高尚堡地区位于渤海湾盆地黄骅坳陷南堡凹陷北翼，为一长期发育的背斜构造带，以北西向和北东向断层为主(图 1)，是南堡凹陷陆上主力产油区之一。近年来，高尚堡地区油气勘探持续获得发现，尤其是深层石油地质资源量大幅增加，使得该地区油气来源以及深层高蜡油成因备受关注。前人研究主要关注南堡凹陷以林雀次洼为生烃灶的油气成因类型和油气来源^[1-6]，缺乏对高尚堡油田不同层系油气来源和高蜡油成因的详细研究。笔者通过生物标志化合物、单体烃同位素特征，对高尚堡地区原油来源进行了探讨，并分析了沙三段高蜡油的成因。

图  1  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区位置

Figure  1.  Location of Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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1.   原油物性特征

原油物性是原油化学组成的综合反映，在一定程度上有助于对原油成因进行判断。高尚堡地区原油具有明显的平面和纵向分带性。高柳断层以北，原油主要聚集在深层沙三段，其原油密度和黏度较低，凝固点和含蜡量较高，其蜡质平均含量为19.7%，最高可达39.4%，为典型的高蜡油(表 1)。高柳断层以南，原油主要集中分布在馆陶组、明化镇和东营组，其中馆陶组和明化镇组由于埋深较浅，原油均遭受不同程度生物降解，其密度和黏度较高，凝固点和含蜡量较低，含蜡量大多低于10%(表 1)；埋深相对较大的东营组原油未遭受生物降解，其原油物性介于深部沙三段和浅层明化镇组—馆陶组之间。高尚堡地区原油平面和垂向上的规律性分布除了受原油垂向分异作用、运移效应和生物降解的影响之外，更可能是其来源的不同造成了原油特征的差异。

表  1  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区原油物性特征

Table  1.  Physical properties of oils in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

层位	密度/(g·cm-3)	黏度/(mPa·s)	含硫量/%	凝固点/℃	含蜡量/%
Nm	0.833 1~0.985 1/0.932 4(74)	0.014~1 152/282(74)	0.02~0.48/0.17(74)	-26.00~42.00/0.94(74)	0.50~10.20/6.10(74)
Ng	0.826 9~0.984 1/0.910 5(80)	0.003~604/129(80)	0.02~0.84/0.16(80)	-10.00~112.00/8.64(80)	0.10~11.50/6.42(80)
Ed	0.833 2~0.954 5/0.866 3(10)	3.42~491.10/63.09(10)	0.01~0.32/0.12(10)	7.00~34.00/26.52(10)	3.05~15.00/8.51(10)
Es3	0.799 0~0.883 8/0.854 1(48)	2.00~96.00/14.34(48)	0.02~0.53/0.15(48)	21.00~41.00/34.61(48)	14.40~39.40/20.38(48)
注：表中分式含义为：最小值~最大值/平均值(样品数)。

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2.   原油地球化学特征

2.1   链烷烃

高柳断层以南明化镇组—东营组原油碳优势指数(CPI)值分布在1.10~1.20之间，为成熟原油；∑nC_21-/∑nC₂₂₊值分布在0.46~1.32之间；Pr/Ph值在0.92~1.66之间，Pr/nC₁₇值在0.39~2.11之间，Ph/nC₁₈值在0.29~4.23之间。由于埋深较浅，馆陶组和明化镇组原油受到了不同程度的生物降解，其正构烷烃大部分缺失C₁₅之前的部分，甚至基本完全缺失(图 2a，b)。东营组原油基本为正常原油，正构烷烃系列保存完整(图 2c，d)，主峰碳多为nC₂₁，未见明显的生物降解。

图  2  渤海湾盆地南堡凹陷高柳地区原油全油气相色谱

Figure  2.  Gas chromatograms of whole oils in Gaoliu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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高柳断层以北深层沙三段原油气相色谱谱图主要有两种形态：一种是双峰态前峰型，有C₁₅和C₂₃两个高峰，低碳数峰略高于高碳数峰(图 2e)；另一种是双峰态后峰型，有C₁₅或C₁₈、C₂₃两个高峰，高碳数峰略高于低碳数峰(图 2f)。这些特征表明低等水生生物和陆生高等植物对生源都有贡献。原油碳优势指数值分布在1.10左右，为正常成熟原油；∑nC_21-/∑nC₂₂₊值分布在0.63~1.44之间；Pr/Ph值在1.05~1.25之间，Pr/nC₁₇值在0.29~0.50之间，Ph/nC₁₈值在0.21~0.59之间，表明原油主要形成于还原环境中。

2.2   甾烷系列化合物

中浅层馆陶组、明化镇和东营组原油主要表现为重排甾烷含量相对较高(图 3a-c)，重排甾烷/规则甾烷主要分布在0.1~0.3之间(图 4a)；C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷的相对含量分别为37.2%~47.1%，23.2%~28.0%，26.9%~39.7%(图 4b)，主要呈“V”字形分布，C₂₇规则甾烷多表现出略高于C₂₉规则甾烷的特征(图 3a-c)；C₃₀4-甲基甾烷含量中等，4-甲基甾烷/C₂₉甾烷小于0.3(图 4c)。

图  3  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区部分原油和烃源岩m/z 191、m/z 217质量色谱

Figure  3.  m/z 191 and m/z 217 mass fragmentogram of saturate fractions from oils and source rocks in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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图  4  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区油—岩多参数对比

Figure  4.  Oil-source rock correlation based on biomarker parameters in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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沙三段原油重排甾烷含量明显低于中浅层原油(图 3d，e)，重排甾烷/规则甾烷基本分布在0.1附近(图 4a)；C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷的相对含量分别为33.5%~35.2%，21.9%~23.5%，42.4%~50.1%，主要呈“V”字形分布，与中浅层原油相比，其C₂₇规则甾烷含量略低，C₂₉规则甾烷含量略高(图 4b)；C₃₀4-甲基甾烷含量异常高(图 3d)，C₃₀4-甲基甾烷/C₂₉甾烷均大于0.3，明显高于中浅层原油(图 4c)，说明低等水生生物和高等植物对生源都有贡献，与正构烷烃双峰特征一致。

2.3   萜烷系列化合物

中浅层馆陶组、明化镇组和东营组原油Ts/Tm分布于1.00~2.29，平均值为1.60，深层沙三段原油Ts/Tm分布于0.86~1.33，平均值为1.18(图 4a)，说明深层沙三段原油成熟度略低于中浅层原油。这种原油成熟度的“倒置”现象也说明高柳断层两侧的原油具有不同的来源，分属于不同的成藏系统。

高柳断层两侧原油整体来源于淡水环境下形成的烃源岩，伽马蜡烷含量整体较低，伽马蜡烷/C₃₀藿烷分布于0.04~0.12；但深层沙三段原油具有更低的伽马蜡烷/C₃₀藿烷，其分布于0.04~0.06，明显低于中浅层原油(图 4c)，这种差异也说明油气可能具有不同的来源。

3.   油源分析

3.1   生物标志物对比

尽管具有相同来源的原油在经过二次运移聚集成藏后，原油的化学组成会发生明显的变化，但原油中的部分甾萜烷生物标志物参数是稳定的，受生物降解、成熟度和运移分馏效应影响较小，是油源对比的有效参数^[7-12]。由于浅层馆陶组和明化镇组原油遭受了一定程度的生物降解，正构烷烃特征被破坏，因此主要选取甾萜烷和类异戊二烯生物标志物进行对比。

高柳断层以南东三段烃源岩甾烷地球化学特征主要表现为相对高含量的重排甾烷，中等含量的C₃₀4-甲基甾烷(图 4f)。重排甾烷/规则甾烷与Ts/Tm线性关系明显(图 4a)，表现出相对高的成熟度特征。C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷近“V”字形分布(图 3f)，C₂₇/C₂₉甾烷比值较高，主要分布在0.8~1.5之间，说明其有机质来源主要以藻类等低等水生生物为主；规则甾烷分布三角图很好地揭示了中浅层原油与其烃源岩间的生源关系(图 4b)；C₃₀4-甲基甾烷/C₂₉甾烷主要分布在0.19~0.25之间，明显低于Es₃⁴烃源岩(图 4c)；伽马蜡烷指数略高于Es₃⁴烃源岩(图 4c)，Pr/Ph分布范围相对较大，分布于0.7~1.6，表明其形成于相对动荡的还原环境(图 4d)。该类烃源岩与明化镇组—东营组原油具有相似的生物标志物特征(图 4)。

由于高柳断层上升盘的抬升作用，高柳断层以北沙一段烃源岩基本未成熟，有效烃源岩为形成于主裂陷幕的Es₃⁴高丰度烃源岩。该烃源岩地球化学最显著的特征表现为C₃₀4-甲基甾烷含量异常高，重排甾烷含量明显低于东三段烃源岩(图 3g)。C₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷近“V”字形分布(图 3g)，其特征与沙三段原油规则甾烷分布特征较为接近(图 4b)，C₂₇/C₂₉甾烷比值低于高柳断层以南东三段烃源岩，主要分布在0.5~0.9之间，说明其陆源高等植物输入相对较多。C₃₀4-甲基甾烷/C₂₉甾烷主要分布在0.31~0.59之间，明显高于东三段烃源岩(图 4c)；伽马蜡烷含量极低，伽马蜡烷指数低于东三段烃源岩；Pr/Ph分布范围相对集中，分布于1.0~1.5，表明其形成于相对稳定的还原环境(图 4d)。以上烃源岩生物标志物特征明显有别于东三段烃源岩，与沙三段原油生物标志物特征相似(图 4)。

3.2   单体烃碳同位素

原油中的单体烃碳同位素较之全油和族组分碳同位素能从分子级别反映单个化合物的来源，现已广泛应用于精细油气源对比^[13-14]。高尚堡地区深层沙三段原油正构烷烃单体烃碳同位素近似表现为一斜线，且随着碳数增加，同位素值有逐渐降低的趋势，尤其是nC₁₇之后的碳同位素值普遍低于-29‰，该特征与G19-10井烃源岩单体烃碳同位素一致，两者应具有油源对应关系(图 5)。与深层高蜡原油相比，中浅层馆陶组—东营组原油单体烃碳同位素偏重，碳同位素值普遍大于-29‰，与高21井东三段烃源岩特征较为类似，两者具有亲缘关系(图 5)。

图  5  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区不同类型原油单体烃碳同位素曲线分布

Figure  5.  Distribution of compound specific carbon isotopes of n-alkanes for oils in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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综上所述，原油来源的不同是影响两类原油存在差异性的根本原因。沙三段原油主要分布在高柳断层北侧的下盘，断裂系统起到沟通源岩和储集层的作用，原油主要来自深部Es₃⁴烃源岩；明化镇组—东营组原油临近东三段源岩，侧向供烃，垂向疏导(图 6)，原油可能主要来自东三段烃源岩。

图  6  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区油气分布

剖面位置见图 1。

Figure  6.  Reservoir distribution in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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4.   高蜡油成因

中国陆相原油大多具有含蜡量高的特点，诸如大民屯凹陷、东营凹陷、南阳凹陷和泌阳凹陷均发现了高蜡、特高蜡原油，蜡质含量最高可达67%^[15-19]。前人研究表明，高蜡油中的蜡质既可以源自高等植物蜡质或角质、孢粉质等，也可以来自藻类和低等水生生物中的藻质素^[19]。此外，烃源岩热演化程度、微生物改造、气洗作用等外部成藏环境，也是影响高蜡油生成保存的重要因素^[20-24]。

研究表明，细菌、蓝绿藻、盘星藻和丛粒藻等各种淡水微藻类细胞外壁的藻胶鞘等，都是原油中蜡的重要来源^{[19, 22-23]}。前已述及，高尚堡地区高蜡油来源于Es₃⁴烃源岩，其生物标志物表现出明显的C₃₀4-甲基甾烷优势，显微镜下可见层状藻质体(图 7a)和亮黄色藻质体碎片(图 7b)，说明拾场次洼当时湖泊生产力水平较高，渤海藻、副渤海藻等藻类繁盛。此外，Es₃⁴烃源岩C₂₇、C₂₈和C₂₉规则甾烷呈“V”字形分布，说明其还有丰富陆源高等植物碎屑输入。因此，烃源岩中大量藻类细胞壁和高等植物的角质体和孢子体为原油中的蜡质提供了来源，是高蜡油生成的物质基础。

图  7  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区Es₃⁴段烃源岩有机显微组分特征

Figure  7.  Organic maceral characteristics of Es₃⁴ source rocks in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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有机质的微生物改造是形成高蜡油的重要因素之一，该过程使有机质中类脂化合物富集，有利于高蜡油的生成。甾烷和藿烷的生物前驱物分别为真核生物(藻类和高等植物)和细菌，其比值可以反映不同有机质来源对烃源岩的贡献。与中浅层原油相比，深部沙三段高蜡油和烃源岩均具有相对低的甾烷/藿烷(0.10~0.15)，低于东三段烃源岩甾烷/藿烷(0.12~0.28)，表明其遭受了明显的微生物改造过程。此外，与大民屯凹陷^[23]和东营凹陷^[16]发现的高蜡油特征类似，高尚堡地区高蜡油中含有丰富的8β(H)-补身烷、8β(H)-升补身烷以及重排系列，尤为明显的是高蜡油中含有丰富的C₁₅-二环倍半萜烷(图 8)，说明微生物活动对高蜡油形成起到了重要作用。

图  8  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区高蜡油与正常原油中补身烷特征

Figure  8.  Distribution patterns of sesquiterpanes of high wax content crude oils and normal crude oils in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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对现代植物角质蜡的热模拟实验表明，高蜡油主要形成于低演化阶段的烃源岩^[25-26]。高尚堡地区烃源岩镜质体反射率和沉降史研究表明，该地区烃源岩长期处于低演化阶段，其R_o基本在0.8%以下(图 9)。与正常原油相比，深层沙三段高蜡油C₂₉甾烷αββ/(ααα+αββ)主要分布在0.39~0.45之间，C₂₉甾烷ααα20S/(S+R)主要分布在0.36~0.42之间，原油成熟度处于低成熟与成熟分界附近，原油成熟度不高。其次，深层高蜡油重排甾烷/规则甾烷与Ts/Tm比值略低于馆陶组—东营组原油(图 3c，d)，说明其演化阶段略低于高柳断层以南原油。较低的热演化程度利于高蜡油形成高碳数的烃类，蜡质含量增加。

图  9  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区烃源岩镜质体反射率与深度关系

Figure  9.  Relationship between R_o and depth of source rocks in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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异常高压对高蜡油的生成、聚集和保存起着重要作用，较高的压力可以大大提高烃类物质的稳定性，利于高碳数烃类的保存^[27]。高尚堡地区深层沙河街组埋深大于3 200 m的地层明显存在一个异常高压带，压力系数最高可达1.5(图 10)。异常高压有利于烃源岩生成长链烷烃，并且不易断裂。此外，高分子量烃的排出需要极大的动力条件，超压引起的地层破裂和裂隙能够瞬间提高泥岩的渗透率，可以有效提升高分子量烃类的排出效率，使高蜡油快速排出，聚集成藏。

图  10  渤海湾盆地南堡凹陷高尚堡地区压力系数与深度关系

Figure  10.  Relationship between pressure coefficient and depth in Gaoshangpu area, Nanpu Sag, Bohai Bay Basin

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综上所述，高尚堡地区烃源岩中丰富的陆源碎屑和藻类为高蜡油形成提供了物质基础，微生物的改造对高蜡油的形成作用重大，烃源岩较低的热演化阶段和异常高压适宜于长链烷烃的生成与保存，同时异常高压还为高蜡油提供了油气运移的动力。

5.   结论

(1) 高尚堡地区原油受高柳断层的影响，其两侧原油性质、来源和聚集特征存在明显差异。高柳断层以南，原油主要富集于东营组、明化镇组和馆陶组，原油主要为正常原油，含蜡量较低，生标特征主要表现为相对高含量的重排甾烷、中等含量的C₃₀4-甲基甾烷以及较低含量的伽马蜡烷，原油成熟度略高，主要来源于高柳断层以南林雀次洼东三段烃源岩；高柳断层以北，原油主要富集于沙三段，原油含蜡量较高，生物标志化合物特征主要表现为异常高含量的C₃₀4-甲基甾烷、中等含量的重排甾烷以及极低含量的伽马蜡烷，原油主要来源于拾场次洼Es₃⁴烃源岩。

(2) 与正常原油相比，深层沙三段高蜡油的形成具有独特的地质地球化学条件，烃源岩中丰富的陆源碎屑和藻类为高蜡油形成提供了物质基础；微生物的改造更有利于高蜡油的形成，烃源岩长期处于较低的热演化阶段和异常高压适宜于长链烷烃的生成与保存，是高蜡油运聚成藏的关键因素。