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东营凹陷C29甾烷成熟度参数演化规律及其控制因_生物标志物

时间:2012-10-17  作者:介绍
在2.8~3.5km区间,分子成熟度参数C29ββ/(ββ+αα),C2920S/(20S+20R)和相关异构体的分布及演化是热力作用控制。可以看出,在本研究中到达热演化平衡状态之前(2.8~3.5km),随热演化增强,C29甾烷体系中Sαα、Sββ相对含量在上升,Rαα、Rββ相对含量在下降,其中Rαα相对含量下降最为显著(图2)。这是由于,R型两个异构体裂解速率相对快,S型两个异构体热降解速率相对慢;αα结构的裂解速率相对快,ββ结构的热降解速率相对慢,在转变过程中存在一部分R型(主要为C29Rαα)向S型转化,转变速率的快慢顺序为:C29Rαα、C29Rββ、C29Sαα、C29Sββ。

这与Requejo(1992,1994)和Farrimond 等(1998)认识基本一致,基本观点在于C29甾烷生物标志物的演变主要在于热稳定性的差异引起热降解速率的不同,而热降解速率的差异引起剩余相对浓度的不同变化,在这过程中包含一部分异构体之间的相互转化,但应该不是主要贡献。

4.2 3.57~4.0km分子成熟度参数的逆转

分子生物标志物及相关成熟度参数在较高的成熟度阶段演化趋势出现倒转现象很早已为科学家注意到。Lewan (1986) 对Phosphoria Retort 页岩加水热解实验时观察到C2920S/(20S+20R)在 330C以前随温度升高而增大,到330℃ 到达热演化平衡值0.55,之后演化趋势出现逆转。Peters和Moldowan(1990)通过对Santa Maria盆地未成熟Phosphatic页岩加水热解实验 ,结果发现富含白云石和磷酸盐的样品在到达实验温度330℃时,C29ββ/(ββ+αα)和C2920S/(20S+20R)均到达热演化平衡状态生物标志物,随后均出现“逆转”,与 Lewan (1986)的 实验观察结果非常一致;但在该实验中,富含粘土矿物的样品在实验过程中C29ββ/(ββ+αα)和C29S/(S+R)继续增加,因此矿物组成的差异可能是引起异构化参数改变的重要原因,他们推测异构化参数的变化在低温下取决于异构化作用,而在高温下异构体热稳定性差异是主要的控制因素。Strachan等(1989)对澳大利亚Carnavon盆地Cape Range 2号井侏罗系黑色页岩进行热解,结果发现在2850m左右,C29甾烷S/ (S+R)到达热演化平衡值0.55,之后也发生逆转,他们认为这与 S构型和R构型热稳定性差异引起的裂解速率及高的有机质丰度和低的矿物含量导致裂解过程的滞后有关。在中国的在四川盆地平落坝、大庆昌德地区源岩(或干气层) 的成熟度指标Ro大于1.65%,但对应的C29ββ/(ββ+αα)和C2920S/(20S+20R)值均小于该地区及相邻地区该指标的平衡值,陈世加等(1997)认为造成该比值倒转的原因是高、过成熟阶段不同构型裂解速率差异的结果。

本文中C29甾烷系列参数在研究剖面上的“逆转”特征显示出不同源岩及矿物组成对生物标志物成熟度参数的影响论文格式模板。研究区C29ββ/(ββ+αα)和C2920S/(20S+20R)值在3.5km~3.6km演化趋势开始发生“负逆转”,与所选样品在该井段碳酸盐含量的陡然增高有着良好的一致性。

对所选样品井(丰8井、史121井)分析可知,在3.5km以上,烃源岩层主要是钙质泥岩与粘土质泥岩互层,而到3.5km以下,形成蒸发岩与泥岩共生体系,石膏及岩盐含量大量增加,高盐环境中的特征元素及相关比值Sr、Sr/Ba、Sr/Ca等出现显著的高值响应(图4)。高含量的碳酸盐与两参数的负逆转之间存在良好的耦合关系,良好体现了碳酸盐矿物对有机质热演化具有抑制作用或迟缓效应(Chen et al., 2008)。伽马蜡烷的高值响应也显示了其为高盐的咸水环境(图5,图6)和该咸水环境中存在与盐跃层有关的水体分层现象(Peters et al, 1993; Sinninghe Damsté et al., 1995;Wang, 2002)。图6中长链的升藿烷分布呈现 C35升藿烷> C34 升藿烷> C33升藿烷的翘尾状,这也是高盐环境中典型的生物标志物分布特征(Seifert et al, 1979,1981; Tissot et al,1984; zhu et al, 2004)。

在研究的50个样品中,我们对其中的30个样品进行了Rock-Eval热解分析,结果可获得热解S1、S2和Pr、Ph等色谱相关参数。丰8井中的3个数据点(3816.3m,3818m, 3947m)显示相对高的Pr/n-C17、Ph/n-C18 和低的Pr/Ph值(表2)。 Pr/Ph和Gammacerane/C30 17α-Hopane参数的分布均被良好地分成两部分生物标志物,其中来自沙四段的蒸发岩体系中的样品显示植烷优势(Pr/Ph <1.0)和相对高的伽马腊烷响应(图7),显示出其中水体盐度的增加。这个结果与Ten Haven et al.(1987) 和 Schwark et al, (1998)的相关人士一致。Ten Haven et al.(1987)认为低的Pr/Ph(<1)是典型的高盐环境,该比值与嗜盐细菌存在的水体盐度有关。同样地,Schwark et al (1998) 研究表明,在德国Kupferschiefer地层沉积过程中Pr/Ph有一个逐渐降低的现象,他们将之归因于盐度升高的缘故。虽然Pr/Ph准确描述还原的古沉积环境还与其他因素有关,譬如源岩输入的变化、不同的早期生成速率,成熟度的变化及分析的不确定性,Pr/Ph和伽马蜡烷的相关分布进一步表明了他们与盐度的相互关系。

对进行热解和色谱分析的30个样品进行了统计分析,结果表明,C29ββ/(ββ+αα) 、C2920S/(20S+20R) 和常规成熟度参数Ro之间存在正相关性。然而,来自于丰8井沙四段的三个样品 (3816.3m, 3818m, 3947m)呈现偏离正常分布的异常趋势,这表明随着Ro的增加, 这3个样品的C29ββ/(ββ+αα)增加不明显,而C2920S/(20S+20R)参数值甚至有所下降(图8)。这意味着,相对于 Ro而言,高盐环境对C29ββ/(ββ+αα)、C2920S/(20S+20R)值的负面影响更显著。

在Es4段3.5km以下的高盐环境中,随着埋藏深度的增加,异构体Sαα、Sββ的相对含量减少,Rαα、Rββ的相对含量增加;总的ββ型(Sββ+Rββ)和S-型(Sαα+Sββ)相对含量降低,而总的αα型相对含量(Sαα+Rαα) 和总的R-型相对含量 (Rαα+Rββ) 上升。这意味着相对于20S 型and ββ 结构异构体来说,20R 型和 αα结构的异构体的转化被延缓或受到抑制。 .

C29ββ/(ββ+αα)和C2920S/(20S+20R)在高盐环境中的负向反转反映了膏-盐类矿物对异构化进程和有机质热演化的负面影响。这种膏-盐类矿物对生物标志物成熟度参数的负面影响作用还表现于分子成熟度参数Ts/Tm、Ts/ (Ts+Tm)的分布,他们呈现出与 C29ββ/(ββ+αα)、C2920S/(20S+20R)相似的负向反转(图9)。

C29ββ/(ββ+ αα) 与C2920S/(20S+20R)的反转与蒸发盐类和碳酸盐类有关,而不是异构化的结果生物标志物,虽然异构化作用通常被认为是控制生物标志物相对浓度及分子成熟度参数的主要因素。能进一步说明碳酸盐矿物中有机质成熟度的迟缓效应的现象是在许多碳酸盐沉积体系中发现许多未熟-低熟油。如勘探实践发现美国南佛罗里达盆地下白垩统泻湖相碳酸盐岩一蒸发岩层系、我国江汉盆地广33井和柴达木盆地开浅67井、跃参1井中均存在未熟-低熟油,其源岩均为碳酸盐含量较高的泥质岩一蒸发岩层系。以泌阳凹陷为例,泌阳凹陷古近系核桃园组核二段下部和核三段上部白云岩相区的生油门限深度比泥岩相区约深300m,其生油岩甾烷、萜烷的成熟度指标所反映的成熟度与岩石中的碳酸盐含量明显负相关,相关研究认为碳酸盐矿物造成有机质向油气转化过程的迟缓效应,是碳酸盐岩生油岩中油气生成过程滞后的重要原因,这种迟缓效应是碳酸盐岩生油岩中缺乏粘土矿物催化作用所造成(妥进才等,1994)。因为泥页岩中的粘土矿物对干酪根的演化具有催化作用,使干酪根易于转化,而碳酸盐岩中粘土矿物的含量低,有时甚至基本缺失,加上碳酸盐中方解石的催化作用小或无催化作用所致(卞良樵等 ,1989)。相关热模拟实验也显示了不同介质对干酪根热解生烃过程的影响:碳酸盐岩对干酪根生烃过程具有反催化作用,随着温度的增加,反催化作用越明显(赵桂瑜等,2005),在金刚烷的相关模拟试验中也显示出碳酸盐对金刚烷的生成及金刚烷参数的演化具有抑制作用(Wei et al,2006)论文格式模板。也有研究认为这与碳酸盐矿物中有机质的赋存方式有关,在碳酸盐沉积体中,有机质主要存在于隐晶质或细晶质的碳酸盐矿物内,所以不容易释放出来,但随着温度的升高,有机质的释放率增大(解启来等,2000)。

蒸发岩体系中生物标志物,热演化的迟缓效应不仅为生物标志物成熟度参数所反映,常规成熟度参数镜质体反射率Ro和热解峰温参数Tmax的分布也说明了这一点(图10),它们在蒸发岩体系中出现相似的负逆转。但是两者又有差异:对于Ro和Tmax来说,在2400m左右就开始出现显著的负异常,而这正与该区超压的分布有着良好的一致关系。在3400m左右,Ro和Tmax显示了更强的负偏移。这些结果表明,两种类型的抑制作用于Ro和Tmax。东营凹陷的超压分布于沙三段中、下部的泥岩和沙四段的膏-盐中(陈中红和查明,2008)。在2400m~3400m,Ro和Tmax的负偏转显示了超压的抑制作用,而3400m到4000m高盐环境中的Ro 和Tmax的更强的负偏转表明与咸水环境中热演化的迟缓效应有关。

5 结论

1)分子生物标志物成熟度参数C2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)在地质剖面中的演化与相关标志物的演化有关,该参数的增加时由于相关异构体的生成速率和热降解的速率的差异。20R型异构体的转化比20S型异构体转化速率快,这其中包含部分20R向20S转化。αα结构的C2924-乙基胆甾烷异构体热降解速率快于ββ结构的C2924-乙基胆甾烷异构体。

2) 东营凹陷古近系3.5km以下的蒸发岩沉积体系是一种高盐的咸水环境。 在这种环境中呈现高的 Sr/Ba, Sr/Ca, Fe/Mn, Pr/n-C17, Ph/n-C18, 伽马蜡烷和低的Pr/Ph响应。

3)生物标志物分子成熟度参数C29ββ/(ββ+αα)、C2920S/(20S+20R)和Ts/(Ts+Tm)的负向偏转表明,膏-盐类矿物对生物标志物异构体的异构化进程和有机质热演化有延缓或抑制作用。

致谢:

该研究受到国家自然科学基金(40802026)和高校基本科研业务费资助。感谢中石化胜利油田有限公司的合作和热情帮助,感谢Christopher Tiratsoo 对本文在语言上的修改,同时感谢评审专家和编辑部的杨雷女士给本文提出的非常宝贵的修改意见。


参考文献:
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