渤海湾盆地沧东凹陷古近系孔二段页岩层系原油地球化学特征

李文奇，刘小平，关 铭，刘华欣

(1.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

沧东凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷重要的富油气凹陷之一，自20世纪70年代以来，已发现枣园、王官屯、小集、段六拨、乌马营、舍女寺、叶三拨等多个常规油田，自下而上在中生界，古近系孔店组二段、一段，沙河街组三段、二段、一段等多个层系累计探明石油地质储量3.98×108t[1]。其中，孔二段属于夹薄—中层粉砂岩、中细砂岩及泥质白云岩的富有机质页岩层系[2-3]。近年来，页岩油继页岩气之后成为非常规油气勘探热点领域，我国陆相盆地页岩油(致密油)勘探研究不断深入[4-7]，沧东凹陷孔二段页岩油勘探也取得重要进展[8-11]。以往研究主要关注孔二段泥页岩作为烃源岩的地球化学特征[12]、页岩储层沉积特征[2-3,8-11]和页岩油(致密油)成藏特征等方面[8,11,13-15]，而对孔二段页岩层系中原油性质及原油地球化学特征的研究还十分薄弱。原油性质及其地球化学特征对研究页岩油形成与富集机理、页岩油流动性和可采性具有十分重要的意义。本文利用常规油田开发井获取的孔二段页岩层系原油样品，探讨了孔二段原油的基本性质和地球化学特征，以期为沧东凹陷页岩油特征及页岩油成因提供有机地球化学证据。

1 地质概况

图1 渤海湾盆地沧东凹陷构造单元及采样井位Fig.1 Structural units and sample well location in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

2 样品与分析

为系统分析沧东凹陷孔二段页岩层系原油地球化学特征，在沧东凹陷3个不同构造单元上19口井孔二段页岩层系中采集了典型原油样品，包括孔东斜坡9口井、孔店构造带5口井以及舍女寺断鼻5口井(图1)。19个原油样品在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成了原油基本性质(原油物性、族组分分离与定量)、原油母质来源以及成熟度方面(饱和烃及芳烃气相色谱—质谱、原油全油及各组分稳定碳同位素)的分析测试工作。

3 原油基本性质

3.1 原油物性特征

原油物理性质与原油的化学组成、演化历史及保存环境条件等密切相关[20-21]，本次研究对样品进行了密度、黏度、含硫量、含蜡量、凝固点等分析测试。原油样品密度在0.867 1～0.911 2 g/cm3之间，黏度普遍大于50 mPa·s，含蜡量16.52%～30.88%，凝固点在33～42 ℃之间(表1)。依据中华人民共和国石油天然气行业标准《陆相烃源岩地球化学评价方法：SY/T 5735—1995》的原油物性分类，沧东凹陷孔二段页岩层系原油属于高黏度、高含蜡的中质、中凝稠油，原油流动性较差。

3.2 原油族组成特征

原油族组成特征蕴含着大量的地球化学信息，对原油样品进行族组分分离与定量分析有助于判识母质类型及其组成、原油热演化程度、源岩沉积环境、原油运移、聚集及保存过程中遭受的后期改造。在源岩沉积环境及母质组成相近的情况下，高成熟度原油具有烃类组分含量高、极性组分含量低的特点[22-24]。对研究区孔二段页岩层系原油样品进行族组分分离与定量分析表明(表2)，饱和烃含量38.70%～64.23%，平均含量53.11%；芳香烃含量18.29%～29.48%，平均含量23.18%；非烃含量9.30%～24.15%，平均含量15.83%；沥青质含量4.38%～13.91%，平均含量7.87%。总体上，烃类含量偏低(饱和烃和芳烃含量64.29%～85.92%，平均值76.30%)，极性组分含量偏高(非烃和沥青质含量14.08%～35.71%，平均值23.70%)，饱芳比较低(1.47～3.39)，非沥比也较低(0.86～3.83)。研究区孔二段页岩层系原油族组成特征反映了其成熟度整体上偏低的特点。

表1 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段页岩层系原油物性数据

表2 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段页岩层系原油族组成及饱和烃气相色谱参数

4 原油母质来源及其形成环境

4.1 原油母质来源

原油正构烷烃分布特征中蕴含着丰富的地球化学信息，这些信息记录了其母源物质的生源构成，可用来指示母质来源的有机质类型、沉积环境和热演化程度等[24-25]。沧东凹陷各构造单元孔二段页岩层系原油具有非常相近的正构烷烃色谱参数与分布特征。色谱图上(图2)正构烷烃系列化合物均为单峰型，以正态型分布为主，少量偏后峰型，峰型完整，碳数范围C12—C38，主峰碳基本上以C23为主，仅有G962-17井一个样品主峰碳为C27；C21-/C22+值为0.31～0.57，C21+22/C28+29值为0.86～1.73，轻碳优势不明显；Pr/nC17值为0.45～1.80，Ph/nC18值为0.49～2.36(表2)。这些指标表明，沧东凹陷不同构造单元孔二段原油样品具有相近的有机母质来源，具有湖相低等水生生物和陆源高等植物双重生源特征。

图2 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油饱和烃气相色谱图Fig.2 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油中甾类化合物分布特征也可以反映原油的母质来源[26-27]，ααα(20R)构型的C27、C28和C29甾烷与母源性质关系密切，ααα(20R)C27甾烷通常来源于低等水生生物，ααα(20R)C28甾烷多来自湖相藻类的贡献，ααα(20R)C29甾烷则主要来源于陆源高等植物[28-29]。沧东凹陷不同构造单元孔二段页岩层系原油甾烷指纹特征十分相似(图3)，总体上以C27、C28、C29规则甾烷为主，含有少量的孕甾烷、升孕甾烷和重排甾烷。(孕甾烷+升孕甾烷)/ααα(20R)C29为0.01～0.1，平均0.05，指示生源构成中低等水生生物的贡献较少。在规则甾烷含量中，ααα(20R)C27<ααα(20R)C28<ααα(20R)C29，呈“上升型”分布(图3)；ααα(20R)C27甾烷含量较低，占14.92%～19.83%，ααα(20R)C28含量占31.92%～34.86%，ααα(20R)C29含量最高，占47.29%～51.79%(图4)，说明沧东凹陷孔二段页岩层系原油有机质母质来源具有湖相低等水生生物和陆源高等植物的双重贡献，其中陆源高等植物为优势生源。

与原油中甾烷组成类似，全部原油样品中的萜烷组成特征也十分相似(图5)，表明原油来源具有高度的一致性。三环萜烷含量很低，三环萜烷/C30藿烷为0.04～0.11，平均0.08(表3)，反映陆源高等植物对生源的主要贡献以及原油具有较低的成熟度。

图3 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油甾烷(m/z 217)质量色谱图Fig.3 Mass chromatograms of sterane (m/z 217) of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

图4 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油ααα(20R)C27-ααα(20R)C28-ααα(20R)C29规则甾烷相对含量三角图Fig.4 Ternary plots of ααα(20R)C27-ααα(20R)C28-ααα(20R)C29 regular sterane relative contents of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

图5 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油萜烷(m/z 191)质量色谱图Fig.5 Mass chromatograms of terpanes (m/z 191) of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

芳烃色谱—质谱分析检测到原油中含有150余种芳香烃系列化合物，并检出荧蒽、苯并荧蒽、芘、惹烯等稠环芳烃类化合物，表明沧东凹陷孔二段页岩层系原油的母质来源具有高等植物的贡献。

4.2 母质形成环境

伽马蜡烷(G)含量可用来判断母源岩沉积时水体盐度和水体分层程度[30-32]。从萜烷质量色谱图中可以看出，沧东凹陷不同构造单元孔二段原油中均有伽马蜡烷的存在，但伽马蜡烷丰度普遍较低(图5)，伽马蜡烷指数(G/C30H)为0.16～0.27，平均0.21(表3)，反映研究区孔二段烃源岩沉积时的古环境为淡水—微咸水湖泊环境。

原油中藿烷(C30H)、重排藿烷(C30*)及藿烷(C29H)相对含量的高低通常反映了烃源岩沉积—成岩时的氧化还原环境[33-36]。孔二段原油中C30H>C29H>C30*，三者呈“V”型分布(图5)，指示孔二段烃源岩形成于弱氧化—还原环境。

表3 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油萜烷参数

Pr/Ph是判识原油母质形成环境的常用指标，孔二段页岩层系原油Pr/Ph值为0.53～1.00(表2)，具有偏植烷优势或姥植均势的特点，指示原油母质沉积环境为弱氧化—还原环境。原油芳烃组分中的三芴系列化合物相对含量也是反映母质沉积环境的有效地球化学指标[37]，原油的三芴系列化合物中氧芴(二苯并呋喃)含量最低，为5.5%～10.3%；其次为硫芴(二苯并噻吩)，含量为28.1%～38.3%；芴含量最高，为61.3%～68.4%(图6)。总的来看，氧芴含量不高，而芴与硫芴含量相对较高，说明原油母质形成于弱氧化—还原环境。二苯并噻吩/菲也是一个反映原油母质沉积环境的地球化学参数，一般在海相碳酸盐岩中二苯并噻吩/菲大于1.0，湖相源岩该比值小于1.0[38]。孔二段原油二苯并噻吩/菲比值为0.03～0.12，指示原油母质来源为湖相沉积。结合Pr/Ph与三芴系列化合物特征表明，孔二段原油母质的沉积环境为弱氧化—还原的湖泊环境。

图6 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段 原油三芴系列相对含量三角图Fig.6 Triangular diagram of relative content of dibenzothiophene, dibenzofuran and fluorine series of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油稳定碳同位素组成受有机母质的类型、形成环境、成熟度及运移地质色层效应等多种因素控制[39-40]。原油一般继承了有机母质的碳同位素特征，不同沉积环境和有机质来源的烃源岩其碳同位素特征不同，由混合—腐泥型有机母质生成的“油型油”富含12C，而腐殖型生油母质所生成的“煤型油”富含13C。但由于生烃演化过程中发生的同位素分馏作用，原油与母质碳同位素组成又会存在一定差异，随着成熟度的增高，原油碳同位素变重；地质色层效应引起的同位素分馏会使原油碳同位素变轻[41-42]。沧东凹陷孔二段原油成熟度低且为自生自储式聚集，因此成熟度和运移地质色层效应对其碳同位素组成影响甚微。19个原油样品的全油碳同位素值均较轻，分布在-31‰～-32.1‰，最大值与最小值相差仅1.1‰(图7)，反映原油具有相同的母质来源，属于淡水—微咸水湖相混合型有机质生成的原油。各原油样品单个组分的碳同位素也非常相近，差值均小于2‰。原油中各组分碳同位素分布规律也具有很好的相似性，一般为δ13C饱和烃<δ13C原油<δ13C芳烃<δ13C沥青质<δ13C非烃，反映这些原油样品均来自相同的有机母质，且经历了相似的地质分馏过程。

5 原油成熟度

孔二段页岩层系原油正构烷烃分布特征表明，碳优势指数(CPI)值为1.12～1.32，奇偶优势指数(OEP)值为1.10～1.35(表2)，表现为奇数碳优势，反映原油成熟度偏低。

图7 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油全油及各组分碳同位素分布Fig.7 Carbon isotopic distribution of whole crude oils and group components from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

图8 渤海湾盆地沧东凹陷孔二段原油甾烷成熟度参数Fig.8 Sterane maturity parameters of crude oils from Ek2 in Cangdong Sag, Bohai Bay Basin

原油样品中C29甾烷异构化指数可以判别原油成熟度。αββ/(ααα+αββ)C29甾烷值为0.24～0.36，20S/(20S+20R)C29甾烷值为0.20～0.39，也指示各构造单元孔二段页岩层系原油成熟度偏低(图8)。

藿烷异构化特征也可以反映原油成熟度高低[39]，不同构型的热稳定性通常表现为αβ>βα>ββ，22S>22R，18α(H)-三降新藿烷(Ts)较17α(H)-三降藿烷(Tm)更加稳定。沧东凹陷孔二段原油20S/(20S+20R)C31升藿烷值为0.54～0.57，βαC30莫烷(C30M)/αβC30藿烷(C30H)值为0.12～0.16，Ts/Tm为0.29～1.06，平均0.63；Ts/(Ts+Tm)为0.22～0.51，平均0.37(表3)。这些指标均反映了孔二段原油成熟度较低。

6 结论

(1)沧东凹陷孔二段页岩层系原油具有高黏度、高含蜡、中等密度、中等凝固点特征，属于中质、中凝稠油，原油流动性较差。原油族组分分析表明，原油中烃类含量偏低，极性组分含量偏高，饱芳比和非沥比均较低。

(2)孔二段页岩层系原油的饱和烃色谱—质谱、稳定碳同位素等特征相似，反映其母质来源及生烃演化过程基本一致。饱和烃色谱以正态分布的单峰型为主，轻碳优势不明显，具有奇数碳优势；C27、C28、C29规则甾烷呈“上升型”分布；三环萜烷含量很低；芳烃组分中含荧蒽、苯并荧蒽、芘、惹烯等稠环芳烃类化合物，反映原油有机母质来源具有湖相水生生物和陆源高等植物的双重贡献，陆源高等植物为优势生源。

(3)伽马蜡烷指数、Pr/Ph、三芴系列化合物、重排霍烷的含量和分布以及稳定碳同位素值等指标，反映了沧东凹陷孔二段原油形成于弱氧化—还原和淡水—微咸水环境。

(4)正烷烃分布特征和奇偶优势比、αββ/(ααα+αββ)C29与20S/(20S+20R)C29甾烷异构化指数以及霍烷异构化指数均指示原油成熟度偏低。