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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (4): 582-590  
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张涛, 李永飞, 孙守亮, 郜晓勇, 周铁锁, 孙鹏. 辽宁金羊盆地羊D1井油砂地球化学特征及意义[J]. 地质通报, 2017, 36(4): 582-590.
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ZHANG Tao, LI Yongfei, SUN Shouliang, GAO Xiaoyong, ZHOU Tiesuo, SUN Peng. Saturated hydrocarbon geochemical characteristics of the oil sand from YD1 well in Jinyang Basin and its significance for oil and gas exploration[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(4): 582-590.
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基金项目

中国地质调查局项目《松辽外围南部盆地群油气基础地质调查》(编号:DD20160167)和《辽宁金羊盆地油气基础地质调查》(编号:12120115001301)

作者简介

张涛 (1989-), 男, 硕士, 助理工程师, 从事油气地质相关研究工作。E-mail:taozhng@qq.com

文章历史

收稿日期: 2016-10-18
修订日期: 2017-02-09
辽宁金羊盆地羊D1井油砂地球化学特征及意义
张涛1, 李永飞1, 孙守亮1, 郜晓勇1, 周铁锁2, 孙鹏3    
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 中国石油 辽河油田分公司, 辽宁 盘锦 124010;
3. 长江大学资源与环境学院, 湖北 武汉 430100
摘要: 在中国地质调查局沈阳地质调查中心实施的“羊D1”井的中侏罗统髫髻山组火山岩中见多处油气显示,取得了油气新发现。对该井已发现的2件油砂样品中的原油采用气相色谱-质谱技术(GC-MS)进行了分析测试,结果显示,2个油砂样品的地球化学特征一致,表现为链烷烃呈现出单峰态的分布,主峰碳数分别为C21和C22,无明显奇碳数优势,姥植比值低;萜类化合物表现为,三环萜烷以C23为主峰呈正态分布,C24四环萜烷与C26三环萜烷丰度相当,伽马蜡烷含量较高;甾类化合物表现为规则甾烷相对含量关系为C27 > C29 > C28,以C27甾烷占优势的不对称“V”形分布。这些指标总体指示,原油为成熟油,对应烃源岩沉积于偏还原性的湖相环境,母质来源主要为藻类等低等水生生物,陆源高等植物也具有一定贡献。通过和周边的北票组烃源岩进行油岩对比研究发现,油砂样品中的原油可能来自于盆地内下伏的下侏罗统北票组烃源岩的贡献。研究结果说明,北票组在金羊盆地分布广泛,其烃源岩可能具有较好的生油潜力,金羊盆地是一个具有勘探潜力的含油气盆地。
关键词: 金羊盆地    羊D1井    油砂    生物标志化合物    油岩对比    
Saturated hydrocarbon geochemical characteristics of the oil sand from YD1 well in Jinyang Basin and its significance for oil and gas exploration
ZHANG Tao1, LI Yongfei1, SUN Shouliang1, GAO Xiaoyong1, ZHOU Tiesuo2, SUN Peng3     
1. Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources, CGS, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. Liaohe Oilfield Company, PetroChina, Panjin 124010, Liaoning, China;
3. Yangtze University, Wuhan 430100, Hubei, China
Abstract: Recently researchers from Shenyang Geological Survey of CGS made several new discoveries in geological well YD1 in Jinglingsi-Yangshan basin (Jinyang Basin). During the drilling of YD1 the authors detected several oil and gas showings in the fractures of the drilling core in Mid-Jurassic Tiaojishan Formation (J2t) which was mainly composed of intermediate igneous rocks. The characteristics of biomarkers from YD1 oil sand were analyzed by the method of gas chromatography and gas chromatography mass spectrometry (GC, GC-MS). The results show that the two oil sand samples have similar geochemical characteristics:the n-alkane distribution exhibits one sole peak pattern, and the dominant peaks are nC21 and nC22 separately; there is no clear odd or even carbon number predominance for the n-alkanes, and thus the carbon preference index (CPI) is only slightly higher than 1; the samples have low Pr/Ph ratios. The terpene is characterized by the normal distribution of C23 tricyclic terpene and similar abundance of C24 tetracy-clic terpene and C26 tricyclic terpene, with a relatively abundant value of gammacerane. The regular steranes are dominated by the C27-steranes, and their relative abundance is in the order of C27 > C29 > C28, exhibiting the "V" distribution pattern. These biomarkers' characteristics indicate that the source rocks are matured and predominated mainly by planktonic/algal organic matter. The source rocks were deposited in a lacustrine environment with a high-salinity stratified water column and anoxic conditions. The oil-source correlation results showed that the crude oil from the samples was possibly derived from the source rock in Early Jurassic Beipiao Formation (J1b). The results indicate that the source rock from Beipiao Formation is widely spread in Jinyang Basin and has good oil and gas potential, and hence Jinyang Basin is a petroliferous basin with good potential for oil and gas exploration.
Key words: Jinyang Basin    YD1 well    oil sand    biomarker    oil-source rock correlation    

辽西金岭寺-羊山盆地(金羊盆地)是松辽外围南部盆地群中较大的盆地之一,呈北东向展布,南北长约200km, 东西宽约40km, 总面积约7430km2,是中国北方侏罗系发育最完备的盆地之一(图 1[1-3]。前人研究表明,该盆地的下侏罗统北票组所含的一套湖相泥岩具有良好的生油气潜力[1, 3-5]。2014年,沈阳地质调查中心在金羊盆地西部边界坤头营子附近针对北票组露头实施了4口地质调查井,在其中的3口井中见到油气显示,取得了油气新发现,其中SZK02井为油气显示较好的调查井[6-7]。针对该次钻探已经进行了大量研究,特别是烃源岩评价和油砂地球化学特征的研究,结果认为,北票组烃源岩主体为一套湖泊相沉积的泥页岩,属于差-中等的烃源岩,具有一定的生油潜力,所见到的油气显示很大一部分来自于北票组烃源岩的贡献[5-8]。基于上述研究,在2015年实施的二维地震及非震物探的基础上,沈阳地质调查中心在金羊盆地章吉营子凹陷北部实施钻探了羊D1井,在中侏罗统髫髻山组安山岩裂隙中也取得了油气新发现。

本文详细剖析羊D1井中发现的2件油砂样品中原油的地球化学特征,并与周边的北票组烃源岩进行油-岩对比研究。这对评价金羊盆地的含油气状况,特别是确定北票组烃源岩及含油气层的分布,分析下侏罗统北票组石油地质条件,以及指导下一步金羊盆地的油气勘探具有重要意义。

1 地质背景及油气显示情况

侏罗系在金羊盆地分布广泛,除盆地东西边界为古生界和中—新元古界外,盆地内部出露的地层大部分为侏罗系,其分布面积占盆地总面积的90%以上。其主要侏罗系充填序列从下向上依次为下侏罗统兴隆沟组(J1x)和北票组(J1b),中侏罗统海房沟组(J2h)和髫髻山组(J2t),上侏罗统土城子组(J3t)和张家口组(J3z)。其中北票组和海房沟组、土城子组和张家口组之间为角度不整合接触关系,其他均为平行不整合接触关系。

针对金羊盆地侏罗系部署的羊D1井位于金羊盆地北部,属于章吉营子-巴图营子凹陷北部,地理位置位于北票市上园镇土宝营子村(图 1)。羊D1井开孔为土城子组三段的灰绿色砂岩,由上向下依次钻遇土城子组和髫髻山组,本次所见的油气显示位于中侏罗统髫髻山组火山岩中。髫髻山组主体为一套以中性熔岩和同成分的火山碎屑岩为主的岩性组合。施工过程中分别在进尺1273.23m、1273.71m和1290.16~1323.13m的髫髻山组安山岩岩心的方解石填充的裂隙中见油斑、油迹级别油气显示,荧光干照显示为黄绿色(图 2),且在进尺1344.6~1463.8m的髫髻山组火山岩中见到荧光显示,厚度累计约2m(图 1)。在1273.23m处和1273.71m处可见2处油斑位于岩心中发育的2条方解石脉充填的裂缝中,由裂缝渗出的原油在岩心上呈斑点状,以裂隙为中心,呈现由中心向外扩散的分布特点,是由于地层卸压作用引起原油由缝洞中心向外扩散,是典型的缝洞型油斑级别油气显示(图 2)。

图 1 金羊盆地构造分区图与羊D1井1207~1474.5m岩性柱状图 Fig.1 Geological sketch map of Jinyang Basin and lithological column of YD1
图 2 羊D1井进尺1273.23m与1273.71m处所见油斑及其荧光干照照片 Fig.2 Oil spot in the drilling core of YD1 at the footage of 1273.21m, 1273.71m and its fluorescent photo, with the core composed of andesite
2 实验分析

本次的油砂样品采自油气显示较好的层段,即羊D1井的1273.23m和1273.71m处。烃源岩样品分别取自朝阳市边杖子乡卧龙村北票组露头和朝阳市东坤头营子村的北票组露头(图 1),各取7块样品,共14块。样品的分析测试在长江大学油气资源与勘探教育部重点实验室完成。

全烃气相色谱实验测试仪器为Agilent6890NGC型色谱仪,检测条件:色谱柱为HP-PO-NA(50m×0.25mm×0.5μm),氢火焰检测器温度为280℃;升温程序:初温35℃恒温10min, 以0.5℃/min速率升温至60℃,再以2.0℃/min升至200℃,然后以速率4℃/min升温至280℃,载气为氮气,柱流速为1.0mL/min, 分流比为100:1。全油气相色谱-质谱实验测试仪器为HP-6890型色谱仪和MSD-5973型质谱仪。实验中的色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱,柱长30m, 内径0.25mm, 膜厚0.25μm。色谱条件:50℃恒温2min;后以3℃/min升至310℃;310℃恒温25min;载气为氦气,流速为1mL/min。质谱条件:进样器温度为300℃;电离能量70eV;扫描范围50~550min, 以脉冲不分流方式进样。烃源岩的可溶烃分析方法及实验仪器具体见参考文献[9-10]。

3 实验结果及讨论 3.1 链烷烃系列

正构烷烃系列分布与组成特征能提供烃源岩母质来源和成熟度方面的信息[11-12],2个油砂样品的饱和烃色谱参数如表 1所示。2个样品的链烷烃分布呈单峰型,主峰碳数为C22和C21,其主峰碳数偏低(图 3表 1),2个样品的轻重比分别为0.47和0.84,指示母质类型可能主要来自菌藻类的贡献。正构烷烃有无奇偶优势通常用CPI值(碳优势指数)或OEP值(奇偶优势)来表征。其值大于1.2时,样品未成熟,但小于1.2时不一定成熟。正构烷烃奇偶优势不明显,2个样品的CPIOEP均较接近1,只有1273.71m处样品的CPI略大于1.2。说明本次发现的原油成熟度较高。

表 1 羊D1井髫髻山组油砂和金羊盆地北票组烃源岩饱和烃色谱参数 Table 1 Saturated hydrocarbons gas chromatogram parameters of oil sand from Tiaojishan Formation in YD1 and source rock from Beipiao Formation in Jinyang Basin
图 3 金羊盆地羊D1井髫髻山组油砂链烷烃分布(m/z=85) Fig.3 The distribution of n-alkanes of oil sand from Tiaojishan Formation in YD1 well, Jinyang Basin

一般认为,强还原水介质条件形成的烃源岩所产原油为植烷优势型,其Pr/Ph值小于0.8,还原条件形成的原油为姥植均势型,其Pr/Ph值分布于0.8~2.8之间,弱还原-弱氧化水介质条件形成的原油为姥鲛烷优势型,其Pr/Ph值分布于2.8~4.0之间[13]。2个样品的Pr/Ph值分别为0.73和0.45,均小于0.8,为植烷优势原油,反映有机质沉积环境为还原性的环境。Pr/nC17和Ph/nC18参数值2个样品差别较大,1273.23m处的样品偏小,而1273.71m处的样品明显偏高,反映2个样品分别位于弱还原和氧化环境之间,造成2个样品差别较大的原因可能是原油成熟度的差异。综合看,2个样品的原油成熟度较高,母质主要为菌藻类,对应烃源岩沉积环境为还原水介质条件。

3.2 萜类化合物

三环萜烷和四环萜烷系列是一类重要的生物标志化合物,它们在不同性质烃源岩中的分布和组成特征及浓度变化存在显著差异。三环萜烷主要由微生物细胞膜中三环类异戊二烯醇形成,因此一般认为三环萜烷来源于微生物及藻类,其不同碳数的化合物具有不同的成因。四环萜烷可能来自藿烷先质物的降解,具有指示陆源有机质的意义。典型湖相页岩的霍烷分布通常具有C30明显偏高的特征,同时,多数湖相沉积中C34、C35升霍烷丰度极低。2件样品的三环萜烷以C23为主峰呈正态分布,含量较高,C24四环萜烷与C26三环萜烷丰度相当,C34和C35升藿烷含量较低,Ts/Tm值均为0.7左右,具有湖相页岩的典型特征,说明藻类母质贡献大(表 2图 4)。

表 2 羊D1井中油砂及金羊盆地北票组烃源岩生标参数 Table 2 Biomarker parameters in the oil sand from YD1 well and source rock from Beipiao Formation in Jinyang Basin
图 4 金羊盆地羊D1井髫髻山组油砂萜类化合物分布(m/z 191) Fig.4 Terpanes series distribution of oil sand from Tiaojishan Formation in YD1 well, Jinyang Basin

伽马蜡烷是沉积水体分层的重要标志,咸水湖相沉积环境中水体常呈密度分层,因而伽马蜡烷在咸水环境中很丰富[14-16]。2个样品伽马蜡烷含量较高(表 2),对应烃源岩沉积水体为咸水。另外,2个样品的C31藿烷成熟度参数22S/(22R+22S) 分别为0.6和0.57,莫烷/藿烷值均为0.17,都已经达到异构化平衡阶段,说明2个样品的原油成熟度至少大于0.5%的等效镜质体反射率。

3.3 甾类化合物

陆生植物含C29胆甾醇,而动物主要含C27胆甾醇,水生浮游动植物(主要是藻类)也以C27为主,其次是C28甾醇,这种分布特征同样保留在甾烷中。所以,不同母质类型的烃源岩中,其甾烷等生物标志化合物的组成和分布特征不同[12]。2个油砂甾类化合物组成相似,重排甾烷含量中等,规则甾烷以C27为主峰,其丰度关系为C27>C29>C28,表现为C27甾烷占优势的不对称“V”形分布,高含量的C27甾烷表明藻类生源贡献较大(图 5)。

图 5 金羊盆地羊D1井髫髻山组油砂甾烷系列化合物分布(m/z 217) Fig.5 The distribution of steranes of oil sand from Tiaojishan Formation in YD1 well, Jinyang Basin

综合以上结果分析,羊D1井的2个油砂样品的原油生标特征相似,具有同源性:2个样品的原油均为成熟原油,推测其烃源岩镜质体反射率至少大于0.5%;对应的烃源岩沉积环境为还原性微咸水-半咸水环境,水体较深,为缺氧环境;烃源岩母质来源以藻类等低等水生生物为主,陆源高等植物也具有一定贡献。

4 油岩对比

油岩对比研究对探索原油的油源具有重要意义,其基本原理是有机质在不同沉积环境、埋藏作用下,不同的烃源岩有机质或生成的油气总是存在一定的差异,这种特殊性与源岩之间具有内在联系(亲缘关系),且它们经过运移、聚集成藏后仍然被保存下来[17]。选取金羊盆地西部东坤头营子北票组烃源岩和北票盆地下侏罗统北票组卧龙剖面(图 6)的北票组烃源岩样品,对其生物标志化合物特征进行对比研究。

图 6 羊D1井油砂与金羊盆地北票组烃源岩生标特征对比 Fig.6 Comparison for the characteristics of biomarker from oil sand of YD1 well and source rock of Beipiao Formation in Jinyang Basin

在金羊盆地西部东坤头营子获得的北票组烃源岩奇偶优势不明显,从饱和烃气相色谱图可以看出,峰型均为单峰态分布,以“前峰型”为主,表现出成熟烃源岩的分布特征(表 1图 6)。Pr/Ph值主体分布在3.0~4.0之间,表现为姥鲛烷优势,反映烃源岩主体形成于氧化的沉积环境。三环萜烷C23为主峰的正态分布,C24四环萜烷含量较低,规则甾烷化合物相对含量关系为C29>C27>C28,说明其主要来自于陆生植物的贡献 [6]图 6)。综上,本次发现的油砂样品与东坤头营子的北票组烃源岩无亲缘关系。

北票组卧龙剖面位于北票盆地边杖子乡卧龙村(图 1),从烃源岩样品饱和烃气相色谱图可以看出,链烷烃呈现双峰态分布,且姥植较低,一般小于0.7。萜类化合物方面,卧龙剖面北票组烃源岩色谱图表现为与本次2个样品相似的分布特征,三环萜烷以C23为主峰呈正态分布,含量较高,C24四环萜烷与C26三环萜烷丰度相当,具高的伽马蜡烷含量(表 2)。规则甾烷化合物相对含量关系为C27> C29> C28图 6)。总的来说,2个样品的生标特征能与卧龙剖面的烃源岩很好地对应,二者具有较好的对比性。北票组卧龙剖面与东坤头营子剖面烃源岩差别如此大的原因可能是沉积环境及有机质输入的不同,二者的差异性可能反映了北票组纵向上沉积环境的变化,本次发现的原油对应的烃源岩是北票组卧龙段。

由Pr/Ph-伽马蜡烷/C30藿烷与甾烷C27/C29-C24三环萜烷/C26四环萜烷交会图可以看出,3组样品明显分为两类,其中本次发现的油砂与卧龙剖面的烃源岩分为一组,两者具有明显的同源性,而与东坤头营子的烃源岩无亲缘关系(图 7)。虽然金羊盆地羊D1井周边未见北票组露头,根据区域地质资料,北票组在金羊盆地应当具有广泛的分布。本次发现的原油可能来自于盆地下伏北票组烃源岩的贡献。

图 7 三组样品生标参数对比 Fig.7 Correlation between Pr/Ph and G/C30H, sterane C27/C29 and C24TT/C26TE for the three groups of samples
5 讨论与结论 5.1 讨论

金羊盆地是辽河外围盆地群中面积最大的中生代盆地,也是松辽外围地区面积最大的矿权登记空白区。辽河油田通过对北票盆地的北票组的石油地质条件研究和对比后推测,金羊盆地北部等地北票组湖相泥岩应该非常发育[7]。2014年沈阳地质调查中心在金羊盆地西缘实施的地质调查井填补了金羊盆地油、气显示的空白,丰富了北票组烃源岩的认识[5-8]。由于北票组烃源岩在金羊盆地的分布较局限,仅在盆地边缘有零星的分布,且以上研究以露头样品和浅钻样品为主,对其结果的应用有一定的局限性,对盆地内部的烃源岩油气地质条件评价的指导作用也有限,这是目前对盆地内部北票组烃源岩的分布与油气地质条件的认识仍然非常有限的原因。羊D1井是金羊盆地的第一口深钻,位于金羊盆地的内部位置,周围断裂较少发育,地层平缓,地质条件优越。在羊D1井钻遇的火山岩段见到来自北票组烃源岩贡献的油气显示,说明金羊盆地是一个有很大潜力的含油气盆地。油砂地球化学特征表明,北票组烃源岩对应的沉积环境为还原性的咸水条件,沉积水体的盐度及还原性为有机质的保存提供了有利条件,其缺氧的沉积环境也阻止了需氧的微生物对有机质的降解,这些条件都对有机质的保存与生烃非常有利[18],也说明金羊盆地内部的北票组可能具有较好的生油、生气潜力。本次在盆地内部的油气发现也说明,北票组在金羊盆地非常发育,且在纵向上沉积环境变化较大。在金羊盆地发现的与北票盆地北票组烃源岩生标特征可对比的油气显示,说明2个盆地的北票组具有相似的沉积环境。该结果对指导金羊盆地未来的油气勘探具有重要意义。

5.2 结论

(1)羊D1井2件油砂样品饱和烃中链烷烃丰富,奇偶优势不明显,且Pr/Ph值低;三环萜烷含量丰富,且C24四环萜烷与C26三环萜烷丰度相近,伽马蜡烷含量较高;甾烷系列中有高含量的C27甾烷。以上结果反映,原油为成熟原油,烃源岩母质对应的沉积环境为还原性咸水条件,且水生生物和藻类贡献较大。

(2)2件油砂样品的生物标志化合物特征一致,具有同源性,系来自于同一烃源岩的贡献。

(3)油岩对比研究发现,2件油砂样品生物标志化合物特征与北票盆地卧龙剖面的下侏罗统北票组烃源岩生物标志物特征一致。2个样品中的原油可能来自盆地下侏罗统北票组烃源岩的贡献。

致谢: 中国地质调查局沈阳地质调查中心肖飞博士在写作过程中提供了很多帮助,长江大学地球化学实验室的老师完成了样品分析测试,审稿人提出了宝贵的意见,在此一并表示感谢。

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