銀 燕

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營 257015）

東營凹陷古近系地層水化學特征及其演化主控因素分析

銀 燕

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質科學研究院,山東東營 257015）

地層水水化學性質與油氣成藏具有重要關系,在東營凹陷地層水水化學數(shù)據(jù)及地質資料分析基礎上,明確其古近系地層水水化學具明顯的平面分區(qū)性及垂向分帶性。地層水水化學變化除受原始沉積環(huán)境及氣候影響外,還受到后期壓實排水、外來流體及斷裂活動等因素的制約,同時成巖過程中礦物轉化脫水和耗水對其也有重要的影響。

地層水;水化學;礦化度;成巖作用;東營凹陷

流體是地質作用過程中不可缺少的重要因素,對油氣生成、運移、聚集過程起著關鍵的控制作用。當前對地層水的研究,多偏重于地層流體中的油氣,或僅研究狹義的地下水,缺乏對沉積盆地內(nèi)地層水與成巖作用關系、地層水與油氣成藏關系、地層水在油氣藏中的賦存狀態(tài)等方面的系統(tǒng)認識[1-4]。

隨著勘探開發(fā)程度的不斷深入,對地層水水化學在油氣成藏中的作用要求更精細,孫向陽(2001）對東營凹陷Es2、Es3、Es4段地層水水化學分布特征及其控制因素進行了分析,本文結合現(xiàn)有地層水資料 ,進一步分 Es4(上、下）、Es3(上、中、下）、Es2、Es1來研究地層水水化學在平面上的分布特征,結合縱向上地層水水化學變化特征,進而分析地層水演化過程中主要涉及的影響因素,從巖石及成巖作用上揭示地層水演化的主控因素,從而能夠對已進入勘探后期的富油凹陷的巖性、地層等隱蔽油氣藏勘探具有更實際的指導意義。

1 地質概況

東營凹陷隸屬于濟陽坳陷中的一個次級構造單元,它位于濟陽坳陷的東南部,為一外圍有凸起環(huán)繞的晚侏羅世—古近紀的斷陷復合盆地。東接青坨子凸起,南部地層與魯西隆起、廣饒凸起呈超覆接觸,西與惠民凹陷毗鄰,北以陳家莊—濱縣凸起為界,東西長約90 km,南北寬約65 km,總面積約5 850 km2,總體走向為北東向(圖1）。其基本構造格局為北斷南超、北陡南緩。凹陷被北西西向斷裂分割為東西兩個部分,西部為博興凹陷、東部又被晚期北東東向鹽膏拱張背斜分割為軸向近北東東向的三個洼陷。

圖1 東營凹陷區(qū)域地質構造圖Fig.1 The regional geological structural graph of Dongying Sag

2 地層水水化學特征

2.1 地層水水化學分布的平面分區(qū)性特征

研究不同區(qū)帶地層水水化學特征,分析地層水變化規(guī)律,通常依據(jù)地層水礦化度、水型、鈉氯比值、變質系數(shù)、脫硫系數(shù)等指標。從現(xiàn)有地層水資料數(shù)據(jù)來看,東營凹陷地層水水化學變化特征在平面上具有明顯的分區(qū)性。下面以地層水礦化度為例,分層系說明東營凹陷地層水的平面分布特征。

沙四段地層水整體礦化度很高,最高值可達335 g/L,平均68 g/L,這與沙四段地層埋藏較深、地層水基本不受外來水質的影響有關。沙四下段地層水高值區(qū)位于洼陷帶,且東高西低,北部洼陷區(qū)地層水礦化度最大,基本不受外來水質的影響,向南逐漸減小,這與沙四下段沉積時期氣候干旱,湖水含鹽度高,化學沉積較發(fā)育有關;沙四上段地層水礦化度高值區(qū)域范圍擴大,在洼陷內(nèi)部,隨著埋深的增加,地表水下滲強度減弱,隨地下水在下滲流動過程中溶解的溶質增多,使礦化度逐漸增加,在盆地邊緣,由于埋藏較淺,地下水淡化現(xiàn)象明顯,礦化度顯著降低(圖 2）。

圖2 東營凹陷沙四上段地層水礦化度等值線分布圖Fig.2 The Es4s local water salinity contour map of Dongying Sag

沙三段地層水礦化度值較沙四段有所降低,但最高值也可達331 g/L,平均59 g/L,不同的是沙三段地層水等值線存在明顯的梯度帶。沙三下段地層水礦化度高值區(qū)相對于沙四段范圍縮小,高值區(qū)變化帶和斷裂構造帶一致,凹陷邊部礦化度降低,這與沙三下段沉積時期,斷裂活動強烈及沉積環(huán)境有關;沙三中段地層水礦化度較高的區(qū)域位于中央隆起帶斷裂發(fā)育區(qū)及牛莊洼陷,而沿盆地邊緣,礦化度變化幅度較大,分析認為是斷層溝通沙四段高礦化度地層水造成的(圖3）;沙三上段沉積時期東營凹陷水體繼續(xù)變淺,沉積相以河流三角洲為主,礦化度高值中心分布于牛莊—六戶洼陷和中央背斜帶,凹陷邊部礦化度明顯減小,礦化度低值區(qū)分布于博興斷裂階狀構造帶及金家鼻狀構造帶。

沙二段地層水礦化度值更低,最高值為241 g/L,平均34 g/L,凹陷邊部地層水礦化度明顯減小,其等值線梯度更加明顯,并多與斷裂構造帶展布一致(圖4）;到沙一段地層水礦化度值普遍較低,凹陷邊部數(shù)值更低(圖5）。

圖3 東營凹陷沙三中段地層水礦化度等值線分布圖Fig.3 The Es3z local water salinity contour map of Dongying Sag

圖4 東營凹陷沙二段地層水礦化度等值線分布圖Fig.4 The Es2 local water salinity contour map of Dongying Sag

圖5 東營凹陷沙一段地層水礦化度等值線分布圖Fig.5 The Es1 local water salinity contour map of Dongying Sag

圖6 東營凹陷地層水水化學縱向展布圖Fig.6 The vertical local water hydrochemical distribution of Dongying Sag

2.2 地層水水化學分布的垂向分帶性特征

從東營凹陷地層水橫向展布特征可以看出從深層到淺層地層水礦化度具有一定的變化規(guī)律,基本上是沙四段不受外界影響逐漸變化到受外界強烈影響的沙一段。而地層水水化學縱向上具有明顯的階段性和分帶性(圖6）。

埋深1 100 m以上地層處于早成巖階段,屬開放的地下水系統(tǒng)。該階段地層水受外界大氣水下滲淡化影響最大,地層水以NaHCO3型水為主,整體上其礦化度、陰離子和陽離子含量較低,呈氧化狀態(tài)的硫酸根離子和鈉氯系數(shù)呈高值且數(shù)據(jù)較分散。自上而下,地層水水化學參數(shù)呈現(xiàn)由小到大的變化規(guī)律,至800 m左右,大氣水影響變小,蒸發(fā)濃縮作用起主要作用;再向下,地層進入大量壓實排水階段,故而地層水礦化度及各項離子濃度變小。整體上該階段地層水礦化度一般較低。

埋深1 100～2 100 m地層為開放與封閉體系的過渡帶。受到外部大氣水影響較小,但仍處于半開放體系。隨著地層埋深的增加,鈉氯系數(shù)值小于1的CaCl2型地層水明顯增多,地層水礦化度及各離子濃度緩慢增加(礦化度最高達140 g/L）,硫酸根數(shù)據(jù)相對變小,最后地層水礦化度及各項離子濃度又普遍降低(礦化度最低達到105 g/L）。

埋深2 100 m以下地層處于晚成巖階段,屬封閉體系地下水系統(tǒng)。地層水主要為CaCl2型水,其鈉氯系數(shù)基本小于1。該階段地層流體壓力普遍進入高壓體系,廣泛發(fā)育地層壓力和流體封隔層,地層水較為封閉,地層內(nèi)發(fā)生滲濾濃縮作用和蝕變耗水作用,其地層水礦化度、各離子濃度及離子組合特征均增至最高,不受外界水環(huán)境的影響。

3 地層水水化學特征主控因素分析

通過東營凹陷地層水水化學分布特征,可以看出不同層系地層水的水化學特征具有明顯差異。除了受原始沉積、氣候環(huán)境影響外,還受到后期的斷裂活動、大氣水的滲入淡化作用、蒸發(fā)濃縮作用、泥巖壓實排水作用、地下水的滲濾濃縮作用、黏土礦物的脫水作用、有機質對水化學的影響作用、礦物的溶解、轉變及沉淀作用、陽離子的交換吸附作用及硫酸鹽的還原作用等[3-11]。

地層埋深小于800 m時,屬早成巖早期。地層水受外界大氣水影響較大,主要為大氣水下滲淡化所致,其影響的程度取決于氣候、地形、地質構造、滲透層與隔水層的分布以及凹陷壓實排水形成的離心流的相對強度等。同時在局部地區(qū)存在蒸發(fā)濃縮作用,是導致孔隙水礦化度和離子濃度增加的最主要因素之一。眾因素制約該階段地層水礦化度一般較低。

地層埋深800～1 700 m時,屬早成巖晚期。隨著地層深度的增加,地層中的泥巖開始壓實排水淡化作用,使得滲透層的Cl-、Na+濃度和礦化度降低,鹽化系數(shù) Cl-/(C+HCO3-）變小,S、C+HC濃度增大,脫硫系數(shù)S/(S+Cl-）、鈉氯系數(shù)rNa+/rCl-變大。同時地層中的頁巖也在進行著壓濾濃縮作用,在具有較高交換能力的沉積物(如蒙脫石）中所滲出的溶液,其濃度隨壓力增高而降低,殘余孔隙水的濃度將有所增高。這種壓濾濃縮蝕變耗水使得地層水礦化度快速增長,其值最高達140 g/L。

地層埋深1 700～3 000 m時,屬晚成巖早期。隨地層深度增加,地區(qū)環(huán)境發(fā)生變化,地層中黏土礦物蝕變開始脫水,即黏土礦物都不同程度地含有一定數(shù)量的吸附水和結構水。隨著埋深和地溫的增加,階段性地發(fā)生脫水作用。黏土礦物脫水產(chǎn)生的孔隙水基本上為淡水,這種機理能使地下水淡化,造成地層水礦化度急劇降低,最低達到105 g/L。同時地層中發(fā)生滲濾濃縮作用,即在地下水滲透過程中,黏土礦物具有隔膜滲濾作用,不同濃度的鹽溶液若被半滲透隔膜隔開,則將引起溶液濃度較低的一邊,通過隔膜移向濃度較高一邊,在高濃度一邊產(chǎn)生較大的壓力,并伴隨著蝕變耗水作用。滲濾濃縮作用和蝕變耗水作用使得其地層水礦化度數(shù)值較高,特別是該階段2 100 m以下部位,幾乎不受外界水環(huán)境的影響;同時該階段內(nèi)部地層水礦化度依然存有低值,表明其內(nèi)部存在各自獨立的系統(tǒng)。

地層埋深3 000 m以下,屬晚成巖晚期。地層內(nèi)主要發(fā)生滲濾濃縮作用和蝕變耗水作用,使得其地層水礦化度數(shù)值較高,不受外界水環(huán)境的影響,同時該階段內(nèi)部地層水的低值礦化度數(shù)據(jù)依然存有,表明其內(nèi)部存在各自獨立的系統(tǒng)。

總之,影響地層水水化學特征的因素較多,這些影響因素共同導致了地層水水化學特征的垂直分帶性及平面分區(qū)性特征。

4 結論

(1）地層水水化學在平面上具分區(qū)性。沙四段整體地層水數(shù)值較高,且東高西低,北部洼陷區(qū)地層水礦化度最大,向南逐漸減小;沙三段地層水礦化度高值區(qū)范圍縮小,高值區(qū)變化帶和斷裂構造帶一致,凹陷邊部和淺層地層水急劇降低。

(2）縱向上,隨深度增加,地層水礦化度、鈉離子、氯離子、碳酸根離子含量和鹽化系數(shù)逐漸增大,硫酸根離子含量、鈉氯系數(shù)和脫硫系數(shù)逐漸減小,顯示出明顯階段性及分帶性,且這種階段性與成巖作用相對應。

(3）深部高礦化度流體沿斷層向上發(fā)生了穿層運移,特別是斷裂帶和凹陷邊緣地層水礦化度等值線梯度急劇變化,代表盆地深部高礦化度的流體向外運移匯聚的主方向及凹陷邊部和淺層地層水明顯受下滲大氣水的影響,除此影響因素外,還與成巖過程中沉積壓實及礦物蝕變成分變化有關。

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Analysis of hydrochemical characteristics of paleogene local water and the affecting factors in Dongying Sag

Yin Yan
(Geoscience Research Institute of SINOPEC Shengli Oilf ields Company,Dongying Shandong257015）

There is an important relationship between the hydrochemical features of local water and oil accumulation.On the basis of the analysis of local water hydrochemical features and geological data of Dongying Sag,the planar division and vertical zonation of paleogene local water was revealed.The local water hydrochemical feature is controlled by later compaction and drainage,foreign fluid and fault activity except the primary sedimentary environment and climate condition.The dehydration and consumption of water because of mineralogic changing during diagenetic process are also important influencing factors.

local water;hydrochemical;salinity;diagenesis;Dongying Sag

TE133+.1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.037

1008-2336(2011）01-0037-06

2010-09-07;改回日期:2010-11-01

銀燕,女,1975年生,工程師,從事油氣地質研究。E-mail:yy5156@163.com。