李建森，李廷偉，馬海州，彭喜明

（1.中國科學(xué)院青海鹽湖研究所，青海 西寧 810008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西 西安 710069）

油田水是指儲集層內(nèi)與油氣伴生的地層水，并與烴類的運(yùn)移、聚集和油氣藏的形成有一定關(guān)系［1］。對油田水的研究，是了解油氣生成和油氣藏形成的重要途徑，對油氣田勘探和開發(fā)有重要意義。同時(shí)，高溶解性總固體油田水中的有效組分有些可達(dá)工業(yè)品位，具有開采價(jià)值，因此油田水的研究具有礦產(chǎn)資源意義。

在柴達(dá)木盆地西部進(jìn)行油氣勘探時(shí)，經(jīng)常伴有自井中噴出的油田水，出水量大，礦種多，鉀、硼、鋰等遠(yuǎn)超工業(yè)品位，有望成為第四紀(jì)鹽湖鹵水的后續(xù)利用資源。研究表明，通過鹽田蒸發(fā)試驗(yàn)［2］，可以得到質(zhì)量較好的鉀石鹽、硼鉀混鹽、含鋰碘的母液［3］。因此，對于柴達(dá)木盆地西部含油構(gòu)造地層水的水化學(xué)特征的全面深入分析可以揭示油田水化學(xué)成因與演化，指導(dǎo)進(jìn)一步開發(fā)油田鹵水資源并進(jìn)行資源開發(fā)潛力評價(jià)，同時(shí)具有重要的油氣地質(zhì)意義?；诖耍?011年10月至11月期間赴柴達(dá)木盆地西部進(jìn)行采樣，尋找“油包水”產(chǎn)油井45口，直接從出油口采得樣品45件(南翼山5件，獅子溝4件，紅柳泉3件，小梁山7件，油泉子5件，油墩子1件，尕斯氣田5件，昆北—烏南4件，大風(fēng)山2件，冷湖4件，油砂山5件，見圖1)，并采集地表水樣11件(尕斯晶間鹵水1件、尕斯庫勒湖水1件、茫崖自流井水3件、紅柳泉自流井水1件、大柴旦地?zé)崛?件、阿拉爾河水1件)作為對比，共計(jì)樣品56件，從質(zhì)和量上最大限度的保證了樣品的可靠性，進(jìn)行了樣品的全化學(xué)分析并探討了其地質(zhì)與資源意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地周緣分別被祁連山、昆侖山和阿爾金山包圍，呈不規(guī)則菱形。在海西造山運(yùn)動以前，是橫貫歐亞大陸南部的古特提斯海的組成部分。自海西運(yùn)動以來，柴達(dá)木地區(qū)經(jīng)歷了多次的造山運(yùn)動，每次造山運(yùn)動都加劇了盆地邊緣深大斷裂(帶)的活動。直到中生代末—新生代初以來，板塊的強(qiáng)烈俯沖，四周山體不斷抬升，中央坳陷盆地主體形成，盆地西部逐漸行成“邊斷內(nèi)超、高山深盆”的沉積環(huán)境［4］，為盆地帶來了大量的鹽類碎屑物質(zhì)。再加上干旱的氣候條件，加劇了成鹽作用的強(qiáng)度，沉積了巨厚的鹽層［5］。

受三大造山帶的擠壓構(gòu)造作用，發(fā)育了一系列逆沖斷層和斷展背斜［6］(圖1)。茫崖坳陷作為柴達(dá)木盆地西部的一個三級構(gòu)造單元，發(fā)育了一系列受背斜構(gòu)造控制的油氣藏，賦存有大量的油田鹵水資源，根據(jù)部分石油鉆孔記錄資料或測井資料，油田水賦存地層主要為古近系和新近系，包括上新統(tǒng)獅子溝組、上油砂山組，中新統(tǒng)下油砂山組、上干柴溝，漸新統(tǒng)下干柴溝組［7］，主要發(fā)育泥質(zhì)巖、灰泥巖、泥灰?guī)r等細(xì)粒鈣質(zhì)沉積物，地貌上表現(xiàn)為低山、丘陵區(qū)，含水層主要由一套微膠結(jié)的碎屑巖和灰?guī)r等組成。透水性弱，水頭壓力高，與石油、天然氣共生，為高溶解性總固體鹽鹵水，選取這些背斜構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)集中采樣分析研究。

圖1 柴達(dá)木盆地西部茫崖拗陷地質(zhì)構(gòu)造與采樣分布圖Fig.1 Geologic structure and main brine sample points in western Qaidam basin

2 油田鹵水元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

油田水中各種離子的含量反映了所在地層的水文地質(zhì)條件和水文地球化學(xué)環(huán)境，也是油田水成因與演化的信息載體，同時(shí)具有油氣地質(zhì)意義。柴達(dá)木盆地茫崖拗陷的油田鹵水樣品與地表樣品的化學(xué)成分見表1。

1.1 溶解性總固體分布特征及其油氣地質(zhì)意義

地層水的溶解性總固體特征是地理地質(zhì)環(huán)境變遷所導(dǎo)致的地下水動力場和水化學(xué)場經(jīng)歷漫長而復(fù)雜演化的反映［8］。柴西油田水的溶解性總固體介于5.59～316 g/L，總體變化范圍較大，但絕大多數(shù)地區(qū)溶解性總固體值在100 g/L以上，平均為140 g/L，僅有油砂山油區(qū)的SX-27井與紅柳泉油區(qū)紅115井樣品溶解性總固體值相對異常，分別為5.59g/L和11.38 g/L，接近當(dāng)?shù)氐乇硭芙庑钥偣腆w值(阿拉爾河水溶解性總固體為8.72 g/L)。為驗(yàn)證其與地表水是否有聯(lián)系(即是否受到地表水污染)，測得兩者δ11B值分別為31.12‰和23.82‰，而阿拉爾河水δ11B=0.12‰，其他河湖溫泉水也低于0.2‰，初步推斷兩者與地表水并無直接聯(lián)系，進(jìn)一步測得SX-27井樣品(D=－25.64、δ18O=4.86，紅 115 井樣品 δD= － 21.28、δ18O=10.58，遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離當(dāng)?shù)卮髿饨邓€，而落在變質(zhì)水與巖漿水之間，因此可以推斷兩個異常樣品與地表水并無直接聯(lián)系，樣品并未受到污染。

總體來看，柴西油田鹵水具有高溶解性總固體特征，溶解性總固體的高值區(qū)反映為閉塞的沉積環(huán)境，古氣候?yàn)榘牒?、半干旱，水外泄條件差，封閉條件極好，是地層水不斷濃縮的結(jié)果，同時(shí)也由于斷裂活動的結(jié)果，導(dǎo)致高溶解性總固體地層水通過斷層發(fā)生運(yùn)移。地層水的總?cè)芙庑钥偣腆w盡管受影響因素很多，但它仍不失為反映油氣保存條件的重要指標(biāo)。就某一盆地而言，在構(gòu)造封閉的水交替阻滯－停滯帶，總?cè)芙庑钥偣腆w一般比較高；在平面分布上越接近盆地中心，總?cè)芙庑钥偣腆w越高，而在盆地的補(bǔ)給區(qū)，總?cè)芙庑钥偣腆w逐漸降低［9］。柴達(dá)木盆地西部茫崖拗陷為主要產(chǎn)油區(qū)，極富新近、古近系油氣藏資源，說明本區(qū)地層的油氣保存條件極好，這也印證了油田水高溶解性總固體有利于保存油氣藏的事實(shí)，高溶解性總固體油田水的發(fā)現(xiàn)具有油氣地質(zhì)意義，區(qū)域油田水的溶解性總固體高值區(qū)是油氣找礦靶區(qū)，值得重視。茫崖拗陷油田水溶解性總固體平均值以昆北－烏南油區(qū)14.3g/L為最低，以油墩子316g/L為最高，從平面分布上看，溶解性總固體以南翼山、小梁山、大風(fēng)山、油墩子構(gòu)造區(qū)域依次向外圍降低，如昆北—烏南僅為14.3g/L(圖2)，說明南翼山—小梁山—大風(fēng)山沉積區(qū)域可能為柴達(dá)木盆地西部的沉積中心，這與南翼山構(gòu)造油氣藏是目前柴西北區(qū)發(fā)現(xiàn)的最大油氣藏，質(zhì)量好，儲量大［10］的事實(shí)一致，也說明周邊如昆北—烏南油區(qū)可能存在盆地的補(bǔ)給區(qū)域。同時(shí)，研究表明南翼山構(gòu)造區(qū)的油氣充注主要來自北邊的小梁山凹陷［11］，而南翼山的地層水溶解性總固體值要高于小梁山凹陷55g/L以上，因此溶解性總固體分布與油氣運(yùn)移路徑也存在一定相關(guān)性，值得深入探討與研究。

表1 柴達(dá)木西部油田鹵水與地表水樣的化學(xué)成分Table 1 The chemical composition of oilfield brine and surface water in western Qaidam basin

圖2 柴西各采樣點(diǎn)平均溶解性總固體分布Fig.2 The average salinity distribution of each sample point in the western Qaidam basin

1.2 鹵水特征離子分布與離子間關(guān)系及其意義

柴達(dá)木盆地西部新近、古近系油田水水化學(xué)分析結(jié)果表明:按照油田水分類法中的蘇林分類法，柴西油田水皆為CaCl2型，為地下深層條件形成，主要來源于埋藏壓釋水、有機(jī)質(zhì)熱演化成烴析出水、粘土礦物脫出的結(jié)晶水等，具有深層交替停滯狀態(tài)特征。主要離子濃度組合為:Cl－＞Na++K+＞ Ca2+＞ Mg2+＞＞HCO3－，陰離子以Cl－為主，含量可達(dá)189.35 g/L。同時(shí)，Cl－含量與溶解性總固體之間呈現(xiàn)了極好的線性關(guān)系(圖3)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999，可以推測高溶解性總固體油田水是蒸發(fā)濃縮的產(chǎn)物和鹽類礦物溶解的結(jié)果［12］。陽離子以Na++K+為主，含量可達(dá)118.51g/L，Na+含量與溶解性總固體之間也呈現(xiàn)極好的線性關(guān)系(圖3)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.938，說明油田水經(jīng)歷了強(qiáng)烈的濃縮作用，柴西茫崖拗陷新近、古近系地層環(huán)境為有利于油氣生成和保存的還原環(huán)境。

對比來看，柴西油田水水化學(xué)基本特征與塔里木盆地具有一定的相似度，說明二者在地質(zhì)構(gòu)造背景上的某些相似性。與新疆吐魯番盆地相比，除以外離子含量較高；除HCO3－外，其他基本離子含量遠(yuǎn)高于東部一些盆地，說明較大的地質(zhì)構(gòu)造背景差別。與海水對比來看:柴西油田水溶解性總固體、Na++K+、Ca2+、Cl－、HCO3－均高于海水?dāng)?shù)倍，有的可達(dá)數(shù)十倍，如Ca2+含量可高于海水30倍(表2)。

圖3 氯離子與鈉離子濃度隨溶解性總固體變化Fig.3 Relations between Cl－、Na+and TDS for oilfield brine from western Qaidam basin

與資源可開采利用品位比來看:眾多具有開發(fā)價(jià)值的元素都達(dá)到工業(yè)品位，如NaCl、B、Li和Br等遠(yuǎn)超單獨(dú)開采品位，K多數(shù)達(dá)到綜合利用品位，因此油田水的研究不僅具有石油地質(zhì)學(xué)上的意義，它的開發(fā)利用還具有重大的資源意義。

2 油田水化學(xué)參數(shù)組合特征及其地質(zhì)意義

油田水地球化學(xué)特征可以揭示油田水系統(tǒng)的演化和水文地質(zhì)條件的封閉性。研究中常用參數(shù)有鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、鈣鎂系數(shù)和鈉鈣系數(shù)等，這些系數(shù)對研究油田鹵水的成因演化過程以及油氣生成與運(yùn)聚等有一定意義，見表3。

表2 海水及中國主要含油氣盆地油田水化學(xué)特征對比［13～14］Table 2 Comparison of chemistry features of water in seawater and oil-bearing basins［13 ～ 14］

圖4 柴西油田鹵水中鋰與硼的含量關(guān)系Fig.4 Relations between Li and B for oilfield brine from western Qaidam basin

2.1 鈉氯系數(shù)(rNa/rCl)

鈉氯系數(shù)(rNa/rCl)可以判斷地層水的來源、濃縮變質(zhì)作用程度及水動力條件等。地層水中Na+化學(xué)穩(wěn)定性相對Cl－較差，在地層水埋藏過程中可能由于吸附、沉淀等化學(xué)反應(yīng)而減少，而Cl－變化不大，因此，在埋藏過程中該系數(shù)趨于降低，鈉氯系數(shù)變大反映受滲入水的影響，不利于油氣保存。通常，標(biāo)準(zhǔn)海水的rNa/rCl平均值為0.85～0.87，巖鹽層溶濾形成的地層水rNa/rCl大約為1，受大氣降水淋濾作用影響的地層水rNa/rCl一般大于1，經(jīng)過陽離子交替吸附和強(qiáng)烈的水－巖相互作用的沉積水rNa/rCl＜0.87［15］。同時(shí)，據(jù)汪蘊(yùn)璞等研究:鹵水rNa/rCl=0.87，rBr×103/rCl=3.33，則為海成沉積鹵水；當(dāng)rNa/rCl=0.87～0.99或更高，rBr×103/rCl=0.83～0.083或更小時(shí)，鹵水為巖鹽溶濾成因；當(dāng)rNa/rCl＜0.87，rBr×103/rCl＞ 3.33 時(shí)，則為沉積變質(zhì)鹵水［16］。

從柴達(dá)木盆地西部油田鹵水鈉氯系數(shù)與溴氯系數(shù)來看(圖5)，油田鹵水溴氯系數(shù)皆小于0.83，而多數(shù)油田鹵水鈉氯系數(shù)大于0.87，反映了油田鹵水的大氣降水巖鹽淋濾成因，部分小于0.87，表明發(fā)生了陽離子交替吸附與強(qiáng)烈的水巖反應(yīng)過程。

2.2 脫硫系數(shù)(100×rSO4/rCl)

表3 油田水各化學(xué)系數(shù)Table 3 Chemical factor of oilfield brine

圖5 鈉氯系數(shù)與溴氯系數(shù)分布關(guān)系Fig.5 Relations between rNa/rCl×103and rBr×103/rCl for oilfield brine from western Qaidam basin

圖6 脫硫系數(shù)Fig.6 Relations between Sand Cl－for oilfield brine from western Qaidam basin

2.3 鈣鎂系數(shù)(rCa/rMg)

鈣鎂系數(shù)(rCa/rMg)反映了地層水的變質(zhì)程度，時(shí)間越長，封閉性越好，則變質(zhì)程度就越高，其值就越高。柴西油田鹵水rCa/rMg多數(shù)大于2，最高的為南翼山地區(qū)達(dá)9.72，紅柳泉地區(qū)達(dá)8.47，而尕斯2號、小梁山5號為最低，接近于0?？傮w來看，柴西油田鹵水變質(zhì)程度較低。其富Ca2+、低Mg2+、SO2－4的特點(diǎn)表征了柴西油田鹵水的深成CaCl2型特征，富Ca2+可能與白云巖化或碳酸鹽礦物或硫酸鹽礦物溶解有關(guān)［17］。

2.4 rCa+Mg/rHCO3+SO4系數(shù)

根據(jù)研究表明，地下水中rCa+Mg/rHCO3+SO4＞＞1，則指示Ca2+和Mg2+主要來源于碳酸鹽礦物的溶解；若rCa+Mg/rHCO3+SO4＜＜1，則指示Ca2+和Mg2+主要來源于硅酸鹽或硫酸鹽礦物的溶解；若rCa+Mg/rHCO3+SO4大約為1，則指示既有硅酸鹽礦物的溶解，又有碳酸鹽的溶解［18］。如圖7，從柴西油田鹵水的 rCa+Mg/rHCO3+SO4系數(shù)來看，多數(shù)系數(shù)大于或等于1，基本推斷 Ca2+和Mg2+來源中碳酸鹽的溶解占主導(dǎo)作用，并伴隨一定的硫酸鹽溶解，至于白云巖化，目前尚存較大爭議［19］，基于目前數(shù)據(jù)無法判斷。從rCa/rMg系數(shù)與鈣離子摩爾濃度關(guān)系(圖8)來看，柴西油田鹵水的演化基本落在碳酸鹽溶解線上，可以推斷Ca2+來源主要與碳酸鹽礦物溶解有關(guān)。同時(shí)，據(jù)研究表明，HCO3－的來源主要有三種:碳酸鹽礦物溶解、有機(jī)質(zhì)成熟過程中CO2的加入、細(xì)菌還原作用。而柴西油田鹵水存在硫酸根的細(xì)菌還原作用，從與HCO3－的關(guān)系(圖9)來看，兩者存在正相關(guān)關(guān)系，因此HCO3－不可能來源于還原作用，而應(yīng)與碳酸鹽礦物溶解或有機(jī)質(zhì)成熟過程中CO2的加入有關(guān)，也支持了油田鹵水演化過程中碳酸鹽礦物溶解作用的推論。

圖7 rCa+Mg/rHCO3+SO4系數(shù)Fig.7 Relations between Ca2+add Mg2+and HCO 3－addfor oilfield brine from western Qaidam basin

圖8 Ca2+與rCa/rMg之間的關(guān)系Fig.8 Relations between Ca2+and rCa/rMg for oilfield brine from western Qaidam basin

3 結(jié)論

(1)柴達(dá)木盆地西部茫崖拗陷新近、古近系油田鹵水具有高溶解性總固體CaCl2型水的特點(diǎn)，反映了其地下深層閉塞沉積環(huán)境下的高度濃縮成因。油田水的溶解性總固體與油氣成藏運(yùn)聚有顯著地關(guān)系，值得深入探討。

圖9 HCO3－與的關(guān)系Fig.9 Relations between HCO 3－andfor oilfield brine from western Qaidam basin

(2)柴西油田鹵水多數(shù)離子含量高于海水，B、Li等離子遠(yuǎn)超工業(yè)開采品位，其來源可能與深部火山地?zé)崴嘘P(guān)。同時(shí)表現(xiàn)為富Ca2+而貧Mg2+、SO42－，富Ca2+與碳酸鹽礦物溶解有關(guān)。

(3)柴西新近系、古近系油田鹵水起源于大氣降水，淋濾了巖鹽，并有深部火山地?zé)崴膮⑴c，經(jīng)歷了高度濃縮，并在形成演化過程中發(fā)生了一定的水巖反應(yīng)。

(4)依據(jù)溶解性總固體、鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)等特征推斷烏南—昆北油區(qū)可能存在柴西茫崖拗陷的補(bǔ)給區(qū)。

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