柴达木盆地西部油族划分及成因研究

王 强, 王飞宇,2*, 陈 琰, 冯伟平, 袁 莉

(1. 中国石油大学 地球科学学院, 北京 102249; 2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室, 北京102249; 3. 中国石油 青海油田公司, 甘肃 敦煌 736202)

0 引 言

柴达木盆地西部(简称柴西)是柴达木盆地油气最为富集地区, 目前在该区已探明的石油地质储量占盆地总储量的 90%以上。柴西地区位于柴达木盆地牛鼻子梁-东柴山一线以西地区, 其西北为阿尔金山脉, 南为昆仑山脉所围, 包括有尕斯断陷和昆北断陷, 该区构造活动活跃, 断层广泛发育, 形成红狮凹陷、扎哈泉凹陷和切克里克凹陷、英雄岭凹陷等主力烃源岩分布区域[1–2], 在区域上包括七个泉、咸水泉、南翼山、小梁山、红柳泉、狮子沟、花土沟、跃进、乌南和切克里克等。前人针对柴西各个地区、各个油田的油藏进行了大量的研究[1,3–21], 朱杨明等[3–4]、苏爱国等[5]主要是依据伽马蜡烷/C30藿烷、C35/C34藿烷以及芳烃的三芴系列将柴西油气藏分为南、北两区两大类, 并认为原油的这种差异是由于它们分别来源于古近系、新近系烃源岩[5,22]。事实上, 柴西南、北区原油和源岩的伽马蜡烷/C30藿烷、C35/C34藿烷以及芳烃的三芴系列呈现出一种渐变关系, 甚至交错在一起。此外, 苏爱国等[3]对柴西原油的碳同位素数据表明柴西原油的碳同位素组成较一致(25.0‰±1.0‰), 柴西南区和柴西北区并无显著差异; 而且柴西北区原油的成熟度(Rm)基本大于0.8%[3], 存在热成因天然气藏等。在烃源岩方面,不同学者进行了大量的研究[22–31], 柴西南区原油无疑是源于下干柴沟组烃源岩。针对柴西北区, 何国源等[28]的研究表明柴西北区主力烃源岩层位是下油砂山组()和下干柴沟组上段(); 王力[29]的研究表明上干柴沟组下段()烃源岩于仅在茫崖、乌南以西和南翼山东北等地区达到生油门限; 并且我们也进行了大量的源岩测井地球化学评价, 发现优质源岩主要分布于下干柴沟组(E3)。因此, 将柴西原油划分为南、北区两大类是不够合理的。

基于以上存在的问题以及分析、整理的151个原油样品, 使得我们能够并且有必要对柴西原油地球化学特征进行重新厘定, 进一步明确柴西原油成因类型, 并结合源岩特征阐明其区域上的变化规律。

1 样品及实验分析

收集并整理了151个原油样品, 原油样品覆盖了全区的不同地区, 包括七个泉、南翼山、红柳泉、花土沟、狮子沟、跃进、英东、乌南、砂西和切克里克等, 涉及到从基岩到上部的各个含油层系(图1)。原油样品全部进行了饱和烃色质(GC/MS)分析。GC/MS分析在HP6890Gc/5973MSD色质联用仪上进行, 色谱柱为30 m × 0.32 mm HP-5Ms弹性石英毛细管柱, 载气为氦气。

2 油族划分

2.1 应用统计聚类分析法

应用统计聚类分析法的聚类原则取决于样品间的距离(或相似系数)及类间距离的定义, 类间距离的不同定义就产生了不同的系统聚类分析方法。其中, 类平均法相对于其他聚类方法而言, 充分利用各个样品的信息, 比最短距离法和重心法扩张, 而且比最长距离法和离差平方和法浓缩。太浓缩的方法不够灵敏, 太扩张的方法在样品容量大时容易失真, 因此类平均法是一种使用比较广泛、聚类效果较好的方法[32]。

2.2 参数选取及结果

应用统计聚类分析法应用于划分原油族群, 是通过选取反映有机质输入条件和沉积环境等地球化学参数进行聚类分析。由于造成原油组成差异的原因十分复杂, 原油族群的划分必须充分考虑多种地质与地球化学因素, 因此参与聚类分析的地球化学参数的选取就尤为重要。He et al.[33]和Peterset al.[34]的研究表明, 进行油族划分采用的参数主要包括原油碳同位素(全油及其族组分等)、甾烷和萜烷等地球化学指标, 且主要是选取能够反映源岩性质的参数, 而反映源岩热演化的甾烷、藿烷异构化参数则较少采用。

图1 柴西原油应用统计类平均法聚类谱系图Fig.1 The hierarchical diagram of the western Qaidam oils using average linkage cluster analysis

柴西各油田中, 昆北地区发生了两期成藏, 早期形成的油藏被强烈破坏, 晚期形成的油藏则被很好的保存了下来[19], 其他各地区除浅层油藏发生了轻度生物降解外, 未发生生物降解。因此, 可以选取原油中的生物标志物来表征源岩的物源和沉积环境等。柴达木盆地在古近纪-新近纪时期位于北纬干燥气候, 在西部缺乏源远流长的河流, 仅有暂歇性洪水补给[5], 这就导致古近纪柴达木湖盆整体具有较高的盐度, 水体发育不同程度的分层; 同时, 水体分层差的区域往往也是陆源输入较强的地区。基于以上考虑, 本研究选取了 4个与源岩相关的生标参数对柴西原油进行油族划分, 分别是伽马蜡烷/C30Hop、升藿烷指数(HopC35/C31)、甾烷 C27/C29和三环萜烷/C30Hop。伽马蜡烷以往被当作沉积水体盐度的标志, 水体的盐度越高, 伽马蜡烷的含量越高[35]。然而, 研究发现淡水湖相环境中也常有高伽马蜡烷的现象。

Sinninghe Damste et al.[36]提出的伽马蜡烷实质上是指示沉积水体分层的标志, 因为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, 能合成大量的伽马蜡烷先质物四膜虫醇。升藿烷指数反映古环境的氧化还原程度, 高值表征强还原的沉积环境[35]。甾烷C27/C29是反映低等水生生物和陆源高等植物输入的相对强度。三环萜烷/C30Hop也是作为母源参数, 用来比较细菌或藻类脂体(三环萜烷)和来源于不同原核生物的生物标志物(藿烷)[35]。

根据选取的4个生物标志化合物参数—— 伽马蜡烷/C30Hop、升藿烷指数、甾烷 C27/C29和三环萜烷/C30Hop, 采用应用统计聚类分析法中的类平均法对柴西原油进行聚类分析, 结果如图1所示。

3 各油族特征

应用统计类平均法聚类分析由于考虑4个参数,因此划分的油族更为精细, 我们把划分出的油族简称为油亚族, 为了便于研究, 把柴西原油初步分为7个油亚族。柴西原油中含有丰富的伽马蜡烷和升藿烷系列化合物, 前人在对柴达木盆地的原油进行油族划分时也常利用原油的这一特征[3,18]。伽马蜡烷指数与升藿烷指数二元散点图由于只考虑了两个参数,因此规律性更明显, 根据伽马蜡烷指数和升藿烷指数的相关关系可以把柴西原油划分为三个大的油族—— 油族Ⅰ、油族Ⅱ和油族(Ⅲ图2)。

图2 柴西原油不同油族伽马蜡烷指数与升藿烷指数相关关系Fig.2 The relationship between Gammacerane/C30Hop and C35Hop/C31Hop of the different oil families in the western Qaidam Basin

通过对比可以发现(图 2), 油族Ⅰ包括油亚族①～, ②分布于七个泉-红柳泉地区, 以高的伽马蜡烷/C30Hop比值(大于1)和显著的升藿烷优势为特征,反映的是超咸水、水体高度分层的强还原膏盐沉积环境。李建民等[7]和施洋等[8]的研究也表明油族Ⅰ中的原油(七个泉油田)为西部古近纪咸水湖相原油,但该类原油分布局限、规模小, 而且该油族对应的源岩古盐度要比红狮凹陷附近的原油高, 因此, 我们可以推断该油族原油并非源于红狮凹陷主凹陷,而是更靠西端的边缘小断陷, 这同苏爱国等[5]古盐度研究成果一致。油亚族①和油亚族②虽然都反映其有机质生源是以水生生物为主, 但油亚族②甾烷C27/C29比值高达5以上, 油亚族①的甾烷C27/C29比值介于1～4之间(图3)。

油族Ⅲ包括油亚族④～, ⑦主要分布于切克里克、乌南、绿草滩、咸水泉、跃西和跃进Ⅱ号等地区, 以低的伽马蜡烷/C30Hop比值和升藿烷优势消失为特征, 反映了水体盐度降低, 变为半咸水-咸水环境, 水体分层变差, 但依然属于还原环境。该油族中昆北地区、跃西、跃进Ⅱ号和乌南等地区原油主要源于扎哈泉-切克里克凹陷和茫崖凹陷[18–21]。与其他油族相比, 油亚族⑤则具有异常低的三环萜烷/C30Hop比值, 油亚族⑥具有异常高的甾烷 C27/C29比值(＞ 4), 而油亚族⑦则具有异常高的三环萜烷/C30Hop 比值(图 3)。

油族Ⅱ对应于油亚族, ③主要分布于狮子沟、花土沟、跃进和南翼山地区, 在七个泉、红柳泉和油砂山等地区也有分布, 以相对较高的伽马蜡烷/C30Hop比值和弱的升藿烷优势为特征, 其水体的分层及氧化还原程度介于油族Ⅰ和油族Ⅲ之间。研究认为该类原油主要源于红狮凹陷、尕斯断陷和茫崖凹陷[9–17]。根据古盐度研究[3,22,26,27], 反映伽马蜡烷含量较高的原油可能源于靠西边的红狮凹陷、尕斯断陷, 而伽马蜡烷含量较低的原油则源于东部的茫崖凹陷。

4 油族与源岩有机相

图3 柴西原油不同油族三环萜烷/C30Hop与甾烷C27/C29相关关系Fig.3 The relationship between Gammacerane/C30Hop and Sterane C27/C29 of the different oil families in the western Qaidam Basin

图4 柴西区下干柴沟组地层沉积速率Fig.4 The map showing sedimentary rateof the lower Ganchaigou Formation in the western Qadam Basin

图5 柴西区不同油族以及E3优质源岩(TOC ＞ 1%)空间展布Fig.5 Spatial distribution of oil families and E3 high-quality source rocks (TOC ＞ 1%) in the western Qaidam Basin

柴西原油不同油族特征自西向东规律性的变化(图4), 表征其源岩有机相整体上也表现为自西向东水体的分层变差、还原性降低。这是由于在古近纪柴达木盆地总体上处于半干旱-干燥气候环境, 缺乏常年性的地表径流, 各凹陷处于半封闭状态, 降雨及其形成的暂时性洪水对于柴西各凹陷的输入具有显著的制约作用。最西端的边缘小断陷位于相对构造高部位, 具有最小的洪水汇集区面积, 水流补给及陆源输入较少, 具有最高的盐度, 水体分层最为强烈, 还原性也最强; 而东端的扎哈泉-切克里克凹陷和茫崖凹陷处于相对的构造低部位, 具有最大的洪水汇集区面积, 因此水体的分层变差, 还原性减弱。这一点在古近系地层的沉积速率上也有很好的体现, 西端沉积速率较低, 向东地层的沉积速率增加(图 4)。

为了进一步说明原油不同油族与源岩之间的关系, 笔者在源岩测井地球化学评价的基础上编制了柴西区下干柴沟组优质源岩(TOC ＞ 1%)厚度图(图5)。在下干柴沟组优质源岩(TOC ＞ 1%)的分布同油气藏的分布具有很好的耦合关系。E3优质源岩(TOC＞ 1%)厚度整体表现为自西向东增加, 然而源岩有机相自西向东是变差的。一方面自西向东沉积速率增大, 导致发生有机质稀释效应; 再者, 陆源输入增强伴随着水体扰动增强, 有机质的保存条件也变差。周凤英等[36]研究表明柴西未熟-低熟原油主要分布于西端的七个泉、狮子沟、油泉子和跃进北部等地区, 且生油母质为较好的有机相下发育的丛粒藻和颗石藻等“生油藻”, 这些“生油藻”在七个泉地区的干酪根中占绝对优势, 而在其他地区只是或多或少存在。除了油亚族⑥对应的部分乌南原油具有异常高的甾烷 C27/C29比值外, “生油藻”的分布规律同原油中甾烷C27/C29比值变化规律十分吻合, 即柴西柴西原油总体上表现为自西向东陆源高等植物输入增强。

此外, 不同油族原油在平面上交错分布, 这可能同原油沿着柴西区深大断裂以及不整合面的运移有关。

5 结 论

(1) 选取伽马蜡烷/C30藿烷、升藿烷指数、甾烷C27/C29和三环萜烷/C30Hop四个参数将柴西原油划分为3个油族7个亚族。油族Ⅰ以强水体分层、强还原环境为特征, 该油族又可细分为两个亚族, 油亚族②相比于油亚族①具有更高的甾烷 C27/C29比值;油族Ⅱ以相对较强的水体分层、还原环境为特征;油族Ⅲ以水体分层变差、较还原环境为特征, 该油族可细分 3个亚族, 其中油亚族⑤则具有异常低的三环萜烷/C30Hop比值, 油亚族⑥具有异常高的甾烷C27/C29比值, 油亚族⑦则具有异常高的三环萜烷/C30Hop比值。

(2) 油族Ⅰ主要分布于七个泉、红柳泉地区; 油族Ⅱ主要分布于狮子沟、花土沟、跃进和南翼山油泉子地区, 在七个泉、红柳泉等地区也有分布; 油族Ⅲ主要分布于切克里克、乌南、绿草滩、咸水泉、跃西和跃进Ⅱ号等地区。油族空间分布特征反映了源岩有机相在空间上的变化。油族空间分布特征受E3源岩有机相在空间上的变化制约, E3源岩发育时期, 自西向东地层沉积速率增大, 水体的分层变差、还原性降低, 陆源输入的增加以及有机质保存条件变差导致源岩有机相自西向东变差。

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