论4-甲基C30甾烷丰度与烃源岩质量的关系*——基于北部湾盆地勘探实践

傅 宁

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

国内外关于4-甲基C30甾烷的成因及应用已有大量的研究报道[1-6]，归纳起来主要观点基本相近：认为4-甲基C30甾烷主要源自藻类或细菌，且有沟鞭藻化石或细菌活动的证据[2-3]；其丰度与藻类(或细菌)的含量成正相关[1,3]，可作为指示烃源岩的生源和环境指标[1-6]，主要用于油源对比。到目前为止，尚未有人提出4-甲基C30甾烷丰度可作为烃源岩质量评价指标，特别是对于中、低丰度4-甲基C30甾烷与烃源岩质量的关系研究更是甚少。

南海北部湾盆地始新世裂陷期沉积了流沙港组湖相烃源岩，其中流二段为中深湖相烃源岩，是该盆地各凹陷的主力烃源岩[7-9]。这套中深湖相沉积层底部的烃源岩通常是以高丰度4-甲基C30甾烷为主要特征，是该盆地各凹陷优质烃源岩和油源研究的重要标志物，但在应用时却造成了一种“混乱”，即烃源岩和原油中只要检测到一点丰度不高的4-甲基C30甾烷，就被认为来自中深湖相烃源岩，故而推测凹陷深部存在中深湖相优质烃源岩[10]，其结果可能会造成主力烃源岩的误判以及盆地资源量的错误评价。笔者以北部湾盆地勘探程度较高的涠西南凹陷和乌石凹陷为例，应用大量的岩石样品和原油样品的地化分析资料，结合相关的沉积和地质资料，研究4-甲基C30甾烷丰度与湖相烃源岩质量的对应关系，并力求从定量的角度加以论证，以希对正确认识4-甲基C30甾烷丰度的指标意义、不同质量烃源岩的识别以及资源量的准确计算提供重要的依据。

1 烃源岩发育特征

1.1 地质背景

北部湾盆地是在南海北部大陆边缘发育起来的新生代沉积盆地，其主体位于北部湾海域，总面积约22 000 km2，主要由涠西南、乌石、迈陈、海中、福山等凹陷组成[7-9](图1)。该盆地新生代可分为断陷、拗陷2个构造演化阶段，其中古近纪为断陷期，先后沉积了古新统长流组、始新统流沙港组及渐新统涠洲组，以湖相及河流相沉积体系为主。流沙港组自下而上可进一步分为流三段、流二段和流一段。流二段湖相优质烃源岩(油页岩)是北部湾盆地最主要的烃源岩，目前盆地所发现的油气主要源自该套烃源岩。

图1 北部湾盆地构造单元划分

1.2 烃源岩质量非均质性

统计表明，北部湾盆地流沙港组不同层段烃源岩的丰度具有明显的差异性(表1)。其中,流一段(El1)泥岩TOC值为0.6%～1.0%的样品约占17%，其余78.7%左右的样品为好烃源岩，含煤层;流二段(El2)泥岩TOC值为0.6%～1.0%的样品仅占1.4%左右，其余98.4%左右的样品为好烃源岩，可见流二段主要为湖相优质烃源岩;流三段(El3)泥岩TOC值为0.6%～1.0%的样品占13.3%左右，其余63.6%左右的样品为好烃源岩，含煤层。流沙港组各层段其他丰度指标与有机碳含量有相似的变化特征(表1)。

表1 北部湾盆地流沙港组烃源岩特征

统计表明，流一段含相对较多的III型干酪根(占38.3%)，II2型和II1型干酪根分别占34.2%和24.2%，典型的I型干酪根很少(仅3.3%)；流二段烃源岩的III 型干酪根很少(仅占4.2%)，II2、II1和I 型干酪根分别占到35.2%、38.4%和22.2%；流三段烃源岩有较多的III和II2型干酪根(分别占32.6%和34.8%)，II1型干酪根占22.5%，典型的I型干酪根为10.1%。这说明流沙港组各层段烃源岩有机质类型差别较大，存在着非均质性。

图2 北部湾盆地流沙港组二段烃源岩IH与Tmax关系

特别值得一提的是，流二段烃源岩中I型、II1型、II2型和III型干酪根都有分布(图2)，显示了烃源岩较强的非均质性。流二段优质烃源岩的干酪根类型主要为I型和II1型，湖相好烃源岩的干酪根类型为II1和II2型，湖相一般烃源岩的干酪根类型为II2型和III型。

1.3 烃源岩成熟度

北部湾盆地涠西南、乌石、海中和迈陈凹陷钻井揭示烃源岩样最深不超过4 000 m，其实测的Ro值约为1.0%。以Ro值等于0.5%为生油门限，依此趋势推断的各凹陷生油门限深度为：涠西南凹陷约2 300 m，海中凹陷约2 800 m，乌石凹陷约2 500 m，迈陈凹陷约2 600 m，各凹陷深部流二段烃源岩均已达到成熟—高成熟的生油高峰阶段。

2 样品与实验分析

2.1 样品

目前北部湾盆地涠西南凹陷和乌石凹陷勘探程度较高，涠西南凹陷有探井188口，乌石凹陷有探井53口。本文重点剖面井岩样取自涠西南凹陷WZ-A井、WZ-B井和乌石凹陷的WS-2井(图1)，共取岩屑样品120个以及各井不同层位的原油样品约80个。原油和岩样的前期处理、色质分析均由中国石油大学(北京)完成，岩石样品的孢粉-藻类分析由同济大学完成。

2.2 实验分析

2.2.1岩石热解分析

岩石样品粉碎至60～80目,在Rock-Eval Ⅲ型仪器上做热解分析。升温程序为:加热至90 ℃恒温2 min 得S0；加热至300 ℃恒温3 min 得S1;加热至600 ℃得S2；在600 ℃加热氧化5 min得S4。

2.2.2色质分析

岩样粉碎至80目,用氯仿抽提,抽提物经硅胶一氧化铝色层柱分离,正己烷淋洗获得饱和烃组分，然后对饱和烃馏分进行色质分析；油样则经过脱硫、脱水通过氧化铝-硅胶色层柱分离获饱和烃,用分子筛除正构烷烃，所获异构烷烃做色质分析。色谱质谱分析条件：仪器为惠普公司5 809台式质谱仪,色谱柱为HPG5 ms石英弹性毛细柱(30 m×0.25 mm×0.25 mm)；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 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 amu；检测方式为全扫描，电离能量为70 eV,离子源温度230 ℃。

2.2.3孢粉-藻类分析

岩样(5～10 g)先用HCl去除碳酸钙质，再用HF去除硅质，经水洗筛选或重液(密度为2.1 g/cm3)浮选后取得全部筛选或悬浮物质，将所得物质洗净后制片作透射光显微镜观察，其中包含孢粉、浮游藻类等有机壁微体化石及各种有机屑。

3 结果与讨论

3.1 不同质量烃源岩的地化特征

前人大量研究认为，流二段湖相烃源岩是北部湾盆地的主力烃源岩[7-9]。然而，由于湖相烃源岩存在较强的非均质性，使得流二段不同位置烃源岩质量存在明显的差异，这种差异可以依据烃源岩所处的沉积相带、烃源岩的热解生烃潜力S2与有机碳TOC相关图得以区分(图2、3),可将流二段湖相烃源岩划分出优质烃源岩(油页岩)、好烃源岩(中深湖相泥岩)和一般烃源岩(滨浅湖相泥岩)三类。大量烃源岩和原油样品的地化分析结果对比发现，上述三类不同质量的烃源岩对应着不同丰度的4-甲基C30甾烷，并在北部湾盆地各凹陷起着不同的供烃作用。

3.1.1优质烃源岩(油页岩)

图3 北部湾盆地流二段烃源岩TOC-S2关系

北部湾盆地涠西南凹陷和乌石凹陷不少探井均钻遇到流二段优质烃源岩(油页岩)，其厚度不等，但以流二段底部厚度最大(约50～100 m)，丰度最高，类型最好(图2、3)。这种分布特征在3口典型井的地球化学剖面上也可以得到充分验证(图4～6)。

地球化学分析资料统计显示，涠西南凹陷和乌石凹陷流二段底部优质烃源岩有机碳TOC值主要为2.00%～19.09%(平均4.50%)，S2值主要为7.8～97.4 mg/g(平均22.0 mg/g)，氢指数(IH)主要为367～873 mg/g(平均499 mg/g)，干酪根以I型为主。显然，这套富有机质页岩是优质烃源岩，具有良好的生油能力。

图4 涠西南凹陷WZ-A井烃源岩有机地化剖面

图5 涠西南凹陷WZ-B井烃源岩有机地化剖面

图6 乌石凹陷WS-2井有机地球化学剖面

在优质烃源岩生物标志化合的组成特征中，Pr/Ph为0.6～2.5,源于陆生高等植物标志物奥利烷含量很低，奥利烷/C30藿烷为0.05～0.20,最为显著的是甾烷组成中富含极高丰度的4-甲基C30甾烷，4-甲基C30甾烷指数(∑4-甲基C30甾烷/∑C29ααα甾烷)在1.5以上(图4～6)，孢粉、藻类组合中浮游藻类的含量可达60%以上，无定形有机质占有机屑总数可达80%(图4、6)。

3.1.2好烃源岩

除上述优质湖相烃源岩外，北部湾盆地流沙港组各层段还可见到不少好烃源岩，这类烃源岩的有机质丰度明显低于优质烃源岩，主要分布在流二段的中、上部(图4、5)。好烃源岩TOC值为0.56%～8.10%(平均1.75%)，S2值为1～24 mg/g(平均6 mg/g)，IH值为108～641 mg/g(平均335 mg/g)，干酪根以II1型为主，含中等丰度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数为0.5～1.5)(图4、5)，孢粉-藻类组合中浮游藻类的含量为40%～60%，无定形有机质占有机屑总数的40%左右(图4)。

3.1.3一般烃源岩

一般烃源岩在北部湾盆地流沙港组各层段广泛分布，其地球化学丰度指标均低于上述两类烃源岩。如WZ11-2-A井流二段上部烃源岩(图4)，其TOC值为0.48%～3.68%(平均1.42%)，S2值为0.55～13.80 mg/g(平均3.47 mg/g)，IH值为53～495 mg/g(平均196 mg/g)，干酪根以II2型为主，含低丰度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数小于0.5),孢粉-藻类组合中浮游藻类的普遍含量低于40%，无定形有机质占有机屑总数的40%以下。

3.2 高丰度4-甲基C30甾烷指示高生产力烃源岩

3.2.1北部湾盆地4-甲基C30甾烷的成因

前人研究表明，4-甲基C30甾烷既可由甲藻(或沟鞭藻)形成,也可由某些细菌产生[3-6]。淡水湖泊相4-甲基甾烷主要为沟鞭藻生源,沉积物中甲藻化石的含量与其丰度呈正相关[1，3]。北部湾盆地孢粉-藻类分析资料表明，流沙港组沉积时期湖泊富营养，适宜水生低等生物繁殖，主要发育的藻类为非海相沟鞭藻(甲藻类)、绿藻和球藻等，且流二段以百色藻-球藻为主[11-12]，其底部为藻类最高富集层段(60%～80%)，形成厚逾300 m的富无定形有机质沉积层(图7)。而北部湾盆地4-甲基C30甾烷普遍检出于流二段烃源岩层，且高丰度的4-甲基C30甾烷又主要出现于流二段底部(图4～6)，这充分证明北部湾盆地流二段烃源岩中的4-甲基甾烷生源为藻类，其丰度与藻类含量呈正相关。

图7 涠西南凹陷WZ-A井古近系浮游藻类和无定形含量剖面

3.2.2高丰度4-甲基C30甾烷是藻类勃发期的产物

刘传联 等[13]研究认为，“勃发”指的是藻类在一定的条件下、在一定的时期内可以形成单属种的极度生长和富集,形成“白水”、“红水”或“赤潮”。藻类勃发现象在古近纪生油湖泊中相当普遍,而且贯穿于各类油源岩的形成过程,这类事件性沉积是湖相油源岩形成的一种重要机制。藻类化石纹层的存在、油源岩中细粒方解石纹层的存在以及无定形有机质纹层的存在都是藻类勃发事件的依据。

乌石凹陷WS-2井全岩镜下观察表明[11]，流二段底部(埋深2 370～2 374 m)优质烃源岩中富有机质纹层富集，其内部发育大量层状藻，并含有较多具有荧光显示的沥青质；而该井的非油页岩油层中虽然含有机质，但富有机质纹层不发育，可见分散的孢子体或藻类体，层状藻不发育。优质烃源岩(油页岩)中富含层状藻充分证明了流二段底部沉积时期为藻类勃发期,因此该层段岩样中富含的高丰度4-甲基C30甾烷是藻类勃发期的产物(图6)。

3.3 烃源岩质量与4-甲基C30甾烷丰度的相关性

3.3.1平面相关性

涠西南凹陷和乌石凹陷有大量探井钻遇到流二段烃源岩，统计其中7口井约80个烃源岩样品的分析数据，发现烃源岩质量(TOC、IH)与4-甲基C30甾烷指数有较好的线性正相关性(图8)。

3.3.2纵向相关性

由图4所示的涠西南凹陷WZ-A井流三段至流一段有机地化剖面的4-甲基C30甾烷的分布可以看出，流二段底部(埋深3 402 m附近)4-甲基C30甾烷丰度最高，4-甲基甾烷指数普遍大于1.5，对应的是优质烃源岩层段(高TOC、高S2、高IH、富藻层和无定形有机质层)；中部(埋深3 242～3 344 m)4-甲基C30甾烷的丰度中等，4-甲基甾烷指数普遍在0.5～1.5，对应的是好烃源岩层段，其各类丰度指标(TOC、S2、IH、富藻层和无定形有机质含量)明显低于优质烃源岩；上部(埋深3 146 m以浅)4-甲基C30甾烷的丰度更低，4-甲基甾烷指数普遍低于0.5，对应的是一般烃源岩层段。涠西南凹陷WZ-B井也有类似的分布规律(图5)，即流二段底部(埋深2 720～2 900 m)有高丰度的4-甲基C30甾烷分布，其4-甲基甾烷指数普遍大于1.0，烃源岩质量也最优；此层段之上为好烃源岩层段，其4-甲基C30甾烷丰度明显降低，4-甲基甾烷指数普遍小于1，烃源岩质量也随之有明显的降低。

图8 北部湾盆地流二段烃源岩TOC、IH与4-甲基C30甾烷指数关系

乌石凹陷上述变化规律与涠西南凹陷基本相似，即在流二段底部(埋深2 150～2 350 m)4-甲基C30甾烷丰度最高，同时也对应着高质量的优质烃源岩层段(图6)。所不同的是，乌石凹陷优质烃源岩之上的烃源岩层段均出现4-甲基C30甾烷丰度和质量有一个突降变化，这可能反映了在流二段沉积晚期两凹陷水体有不同的变化。

总之，从直观的单井剖面上看，烃源岩的4-甲基C30甾烷丰度基本与富藻层、高无定形有机质层和优质烃源岩层有明显的正相关性，即高丰度的4-甲基C30甾烷预示着高生产力的优质烃源岩。与此相反，低丰度的4-甲基C30甾烷自然对应的是较低生产力的烃源岩。因此，4-甲基C30甾烷丰度不仅是常用的油源对比指标，也可作为评价烃源质量的有效指标。

3.4 应用效果

3.4.1油源对比

依据4-甲基C30甾烷指数对北部湾盆地各凹陷近100个原油样品进行了详细的油源确认[14]，结果表明流二段三类烃源岩均可以找到与之对应的原油(图4～6，9)，其中涠西南凹陷优质烃源岩生成的原油占整个凹陷原油产量的约80%，而乌石凹陷优质烃源岩生成的原油占比高达约90%，证明了优质烃源岩是涠西南凹陷和乌石凹陷真正的主力烃源岩，也再次证明了“4-甲基C30甾烷”指标是很好的油源对比指标。

图9 北部湾盆地原油甾萜生物标志化合物分布

3.4.2优质烃源岩的分布预测

北部湾盆地烃源岩的4-甲基C30甾烷丰度与烃源岩的质量成正比关系，且与原油中的4-甲基C30甾烷具有一一对应的油源关系。因此，在深部烃源岩没有揭示的情况下，可以依据原油中4-甲基C30甾烷丰度来判断和预测凹陷中优质烃源岩的分布，从而指示油气勘探的有利方向。

由北部湾盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指数分布(图10)可以看出，该盆地原油4-甲基甾烷指数呈西北高、东南低的分布格局，具有高丰度4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数大于1.5)的原油主要分布在涠西南凹陷全区和乌石凹陷东洼的东北区；而海中凹陷、迈陈凹陷和福山凹陷目前所发现的原油均显示出低丰度4-甲基C30甾烷的分布特征，其4-甲基C30甾烷指数普遍低于1.0。依据这种分布格局不难得出，北部湾盆地的优质烃源岩主要集中分布在涠西南凹陷和乌石凹陷东洼的东北区，而海中凹陷、迈陈凹陷和福山凹陷可能不发育大规模的优质烃源岩。

需要特别指出的是，福山凹陷是北部湾盆地第3个富烃凹陷，累计发现三级原油储量仅为约1亿m3。大量烃源岩和原油的分析数据表明[15-17],福山凹陷烃源岩不具有涠西南凹陷和乌石凹陷那种优质烃源岩的特征，其流二段主力烃源岩的TOC值平均约为1.29%，生烃潜力(S1+S2)平均约为4.04 mg/g、氢指数(IH)普遍小于400 mg/g，且烃源岩和原油中均普遍不含高丰度的4-甲基C30甾烷，原油Pr/Ph普遍大于3，高的可达10，表明原油形成于偏氧化的沉积坏境，其油气的生成可能与福山凹陷火山发育有密切的成因关系[18]。由此可见，整个福山凹陷可能都不发育中深湖相优质烃源岩，这一结果无疑进一步佐证了上述依据原油的4-甲基甾烷指数预测优质烃源岩分布方法的正确性。

图10 北部湾盆地主要油田原油的4-甲基C30甾烷指数分布

4 结论

1) 北部湾盆地流二段不同质量的烃源岩对应不同丰度的4-甲基C30甾烷：湖相优质烃源岩(油页岩)含高丰度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数大于1.5)；湖相好烃源岩含中等丰度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数为0.5～1.5)；湖相一般烃源岩则含低丰度的4-甲基C30甾烷(4-甲基C30甾烷指数小于0.5)。

2) 高丰度的4-甲基C30甾烷基本与富藻层、高无定形有机质层和优质烃源岩有明显的正相关性，充分证明了4-甲基C30甾烷丰度与烃源岩质量有密切关系，即高丰度的4-甲基C30甾烷预示着高生产力的优质烃源岩。因此，4-甲基C30甾烷不仅是常用的油源对比指标，也是判别烃源岩质量的有效指标。

3) 依据原油中4-甲基C30甾烷指数的分布，推测北部湾盆地优质烃源岩主要集中分布在涠西南凹陷和乌石凹陷东洼的东北区，而海中凹陷、迈陈凹陷和福山凹陷可能均不发育大规模的优质烃源岩。