期不同源等各类混源油的有效识别等多种因素.
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图 1 塔中隆起区域构造(图中标注井点为本次样品采集点)
Fig. 1. Sketch map showing the techonic zone and sampling points of Tazhong central uplift
图 2 塔中原油链烷烃、二苯并噻吩丰度分布特征(纵坐标井位按从西向东的顺序排列, 样品图例下同)
Fig. 2. Oil-oil correlation of absolute abundance of n-alkane and dibenzothiophene in the oils
图 3 塔中部分原油m/z217质量色谱图
Fig. 3. The m/z 217 mass fragmatogram of saturate fractions from partial oils in the Tazhong uplift
图 4 塔中原油基本地化参数分布特征
Fig. 4. Diagrams showing characters of basic geochemical parameters for the oils in the Tazhong uplift
图 5 塔中部分原油、储层包裹烃正构烷烃单体碳同位素分布特征
Fig. 5. Compound specific isotope of n-alkane in the oils and fluid inclusions in Tazhong uplift
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