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Journal of Oil and Gas Technology
Vol.38 No.03(2016), Article ID:18202,6 pages
10.12677/JOGT.2016.383020

Characteristics of Carbon Isotope Composition of Light Hydrocarbon Monomer Hydrocarbon of Crude Oils in Different Sedimentary Environments

Hongbo Li1,2, Min Zhang1,2

1Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Ministry of Education, Wuhan Hubei

2School of Resources and Environment, Yangtze University, Wuhan Hubei

Received: Mar. 22nd, 2016; accepted: May 29th, 2016; published: Sep. 15th, 2016

Copyright © 2016 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

ABSTRACT

Large amounts of crude oil from different sedimentary environments in Tarim and Tuha Basin were analyzed by GC-IRMS. The composition of light hydrocarbon and monomer hydrocarbon isotope was obtained, by which its chemical characteristics were analyzed. Study indicates that the carbon isotopic compositions of branched alkanes and cyclohexane and methyl cyclohexane show significant difference in marine oil, lacustrine oil and coal oil. Because of particularity of organic matter in Tuha Basin, the δ13C of branched alkanes and cyclohexane compounds in coal-formed oils from Tuha Basin was less than that in lacustrine oil and coal-formed oil from Tarim Basin. Compound-specific carbon isotope composition of mCYC6 was established to distinguish between marine oil and continental oil. is greater than −25‰ in continental oil and less than −25‰ in marine oil. In Tarim Basin, the δ13C value of mCYC6 in terrigenous crude oils that is higher than −20‰ can be taken as the marker for identifying coal derived oil, while the δ13C value of mCYC6 between −22‰ - −20‰ can used as the marker for identifying lacustrine oil.

Keywords:Geochemistry, Crude Oil, Light Hydrocarbon, Carbon Isotope

不同沉积环境原油轻烃单体烃碳同位素 组成特征

李洪波1,2，张 敏1,2

1油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉

2长江大学资源与环境学院，湖北 武汉

作者简介：李洪波(1981-)，男，博士，副教授，主要从事油气地球化学的教学与研究工作。

收稿日期：2016年3月22日；录用日期：2016年5月29日；发布日期：2016年9月15日

摘 要

对塔里木盆地与吐哈盆地不同沉积环境原油进行了全烃色谱–同位素质谱检测分析，获得了轻烃单体烃碳同位素组成，据此剖析了其地球化学特征。研究表明，支链烷烃与环己烷和甲基环己烷的碳同位素在海相油、湖相油与煤成油中呈现显著差异性。由于不同盆地有机质特征不同，吐哈盆地煤成油在上述化合物中的碳同位素值(δ13C)小于塔里木盆地的湖相油与煤成油。以mCYC6的δ13C值作为海、陆相原油的典型区分标志，大于−25‰为陆相油，小于−25‰为海相油。针对塔里木盆地而言，陆相原油中mCYC6的δ13C大于−20‰可作为煤成油的鉴别标志，位于−22‰~−20‰之间可作为湖相油鉴别标志。

关键词 :地球化学，原油，轻烃，碳同位素

1. 引言

轻烃作为原油较为重要的组成部分，尤其是在凝析油与轻质油中，常常可以提供比常规生物标志物更为精准的地质与地球化学信息。轻烃化合物组分含量虽已较好地应用于国内塔里木与柴达木等盆地 [1] [2] ，但仍存在受采样与试验前处理等因素的影响而导致组分含量出现误差。20世纪90年代初兴起的轻烃单体烃碳同位素在线分析可以较好地获得单体烃碳同位素 [3] 。利用单体烃碳同位素组成挖掘原油的地质地球化学信息可以较好地克服化合物组分含量不稳定的缺点 [4] [5] 。随着色谱柱分离效果越来越好，轻烃化合物碳同位素组成的测试也越来越准确。目前，对不同盆地不同沉积环境原油轻烃单体烃碳同位素组成的相关研究文献还较为鲜见。

笔者主要以不同沉积环境烃源岩所生原油为对象，观察其轻烃单体烃碳同位素的组成差异。从不同结构的多个典型轻烃化合物碳同位素组成着手，剖析其在海相油、湖相油与煤成油之间的差异，寻找能作为不同成因原油区分标志的单体化合物碳同位素，以期能为轻烃单体烃碳同位素判识原油成因提供借鉴与参考。

2. 地质背景与样品情况

笔者主要采集了塔里木盆地与吐哈盆地的原油样品。塔里木盆地为我国西北部典型的复杂叠合盆地，蕴含大量油气资源，且油气成因类型多样 [6] 。吐哈盆地是我国西部一个中型的陆相富煤盆地，是我国“煤成油”理论的发源地 [7] 。研究中主要采集了塔里木盆地塔中与塔北地区的海相原油样品14个，塔北隆起上的湖相油样品5个、煤成油样品2个以及吐哈盆地红台构造带、鄯勒构造带、胜北构造带与温吉桑构造带中的典型煤成油样品4个。样品分布特征与地质信息详见表1。

Table 1.Compound-specific carbon isotope compositions of light hydrocarbons in crude oils from different sedimentary environments

表1. 不同沉积盆地原油轻烃特征化合物碳同位素组成

注1：E3s为苏维依组，K1bs为巴什基奇克组，K1b为巴西盖组，K1kp为卡普沙良群，K1y为亚格列木组，T3hl为哈拉哈塘组，J2s为三间房组，J2x为西山窑组。注2：nC7为正庚烷，nC8为正辛烷，2mC5为2-甲基戊烷，3mC5为3-甲基戊烷，3mC6为3-甲基己烷，CYC6为环己烷，mCYC6为甲基环己烷，Tol为甲苯。

3. 试验方法与条件

原油轻烃单体烃碳同位素分析采用全油进样方式进行，分析仪器为Agilent 6890N色谱与Finngen- MAT252质谱仪。色谱柱为HP-PONA，50 m × 0.20 mm × 0.5 μm。升温程序为25℃，保持20 min，以1℃/min升至60℃，保持5 min，然后以10℃/min升至300℃，保持2 min。氧化炉接口温度 350 ℃ ，炉温 850 ℃ ，汽化室温度为 220 ℃ 。 分析精度控制在0.2‰以内，溶解分离样品的试剂为CCl4，置于800℃条件下燃烧，然后在250℃条件下还原后，用−289℃的液氮冷却；δ13C值输出标准为PDB (碳同位素国际标准)，检测稳定碳同位素组成误差范围为±0.1‰。

4. 结果与讨论

4.1. 典型轻烃化合物碳同位素组成

不同结构轻烃化合物在不同原油之间的差异性显著不同。Whiticar和Snowdon [8] 对加拿大盆地泥盆系–白垩系的原油进行系统分析认为，支链烷烃呈现较好的原油成因区分能力。同时，笔者在塔里木盆地原油轻烃研究中同样发现，支链烷烃、环己烷较环戊烷而言具有更好的成因判识能力。在以上认识基础上，结合化合物的分离效果与丰度，尽量考虑碳同位素测试较为准确的化合物，从塔里木盆地与吐哈盆地原油轻烃化合物中选取了8个较为典型的化合物进行差异性分析。

图1中展示了上述8个典型化合物碳同位素组成。对于nC7与nC8可以看出，在塔中与塔北地区的海相原油中呈现明显的贫δ 13 C 的特征，同位素值明显偏负，与塔北隆起北缘的湖相油和吐哈盆地煤成油呈现明显的差异。碳同位素值之间的最小差异达到4‰以上，可见该差异性并非成熟度等其他因素导致，而是反映了沉积环境控制下的原油特征。在陆相原油样品之间进一步观察可发现，除塔北隆起北缘煤成油样品碳同位素最高外，其他湖相油与吐哈盆地煤成油差别不明显。

针对塔里木盆地原油的研究来看，支链烷烃碳同位素具有较高的原油成因区分能力。在图1中选取了2mC5、3mC5与3mC6共3个支链烷烃化合物可以看出，其碳同位素基本呈现4阶分布。碳同位素值最高的为塔北隆起北缘的YL2井与S49井中的煤成油；其次为塔北隆起北缘的湖相油与吐哈盆地疙2井中的煤成油；再次为吐哈盆地的煤成油；最低的是塔中与塔北地区的海相原油。以上特征中最为典型的是海相原油与陆相原油在碳同位素上呈现的明显差异。

Figure 1. Variation of carbon isotopic compositions of typical compounds of light hydrocarbons in crude oils from different sedimentary environments

图1. 不同沉积环境原油轻烃典型化合物碳同位素组成变化

而对于环己烷化合物，不同成因原油的CYC6与mCYC6碳同位素分布差异明显，同样呈现4阶分布，分布特征与支链烷烃类似。Tol在不同原油之间的差异性弱于环己烷系列。

就以上不同结构化合物来看，支链烷烃与环己烷化合物对不同沉积环境原油区分效果最为明显。较为意外的是，吐哈盆地煤成油碳同位素值低于塔北湖相油。张文正等 [9] 曾对黄骅坳陷扣16井泥岩样品进行了生烃模拟，表明随着成熟度升高，正异构碳同位素分馏明显，而环烷烃与芳烃相对较弱。图1中显示出的支链烷烃与环己烷化合物系统性差异，由此来看，不应为成熟度影响，主要应为不同沉积盆地有机质输入的差异性。

4.2. 甲基环己烷碳同位素组成区分不同成因原油

由于甲基环己烷具有明显的生源意义，胡惕麟等 [10] 提出了利用甲基环己烷指数ImCYC6为标志来区分不同成因原油。张敏等 [11] 对塔里木盆地原油的统计结果也表明，一般海相油ImCYC6为15%~35%，湖相油为35%~65%，煤成油大于65%。由此可见，mCYC6的含量具有明显的原油成因意义。也有研究表明，mCYC6的碳同位素可作为划分煤型气与油型气的参数之一 [12] 。在烃源岩热解生油的过程中，湖相泥岩所生成mCYC6中碳同位素明显低于煤系与炭质泥岩所生成的，其差值可达3‰以上 [9] 。另外，张文正等 [9] 进行的单井模拟试验也表明，mCYC6中的δ13C受成熟度影响较小，完全可以作为油气成因的良好判识标志。

基于以上认识，笔者特选择支链烷烃中的3mC6与mCYC6绘制了δ13C关系图(图2)。图中两者的δ 13 C 值显示出良好的相关性，说明均主要受沉积环境控制。利用3mC6与mCYC6中δ13C为−25‰为标准，可以较好地划分海相油与陆相油。上述结论与胡国艺等 [12] 将mCYC6中δ13C为−24‰作为划分油型气与煤型气的标准较为一致。

图2中显示塔里木盆地塔北隆起北缘的煤成油具有最高的mCYC6碳同位素值，其δ13C值高于−20‰，塔北隆起北缘湖相油基本位于−22‰~−20‰之间，塔中与塔北海相油低于−28‰。吐哈盆地煤成油mCYC6中相对较低的δ13C值表明，不同盆地之间陆相原油受到特定生烃母质的影响，可能存在一定差异性。因此，在不同盆地之间进行了陆相原油成因判识时，利用mCYC6中的δ13C需要谨慎。

Figure 2. The relationship of δ13C in 3mC6 and mCYC6 in crude oils from different sedimentary environments

图2. 不同沉积环境原油3mC6与mCYC6中δ13C值关系图

5. 结论

1) 利用典型的支链烷烃与环己烷化合物碳同位素可以较好地区分不同沉积环境原油。对于塔里木盆地，煤成油、湖相油与海相油支链烷烃与环己烷化合物碳同位素值依次降低，显示出较为清晰的差异性分布。对于吐哈盆地煤成油，支链烷烃与环己烷化合物碳同位素值低于塔里木盆地湖相油，说明不同盆地之间上述碳同位素组成难以成为进一步区分陆相原油的标志。

2) 甲基环己烷碳同位素值可作为不同沉积环境原油的良好区分参数，将δ13C为−25‰作为海、陆相原油的判识标准值。针对塔里木盆地而言，陆相原油中mCYC6的δ13C大于−20‰可作为煤成油的鉴别标志，位于−22‰~−20‰之间可作为湖相油鉴别标志。

基金项目

湖北省自然科学基金项目(2015CFC856)；高等学校博士学科点专项科研基金新教师类资助课题(20124220120001)；油气资源与勘探技术教育部重点实验室开放基金项目(K2015-19)。

文章引用

李洪波,张 敏. 不同沉积环境原油轻烃单体烃碳同位素组成特征
Characteristics of Carbon Isotope Composition of Light Hydrocarbon Monomer Hydrocarbon of Crude Oils in Different Sedimentary Environments[J]. 石油天然气学报, 2016, 38(03): 17-22. http://dx.doi.org/10.12677/JOGT.2016.383020

参考文献 (References)

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