0 引言
在分析生物降解原油时，普通一维气相色谱受自身峰容量和分辨率的限制，色谱基线连续抬升，在色谱图上形成“基线鼓包”。由于组成“鼓包”的化合物无法被识别，因此被称为“不可分辨的复杂混合物”(Unresolved Complex Mixture，UCM)[1,2,3]。前人研究表明，“基线鼓包”中化合物种类众多，蕴含着大量未被发掘的地球化学信息[4]。剖析生物降解原油的化学组成是一个基础科学问题，只有解决了这个基础科学问题，才能展开后续的研究，包括定性、定量生物降解原油化学组成中的特征化合物，从而用于油源对比、生物降解程度评价、成因判别等地球化学问题，帮助生物降解原油开采方案和炼制方案的制定，以及解决漏油等环境问题[5,6]。部分学者利用化学手段将UCM分解成若干个组分，以满足GC的分离要求，然后用GC/MS检测，从而得到与沉积母质类型和生物来源等有关的信息[7,8,9]。除了化学方法外，多种仪器的结合也是分析UCM的有效手段[10,11,12,13]，1H和13C FT/NMR、FT/IR、GC/MS/MS等技术都曾经被用于分析UCM组成。但不管是化学方法，还是多仪器结合分析，得到的结果都只能反映UCM组成的少数信息，无法得到UCM的整体面貌。
本文借助全二维气相色谱实现了乌夏地区不同生物降解程度原油中饱和烃复杂混合物的分离，利用质谱特征碎片推断化合物的结构特征，并利用氢火焰离子检测器对不同族系化合物进行定量分析，以探索生物降解对原油化学组成的影响。
1 研究区概况
乌尔禾—夏子街地区在准噶尔盆地西北缘的东北部（图1），位于哈拉阿拉特山前，乌夏断褶带受多期构造叠加影响，在构造上，西接黄羊泉断裂转换带，东临陆梁凸起，南为玛湖凹陷，该区断裂十分发育，褶皱形态复杂[19]。该区主要分布乌尔禾油田、风城油田和夏子街油田，在二叠系风城组、夏子街组、下乌尔禾组，三叠系百口泉组、克拉玛依上下亚组，侏罗系八道湾组和头屯河组发现了油气藏。同时在这些油田发现了大量的稠油油藏和沥青矿。如风城油田，由于受到较强烈的生物降解作用，其原油具有密度、黏度、胶质和沥青质含量高的特点，其西部和北部稠油的生物降解程度在乌夏断裂带最高。前人的研究认为该区油藏主要来源于玛湖凹陷风城组烃源岩，油气资源主要为成熟原油[20,21]。
2 实验与样品
2.1 样品
表1 准噶尔盆地乌夏地区原油的物性及族组成Table 1 Physical and group composition of crude oils in Wuxia area, Junggar Basin |
| 样品编号 | 井位 | 层位 | 黏度/(mPa·s) | 密度/(g/cm3) | pH值 | 凝固点 /℃ | 饱和烃 /% | 芳烃 /% | 非烃 /% | 沥青质 /% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | FN8 | P1 f | 148.2 | 0.908 4 | / | -23.0 | 52.71 | 14.76 | 23.80 | 6.02 |
| 2 | K129 | T2 k 2 | 183.6 | 0.907 2 | / | -20.0 | 61.77 | 9.77 | 13.97 | 1.68 |
| 3 | X86 | J1 b | 386.3 | 0.917 6 | / | -23.0 | 54.10 | 13.02 | 11.60 | 1.55 |
| 4 | DF10003 | J3 q | 13 375 | 0.953 6 | 5.21 | 32.8 | 47.39 | 16.99 | 23.53 | 8.17 |
| 5 | FZ017 | J3 q | 15 580 | 0.957 9 | 5.91 | 22.0 | 40.51 | 8.54 | 18.99 | 7.28 |
| 6 | FZ019 | J1 b | 9 462 | 0.954 8 | 6.92 | 17.7 | 36.58 | 7.67 | 16.81 | 5.01 |
2.2 样品前处理
①称取原油样品5~10 mg，加入0.2 mL二氯甲烷（重蒸过的分析纯）溶解，加入1 μL标准样品（5α-雄甾烷）；②在短颈滴管底部塞入滤纸或棉花（抽提过），取5g细硅胶转入玻璃柱至颈部，振荡压实；③将原油样品完全转移至柱子上部，静置12 h；④吸取量筒（10 mL）中正己烷淋洗柱子，当柱子底部溶剂流出时，记下消耗的正己烷体积V，为柱子的死体积；⑤5继续加V mL的正己烷淋洗，馏分收集在2 mL样品瓶中；⑥用氮吹仪将收集组分吹至约1 mL转至进样瓶。
2.3 仪器分析条件
全二维气相色谱/飞行时间质谱分析条件：一维色谱柱采用非极性的Petro柱（50 m×0.2 mm×0.5 μm），初始温度为80 ℃，保持0.2 min，以2.5 ℃/min的速率升至290 ℃，保持0.2 min，再以0.2 ℃/min的速率升至300 ℃，保持10 min，二维色谱柱采用极性的DB-17HT柱（2.5 m×0.1 mm×0.1 μm），升温速率与一维色谱相同，但温度比一维色谱高10 ℃，调制器温度比一维色谱高50 ℃，载气为氦气，进样口温度为300 ℃，调制周期10 s，热吹时间2.5 s，传输线温度280 ℃，离子源温度240 ℃，质谱采集速率100谱图/s。全二维气相色谱/氢火焰离子检测器分析条件与全二维气相色谱/飞行时间质谱分析条件一致，采用内标法进行定量分析，由于氢火焰离子检测器对烃类化合物响应因子基本接近1，化合物的含量等于该化合物峰面积与内标物峰面积比值乘以内标物含量。
3 结果与讨论
3.1 原油生物降解等级
不同分子化合物抗生物降解能力具有一定的差异，根据原油中不同烃类相对丰度可以判断原油生物降解级别[22,23]。准噶尔盆地乌夏地区6个原油饱和烃气相色谱图见图2，从图中可以看出，原油FN8的链烷烃系列分布完整，但类异戊二烯烷烃相对丰度高于nC17、nC18，且正构烷烃高碳数部分出现基线抬高，说明FN8样品可能有极轻微的生物降解；原油K129链烷烃系列分布完整但含量略低于β-胡萝卜烷，且有“基线鼓包”特征，为轻度降解原油；原油X86的链烷烃系列已发生明显降解，含量远低于β-胡萝卜烷，为中度降解原油；原油DF10003、FZ017和FZ019中正构烷烃类化合物基本消耗殆尽，具有明显的“基线鼓包”形成，达到重度降解阶段，其中原油DF10003中甾萜类化合物相对完整，而原油FZ017中规则甾烷已发生明显的降解，具有一定的重排甾烷，原油FZ019中甾烷类已基本降解，仅含有少量萜烷类，说明这3个原油的生物降解等级依次为：原油DF10003<原油FZ017<原油FZ019。
3.2 生物降解原油中饱和烃复杂混合物成分总体特征
图3为重度生物降解原油DF10003饱和烃组分GC×GC/TOFMS总离子流图。从图中可以看出，不同类型的化合物分布在不同保留时间区域内，谱峰的高度、颜色指示化合物的相对含量，在重度生物降解原油饱和烃中，烷烃类化合物已消耗殆尽，剩下的是大量的、未知的、低含量的化合物形成大的“基线鼓包”。经过分析，“基线鼓包”物质主要是由不同环数环烷烃及其同系物组成，这些化合物在一维色谱上以分子量递增的顺序排列，在二维色谱上以不饱和度依次排列。为了更好地描述“基线鼓包”组成，按二维保留时间将其划分为Ⅰ—Ⅵ共6类。
3.3 生物降解原油中饱和烃复杂混合物成分剖析
Ⅰ类为单环化合物，二维保留时间在2.08~2.39 min范围，化合物分子量为126~294，分子通式为C nH2 n（n=9~21），其环数=(2×n+2－2n)/2=1。该类化合物主要离子碎片有m/z 55、m/z 69、m/z 83、m/z 97、m/z 111、m/z 125等，推测这些碎片可能是
(m/z 83)、
(m/z 97)、
(m/z 111)、
(m/z 125)。乌夏地区正常原油中常含有较高含量的基峰为m/z 83或m/z 97的长链正烷基取代的环己烷，但在重度降解原油中并没有发现基峰为m/z 83或m/z 97的化合物，说明长链正烷基取代的环己烷易受生物降解，类异戊二烯烷基取代的结构比正烷基取代的结构要稳定，推测Ⅰ类化合物主要为多甲基-长链异戊二烯烷基取代环己烷类。
(m/z 83)、(m/z 97)、(m/z 111)、(m/z 125)。乌夏地区正常原油中常含有较高含量的基峰为m/z 83或m/z 97的长链正烷基取代的环己烷，但在重度降解原油中并没有发现基峰为m/z 83或m/z 97的化合物，说明长链正烷基取代的环己烷易受生物降解，类异戊二烯烷基取代的结构比正烷基取代的结构要稳定，推测Ⅰ类化合物主要为多甲基-长链异戊二烯烷基取代环己烷类。
（1）一类化合物特征离子主要为m/z 109、m/z 123，该类化合物主要离子碎片有m/z 95、m/z 137、m/z 165、m/z 179、m/z 193，推测这些碎片离子可能是
(m/z 95)、
(m/z 109)、
（m/z 123）、
（m/z 137）、
(m/z 165)、
(m/z 179)、
（m/z 193）。图4(b)显示化合物分子离子峰m/z 180、m/z 95碎片离子高，m/z 123低，说明它的一个环上有一个甲基取代，另一个环上有2个甲基取代。图4(d)和图4(c)显示，③号化合物比②号化合物分子量大14，说明多一个—CH2—，②号化合物具有m/z 193碎片峰，③号化合物具有m/z 179碎片峰，说明②号化合物环烷结构上多一个甲基取代，2个化合物都有一个长链烷基取代，由于类异戊二烯烷基取代的结构比正烷基取代的结构要稳定，推测长链取代基是类异戊二烯烷基。
(m/z 95)、(m/z 109)、（m/z 123）、（m/z 137）、(m/z 165)、(m/z 179)、（m/z 193）。图4(b)显示化合物分子离子峰m/z 180、m/z 95碎片离子高，m/z 123低，说明它的一个环上有一个甲基取代，另一个环上有2个甲基取代。图4(d)和图4(c)显示，③号化合物比②号化合物分子量大14，说明多一个—CH2—，②号化合物具有m/z 193碎片峰，③号化合物具有m/z 179碎片峰，说明②号化合物环烷结构上多一个甲基取代，2个化合物都有一个长链烷基取代，由于类异戊二烯烷基取代的结构比正烷基取代的结构要稳定，推测长链取代基是类异戊二烯烷基。（2）二类化合物为特征离子为m/z 109、m/z 124的脱-A, B-环甾烷（图5），除了m/z 124外，其他碎片基本与上面鉴定的双环烷烃一致，出峰位置也有部分重叠，说明此类化合物的化学结构与双环烷烃相似，m/z 95的丰度很高，说明基本骨架上甲基取代的个数是2个，为
经过与专业书籍[3]比对，发现此类化合物是脱-A,B环-甾烷。另外，检测出了特征离子m/z 109的化合物，该类化合物在GC×GC谱图上出峰位置与m/z 124的化合物靠近，它们的碎片离子相同，都是m/z 95、m/z 109、m/z 123、m/z 137、m/z 151……，说明这2个化合物是结构相似的同系化合物。但是该系列化合物的特征离子是m/z 109，比m/z 124少一个CH3—，说明在分子结构上少了一个甲基，因此推测m/z 109化合物的化学基本骨架是
，定性为C19—C21-脱-A,B-甾烷。
经过与专业书籍[3]比对，发现此类化合物是脱-A,B环-甾烷。另外，检测出了特征离子m/z 109的化合物，该类化合物在GC×GC谱图上出峰位置与m/z 124的化合物靠近，它们的碎片离子相同，都是m/z 95、m/z 109、m/z 123、m/z 137、m/z 151……，说明这2个化合物是结构相似的同系化合物。但是该系列化合物的特征离子是m/z 109，比m/z 124少一个CH3—，说明在分子结构上少了一个甲基，因此推测m/z 109化合物的化学基本骨架是，定性为C19—C21-脱-A,B-甾烷。
Ⅲ类化合物为金刚烷类化合物，该类化合物二维保留时间在2.51~3.26 min范围（图6），包括单金刚烷和双金刚烷，此类化合物在未降解的原油中相对含量低，未被检出，随着降解程度的增加，该类化合物的相对含量增加，在重度降解稠油中容易被检出。
Ⅳ类为三环烷烃化合物，该类化合物二维保留时间在2.42~3.98 min范围（图6），包含3类：
（1）菲满类化合物，此类化合物在未降解和中度降解原油中都有被检出，质谱碎片离子为m/z 81、m/z 95、m/z 107，在特征离子m/z 149、m/z 163上与菲满的m/z 135各相差14和28，说明相差一个“CH3—”（m/z 149）和“C2H5—”（m/z 163），因此推断基本碎片是在
（m/z 135）上多了一个甲基取代
（m/z 149）和一个二甲基取代
（m/z 163），但是取代基的位置无法确定。
（m/z 135）上多了一个甲基取代（m/z 149）和一个二甲基取代（m/z 163），但是取代基的位置无法确定。（2）特征离子为m/z 191的三环萜烷，其化学结构为
。
。（3）特征离子为m/z 219的断甾烷，该类化合物分子量为248~402（图7），分子通式是C nH2 n- 4（n=18~29），其环数=(2×n+2－2n+4)/2=3，该系列化合物的排列方式与甾烷类似，尤其是分子质量290~402区域的化合物分布，分子量只与甾烷系列相差2。此类化合物除了特征离子峰和分子离子峰与甾烷相差2以外，其他高丰度的离子碎片基本与甾烷相同。这就类似于甾烷系列化合物都多了2个“H”，多2个“H”意味着甾烷的四环上会有一个环发生开环反应，由此推断，特征离子m/z 219的化合物是断了一个C-C键的甾烷，与蒋助生[24]在重度生物降解的原油中检测结果相同，但数量要远多于蒋助生[24]发表的。该类化合物在正常原油未被检出，说明m/z 219系列的化合物的生成有可能与微生物降解有关系。
Ⅴ类化合物主要为四环烷烃化合物，该类化合物二维保留时间在3.00~4.81 min范围（图2），包含4类：①第一类为特征离子m/z 217，m/z 218的甾烷类化合物；②第二类是图8中用粉红色点标记的特征离子是m/z 123的系列化合物，王汇彤等[17]在辽河的生物降解原油中鉴定过此类化合物为断藿烷系列，在重度降解油样品中，能检测到C27—C33-断藿烷；③第三类是图8中用黄色点标记的特征离子是m/z 191的四环萜烷类化合物，分别是C24-四环萜烷和C25-四环萜烷；④第四类是图8中用墨绿色点标记的特征离子是m/z 231、m/z 232的系列化合物，王汇彤等[17]在辽河的生物降解原油中鉴定过此类化合物为甲基胆甾烷系列。
Ⅵ类化合物主要为五环烷烃结构的化合物，该类化合物二维保留时间在3.79~7.81 min范围，主要包括：25-降藿烷系列，特征离子为m/z 177，藿烷系列、伽马蜡烷，特征离子为m/z 191（图8）。
3.4 不同生物降解原油中饱和烃复杂混合物组成及成因分析
表2 准噶尔盆地乌夏地区不同生物降解原油饱和烃组分含量Table 2 Contents of saturated hydrocarbon components in different biodegraded crude oils in Wuxia area, Junggar Basin |
| 饱和烃化合物 类型 | 样品编号 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| 正构烷烃/% | 11.41 | 6.31 | 4.68 | 0.02 | 0.03 | 0.02 |
| 异构烷烃/% | 17.73 | 11.89 | 8.46 | 0.01 | 0.02 | 0.01 |
| 单环烷烃/% | 17.29 | 21.05 | 17.26 | 8.61 | 11.31 | 9.75 |
| 双环烷烃/% | 6.57 | 9.50 | 11.06 | 21.07 | 25.07 | 25.35 |
| 三环烷烃类/% | 1.66 | 1.99 | 2.86 | 5.56 | 7.71 | 7.52 |
| 四环烷烃类/% | 2.78 | 2.43 | 3.72 | 6.65 | 8.34 | 7.34 |
| 藿烷类/% | 0.39 | 0.41 | 0.43 | 1.03 | 1.39 | 1.28 |
| 25-降藿烷/% | 0.06 | 0.19 | 0.20 | 0.32 | 0.48 | 0.45 |
| 总量/% | 57.89 | 53.77 | 48.67 | 43.27 | 54.35 | 51.72 |
在整个生物降解阶段，8个族系化合物始终存在。之前学者的研究一直认为随着生物降解程度的增加，正构烷烃和异构烷烃会逐渐消耗殆尽。从表2中可见，正构烷烃和异构烷烃在原油经历生物降解初期（轻度、中度降解）就大量被消耗掉，在重度生物降解阶段，这2类化合物所占的比例很低，基本被消耗殆尽，仍有少量正构烷烃存在，而长侧链取代十氢化萘一直存在，其含量随生物降解程度增加逐渐降低，认为重度降解原油中少量正构烷烃可能是长侧链取代十氢化萘被降解后生成的。
在生物降解作用下，化合物的含量不是一味递减的。如图9所示，在轻度降解阶段，单环烷烃所受影响小，相对含量略有增加，主要是链烷烃降解造成单环烷烃富集；在中度降解阶段，单环烷烃受生物降解而相对含量降低，达到在重度生物降解阶段，单环烷烃含量急剧下降，主要是长链取代环己烷被降解，但随着降解程度加深，单环环烷烃含量基本保持不变。
双环烷烃主要是指nC26之前出峰的十氢化萘和脱-A, B-环甾烷化合物。双环烷烃随着生物降解程度的增加含量增加，在重度降解阶段，成为饱和烃的优势成分。造成这种现象有2个原因：①部分双环烷烃抗生物降解能力较强，随着原油中主要组成（链烷烃和单环烷烃）的大量降解，逐渐富集；②笔者发现长链烷基十氢化萘等系列化合物随降解程度加深含量逐渐消失，在中度降解至重度降解阶段，检测出大量在正常原油中未被检测出的十氢化萘同系物和同分异构体，造成双环烷烃相对含量急剧增加，增幅远远高于高环数化合物的增幅，说明有新的双环烷烃生成，另外，在样品5和样品6饱和烃组分含量对比中可以看到，虽然饱和烃组分中其他系列化合物的含量均有所降低，但双环烷烃的含量依然有所增加，推测依然有新的双环烷烃化合物生成。
多环烃类化合物含量随着生物降解程度逐渐增加，这主要是高环数化合物的抗降解能力相对较强且逐渐富集形成的。其中，三环烷烃类化合物主要是C19—C31的三环萜烷和C21—C29-三环烷烃（断甾烷、m/z 219），这些化合物随着降解程度的增加相对含量增加，在“6”号原油中其相对含量也没有明显减少，原因是三环萜烷的抗降解能力强，另外，在重度降解程度下甾烷类化合物发生降解可能生成断甾烷；四环烷烃类化合物随着生物降解程度的增加而增加，在重度降解阶段相对含量开始减少，此处的四环烷烃类化合物包括甾烷、断藿烷、甲基甾烷等，在重度降解原油中的甾烷类化合物共检测出45个，比普通样品中的多，主要是高含量规则甾烷降解，低含量的重排甾烷抗生物降解能力较强，不断富集被检测出来；25-降藿烷的相对含量随着降解程度的增加而增加，尤其在重度降解阶段明显增加，原因可能是藿烷类化合物在降解阶段被明显降解。
4 结论
（1）通过采用全二维气相色谱/飞行时间质谱技术实现了准噶尔盆地乌夏地区不同生物降解程度原油中饱和烃组成剖析，发现其重度降解原油不可识别混合物主要烷基取代环状化合物及其同系物组成，以六元环为基本结构，分为6类化合物，其中Ⅰ类化合物主要为多甲基-长链异戊二烯烷基取代环己烷类，Ⅱ类化合物为C13—C26烷基取代十氢化萘类和C19—C22脱-A, B-环甾烷，Ⅲ类化合物为金刚烷类化合物，Ⅳ—Ⅵ类为三环烷烃至五环烷烃化合物。
（2）在生物降解过程中，原油饱和烃中不同族系化合物含量呈现此消彼长的一种变化，双环烷烃由于自身较强的抗生物降解能力及大量新的同系物及同分异构体生成，在重度降解原油饱和烃组成中占主要成分。
甘公网安备 62010202000678号
