海底表层沉积物中苯系物含量对海域油气指示作用研究_秦婧.pdf

2013 年 10 月 October 2013 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 32，No． 5 785 ～790 收稿日期 2013 －01 －06; 接受日期 2013 －03 －06 基金项目 国土资源部公益性行业科研专项 200911043 － 23 ; 中国地质调查局地质调查项目 12123516008 ; 国家地质 实验测试中心基本科研业务费项目 2012CSJ06 作者简介 秦婧， 硕士，主要从事油气地球化学研究工作。E- mail qinjing1985 hotmail． com。 通讯作者 汪双清，博士，研究员，从事有机地球化学研究。E- mail herr007163． com。 文章编号 02545357 2013 05078506 海底表层沉积物中苯系物含量对海域油气指示作用研究 秦婧，汪双清*，孙玮琳，杨佳佳，沈斌 国家地质实验测试中心，北京100037 摘要 国内外研究表明钻井岩心和海底沉积物样品中单环芳烃 BTEX 指标异常与油气藏直接相关并具有 高分辨、 高精度特征， 是有价值的油气地球化学勘探指标; 但由于较深沉积物样品的采集与检测技术成本较 高， 限制了 BTEX 指标在海域油气化探工作中的推广应用。本文利用渤海北部辽东湾海域浅海的表层沉积 物， 通过热解析与气相色谱技术方法对其苯系物含量的特征开展研究。数据分析结果表明， 在油气藏和生油 凹陷上方的苯系物含量总体高于凹陷外样品， 尤其是对二甲苯和间二甲苯均表现出明显差异， 表明表层沉积 物中的苯系物含量对生烃凹陷具有一定的指示作用。本文证实了利用表层沉积物中 BTEX 含量预测含油气 前景区的有效性， 热解析气相色谱检测苯系物含量方便快捷， 减小了采样成本和分析成本， 显示该技术方法 在海域油气化探领域具有良好的应用前景。通过对苯系物含量异常点的分析表明， 在沿岸及张性断裂上方 BTEX 含量出现异常高值， 显示人类活动以及断裂构造对表层沉积物中的苯系物含量有明显影响， 因此实际 工作中应结合地质特征和其他化探指标综合分析， 以降低单一化探指标的多解性。 关键词 渤海; 辽东湾; 苯系物; 沉积物; 油气化探 中图分类号 TE135． 4; O625． 511文献标识码 A 我国海域油气资源勘探正在成为未来油气勘探 取得新突破的重点方向。海域油气化探方法因其具 有低廉的成本， 可快速进行大范围的油气远景预测， 成为海域油气初步勘探的优势方法。近地表油气地 球化学勘查的关键是所用指标物对其下伏油气藏指 征意义的可靠性。Calhoum 等 ［1 － 3］在西得克萨斯和 新墨西哥西南地区利用野猫钻对单环芳烃 BTEX 苯、 甲苯、 乙苯、 二甲苯 指标进行了研究， 在发现 有油气的钻井上方， BTEX 异常非常显著， 利用 BTEX 这种异常对地下油气藏进行预测， 准确率达 76． 2。这是由于单环芳烃 BTEX 具有不易受细菌 分解作用影响， 几乎存在于任何类型的油气藏， 化学 性质稳定且分子体积小、 易于运移， 可在油气藏顶部 形成稳定异常 ［4 －5 ］等优点。在我国， 刘海生［6］对 BTEX 的油气地球化学勘探效果展开了研究， 认为 BTEX 指标对下伏油气藏具有专一性。张勇等 ［7］、 孙春岩等 ［8］利用激光单分子及单分子探测技术， 确 定了钻井样品和海底 1． 5 m 深处底泥样品的 BTEX 指标异常与油气藏直接相关并具有高分辨、 高精度 特征， 能够作为指示烃类信息的分子示踪， 是有价值 的油气地球化学勘探指标。但是， 由于海洋钻探耗 资巨大， 底泥的采集与激光单分子分析成本高昂， 限 制了 BTEX 示踪在海域油气化探工作中的推广。若 能在海底表层沉积物中探测到微量苯系物含量异 常， 并能用于推测地下油气藏、 生烃灶， 这对于海洋 油气化探研究工作具有极其重要的意义。 本文采集了辽东湾海域海洋表层沉积物样品， 利用汪双清等 ［9］建立的热解析气相色谱技术进行 苯系物含量测定， 分析海洋表层沉积物中的微量苯 系物含量特征， 旨在研究海洋表层沉积物中的苯系 物含量对油气藏及生油凹陷的指示作用。 1表层沉积物样品采集 辽东湾坳陷是渤海湾盆地的一个次级构造单 元， 发育辽东凹陷、 辽中凹陷、 辽西凹陷 3 个负向构 造单元和辽东凸起、 辽西低凸起 2 个正向构造单元。 587 ChaoXing 辽东湾凹陷在新生代经历了古近纪裂陷沉降阶段和 新近纪后裂陷沉降阶段 ［10 －12］， 盆地内发育大量断 层。采样位置选择位于山海关以东海域的浅海表层 沉积物， 构造上横跨辽西凹陷南侧、 辽西南凸起、 辽 西凸起和辽中凹陷西南边缘， 共选取 35 处采样点， 采集表层沉积物样品 0 ～ 15 cm 。采样点位置见 图 1。其中点 B1 ～ B4 位于渤海盆地以外的沿海海 域， 点 4、 6、 7、 15、 29、 30 位于渤海油田工作区内， 点 18 ～22、 26、 31 位于辽西南凸起之上的海域内， 其余 采样点位于辽西凹陷之上的海域内。 图 1研究区及采样点位置分布 Fig． 1The illustration of sampling location in this study 2沉积物样品分析 2． 1沉积物样品的准备 沉积物样品于室温下晾干后， 碾细至 630 μm 40 目 。称取 50． 0 g 样品， 置于带密封垫盖的 100mL 螺口玻璃瓶中， 加入 20 μL 浓度为 0． 2 mg/mL的 4 － 溴氟苯二氯甲烷溶液。旋紧瓶盖， 充 分振摇以混匀样品。隔 4、 8、 16、 20 h 各振摇 1 次 后， 放置 24h 以上， 以备分析。 2． 2仪器及分析条件 CDS 8000 热解析仪 美国 CDS 公司 ， GC 2010 气相色谱仪 日本岛津公司 。 渤海沉积物样品分析按照文献［ 9］ 中的仪器条 件和实验要求完成。 3研究区苯系物特征分析 3． 1样品苯系物含量特征 根据苯系物与4 －溴氟苯的质量比值和色谱峰面 积比值之间的数学关系， 建立内标法标准曲线， 计算出 渤海表层沉积物中各苯系物的含量， 如图2 所示。 图 2辽东湾沉积物样品苯系物的含量 Fig． 2Analytical results of BTEX content in samples of Liaodong Bay 不同采样区域采样点的苯系物含量有明显差 异。位于沿海海域的点 B1 ～ B4 的六种苯系物组分 含量均明显高于其他样品; 位于生烃凹陷和油田区 的样品 点 1 ～7、 点 12 ～22 苯系物含量较稳定， 变 化较小; 而位于辽西南凸起与辽中凹陷交界区域上 方的样品点 23 ～27 苯系物含量变化较大。辽东湾 凹陷构造复杂， 下伏多条断裂， 苯系物含量的异常应 与该区特殊的构造特征有关 ［13］。 687 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2013 年 ChaoXing 3． 2研究区苯系物分布特征 3． 2． 1沿岸海域样品苯系物含量特征 将沿岸海域样品与含油气盆地海域内样品的苯 系物含量进行对比 见图 3a ， 发现沿岸海域表层沉 积物中的苯系物含量明显高于含油气盆地上方沉积 物中的苯系物含量， 并且苯和间二甲苯的差异最明 显。沿岸海域不同样品的苯系物含量也有一定差异 见图 3b 。 图 3沿岸海域沉积物样品苯系物含量特征 Fig． 3Characteristics of BTEX content in sediments along the coastal area BTEX 中的 6 种苯系物 苯、 甲苯、 乙苯、 邻二甲 苯、 对二甲苯、 间二甲苯 都是常规石油化工产品， 通常作为溶剂等化工原料使用， 广泛应用并存在于 工业和民用产品中; 它们都是易挥发物质， 通过大气 沉降与河流输入都可以对海洋沉积物造成污 染 ［14 －15 ］。样品采集区处于被稠密人口居住的陆地 所围绕的海湾， 离岸距离不足百公里， BTEX 污染物 很容易到达， 可能导致沿岸海域表层沉积物中的苯 系物含量明显高于远岸地区。实验数据结果显示， 越靠近海岸的区域， 石油烃类污染的含量越高， 相对 应的苯系物含量也越高， 表明海洋表层沉积物中苯 系物含量很可能受人类活动的影响。此外， 图 3A 中沿岸与含油气盆地区样品的分析结果显示 6 种苯 系物的含量变化的比例也不尽相同， 苯和间二甲苯 的含量变化最大， 这可能与石油烃类污染物中的苯 系物含量有关。 海洋表层沉积物由于直接与海洋水体接触， 并 接受海水中沉降物质， 其中的苯系物含量较易受到 除地下烃类微运移外的其他因素影响， 同时， 在辽东 湾表层沉积物采集区域， 石油开发生产已经持续多 年， 这一过程也可能对于区域内沉积物造成程度不 等的 BTEX 污染。因此， 在应用海洋表层苯系物含 量指标时， 要综合勘探区构造地质条件及其他化探 指标， 以减少其他因素导致的苯系物含量异常及单 一化探指标的多解性， 有效地提高化探工作准确度。 3． 2． 2油田工作区上方苯系物含量变化 为验证海洋表层沉积物中的苯系物含量与石油 烃类影响的相关关系， 本文选择采样点并按照逐渐 远离油田区工作 点 5 ～10 和靠近油田区 点 11 ～ 15 的顺序进行了排序对比 图 4， 采样点位置见 图 1 。对比结果显示， 苯、 甲苯、 间二甲苯、 邻二甲 苯含量从点 5 ～10 有明显的下降趋势， 从点 11 ～15 有明显的上升趋势， 乙苯与对二甲苯虽然变化趋势 不明显， 但总体变化趋势与其他苯系物含量一致。 这表明海洋表层沉积物中苯系物的含量与地下油气 藏具有相关性， 油气藏上方的沉积物中苯系物含量 较高， 但不同苯系物含量的变化幅度有明显差异。 除此之外， 点 1 ～4 也表现出了与采样点位置良好的 相关性， 点 16 ～22 由于均处于油田工作区外， 距离 地下油气藏较远， 苯系物含量总体较低， 未表现出明 显变化。点 23 ～31 将在后文单独分析。 分析结果表明， 油气藏上方的表层沉积物中苯 系物含量较高， 靠近油田工作区苯系物含量增高趋 势明显， 证明了利用表层沉积物中苯系物含量判断 下伏油气藏方法的有效性。苯和间二甲苯含量均高 于甲苯、 乙苯、 对二甲苯和邻二甲苯， 且较为稳定， 并 且二者对石油烃类影响的响应更为明显。虽然苯系 物含量在靠近油气藏上方时， 总体表现出增高趋势， 但由于苯系物含量的绝对差值较小， 并非所有样品 严格符合递增趋势， 因此若直接只应用 BTEX 含量 进行油气藏勘查是不可取的。 3． 2． 3生烃凹陷上方苯系物含量特征 将凹陷内外样品的苯系物含量进行对比 图 5 ， 发现凹陷外样品的苯系物含量低于凹陷内样 品， 对二甲苯和间二甲苯均表现出明显的差别。程 军等 ［16 ］研究表明， 烃类在温度、 压力、 浓度及水动力 787 第 5 期秦婧， 等 海底表层沉积物中苯系物含量对海域油气指示作用研究第 32 卷 ChaoXing 图 4与油田工作区距离不同的表层沉积物中苯系物含量变化图 Fig． 4The correlation analysis between BTEX content and the distance between sample and oil field 图 5生烃凹陷内外样品的苯系物含量对比 Fig． 5Comparison of BTEX content between samples of internal and external hydrocarbon generation depression 横坐标为样品点， 纵坐标为苯系物含量; 采样点编号在 10 之前为凹陷内样品， 编号在 10 之后为凹陷外样品。 梯度等因素的制约下， 沿着一定的通道垂向微运移， 岩石中孔隙和微裂隙为主要通道。烃类垂向微运移 是客观存在的， 这也为利用 BTEX 变化找油气技术 方法提供了理论依据。油气从生烃灶沿优势运移通 道向外运移， 生烃灶上部、 优势运移通道上部的石油 烃类微运移作用较强， 从而导致生烃凹陷上方表层 沉积物中的苯系物含量高于生烃凹陷外样品。数据 分析结果显示， 生烃凹陷上方的沉积物中苯系物含 量高于凹陷外， 对二甲苯和间二甲苯表现出明显差 异， 表明表层沉积物中的苯系物含量对下伏生烃凹 陷具有一定的指示作用， 对二甲苯和间二甲苯的指 示效果较好。油田工作区及含油凹陷上方表层沉积 物中的苯系物含量特征证实了利用表层沉积物中 BTEX 含量预测含油气前景区的有效性， 展示了该 技术方法在海域油气化探领域良好的应用前景。 3． 2． 4苯系物含量异常点分析 表层沉积物中的苯系物含量随着采样点与生烃 凹陷、 油田区的距离变化而变化， 采样点 23 ～25、 点 27、 点 31 远离油田工作区及辽西凹陷中心， 按照烃 类物质的微运移理论， 其苯系物含量应低于油田区 和凹陷中心样品含量， 但其测试数据结果明显偏高， 与相邻采样点的苯系物含量有明显差异， 本文称之 为苯系物含量异常点。 为判断异常高值的形成原因， 本文结合贯穿采 样区域的构造剖面图 图 6， 剖面平面位置见图 1 进行分析。剖面特征表明， 辽西凹陷与辽中凹陷地 层沉积作用明显受到凹陷东南侧同沉积断层的影 响， 沉积地层厚度向东南侧凹陷中心快速增大， 加之 丰富的有机质含量， 可成为良好的生烃灶， 凹陷西侧 处于构造高位， 由于浮力作用， 油气由生烃灶沿优势 887 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2013 年 ChaoXing 图 6辽东湾地区 中部 构造剖面图 Fig． 6Structure sectional drawing of central Liaodong Bay 运移通道向上运移， 若无其他构造条件影响， 此处应 是良好的地层圈闭， 因此在辽中凹陷与辽西凸起接 触地带形成了绥中油田区丰富的油气资源 图 6 右 侧圆圈位置 ［17 －19］。 观察这三个采样点的位置可发现， 这些异常点 均位于辽西南凸起与辽西凹陷的交界地带 图 6 左 侧圆圈位置 ， 若无其他影响因素， 沉积物中苯系物 含量的异常高值表明地下应存在良好的油气聚集; 但与辽中凹陷不同的是， 辽西凹陷在与辽西南凸起 的交界地带存在一条张性断裂， 通常张性断裂的封 闭条件较差， 形成优势运移通道， 油气的保存条件较 差， 易形成强烈油气散失， 这也导致其上方的沉积物 中苯系物含量更高， 甚至高于油田工作区样品的苯 系物含量。此外， 辽西凹陷有大量断裂发育， 生烃灶 中的油气很可能在向上运移的同时沿着张裂隙向上 逸散， 进而在表层沉积物中形成明显的苯系物含量 异常， 从而扰乱生烃灶上方微运移形成的沉积物中 苯系物含量变化趋势， 这也是研究区生烃凹陷内与 凹陷外样品的苯系物含量差异较小的原因。表层沉 积物中苯系物含量不仅受到油气藏、 生烃灶的影响， 构造特征导致的烃类逸散对其影响更加明显， 因此， 在分析沉积物中的苯系物含量特征、 利用其调查地 下油气资源时， 必须结合研究区的盆地构造特征， 结 合数据结果综合分析， 才能得到较为可靠的结论。 4结语 本文通过渤海辽东湾海域表层沉积物的苯系物 含量分析， 证实了海洋表层沉积物中的苯系物含量 与地下油气藏、 生油凹陷的关系。海洋表层沉积物 中的苯系物含量对地下油气藏具有良好的指示作 用。靠近油气藏上方的沉积物中苯系物含量升高; 随着采样点与油气藏距离的增加， 苯系物含量降低， 苯和间二甲苯响应较为明显。生油凹陷上方的苯系 物含量较高， 间二甲苯在凹陷内外的含量差异明显， 可以对生烃凹陷的判别起到一定的指示作用。 已有的研究由于激光单分子及单分子探测技 术 ［20 －21 ］检测成本过高， 导致 BTEX 指标在大范围海 洋油气化探工作中的应用受到了限制。而本文利用 海洋表层沉积物样品研究 BTEX 的含量变化特征， 可以减小采样成本， 利用热解析气相色谱法分析检 测苯系物含量方便、 快捷， 为 BTEX 指标的应用开拓 了新路径。研究认为， 由于人类活动的污染以及断 裂构造对表层沉积物中的苯系物含量造成了明显的 影响， 增加了利用苯系物含量异常预测地下油气藏 的不确定因素， 因此在开展海洋油气勘查工作时应 结合研究区地质构造、 多种化探指标综合分析， 以达 到较好的预测效果。 5参考文献 ［ 1］Calhoun G G， Nashville T， Hawkins J L． BTEX detectors results good in oil identification ［ J］ ． Oil ＆ Gas Journal， 1998， 96 25 77 －80． ［ 2］Calhoum G G，Hawkins J L．BTEX geochemical investigation，Permian basin ［ C］ ． American Association of Petroluem Geologists 1999 Annual Meeting． United States San Antonio， 1999． ［ 3］Calhoum G G，Hawkins J L． Benzene and toluene are accurate oil predictors ［J］ ． AAPG Bulletin，1999，83 2 336． ［ 4］Aivalioti M，Papoulias P，Kousaiti A，Gidarakos E． Adsorption of BTEX，MTBE and TAME on natural and modified diatomite［ J］ ． Journal of Hazardous Materials， 2010， 207 －208 117 －127． ［ 5］Zhang Y，Meng X J，Sun P，Chen Y L，Qu P． BTEX anomalies used as indicators of submarine oil and gas 987 第 5 期秦婧， 等 海底表层沉积物中苯系物含量对海域油气指示作用研究第 32 卷 ChaoXing reservoirs ［J］ ． Acta Oceanologica Sinica，2009，28 4 50 －56． ［ 6］刘海生． 芳烃 BTEX 在海洋油气勘探中的应用［D］ ． 北京 清华大学博士后研究报告， 2005． ［ 7］张勇， 曹雪晴， 孟祥军， 刘展， 梁源． BTEX 异常对海域 油气藏指示作用的研究［ J］ ． 海洋学报， 2008， 30 1 80 －85． ［ 8］孙春岩， 肖桂义， 牛滨华， 王宏语． 芳香族分子示踪在 海洋油气勘探中的开发和应用［ J］ ． 地学前缘，2004， 11 4 601 －607． ［ 9］汪双清， 秦婧， 孙玮琳， 杨佳佳， 沈斌． 土壤和沉积物中 苯系物的热解析气相色谱分析方法［J］ ． 石油实验 地质， 2012， 34 1 94 －98． ［ 10］ 王祥， 王应斌， 吕修祥， 范秋梅． 渤海海域辽东湾坳陷 油气成藏条件与分布规律［J］ ． 石油与天然气地质， 2011， 32 3 342 －351． ［ 11］ 朱伟林， 王国纯， 周毅． 渤海油气资源浅析［J］ ． 石油 学报， 2000， 21 3 1 －7． ［ 12］ 栾振东， 李泽文， 范奉鑫， 阎军， 庄丽华． 渤海辽东湾 区海底地形分区特征和成因研究［J］ ． 海洋科学， 2012， 36 1 73 －80． ［ 13］ 范军侠， 李宏伟， 朱晓敏， 田世澄． 辽东湾北部地区走 滑构造特征与油气富集规律［ J］ ． 古地理学报，2006， 8 3 415 －418． ［ 14］ 林秀梅， 刘文新， 陈江麟， 许姗姗， 陶澍． 渤海表层沉 积物中多环芳烃的分布与生态风险评价［J］ ． 环境 科学学报， 2005， 25 1 70 －75． ［ 15］ 刘文新， 陈江麟， 林秀梅， 许姗姗， 陶澍． 渤海表层沉 积物中 DDTs、 PCBs 及酞酸酯的空间分布特征［J］ ． 环境科学学报， 2005， 25 1 58 －63． ［ 16］ 程军， 刘崇喜， 赵克斌， 郭旭升， 杨志斌． 油气垂向微 运移的证据及特点［ J］ ． 石油与天然气地质， 2000，21 3 236 －240． ［ 17］ 刘小平， 周心怀， 吕修祥， 朱秀春， 王海军． 渤海海域 油气分布特征及主控因素［J］ ． 石油与天然气地质， 2009， 30 4 497 －502． ［ 18］ 马平华， 邵先杰， 霍春亮， 赵春明， 李武广． 绥中 36 －1 油田东二下段沉积演化及对油气的控制作用［J］ ． 特种油气藏， 2010， 17 3 45 －60． ［ 19］ 栾锡武， 刘凤， 孙钿奇， 李晓芸． 渤海构造收缩与沉积 充填［ J］ ． 现代地质， 2011， 25 3 429 －439． ［ 20］ 初晓璐． 激光单分子海洋油气化探综合评价技术的 研究［ D］ ． 青岛 中国海洋大学， 2006． ［ 21］ 李谷祺． 海洋油气化探中激光单分子 BTEX 异常处理 技术研究［ D］ ． 青岛 中国海洋大学， 2005． BTEX Content of Marine Surface Sediments Used as Indicators of Marine Oil and Gas QIN Jing，WANG Shuang- qing*，SUN Wei- lin，YANG Jia- jia，SHEN Bin National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China Abstract A number of studies indicate that the anomaly of BTEX content in core and sediments samples are valuable oil and gas geochemical exploration indicators． This anomaly with high- resolution，high precision was directly related to oil and gas reservoirs． As there is a huge cost associated with the collection and analysis of samples，the application of BTEX indicators was limited in marine oil and gas geochemical exploration． This research focuses on the characteristics of BTEX content of marine surface sediments in Liaodong Gulf using a of thermal desorption and gas chromatography technology． The result reveals that above reservoirs and oil source sag，the content of BTEX is higher，and it decreases with the increase of distance． In particular，the xylene changes significantly． The results confirm the effectiveness of BTEX indicators in oil and gas prospects prediction and shows a good application prospect in the field of marine oil and gas geochemical exploration． Besides，the abnormal high values of BTEX content present over the coast demonstrates that human activity and faults also influence the BTEX content，therefore it is imperative to conduct a comprehensive analysis combined with other geological characteristics and geochemical indicators to guarantee good forecast effects． Key words Bohai Sea; Liaodong Gulf; BTEX; sediment; oil and gas geochemical exploration 097 第 5 期 岩矿测试 http ∥www． ykcs． ac． cn 2013 年 ChaoXing