Fuel: 叠合盆地生物降解原油的次生热蚀变改造作用

廖玉宏 研究员

国西部含油气盆地是典型的叠合盆地,如塔里木盆地,经历了复杂的构造运动,导致油藏发生了复杂的叠加次生蚀变,如早期发生的生物降解作用和晚期发生的热蚀变作用相叠加。以往的研究已经揭示了生物降解或热蚀变各自对于原油生物标志物特征的影响。但对于叠加次生与热蚀变对生物标志化合物的影响尚未系统研究。在叠合油气盆地勘探中,缺乏对叠加次生蚀变过程对生物标志物特征的影响的了解,在一定程度上影响了对叠合盆地油气藏的来源和蚀变过程的判断。  针对这一问题,中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室廖玉宏研究员和刘卫民博士等人在黄金管封闭体系热模拟实验体系中以20°C/h升温速率将一系列具有同源和不同生物降解程度的原油人工熟化到不同成熟度(从 354°C,Easy%Ro = 0.66% 到450°C ,Easy%Ro = 1.41%),来模拟不同程度的生物降解作用和热成熟作用相叠加对原油组分和生物标志物特征的影响。研究发现,降解程度不同的原油的全貌和生物标志物特征在热蚀变过程中的变化都比较大。重度或严重生物降解的原油会缺失正构烷烃,但在后续的热蚀变过程中能够通过重组分的裂解生成一定数量的正构烷烃,并最终与未降解原油的全貌变得比较接近(图1)。因此,既不能简单地将现今原油中正构烷烃的消失与否作为判断叠合盆地油藏是否发生过中度以上生物降解的充分必要条件,也不能把现今原油中正构烷烃和UCM共存的现象作为正常原油与生物降解油两期充注的标志,而必须结合地质背景分析油藏的次生蚀变史。

图1.  生物降解程度不同的原油在热蚀变后(从 354°C, Easy%Ro = 0.66) 到450°C, Easy%Ro = 1.41)的的TIC谱图(L-0为未降解油,L-2代表降解程度为PM 2级的原油,L-5为PM 5级,L-8为PM 8级)。

生物降解程度不同的原油热蚀变后的甾萜类生物标志物的分布特征变化也比较大(图2、图3)。生物标志物的绝对浓度随热演化程度升高而下降很快,同时常用的油源对比指标如C27–29规则甾烷分布、TT23/H30和H29/H30的比值等都会不同程度地受到生物降解和热成熟作用的影响而与未降解原油的初始值出现偏差(图2、图3、表1),这些甾萜类指标往往只有在生物降解程度中度以下和Easy Ro%<0.91才有效。相比之下,三环萜比值TT23/(TT23+TT24)既抗严重生物降解又耐热蚀变,适合用于此情境下的油源对比工作。

图2  生物降解程度不同的原油在热蚀变后(从 354°C, Easy%Ro = 0.66) 到(450°C, Easy%Ro = 1.41)的甾烷分布(m/z 217,括号内为Easy Ro%值)。

图3  生物降解程度不同的原油在热蚀变后(从 354°C, Easy%Ro = 0.66) 到(450°C, Easy%Ro = 1.41))的萜烷分布(m/z 191)。

常用的热成熟度指标也会受到早期生物降解的影响。其中,生物降解作用对基于异构体的热成熟度指标的影响可以分为两类:一类包括升藿烷异构化指数和甲基菲指数等,会因为生物降解的选择性而呈现“欠平衡”特征,它们会在后续的热演化过程中在Easy Ro%=0.91%左右通过异构化反应逐渐接近于正常原油,并在更高演化阶段具有相似的数值和演化趋势;另一类包括甾烷异构化参数,会因为生物降解作用的选择性而呈现“过平衡”特征,它们可能会在热演化过程中随着重组分裂解释放一些生物标志化合物而逐渐趋同于正常原油的相应值并具有类似的演化趋势。 因此,有可能根据这些生物标志物指数表现出来的“矛盾”,结合主成分分析方法(PCA)等,来对原油经历的生物降解程度和热蚀变程度进行解耦和恢复。

表1 与油源相关的生物标志物指数在叠加次生蚀变过程中的变化.   备注:百分比指热解后原油相对于未降解油的初始值变动的幅度;标记“Y”说明与未降解油的初始值相比其变动小于 10%,为蚀变后仍旧可用的指标。

本研究结果对于恢复我国叠合盆地典型油藏的演化过程和次生蚀变史,探索有效的烃源对比方法、指标及其适用范围具有重要的理论和实际意义。该项成果得到国家自然科学基金面上项目、中国科学院A类先导科技专项课题以及有机地球化学国家重点实验室自主课题资助。论文近期发表在国际期刊《Fuel》上,本文的第一作者为广州地化所刘卫民博士,通讯作者为廖玉宏研究员,共同作者还包括广州地化所王云鹏研究员、博士生黄越义、广西师范大学潘银华博士、加拿大地质调查局姜春庆博士以及西北大学王晓峰教授。

论文信息:Liu, W., Liao, Y.*, Jiang, C., Pan, Y., Huang, Y., Wang, X. and Wang, Y., 2022. Superimposed secondary alteration of oil reservoirs. Part II: The characteristics of biomarkers under the superimposed influences of biodegradation and thermal alteration. Fuel, 307, p.121721.