王昌勇 鄭榮才 劉 哲 梁曉偉 李廷艷 張建伍 李雅楠

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 成都 610059;2.長慶油田公司勘探部 西安 710018;3.長慶油田公司勘探開發(fā)研究院/低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室 西安 710021;4.長慶油田分公司超低滲透油藏研究中心 西安 710018)

0 引言

隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，橫跨天環(huán)坳陷和伊陜斜坡(圖1)，在長9油層組沉積時期發(fā)育湖泊—三角洲沉積體系［1，2］。該區(qū)長9油層組為長慶油田后備資源接替層系，但其基礎(chǔ)地質(zhì)問題的研究程度總體較低，特別是對長9沉積期湖泊水體性質(zhì)尚缺乏相關(guān)研究。本次研究對該區(qū)長9油層組古鹽度進行恢復(fù)，分析其湖泊水體性質(zhì)，并從古地理的角度對其鹽度分帶特征進行了解釋，對該區(qū)巖相古地理面貌恢復(fù)、重現(xiàn)鄂爾多斯盆地晚三疊世湖泊性質(zhì)和演化歷史具有重要意義。

1 古鹽度計算

沉積磷酸鹽法、同位素法以及微量元素法是恢復(fù)沉積水體古鹽度較常用的幾類方法。其中，沉積磷酸鹽法對區(qū)別半咸水環(huán)境很有效，但其分析結(jié)果常受黏土成因、成巖作用、含磷重礦物及含磷酸鈣的生物化石影響而失效［3］;同位素法主要用于判斷淡水與海水環(huán)境，在海相碳酸鹽巖研究中使用較多［4，5］。而對古鹽度進行定量計算，目前主要采用微量元素法［6］，以B元素法應(yīng)用最為廣泛。

圖1 隴東地區(qū)長9油層組沉積相及構(gòu)造位置圖Fig.1 The plan distribution of sedimentary facies of Chang9 oil-bearing layer of Yanchang Formation in Longdong area and location of the study area

1.1 計算方法

硼元素在地球化學(xué)分析中容易被確定，對于沉積環(huán)境及鹽度的反應(yīng)比較敏感，因此，硼元素可作為反映鹽度的指標［7］。自然界水體中硼的濃度是鹽度的線性函數(shù)，而黏土從水體中吸附的硼含量與水體鹽度呈雙對數(shù)關(guān)系式，即佛倫德奇吸收方程［8］:

式中B為吸附硼含量(μg/g)，S為鹽度(‰)，C1和C2是常數(shù)，此方程為利用B元素和黏土礦物定量計算古鹽度的理論基礎(chǔ)，在此方程基礎(chǔ)上建立的Adamas公式和Couch公式是計算古鹽度常用的兩個公式:

(1)Adamas(亞當斯)公式［9］，其表達式為:

式①中Sp為古鹽度(‰)，x為“相當硼”含量(單位:%，計算古鹽度時需換算成μg/g)。對于以伊利石為主的泥巖樣品，式中的“相當硼”含量可由沃克校正公式［10］計算得出:

式②中8.5為純伊利石中的理論K2O濃度，B樣品和K2O樣品指樣品的實測結(jié)果。

本次研究選取了30件泥巖樣品進行微量元素分析，并首先對其中20件樣品進行了礦物X衍射分析，分析結(jié)果表明:長9油層組泥巖主要由黏土礦物組成，其含量介于55.1% ～88.8%之間，其次為石英、鈉長石以及少量鉀長石和方解石(表1)。長9泥巖中除黏土礦物以外，只有鉀長石對微量元素分析中的K元素有影響，而樣品中鉀長石含量一般不超過1%，最高不超過6.5%(表1)，因此由鉀長石帶來的K元素可以忽略不計，微量元素分析測得的K元素含量可視為黏土礦物中的K。

通過微量元素分析分別測得了B和K元素的百分含量用于古鹽度定量計算，原始分析數(shù)據(jù)及鹽度計算結(jié)果見表2。計算結(jié)果表明:隴東地區(qū)長9油層組古鹽度范圍介于0.4‰～22.3‰，平均為8.6‰;長91平均鹽度8.1‰，長92平均鹽度10.3‰，長91鹽度低于長92。

(2)Couch(科奇)公式［11］，其表達式為:

式③中B*為“校正硼”含量(單位:%，計算古鹽度時需換算成μg/g)，可由Couch校正公式換算:

式④中xi、xm、xk分別代表樣品中實測伊利石、蒙脫石和高嶺石的質(zhì)量分數(shù)，系數(shù)代表各類黏土礦物對硼的吸收強度，以系數(shù)越大為吸收強度越大，該公式適用于復(fù)雜黏土礦物成分的泥巖樣品，但受成巖作用影響較大。

表1 隴東地區(qū)長9油層組泥巖礦物X衍射分析結(jié)果Table 1 X-ray diffraction data of mudstone in the Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

本次研究選取了隴東地區(qū)長9油層組20件泥巖樣同時進行B元素分析和X射線衍射定量分析，其計算結(jié)果表明:隴東地區(qū)長9油層組古鹽度介于2.7‰～7.7‰，平均為5.0‰;長91平均鹽度為4.9‰，長92平均鹽度略高于長91，為5.2‰(表3)。

Sr/Ba比值及B/Ga比值常作為古鹽度判別的一個標志，沉積物中記錄的Sr/Ba比值及B/Ga比值與古鹽度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系［6，12］。研究區(qū) Sr/Ba比值介于0.21～0.42，B/Ga比值介于0.90～2.22，利用Couch公式和Adams公式對隴東地區(qū)長9油層組古鹽度的定量計算結(jié)果與對應(yīng)樣品Sr/Ba比值趨勢基本一致，而與B/Ga比值趨勢極為一致(圖2)，說明Couch公式和Adams公式計算結(jié)果總體反映了湖泊水體鹽度特征，具有較高的可信度。

有機地球化學(xué)分析結(jié)果也印證了Adamas公式和Couch公式計算結(jié)果的可靠性。一般說來，高含量的伽馬蠟烷常被視為沉積水體高鹽度的環(huán)境標志［13，14］，隴東地區(qū)長9油層組暗色泥巖具有較高的γ蠟烷含量(圖3)，2件長9泥巖樣品按照峰面積計算出γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)的比值分別為0.16和0.18，這一數(shù)值甚至與東濮凹陷衛(wèi)20井沙三段頂部蒸發(fā)巖中的γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)比值(0.13～0.33)［15］相當，說明其沉積水體具有較高的鹽度。

表2 隴東地區(qū)長9油層組硼、鉀分析數(shù)據(jù)和折算K2O、相當硼及Adams公式法古鹽度計算數(shù)據(jù)Table 2 The data of B，K and the calculated data of K2O，equivalent boron and paleosalinity of Adams method，Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

1.2 計算結(jié)果討論

對比運用Adams公式和Couch公式兩種方法定量計算出的長9油層組古鹽度值，不難發(fā)現(xiàn)二者無論是鹽度變化范圍還是鹽度平均值均存在較大差異(表2和表3)，產(chǎn)生這一差異的原因，部分緣于公式的適用條件的差異，更主要歸咎于黏土礦物成巖后生作用的影響。

隴東地區(qū)長9油層組泥巖黏土礦物中伊/蒙混層含量較高，一般＞50%，平均值可達65%(表3)，而伊/蒙混層在成巖過程中蒙皂石層將逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致“校正硼”“B*”含量比原始沉積物換算值偏小，從而導(dǎo)致計算的古鹽度低于真實值。同時，研究區(qū)長9油層組泥巖黏土礦物中伊利石的校正含量一般＞53%，平均為61%，屬于以伊利石為主的黏土巖，滿足Adams公式的運用條件，其定量計算古鹽度跨越了微咸水、半咸水和咸水3個鹽度帶，符合河流入湖后對湖水鹽度的稀釋規(guī)律，因此，認為利用Adams公式對隴東長9油層組古鹽度的恢復(fù)更為可靠。

2 古鹽度平面分布與變化規(guī)律

運用Adams公式和運用Couch公式恢復(fù)的古鹽度平面分布與變化規(guī)律極為相似，有如下幾個特點:①研究區(qū)北西、北東和西南部均為鹽度相對低值區(qū)，而環(huán)縣—太白梁—華池所在的三角形區(qū)域及馬家砭—太白一帶為高鹽度區(qū)域(圖4);②古鹽度分別自西南、北西和北東3個方向往湖盆中央呈逐漸升高的趨勢，分別代表了3個河流入湖的方向(或者三角洲的延伸方向)，其中西南部湖泊水體鹽度最低，應(yīng)該代表了河流/淡水作用最強的方向(圖4)，亦即主物源方向;③可以確定，長9沉積時期，研究區(qū)湖泊水體至少具有半咸水的性質(zhì)，這一水體性質(zhì)有利于有機質(zhì)的保存。

通過對研究區(qū)長9油層組古鹽度恢復(fù)發(fā)現(xiàn)鹽度高值區(qū)域與巖芯觀察所確定的前三角洲或湖灣區(qū)分布位置高度一致。本次研究共計觀察隴東地區(qū)長9油層組取芯井37口，其中16口井巖芯中發(fā)育典型的浪成交錯層理(圖5)，指示主要受波浪作用控制的河口壩或遠砂壩等水下沉積環(huán)境。浪成交錯層理分布的浪控帶位置與Couch公式恢復(fù)得出的古鹽度≥4‰?yún)^(qū)域(或Adams公式恢復(fù)得出的古鹽度≥5‰?yún)^(qū)域)吻合(圖5)，說明河流作用急劇減弱的前三角洲或湖灣區(qū)已經(jīng)具有半咸水性質(zhì)。

表3 隴東地區(qū)長9油層組B和黏土礦物分析數(shù)據(jù)及“相當硼”含量和古鹽度計算數(shù)據(jù)Table 3 The data of B and clay minerals and the calculated data of“equivalent boron”content and paleosalinity in Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

圖2 不同古鹽度恢復(fù)方法結(jié)果對比Fig.2 Comparison of different method of paleosalinity recovery

圖3 隴東地區(qū)長9油層組暗色泥巖GC-MS質(zhì)量色譜圖Fig.3 GC-MS chromatogram of mudstone of Chang 9 oil-bearing，Longdong area

圖4 隴東地區(qū)長9油層組古鹽度平面分布與變化圖(A.根據(jù)Couch公式恢復(fù);B.根據(jù)Adams公式恢復(fù))Fig.4 The paleosalinity zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area(A.calculated by Couch formula;B.calculated by Adams formula)

圖5 隴東地區(qū)長9油層組浪控帶與等鹽度關(guān)系Fig.5 The relationship between paleosalinity zone and wave active zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdon

3 研究意義

對隴東地區(qū)長9油層組古鹽度平面分布和變化規(guī)律分析，對恢復(fù)沉積期巖相古地理和成巖期流體性質(zhì)具有如下幾個重要意義:①確定主、次物源方向以及湖盆中心位置;②定量確定湖岸線位置;③長91油層平均鹽度較長92油層降低，反映了長92→長91沉積期具有湖平面上升演化趨勢;④長9沉積期湖盆的半咸水—咸水性質(zhì)，決定了成巖期流體具有鹽水(或鹵水)性質(zhì)，不僅為砂巖早成巖階段提供了富鈉、偏堿性的孔隙水，有利于早期綠泥石環(huán)邊和濁沸石的膠結(jié)作用的形成而有利原生粒間孔隙保存［16］，而且濁沸石容易在中成巖階段被有機酸溶蝕，形成大量次生孔隙而提高儲層的質(zhì)量［17，18］，因此，較高古鹽度沉積和成巖環(huán)境更有利于優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育，如:元428井古鹽度高達11.9‰(Adams公式，圖4)，早期綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用明顯，大量原生粒間孔隙得以保存，次生溶孔也較為發(fā)育，并以中—大孔為主(圖6a);而莊81井古鹽度僅為3.6‰(Adams公式，圖4)，幾乎不發(fā)育綠泥石環(huán)邊膠結(jié)物，原生粒間孔隙保存少，溶蝕作用也較弱，僅發(fā)育少量次生溶孔，以發(fā)育小孔和微孔為主(圖6b)，鹽度高值區(qū)域可作為尋找優(yōu)質(zhì)儲層的首選區(qū);長9油層組沉積—成巖期較高—高鹽度流體性質(zhì)所決定的長9油層高鹽度油田水化學(xué)特征，非常有利油藏保存。

圖6 典型成巖相組合及其孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Typical diagenetic facies assemblage of sandbody and its pore structure features

同時，通過對Adams公式和Couch公式分別計算出的古鹽度進行分析，對Couch法的適用條件有了新認識，即:該方法不適用于伊/蒙混層特別發(fā)育的陸相地層，隨著成巖階段的加深會導(dǎo)致伊蒙混層逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致Couch公式計算的古鹽度失效。

4 結(jié)論

(1)利用不同研究方法對隴東地區(qū)長9油層組古鹽度進行恢復(fù)，結(jié)果表明:長9沉積期研究區(qū)湖泊水體具有微—半咸水性質(zhì);

(2)隴東地區(qū)湖泊水體鹽度具有自北東、北西及西南方向往中央逐漸增大的趨勢，鹽度平面上的變化規(guī)律反映了河流的注入方向或三角洲的延伸范圍，鹽度縱向上的變化則反映了湖平面的演化;

(3)高鹽度區(qū)域有利于早期綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用的進行，從而有利于原生粒間孔隙的保存，為有利于優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的地區(qū)。

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