梁曉偉 牛小兵 李衛(wèi)成張 三 葉 博 尤 源

（1.中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018）

鄂爾多斯盆地是中國(guó)第二大中生代含油氣沉積盆地［1，2］，晚三疊世沉積期具有“盆大、坡緩、穩(wěn)定、源多”特點(diǎn)，其中的三疊系延長(zhǎng)組和侏羅系延安組是盆地內(nèi)最重要和最典型的低滲、特低滲透型含油層系［3，4］。按沉積旋回性，延長(zhǎng)組可劃分為9個(gè)主力含油層組，依次覆于延長(zhǎng)組之上的侏羅系富縣組和延安組，僅延安組下部的延9、延10油層組為侏羅系的主力含油層系。

含油氣沉積盆地流體地球化學(xué)是一門(mén)涉及多學(xué)科的交叉學(xué)科，是當(dāng)代地學(xué)研究的前沿。油層水的化學(xué)特征是不同的成巖環(huán)境包括后期改造的綜合反映，油層水的化學(xué)性質(zhì)與油氣成藏密切相關(guān)，地下水動(dòng)力條件及油層水演化側(cè)面反映了盆地流體流動(dòng)樣式及演化規(guī)律［5－15］，油氣的生成、運(yùn)移、聚集、保存和散失都是在地層水的環(huán)境里或是在地層水的參與下進(jìn)行的，油層水作為地質(zhì)流體的重要組成部分存在于任何一個(gè)油氣藏流體系統(tǒng)中，其化學(xué)成分蘊(yùn)含了許多與油氣藏形成和保存相關(guān)的信息［16－18］。油層水和油氣之間存在經(jīng)常性的物質(zhì)成分交換，直接或間接地指示盆地流體系統(tǒng)的開(kāi)放性和封閉性，因此，油層水性質(zhì)的研究更是石油地質(zhì)學(xué)中油氣成藏過(guò)程的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一［5，12］。在以往的研究中，對(duì)盆地流體的研究往往注重于油氣的組分分析，而對(duì)油層水分布特征及演化研究力度不足。本文通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地石油成藏過(guò)程和不同層系地層水化學(xué)特征的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)三疊系延長(zhǎng)組與侏羅系延安組的水化學(xué)特征差異顯著；在分析不同沉積條件下油層水特征的變化及其影響因素的基礎(chǔ)上，探討油層水與油藏保存條件的關(guān)系及其勘探與開(kāi)發(fā)意義。

1 現(xiàn)今油田水分布特征

1.1 礦化度

礦化度（TDS）是指地層水中含無(wú)機(jī)鹽量的多少（即質(zhì)量濃度）。地層水的礦化度是地理地質(zhì)環(huán)境變遷所導(dǎo)致的地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)經(jīng)歷漫長(zhǎng)而復(fù)雜演化過(guò)程的反映。按照礦化度的大小可將地層水劃分為5類(lèi)（表1）［18－21］。

表1 地層水礦化度分類(lèi)Table 1 Mineralization classification of formation water

統(tǒng)計(jì)表明，鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組及延安組現(xiàn)今各油層組油田水礦化度變化在18～90g／L之間，平均為52g／L（圖1），屬于鹽水－鹵水的地層水類(lèi)型。其中，將延長(zhǎng)組長(zhǎng)3－長(zhǎng)6上油層組合與長(zhǎng)7－長(zhǎng)10下油層組合相比較，其礦化度明顯較高，與以往隨著埋藏深度加大礦化度增高的認(rèn)識(shí)存在明顯差別。

1.2 地層水鹽類(lèi)離子組分

鄂爾多斯盆地鹽類(lèi)常規(guī)離子組分中陽(yáng)離子為Na＋＋K＋，Ca2＋，Mg2＋；陰離子為Cl－，，；而 且 陽(yáng) 離 子 具 有ρ（Na＋＋K＋）＞ρ（Ca2＋）＞，陰 離 子 豐 度 表 現(xiàn) 為 ρ（Cl－）＞＞，Na＋＋K＋和Cl－是鹽類(lèi)離子的主要組成部分（表2）。

圖1 鄂爾多斯盆地主力油層組油層水礦化度分布柱狀圖Fig.1 The bar graph for mineralization distribution of formation water of main reservoir groups in Ordos Basin

1.3 油田水類(lèi)型

按照蘇林（1946）分類(lèi)法，可將油田中的地層水分為4種類(lèi)型：CaCl2型、NaHCO3型、MgCl2型和Na2SO4型。對(duì)于油田來(lái)說(shuō)，含油氣圈閉的水文地質(zhì)開(kāi)啟程度決定了油田水性質(zhì)。如裸露和嚴(yán)重破壞的圈閉構(gòu)造中，多屬于開(kāi)放性的Na2SO4型水；而與地表隔絕良好的圈閉構(gòu)造中，多屬于封閉性的 CaCl2型水［11，22－24］。

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組油田水屬于CaCl2型水，其他水型極少，表明油田的水文地質(zhì)條件穩(wěn)定，油藏封閉性好，有利于油藏的后期保存；主要與延長(zhǎng)組地層為典型低孔低滲型儲(chǔ)層，縱向上及側(cè)向上的連通性較差，水體交換停滯，水動(dòng)力對(duì)油藏不具破壞作用密切相關(guān)。延安組油田水主體為NaHCO3型水，少部分為高礦化度的CaCl2型水，與其較復(fù)雜的分布特征和具備開(kāi)放性有關(guān)。

2 油田水化學(xué)參數(shù)

2.1 鈉氯系數(shù)

鈉氯 系 數(shù) （r（Na＋／Cl－））是 反 映 地 層 封 閉 性 好壞、油田水變質(zhì)程度、地層水活動(dòng)性的重要參數(shù)。低鈉氯系數(shù)與水變質(zhì)程度高、油氣保存條件好具有一致性，比值小，反映了比較還原的水體環(huán)境，有利于油氣的保存［25－28］。按諾沃謝利分類(lèi)，鄂爾多斯盆地各油層組鈉氯系數(shù)具有明顯分帶性（圖2－A）。

表2 鄂爾多斯盆地各主力油層組鹽類(lèi)離子含量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical chart of ions content of different reservoir groups in Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地主力油層組油層水化學(xué)參數(shù)柱狀圖Fig.2 The bar graph of chemical parameters of formation water for main reservoirs

次生油藏分布帶：延安組及富縣組鈉氯系數(shù)＞1，在1.10～1.35之間，平均為1.20，地層水多為NaHCO3型。

大量原生油藏分布帶：延長(zhǎng)組鈉氯系數(shù)＜1，在0.64～0.98之間，平均為0.78，地層水多為CaCl2型。

鈉氯系數(shù)分布特征與延長(zhǎng)組、富縣組及延安組水型特征相符合。

2.2 脫硫系數(shù)

2.3 氯鎂系數(shù)

氯鎂系數(shù)（γ（Cl－／Mg2＋））可反映地層水在運(yùn)移過(guò)程中水巖作用的強(qiáng)度和離子交替置換的程度。地下徑流越慢，水巖作用時(shí)間越長(zhǎng)，離子交換作用將越徹底，流體中Na＋和Mg2＋離子可能越少，而Ca2＋離子相對(duì)越多。與此對(duì)應(yīng)，水的變質(zhì)程度就越深，越有利于油氣保存，油氣伴生的地層水氯鎂系數(shù)通常＞5.13。鄂爾多斯盆地各油層組油田水統(tǒng)計(jì)結(jié)果，氯鎂系數(shù)均?5.13，平均值為65.54（圖2－C），反映地層水封閉性好、封閉時(shí)間長(zhǎng)，濃縮變質(zhì)作用很深，非常有利于油氣的聚集和保存。

2.4 鎂鈣系數(shù)

低的鎂鈣系數(shù)（γ（Mg2＋／Ca2＋））常與次生孔隙的發(fā)育有關(guān)。方解石的白云石化和溶解過(guò)程都能夠改善儲(chǔ)層的物性，并導(dǎo)致油田水中鎂鈣系數(shù)值降低。鄂爾多斯盆地各油層組油田水鎂鈣系數(shù)分帶性明顯，如富縣組及延安組鎂鈣系數(shù)在0.39～0.69之間，平均為0.50，儲(chǔ)層受成巖作用改造弱，以原生孔隙為主，溶孔不發(fā)育；又如延長(zhǎng)組各油層組鎂鈣系數(shù)在0.08～0.29之間，平均為0.21（圖2－D），儲(chǔ)層受到多期成巖改造，次生溶孔發(fā)育，與其較低的鎂鈣系數(shù)具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 油田水化學(xué)特征

3.1 長(zhǎng)3 長(zhǎng)6中部組合油田水高礦化度成因

延長(zhǎng)組各油層組油田水礦化度分布，具有長(zhǎng)3－長(zhǎng)6中部組合油田水礦化度明顯高于長(zhǎng)8－長(zhǎng)10下部組合。一般來(lái)說(shuō)，沉積盆地中地層水礦化度隨深度的增加而增大；但也不盡然，對(duì)于多數(shù)沉積盆地，礦化度在一定深度其值為一較寬范圍。這種變化不僅反映了地層水中所溶解物質(zhì)的來(lái)源，同時(shí)它還說(shuō)明地層水經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過(guò)程，如運(yùn)移、擴(kuò)散等［9，12，18］。

顧家裕（2001）認(rèn)為油田水化學(xué)的性質(zhì)和組分在整個(gè)地質(zhì)歷史過(guò)程中是在不斷變化的，它受沉積時(shí)環(huán)境和流體的性質(zhì)、大氣水的滲流和淡化作用等9種因素的影響［29］，其中沉積時(shí)環(huán)境和流體的性質(zhì)對(duì)后期油田水礦化度的影響較大。通過(guò)鈉氯系數(shù)等地層水化學(xué)參數(shù)的分析表明，延長(zhǎng)組由于受沉積、成巖等作用的綜合影響，形成了低孔低滲儲(chǔ)層，長(zhǎng)期處于穩(wěn)定、還原的水文地質(zhì)環(huán)境，與外界流體的交換基本停滯，非常有利于油藏的保存，因此，各油層組沉積時(shí)的環(huán)境及流體是決定現(xiàn)今油田水化學(xué)特征的重要因素。為了證實(shí)沉積時(shí)環(huán)境和流體與現(xiàn)今油層水化學(xué)特征的關(guān)系，本文開(kāi)展了不同油層組古鹽度分析。

古鹽度是古代沉積物中水體鹽度的記錄，可作為分析地質(zhì)歷史中沉積環(huán)境特征的一個(gè)重要信息。本文主要運(yùn)用硼元素法進(jìn)行古鹽度的恢復(fù)。硼元素對(duì)于鹽度的反應(yīng)比較敏感，對(duì)沉積環(huán)境及各種地質(zhì)作用具有明顯的指示意義。黏土礦物可從溶液中吸收硼且數(shù)量與溶液中硼濃度有關(guān)［30－31］，且在各種地球化學(xué)分析方法中硼是比較容易確定的一種元素，因此，硼元素常被作為反映鹽度的一個(gè)較好的指標(biāo)來(lái)使用。由于自然界水體中硼的濃度是鹽度的線性函數(shù)，因而黏土礦物從水體中吸收的硼含量與水體的鹽度呈雙對(duì)數(shù)關(guān)系式，即所謂的佛倫德奇吸收方程［31］，其表達(dá)式為

式中：wB為吸收硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；S為鹽度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；C1和C2是常數(shù)。

此方程式是利用硼和黏土礦物定量計(jì)算古鹽度的理論基礎(chǔ)。常用的定量計(jì)算公式有如下2個(gè)。

式中：Sp為古鹽度；wB為“相當(dāng)硼”含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

式中：wB＊為“校正硼”含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

作者在鄂爾多斯盆地姬塬、華慶及鎮(zhèn)北等主力區(qū)塊選取了40余口均勻分布的取心井，采集了長(zhǎng)3－長(zhǎng)9油層組取心段的60件泥巖樣品，分別進(jìn)行X射線衍射定量分析和微量元素B，Na和K分析，重點(diǎn)加強(qiáng)典型油層組長(zhǎng)6及長(zhǎng)9的對(duì)比分析，運(yùn)用Couch公式定量計(jì)算古鹽度（表3）。結(jié)果表明，長(zhǎng)6油層組古鹽度較高，平均為2.39‰，具半咸水湖泊的性質(zhì)；而長(zhǎng)9油層組古鹽度平均為0.67‰，為淡水湖泊的性質(zhì)。古鹽度與現(xiàn)今油層水礦化度之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖3），長(zhǎng)6沉積時(shí)的半咸水湖性質(zhì)是決定現(xiàn)今長(zhǎng)6高礦化度的主要因素，富含半咸水的長(zhǎng)6儲(chǔ)層在埋藏成巖后，經(jīng)濃縮作用逐漸演化形成現(xiàn)今高礦化度油層水。

表3 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6及長(zhǎng)9硼元素法古鹽度計(jì)算數(shù)據(jù)表Table 3 Data on the palaeosalinity Calculated by element B method in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng)6、長(zhǎng)9古鹽度及現(xiàn)今油層水礦化度柱狀圖Fig.3 The palaeosalinity and bar graph for mineralization of formation water nowadays in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

3.2 長(zhǎng)1、長(zhǎng)2上部組合油田水礦化度變低的原因

20世紀(jì)90年代以來(lái)，人們開(kāi)始注意到開(kāi)放體系中大氣水對(duì)砂巖骨架顆粒溶解產(chǎn)生次生孔隙的現(xiàn)象（Emery等，1990；Ramm，1992；Bloch等，1993），特別是近地表暴露和淡水淋濾作用對(duì)砂巖物理性質(zhì)的影響，總結(jié)得出了不整合面附近大氣淡水淋濾作用并產(chǎn)生次生孔隙的證據(jù)，主要表現(xiàn)為近不整合面附近由長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽溶解形成的次生孔隙和次生高嶺石增加，巖石物性變好，孔隙度、滲透率增加等特征性標(biāo)志。

鄂爾多斯盆地晚三疊世末，印支運(yùn)動(dòng)使全區(qū)抬升，廣遭剝蝕，使大部分地區(qū)延長(zhǎng)組頂部長(zhǎng)1及長(zhǎng)2地層大規(guī)模缺失，形成了丘陵起伏、階地層疊、溝谷縱橫的前侏羅紀(jì)古地貌形態(tài)，侏羅系就是在此背景上形成的，造成了延長(zhǎng)組與延安組或富縣組多呈平行不整合接觸［34］。黃思靜等研究也表明，該暴露時(shí)間間隔中大氣水的淋濾作用，促使了長(zhǎng)石等骨架顆粒的溶解，對(duì)延長(zhǎng)組砂巖儲(chǔ)層次生孔隙的產(chǎn)生及儲(chǔ)層物性的改善具有重要意義［35］。

延長(zhǎng)組地層水總體處于封閉的流體動(dòng)力環(huán)境，但延長(zhǎng)組頂部特別是長(zhǎng)1、長(zhǎng)2地層受到印支期末剝蝕暴露時(shí)間間隔大氣水的淋濾作用的影響，形成大氣水下滲淡化區(qū)，地層相對(duì)開(kāi)啟，油氣保存條件較差，油氣藏規(guī)模較小，且處于聚集—散失的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，總體上不利于油氣聚集和保存［26，36］，這是導(dǎo)致現(xiàn)今長(zhǎng)1、長(zhǎng)2地層水礦化度低的主要因素。

3.3 侏羅系油田水性質(zhì)及成因

鄂爾多斯盆地侏羅系與三疊系延長(zhǎng)組油田水具有明顯差異。前者油田水主體為NaHCO3型，而后者幾乎全部為CaCl2型水。研究認(rèn)為：造成上述油田水差異的原因主要有：①侏羅系砂巖儲(chǔ)層受沉積成巖改造弱，儲(chǔ)層物性好，水文地質(zhì)條件活躍，處于較為開(kāi)放的水體環(huán)境，易受外來(lái)流體如地表水注入的稀釋作用的影響，改變了鹽類(lèi)離子組成。②延安組沉積期氣候溫暖潮濕、雨量充沛、植被繁茂，廣泛發(fā)育煤系地層。煤系地層在埋藏?zé)嵫莼^(guò)程中會(huì)釋放出較高濃度CO2，進(jìn)入地層水中，導(dǎo)致了地層水中的HCO－3＋濃度大于Cl－＋濃度，使地層水“活化”，構(gòu)成了侏羅系以NaHCO3型為主的又一重要原因［36］。

4 結(jié)論

a.鄂爾多斯盆地三疊系及侏羅系油田水礦化度總體較高，屬于鹽水－鹵水的地層水類(lèi)型，高度富集的Na＋＋K＋和Cl－是形成油田水高礦化度的原因。

b.延長(zhǎng)組油田水為CaCl2型，表明油田的水文地質(zhì)條件穩(wěn)定，油藏封閉性能較好，有利于油藏的后期保存。延安組油田水主體為NaHCO3型，水文地質(zhì)環(huán)境活躍，油藏保存條件相對(duì)較差。

c.鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)等地層水化學(xué)參數(shù)分析表明，侏羅系為次生油藏分布帶，油藏易受破壞，油藏分布廣、油藏規(guī)模小，油藏保存條件較差；延長(zhǎng)組為大量原生油藏分布帶，水封閉性能好，油藏保存條件好。

d.各油層組沉積期古鹽度特征對(duì)現(xiàn)今地層水礦化度具有明顯的控制作用，長(zhǎng)3－長(zhǎng)6沉積期半咸水的湖泊性質(zhì)，是造成長(zhǎng)3－長(zhǎng)6油田水高礦化度的主要原因；印支期末剝蝕暴露時(shí)間間隔大氣水的淋濾作用的影響，是造成延長(zhǎng)組頂部長(zhǎng)1、長(zhǎng)2油田水礦化度變低的重要因素；侏羅系開(kāi)放的水文地質(zhì)環(huán)境及煤系地層自身釋放的CO2是造成侏羅系NaHCO3型油田水的兩大條件。

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