Geochemical characteristics and genesis of “gas washing” of the crude oil from the Xihu Sag, East China Sea Shelf Basin

  • Jiahao HE , 1 ,
  • Ting WANG , 1, 2 ,
  • Youjun TANG 1 ,
  • Tonglei ZHANG 3 ,
  • Hui DIAO 3 ,
  • Bin LIU 1
Expand
  • 1. Hubei Key Laboratory of Petroleum Geochemistry and Environment (Yangtze University), Wuhan 430100, China
  • 2. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou 510640, China
  • 3. Shanghai Branch of CNOOC(China) Ltd. , Shanghai 200335, China

Received date: 2022-05-06

  Revised date: 2022-06-29

  Online published: 2022-12-29

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41802152)

the Open Foundation of State Key Laboratory of Organic Geochemistry(SKLOG202019)

Highlights

Gas washing is one of the important driving forces for the late stage reformation of oil and gas reservoirs. Large-scale gas washing occurred in Xihu Sag of East China Sea Shelf Basin, but the latest research is limited to description, and there is no systematic study on the geochemical characteristics of gas washing. The geochemical analysis of the crude oil from the Pinghu Slope Belt and Tiantai Inversion Belt in the Xihu Sag shows that the sterane and terpane fingerprints and carbon isotope compositional characteristics of crude oil are similar, which can be believed to belong to the same oil family with a similar thermal maturity. However, the physical properties and distribution characteristics of light hydrocarbons, n-alkanes and diamondoids of the oils are different. Based on the calculation of the paraffinicity index, aromaticity index, n-alkane mass depletion and absolute content of diamondoid hydrocarbons, it is shown that gas washing is the main reason for the difference, not biodegradation or thermal cracking. In order to further delineate the gas washing process and genesis of the crude oil, this study discusses the controlling factors of the gas washing, and comprehensively analyzes the geological and geochemical data of oil and gas reservoirs. The results show that:(1) The oils from the northern Pinghu Slope Belt is mainly residual oil after strong evaporation fractionation. Later, it may be mixed with high-mature gas from lateral migration in the east, resulting in the increase of some light hydrocarbons and adamantane compounds in the crude oil. (2) The oils from the southern Pinghu Slope Belt are mainly affected by migration fractionation, resulting in shallow layer accumulation of condensate oil and in deep layer accumulation of light oil and waxy oil. (3) The oils from the Tiantai Inversion Belt are mainly condensates formed in the late stage of gas washing, and the residual oil has not yet been found, which implies that the deep layer may have a certain scale of light and waxy reservoirs.

Cite this article

Jiahao HE , Ting WANG , Youjun TANG , Tonglei ZHANG , Hui DIAO , Bin LIU . Geochemical characteristics and genesis of “gas washing” of the crude oil from the Xihu Sag, East China Sea Shelf Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(12) : 2100 -2112 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2022.07.003

0 引言

“气洗”是指地下油气分离过程中涉及的复杂现象,通常涉及运移分馏和蒸发分馏。由于地层抬升或额外天然气侵入,使原有的气液平衡被破坏,原始油气藏中饱含气的液态烃溢出并向上运移,逐渐形成蜡质油、轻质油和凝析油,这一过程被称为运移分馏1-2。而蒸发分馏是指已形成的油藏遭受下伏大量高成熟的天然气侵入,运移相(气相)在储层高温高压条件下对原油中轻质组分甚至中等分子量烃类进行溶解抽滤,当压力平衡被破坏时,沿断裂或不整合面等运移通道“携载”至条件适宜的储层形成凝析油、轻质油藏的过程3-4。一般来说,运移分馏应出现在蒸发分馏之前或者同时发生。
油气藏的“气洗”现象在全球范围内普遍存在,例如北美墨西哥湾盆地3-5、柴达木盆地6、珠江口盆地7、塔里木盆地等8-9均有气洗作用的存在。早期大量学者的相关研究为气洗作用的认识奠定了基础:THOMPSON3进行了一系列用甲烷反复充注正常原油的模拟实验,提出蒸发分馏理论用来解释非热裂解成因凝析气藏的形成机制;KISSIN10曾指出,未遭受分馏或其他改造的原油,其正构烷烃的摩尔浓度与相应的碳数成指数关系;后来LOSH等11对美国路易斯安那近岸的200多个原油进行了研究,提出通过对原油中正构烷烃损失量的计算以定量化表征气洗作用强度;也有学者12-13对原油中金刚烷类化合物进行定量研究,认为金刚烷化合物可以作为晚期气侵作用的示踪指标。
关于气洗作用对西湖凹陷油气成藏的影响,前人已有不少研究。傅宁等14通过对30个原油样品进行地球化学分析,首次提出了蒸发分馏是研究区凝析气成藏的重要机制;陈晓东15基于油气地球化学参数及流体相态特征,认为黄岩地区油气藏为次生凝析油气藏;此外,苏奥等16利用流体包裹体和原油正构烷烃测试等手段认为平北地区原油遭受了大规模气体侵入,导致该区呈现出“上油下气”的格局。然而,运移分馏(液体运移)和蒸发分馏(气体运移)形成的产物的地球化学特征之间差异较大,前人对西湖凹陷原油的“气洗”地球化学特征并未开展过系统研究,原油是分馏产物还是残余产物尚未明确。因此,需要更充分的地球化学资料及实际地质资料进行综合分析,进而厘清研究区不同原油的气洗作用成因,以期为西湖凹陷中深层油气勘探提供一定的理论依据。

1 地质背景

西湖凹陷位于东海陆架盆地东部,东与钓鱼岛隆褶带毗邻,西为海礁隆起,南临钓北凹陷,北与福江凹陷毗邻,总面积约为4.6×104 km2,是东海陆架盆地最具勘探潜力的凹陷之一17。整个凹陷呈NNE向展布,具有“东西分带、南北分块、纵向多构造叠合”的特点,自西向东可分为东部断阶带、中央反转带、西部斜坡带3个构造带(图1)。西湖凹陷形成于太平洋板块俯冲产生的弧后伸展带,经历了古新世—始新世的裂陷期、渐新世—中新世中期的坳陷期和中新世晚期—第四纪的区域沉降期18
图1 西湖凹陷构造划分(a)及地层简图(b)

Fig.1 Tectonic units(a) and stratigraphic sketch(b) of the Xihu Sag

目前已发现的圈闭多分布在西湖凹陷的平湖斜坡带和天台反转带中,并已经识别出4个关键的含油气层位,包括始新统平湖组、渐新统花港组、中新世龙井组和玉泉组(图1)。其中由煤、炭质泥岩、暗色泥岩组成的平湖组煤系烃源岩是主要的烃源层19-20

2 样品与实验

本文研究共采集了西湖凹陷平湖斜坡带和天台反转带的16件原油样品(井位分布见图1,具体地球化学参数见表1)。所有油样首先用40 mL正己烷沉淀沥青质,然后用硅胶/氧化铝柱层析法进行族组分分离,分别用5 mL正己烷、6 mL正己烷/二氯甲烷混合液(体积比7∶3)和5 mL二氯甲烷/甲醇(体积比95∶5)洗脱得到饱和烃、芳香烃和非烃馏分。全油和饱和烃组分采用美国Agilent 6890/5975GC-MS仪器进行气相色谱—质谱分析,色谱柱为HP-5MS毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm);芳香烃组分采用美国Agilent 6890/5975GC-MS仪器进行气相色谱—质谱分析,色谱柱为HP-5MS毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)。进样口温度均为300 ℃,载气均为99.999%氦气,流速均为1.0 mL/min。全油色质升温程序初始温度为50 ℃,保留 1 min,然后再以3℃/min速率升温至315 ℃,恒温15.67 min;饱和烃色质升温程序初始温度为50 ℃,保留1 min,然后以20 ℃/min速率升温至100 ℃,再以3 ℃/min速率升温至315 ℃并保留16.83 min;芳香烃色质升温程序初始温度为50 ℃,保留1 min,然后再以3 ℃/min速率升温至310 ℃,恒温21.5 min。检测方式均为全扫描+多离子检测(MID):电离能量为70 eV。原油物性和稳定碳同位素数据由中海油上海分公司研究院提供。
表1 西湖凹陷原油样品地球化学数据

Table 1 Geochemical data for the crude oil samples in the Xihu Sag

构造带 井号

深度

/m

密度/

(g/cm3

含蜡

/%

含硫

/%

气油比/(m3/m3

碳同位素

δ13C/‰

Pr/Ph

G/

C31H

αααC29-20S/(20S+20R)

C29-ββ/

(αα+ββ)

Tol/

nC7

nC7/

Mch

T

/℃

R c1

/%

MPI

R c2

/%

天台

反转带

T1 3 526~3 555 0.82 1.73 0.06 2 800 -26.7 5.34 0.29 0.48 0.59 4.17 0.33 129.67 0.92 0.71 0.82
T2 3 350~3 361 0.78 0.79 0.04 6 848 -27.0 6.19 0.35 0.42 0.57 0.87 0.50 129.14 0.91 0.71 0.82
T3 3 416~3 437 0.79 1.46 0.01 21 857 -27.1 6.29 0.27 0.47 0.55 3.26 0.42 127.79 0.90 0.62 0.77
T4 2 628~2 638 0.79 0.68 0.05 / -26.9 7.90 1.16 0.48 0.45 1.46 0.20 121.26 0.82 1.06 1.03
T4 2 704~2 719 0.79 0.17 0.02 / -26.4 5.87 0.95 0.49 0.52 2.81 0.24 120.43 0.80 0.93 0.96
T5 3 031~3 036 0.80 3.69 0.06 / -27.6 6.22 0.13 0.50 0.53 2.74 0.24 123.85 0.85 0.54 0.72

平湖

斜坡带

北部

P1 4 183~4 196 0.86 10.54 0.07 6 480 -26.3 5.17 0.18 0.55 0.62 4.20 0.28 126.67 0.88 1.22 1.13
P2 4 186~4 202 0.82 3.08 0.07 8 823 / 5.46 0.16 0.55 0.63 4.15 0.29 129.57 0.92 1.05 1.03
P3 4 150~4 169 0.84 2.11 0.10 16 552 -25.0 5.47 0.18 0.41 0.47 12.76 0.35 120.91 0.81 0.77 0.86

平湖

斜坡带

南部

P4 2 703~2 726 0.76 0.32 0.00 79 -26.6 7.95 0.12 0.53 0.56 0.19 0.42 128.46 0.90 0.65 0.79
P4 3 031~3 038 0.79 1.08 0.00 4 765 -26.6 6.02 0.18 0.49 0.51 2.17 0.20 119.39 0.79 1.00 1.00
P5 2 850~2 854 0.75 1.19 0.07 72 -26.6 8.00 0.09 0.43 0.48 0.08 0.41 128.37 0.90 0.75 0.85
P5 3 310~3 317 0.77 1.62 0.05 8 979 -26.8 6.91 0.09 0.47 0.51 2.75 0.28 122.50 0.83 0.83 0.90
P5 3 223~3 242 0.79 1.78 0.07 5 227 -26.7 6.81 0.08 0.50 0.56 1.41 0.29 125.15 0.86 0.88 0.92
P6 3 500~3 519 0.79 1.54 0.14 9 145 -26.9 6.18 0.11 0.52 0.56 2.82 0.28 124.85 0.86 1.00 1.00
P6 3 777~3 782 0.85 3.13 0.23 / -26.9 5.62 0.08 0.53 0.58 2.27 0.25 126.09 0.87 0.74 0.85

注:Pr/Ph代表姥鲛烷/植烷;G/C31H代表伽马蜡烷/C31藿烷;Tol/nC7代表甲苯/正庚烷;nC7/Mch代表正庚烷/甲基环己烷; T代表原油生成时最大温度,T=140 +15×Ln(2,4-二甲基戊烷/2,3-二甲基戊烷); R c1代表原油生成时最大温度T的等效成熟度,R c1=0.012 3×T -0.676 4;MPI代表甲基菲指数,MPI=1.5×(2-甲基菲+3-甲基菲)/(菲+1-甲基菲+9-甲基菲);R c2代表甲基菲指数的等效成熟度,R c2=0.6×MPI+0.4(R c2为0.65%~1.35%),R c2=-0.6×MPI +2.3(R c2为1.35%~2.0%);“/”代表无数据

3 油源分析

西湖凹陷16个原油样品的全油碳同位素组成基本相似,分布范围为-27.6‰~-25.0‰,平均值为-26.6‰,属于煤成油范围21。姥鲛烷相对于植烷占明显优势,姥植比(Pr/Ph)普遍大于6,说明原油主要为偏氧化环境沉积的陆源有机质贡献22表1)。由图2可见,西湖凹陷原油均检测到了奥利烷,甾烷系列以C29规则甾烷为主,呈反“L”形分布,且二萜类化合物极为丰富,其丰度远高于五环三萜类化合物,表明成油母质主要为裸子植物中的树脂23-24。油样的伽马蜡烷/C31藿烷值介于0.08~1.16之间(表1),且平湖斜坡带原油要低于天台反转带原油,表明由北往南沉积水体的古盐度具有递增的趋势。另外,原油的m/z 177质量色谱图中显示无25-降藿烷系列,说明原油并未遭受强烈生物降解影响25。C29甾烷成熟度参数20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)分别为0.41~0.55和0.45~0.63,而20S/(20S+20R)值平衡终点约为0.52~0.55,表明部分原油已达甾烷异构化终点,甾烷异构化参数已失效(图3)。MANGO等26-27基于大量原油分析数据提出,2,4-二甲基戊烷与2,3-二甲基戊烷的比值能够有效地反映烃类生成温度,且该比值与母质类型、成藏时间等因素无关,通过相应公式计算得知,西湖凹陷原油生成最大温度为119.67~129.67 ℃,折算成等效成熟度约为0.79%~0.92%(表1)。同时,通过甲基菲指数28计算原油等效成熟度约为0.72%~1.13%,其中平湖斜坡带北部略高于南部和天台反转带,但整体上均属于成熟原油(表1)。综上,本文认为研究区所取油样母源相似,主要为陆源高等植物输入,其中凝析油并非来自于高热演化烃源岩29和低成熟烃源岩30-31,为次生作用来源可能性较大。
图2 西湖凹陷不同构造带典型原油饱和烃馏分质量色谱对比

Fig.2 Comparison of mass chromatograms of saturated hydrocarbon fractions of typical crude oil in different tectonic belts of the Xihu Sag

图3 西湖凹陷原油C29甾烷成熟度参数

Fig.3 Correlation of C29 sterane 20S/(20S+20R) and ββ/(αα+ββ) of the crude oil from the Xihu Sag

4 原油“气洗”地球化学特征

当正常原油被天然气侵入时,原油中低分子量的烃类由于具有较大的饱和蒸汽压,从而易于被溶解在气相中并沿运移通道脱离原始油藏,在适宜的条件下形成新的凝析油藏;而高分子量的烃类相对则更易于保留在液相中,导致被“气洗”过的残余油表现出低分子量烃类亏损、高分子量烃类富集的特征。

4.1 物性特征

原油物性通常与生油母质、热演化程度及次生作用等因素有关,是其化学组成的宏观体现。西湖凹陷已发现的原油主要为凝析油、轻质油和蜡质油,不同构造带原油的物理性质具有差异,天台反转带主要为低密度、低含蜡量和低硫的凝析油,具有较高的气油比(GOR),而平湖斜坡带凝析油、轻质油和蜡质油均有发现,其北部原油的密度、含蜡量和GOR要明显高于南部(表1)。总体来说,西湖凹陷油气藏类型复杂,发育多个凝析油藏、气藏及带油环的凝析气藏,具有“上油下气”的特征。

4.2 轻烃特征

轻烃是原油和天然气中的重要组成部分,不同学者对其定义和研究重点有所不同,目前C4—C8轻烃化合物研究较为深入32。除油气成因和热演化程度外,蒸发分馏等次生作用也会对油气轻烃组成产生影响33。据THOMPSON3提出的正庚烷/甲基环己烷(nC7/Mch)和甲苯/正庚烷(Tol/nC7)关系图,可以判别原油遭受次生作用的类型和程度,包括蒸发分馏、生物降解和水洗(图4)。西湖凹陷所有油样的nC7/Mch值呈集中分布,约为0.3,Tol/nC7值在0.19~12.76之间,表明其经历了不同程度的蒸发分馏。从图5原油的轻烃色谱图中可以看出,天台反转带和平湖斜坡带北部的原油中C4—C8正构烷烃含量较低,苯和甲苯等轻芳烃化合物含量较高,且大部分原油的Tol/nC7值在2.74以上,最高可达12.76,表明该区域原油经历了较为强烈的蒸发分馏;而平湖斜坡带南部原油则表现为正构烷烃占优势,同碳数的轻芳烃化合物含量较低,Tol/nC7值在0.08~2.82之间,表明该区域原油所受蒸发分馏作用影响较小(表1)。
图4 西湖凹陷原油石蜡度与芳香度关系(据THOMPSON3

Fig.4 Relationship between Tol/nC7(aromaticity) and nC7/Mch (paraffinicity) of crude oil in the Xihu Sag (modified from THOMPSON3

图5 西湖凹陷不同构造带典型原油轻烃色谱图特征

(a)T1井,3 526~3 555 m,天台反转带,原油;(b)P2井,4 186~4 202 m,平湖斜坡带北部,原油;(c)P5井,2 850~ 2 854 m,平湖斜坡带南部,原油

Fig.5 Characteristics of the light hydrocarbon chromatograms of typical crude oil in different tectonic belts of the Xihu Sag

4.3 正构烷烃特征

KISSIN10曾指出未遭受分馏或其他改造的原油,其正构烷烃的摩尔浓度对数与相应的碳数之间存在指数关系。该关系式可表示为:
L n [ M C ( n ) ]   =   a × n   + L n A
式中:MC(n) 为正构烷烃质量摩尔浓度;n为正构烷烃碳数;a为线性关系拟合直线的斜率(斜率因子);A为归一化因子。
经过气洗作用的原油通常显示正构烷烃的轻组分急剧减少,但重组分的减少相对较弱,这表明残余油中正构烷烃的摩尔浓度与相应碳数之间的指数关系由两部分组成,折点碳数之前的正构烷烃受气洗作用影响导致拟合直线发生偏移,而折点碳数之后的高碳数正构烷烃仍保留原有的线性分布。LOSH等11对美国路易斯安那近岸的200多种原油进行了研究,提出了运用正构烷烃损失量(Q)来定量表征原油气洗作用强度。Q的计算公式如下:
Q   =   [ 1 - Σ M n C i ( 实测 ) / Σ M n C i ( 未分 馏值 ) ] × 100 %
式中:ΣMnCi为原油中nC10(含nC10)以上正构烷烃的质量之和。
通过对西湖凹陷原油进行全油气相色谱分析,可以看出P5井原油正构烷烃分布完整,表明其经历的“气洗”程度较小[图6(a)];而P2井原油经历了强烈“气洗”,nC20之前的正构烷烃损失严重,nC20之后的正构烷烃的损失随着碳数增加而逐渐减少[图6(b)]。基于上述Q值的计算方法,并以P5井和P2井原油的数据为例[图6(c),图6(d)],计算了所有油样的正构烷烃损失量,计算结果见表2。结果表明16个油样均经历了不同程度气洗作用。平面上看,平湖斜坡带北部原油的Q值高达96.8%,其“气洗”程度明显要高于其南部原油,天台反转带原油的Q值为75.3%~94.5%,“气洗”程度居于两者之间,这与前文中石蜡度和芳香度所得出的结果一致。同井不同深度油样也有区别,如T4井、P5井和P6井深层的原油的Q值和折点碳数要高于浅层原油,表明随着深度的增加,“气洗”作用程度增强(表2)。
图6 西湖凹陷原油气相色谱图及正构烷烃损失量计算方法

(a)、(c)P5井,平湖斜坡带南部,2 850~2 854 m,原油; (b)、(d)P2井,平湖斜坡带北部,4 186~4 202 m,原油

Fig. 6 Gas chromatograms of the crude oils and the calculation method of the n-alkanes mass depletion from the Xihu Sag

表2 西湖凹陷原油样品的正构烷烃损失量

Table 2 The n-alkane mass depletion of the crude oil samples from the Xihu Sag

构造带 井号 深度/m 正构烷烃损失量(Q)/% 折点碳数
天台反转带 T1 3 526~3 555 94.5 28
T2 3 350~3 361 90.2 29
T3 3 416~3 437 91.5 31
T4 2 628~2 638 75.3 19
T4 2 704~2 719 81.6 20
T5 3 031~3 036 85.0 24
平湖斜坡带北部 P1 4 183~4 196 92.3 30
P2 4 186~4 202 91.4 29
P3 4 150~4 169 96.8 30
平湖斜坡带南部 P4 2 703~2 726 50.8 16
P4 3 031~3 038 74.1 23
P5 2 850~2 854 34.7 15
P5 3 310~3 317 86.4 28
P5 3 223~3 242 90.1 29
P6 3 500~3 519 84.3 29
P6 3 777~3 782 91.2 27

4.4 金刚烷特征

气洗作用除了对原油中轻烃和正构烷烃具有较大影响外,对原油中金刚烷组成也具有一定影响。MOLDOWAN等34认为原油遭受“气洗”后,流体的甲基单金刚烷和甲基双金刚烷会发生配分,形成的次生凝析油中具有更高的甲基单金刚烷,残余油中更富含甲基双金刚烷组分。CHAKHMAKHCHEV等35利用甲烷和凝析油的混合气体,在压力逐渐降低时对其冷凝液中金刚烷进行定量分析,认为单金刚烷/双金刚烷(A/D)可用于判别发生分馏后的轻质油和凝析油。本文研究使用D16-单金刚烷作为原油中金刚烷的内标进行GC—MS定量分析,并通过相对保留时间、出峰顺序及质谱特征与前人进行比较36,检测并定量了所有油样的单金刚烷及双金刚烷系列化合物。由表3可见,西湖原油的4-甲基双金刚烷+3-甲基双金刚烷(4-MD+3-MD)含量较低,为(6.46~62.09)×10-6,平均值为25.59×10-6,表明原油并未发生强烈热裂解作用37。另外,金刚烷化合物总量(As+Ds)及相关参数在不同构造带之间也具有较大差异,天台反转带和平湖斜坡带北部原油的As+Ds值较高,分别为(919.90~2 496.99)×10-6和(734.33~2 801.08)×10-6,平均值分别为1 551.26×10-6和1 572.68×10-6;平湖斜坡带南部原油的As+Ds值较低,为(284.85~954.38)×10-6,平均值为556.09×10-6;同样,天台反转带和平湖斜坡带北部原油的金刚烷相关参数比值(A/D、MAs/MDs、As/Ds)也要高于平湖斜坡带南部(表3)。通过对比不同“气洗”地球化学参数之间的相关性可以发现,正构烷烃损失量与原油密度和Tol/nC7之间具有良好的正相关关系,即受“气洗”程度越强的原油,其密度和芳烃含量越高,越表现出残余油的特征[图7(a),图7(b)]。然而,正构烷烃损失量与A/D值和As+Ds值在不同构造带原油间却表现出不同的趋势,平湖斜坡带南部随着原油受“气洗”程度的增强,A/D值和As+Ds值逐渐降低,表现出残余油的特征;而平湖斜坡带北部和天台反转带原油则相反,A/D值和As+Ds值不减反增,这似乎不太符合传统认识中“气洗”残余油中金刚烷含量相对较低的特征,那是否意味着应用地球化学参数来判识原油“气洗”作用具有缺陷呢?
表3 西湖凹陷原油金刚烷含量及参数

Table 3 Concentrations of diamondoids and indexes of oil samples from the Xihu Sag

构造带 井号 深度/m 4-MD+3-MD/10-6 As/10-6 Ds/10-6 (As+Ds)/10-6 A/D MAs/MDs As/Ds
天台反转带 T1 3 526~3 555 39.03 1 171.01 133.33 1 304.34 1.51 4.97 8.78
T2 3 350~3 361 30.17 1 423.12 98.60 1 521.72 2.30 7.91 14.43
T3 3 416~3 437 40.11 2 367.48 129.51 2 496.99 2.62 8.99 18.28
T4 2 628~2 638 51.68 1 011.50 178.20 1 189.70 1.10 2.86 5.68
T4 2 704~2 719 31.88 1 747.65 127.27 1 874.92 1.78 8.73 13.73
T5 3 031~3 036 30.16 791.90 128.00 919.90 1.24 3.54 6.19
平湖斜坡带北部 P1 4 183~4 196 33.44 1 041.48 141.16 1 182.64 1.22 6.24 7.38
P2 4 186 ~4 202 27.21 619.01 115.31 734.33 1.38 2.75 5.37
P3 4 150~4 169 62.09 2 599.88 201.19 2 801.08 2.82 8.32 12.92
平湖斜坡带南部 P4 2 703~2 726 13.82 897.45 56.94 954.38 1.49 11.66 15.76
P4 3 031~3 038 14.61 762.23 74.55 836.78 1.04 6.67 10.22
P5 2 850~2 854 6.51 560.83 37.64 598.47 1.69 8.66 14.90
P5 3 310~3 317 7.44 429.81 48.88 478.70 0.95 5.34 8.79
P5 3 223~3 242 6.67 355.64 41.54 397.18 0.92 5.28 8.56
P6 3 500~3 519 6.46 306.48 35.80 342.27 0.90 5.45 8.56
P6 3 777~3 782 8.09 240.26 44.58 284.85 0.47 3.20 5.39

注:4⁃MD+3⁃MD 代表4⁃甲基双金刚烷+3⁃甲基双金刚烷含量;As代表单金刚烷系列含量;Ds代表双金刚烷系列含量;As+Ds代表金刚烷化合物总量;A/D代表单金刚烷/双金刚烷;MAs/MDs 代表甲基单金刚烷/甲基双金刚烷

图7 西湖凹陷原油“气洗”地球化学参数相关关系

Fig.7 Correlation of gas-washing geochemical parameters of the crude oils in the Xihu Sag

可能并非如此。地下成熟的碳氢化合物通常以单相混合物开始,随着碳氢化合物流体的迁移,它们经历的压力和温度变化会导致流体分离为不同的流体(液体和蒸汽)5。它们在气—液两相中的含量通常与溶解度和饱和蒸汽压有关。例如,温度在21.85 ℃条件下,正庚烷、甲基环己烷、甲苯和二甲苯的饱和蒸汽压分别为5.24 kPa、5.33 kPa、3.33 kPa和0.82 kPa,而在更高温度的49.85 ℃时,单金刚烷化合物和双金刚烷化合物的饱和蒸汽压仅为0.104 kPa和0.0046 kPa38,表明它们在相同条件下溶于气相的能力不同(由易到难):甲基环己烷>正庚烷>甲苯>二甲苯>单金刚烷>双金刚烷。因此,随着“气洗”程度的增强,残余油中烃类碳数会越来越高,由此天然气携带的芳烃含量会显著高于正构烷烃,从而逐渐呈现分馏出来的产物中Tol/nC7值越来越大,残余产物由于受强烈“气洗”此时Tol/nC7值也较大,导致残余产物和分馏产物均具有较高的Tol/nC7值,这也正是陈建平等39认为THOMPSON研究的石蜡度和芳香度图版虽然不能准确判断凝析油成因,但仍然可以成为判断原油所经历的“气洗”程度强弱的主要原因[图4图7(b)]。然而,金刚烷类化合物较低碳数芳烃及低碳数正构烷烃更偏向于保留在液相中,并不会像低碳数正构烷烃在早期“气洗”阶段大量损失,并且由于单金刚烷相对双金刚烷在气相中具有更高的溶解度40,所以无论是“气洗”程度强还是弱,分馏出来的产物中会更富集单金刚烷类化合物,残余产物更富集双金刚烷类化合物。
正如图7(c)、图7(d)所示,平湖斜坡带南部原油随着“气洗”程度增强,单金刚烷含量逐渐降低;至于平湖斜坡带北部和天台反转带原油具有较高的单金刚烷含量,可能是由于额外的天然气或“气洗”分馏出来的产物混入所造成,但这还需要结合实际地质条件、油气的物理化学性质及在区域上的分布等进行综合分析。

5 原油“气洗”主控因素及成因

5.1 原油“气洗”主控因素

前人1641发现西湖凹陷已具备发生大规模气洗作用的地质条件:①高有机质丰度的煤系气源岩;②众多断裂通道;③合适的油气充注时期。对于不同构造带原油受“气洗”程度的差异,除了上述这些导致“气洗”发生的基础条件外,油藏深度和烃源岩的生气强度也是导致该差异的主要因素。
图8可见,西湖凹陷原油正构烷烃损失量和折点碳数随深度加深而增大,因此层位越深,天然气充注强度越大,“气洗”程度也越大。除此之外,苏爱国等42利用模拟实验证明了在130 ℃和55 MPa的温压条件下气洗作用效率要远高于70 ℃和30 MPa的温压条件,深度越深,温压越高,相应的气洗作用越强。因此,油藏深度是影响原油气洗作用强弱的主要因素之一。
图8 西湖凹陷原油正构烷烃损失量和折点碳数与深度关系

Fig.8 Stratigraphic distribution characteristics of the n-alkanes mass depletion and break number in crude oil of the Xihu Sag

烃源岩的生气强度是烃源岩厚度、有机质丰度、类型及成熟度的综合体现43。本文研究通过盆地模拟软件模拟了西湖凹陷生气强度等值线图(图9),结果表明,西湖凹陷生气强度最高可达6×106 t/km2,高生气强度区主要分布在P1井及T1井、T2井、T3井附近,其原油正构烷烃损失量Q值也较高;而P4井和P5井生气强度较低,约为1.0×106 t/km2和1.5×106 t/km2,其原油正构烷烃损失量Q值较低。因此生气强度越大的区域,原油“气洗”程度越大。
图9 西湖凹陷生气强度等值线图

Fig.9 Contour map of gas generation intensity in the Xihu Sag

5.2 原油“气洗”成因

西湖凹陷油气成藏研究表明,平湖斜坡带北部原油主要来源于平湖组煤系源岩44-45,天然气具有“双重供烃”的特征,一部分处于成熟阶段来源于下方平湖组煤系泥岩;另一部分来源于东部的中央反转带源岩的晚期高成熟天然气46-47。该区域原油具有较高的气油比,密度和含蜡量也相对较高,Tol/nC7值和Q值分别在4.15和90%以上,整体上表现出强烈“气洗”的残余油特征,但从P2井原油的气相色谱图可以看出,仍然具有一定的轻烃含量,低碳数正构烷烃也并未损失殆尽[图6(b)]。并且原油中金刚烷的绝对含量较高,说明油藏早期已经历过强烈蒸发分馏,晚期可能受到中央反转带运移而来的高熟天然气侵入发生混合,导致原油中轻烃及金刚烷含量增加,尤其是单金刚烷系列化合物[图10(a)]。
图10 西湖凹陷油气运移剖面(剖面位置见图1)

(a)平湖斜坡带北部;(b)平湖斜坡带南部;(c)天台反转带

Fig.10 Oil and gas migration profile in the Xihu Sag (the profile location is shown in Fig.1)

平湖斜坡带南部油气主要为平湖组下段煤系泥岩和煤所生,沿断层垂向运移而来1648。该区域原油具有较低的密度、含蜡量,其Tol/nC7值和Q值较低且与深度呈正相关关系表明该区域并未发生强烈“气洗”,油藏被少量天然气侵入后,压力平衡破坏导致液相溢出发生运移分馏,在向上运移过程中由于温度、压力的降低,逐渐形成蜡质油藏、轻质油藏和凝析油藏,因此在平湖组形成的残余油具有较高Q值和较低A/D值,在花港组形成的凝析油具有较低Q值和较高A/D值[图10(b)]。
天台反转带油气来源于平湖组下段成熟度高的源岩,具有垂向运移成藏的特征15。该区域原油应为蒸发分馏形成的次生凝析油,以其低的密度和含蜡量、高的GOR及单金刚烷系列化合物含量远高于双金刚烷系列化合物含量可以表明。但原油中具有一定含量的高碳数的正构烷烃,这也是计算的Q值较大的原因。本文认为高碳数正构烷烃可能是天然气侵入深部油藏后携带而来。由于早期形成的油藏被天然气侵入发生分馏,低碳数正构烷烃大量损失,随着天然气持续侵入,天然气携带的高碳数正构烷烃相对含量逐渐增加,饱含液态烃的气相沿断层向上运移,优先在适宜储层形成气藏。当储层空间不足时,气相会继续向上运移至花港组较浅的储层,由于温度压力降低而形成具有高的A/D值和高Q值的凝析油,这也是该区域形成“上油下气”局面的主要原因,同时也暗指了深部储层可能具有尚未发现的轻质、蜡质油藏[图10(c)]。

6 结论

(1)西湖凹陷原油的地球化学研究结果表明,平湖斜坡带和天台反转带原油的类异戊二烯烃、甾烷、萜烷指纹特征及碳同位素特征相似,均显示出以偏氧化环境沉积的陆源有机质贡献为主的特征,为成熟原油。但不同原油的物性特征、轻烃、正构烷烃及金刚烷分布特征存在较大差异,通过计算原油的石蜡度、芳香度和正构烷烃损失量及对金刚烷系列化合物进行定量分析,认为该差异主要为原油所遭受的“气洗”程度和方式不同所致,并非生物降解或热裂解。
(2)研究区原油石蜡度(nC7/Mch)、芳香度(Tol/nC7)及正构烷烃损失量(Q)计算结果表明,平湖斜坡带北部和天台反转带原油“气洗”程度较大,Q值分别为91.4%~96.8%和75.3%~94.5%;平湖斜坡带南部原油“气洗”程度相对较弱,Q值为34.7%~91.2%。油藏的深度和烃源岩的生气强度共同控制了原油“气洗”程度强弱。
(3)为进一步厘清原油的气洗作用过程及成因,对油气藏地质和地球化学资料进行了综合分析,结果表明,平湖斜坡带北部原油主要为强烈蒸发分馏后的残余油,晚期可能被东部横向运移而来的高熟天然气混入,使原油中部分轻烃和金刚烷化合物含量升高;平湖斜坡带南部原油主要受运移分馏作用影响,浅层聚集次生凝析油藏,金刚烷含量相对较高,分馏后的残余油在深层形成轻质油和蜡质油藏,金刚烷含量较低;天台反转带原油具有高的金刚烷含量,主要为“气洗”晚期蒸发分馏形成的次生凝析油,其残余油目前尚未发现,暗指深部储层或许具有一定规模的轻质、蜡质油藏,这也是该区域形成“上油下气”局面的主要原因。
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Outlines

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