趙永強(qiáng)，倪春華，吳小奇，朱建輝，劉光祥，王付斌，賈會(huì)沖，張 威，齊 榮，安 川

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；3.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 102206；4.中國石化 華北油氣分公司 油氣勘探管理部，鄭州 450006；5.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006

鄂爾多斯盆地是我國陸上重要的含油氣盆地之一，也是我國目前天然氣產(chǎn)量最高的盆地，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)包括蘇里格、大牛地等在內(nèi)的探明儲(chǔ)量超過1 000×108m3的大氣田9個(gè)[1-4]。鄂爾多斯盆地天然氣勘探領(lǐng)域主要包括上古生界石炭系—二疊系致密砂巖和下古生界奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖[5-14]，其中上古生界氣藏中氣水共存現(xiàn)象普遍存在[15-17]。近年來，勘探范圍從盆地腹部逐漸向盆地邊緣拓展，在盆地北緣杭錦旗地區(qū)上古生界發(fā)現(xiàn)了東勝大氣田，截至2021年底，其天然氣探明儲(chǔ)量達(dá)1 926.74×108m3[5]，該區(qū)成為鄂爾多斯盆地天然氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)地區(qū)之一。

杭錦旗地區(qū)上古生界天然氣主要富集于二疊系下石盒子組砂巖儲(chǔ)層中。烴源巖和天然氣地球化學(xué)特征的系統(tǒng)研究表明，該區(qū)泊爾江海子斷裂以南十里加汗和獨(dú)貴加汗地區(qū)烴源巖明顯優(yōu)于斷裂以北什股壕地區(qū)烴源巖[18-19]，什股壕地區(qū)天然氣主要由斷裂南側(cè)十里加汗和獨(dú)貴加汗地區(qū)運(yùn)移而來[9,20]。杭錦旗地區(qū)二疊系氣水關(guān)系較為復(fù)雜[17]，多口鉆井氣水同產(chǎn)，未發(fā)生明顯的氣水分異[21]。地層水地化特征和成因研究在揭示油氣藏保存條件、儲(chǔ)層水巖相互作用、油氣成藏機(jī)理等方面發(fā)揮了獨(dú)特的作用[22-31]。初步研究表明，泊爾江海子斷裂南、北兩側(cè)地層水特征表現(xiàn)出一定的差異[32-33]，但對該區(qū)地層水地球化學(xué)特征和成因的研究整體較為薄弱，制約了對天然氣成藏過程和富集機(jī)理的認(rèn)識(shí)。因此，本文通過對杭錦旗地區(qū)不同區(qū)帶二疊系地層水常量組分、微量元素和氫、氧同位素的分析，并與蘇里格氣田地層水特征的對比，探討地層水的成因和來源，以期為揭示該區(qū)天然氣成藏機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣，處于伊盟隆起、伊陜斜坡與天環(huán)坳陷這3個(gè)盆地一級(jí)構(gòu)造單元的結(jié)合部位(圖1a)，總面積為9 825 km2[17,21]。該區(qū)古生代構(gòu)造沉積演化受自東向西發(fā)育的3條主干斷裂控制(圖1b)，其中泊爾江海子斷裂為斷面北傾的逆斷層，而烏蘭吉林廟和三眼井?dāng)嗔褎t為斷面南傾的正斷層[9,19]。根據(jù)斷裂分布等特征可以將該區(qū)劃分為什股壕、獨(dú)貴加汗、十里加汗、阿鎮(zhèn)、公卡汗、新召西、新召東等7個(gè)勘探區(qū)帶[5]。杭錦旗地區(qū)在地形特征上是鄂爾多斯盆地北部長期繼承性的古隆起，也是油氣運(yùn)移的有利指向區(qū)[34]。目前發(fā)現(xiàn)的探明儲(chǔ)量主要位于獨(dú)貴加汗、新召東、什股壕這3個(gè)區(qū)帶[5](圖1b)。

圖1 鄂爾多斯盆北部杭錦旗地區(qū)構(gòu)造位置(a)和井位分布(b)

杭錦旗地區(qū)天然氣主要儲(chǔ)集于下石盒子組(P1x)致密砂巖中，在山西組(P1s)、太原組(C3t)等層系也有局部發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)集層總體上以低孔、低滲為特征[35]。天然氣成因鑒別和氣源對比表明，天然氣主體為煤成氣，來自太原組和山西組煤系烴源巖[9,20]。這套烴源巖為傾氣型源巖，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型，成熟度自北向南逐漸增大，鏡質(zhì)體反射率Ro主體介于0.8%～1.4%[18-19]。煤系烴源巖生氣強(qiáng)度在泊爾江海子斷裂以南主體介于(15～30)×108m3/km2，而在該斷裂以北則普遍小于10×108m3/km2[19,36]。上石盒子組(P2sh)和石千峰組(P2s)在杭錦旗地區(qū)分布較為穩(wěn)定，其中泥巖厚度130～160 m，是下伏下石盒子組和山西組致密氣藏的有效區(qū)域蓋層[36]。與鄂爾多斯盆地腹部上古生界氣藏相比，杭錦旗地區(qū)已發(fā)現(xiàn)的天然氣儲(chǔ)量豐度和單井產(chǎn)量較低，氣水分布復(fù)雜[36]。

2 樣品和分析方法

本文采集了杭錦旗地區(qū)二疊系下石盒子組和山西組水樣共12個(gè)，其中泊爾江海子斷裂以北什股壕地區(qū)8個(gè)，斷裂以南獨(dú)貴加汗地區(qū)3個(gè)、十里加汗地區(qū)1個(gè)。地層水地球化學(xué)分析測試均在中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，水化學(xué)組成分析參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《油田水分析方法：SY/T 5523-2016》[37]，其中微量元素含量分析采用Vista-MPX電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀進(jìn)行，氫、氧同位素組成分析采用Delta V Advantage穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行。地層水礦化度、微量元素含量和氫、氧同位素組成測試結(jié)果詳見表1。此外，筆者還收集了杭錦旗地區(qū)不同鉆井[21,33]及蘇里格氣田[15]地層水?dāng)?shù)據(jù)用于對比分析。

表1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)地層水礦化度、微量元素含量和氫、氧同位素組成

3 地層水化學(xué)組成

3.1 水型和礦化度

杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂南、北兩側(cè)地層水具有一定的差異。斷裂以北二疊系地層水礦化度(TDS)介于3.6～89.2 g/L，主體介于40～80 g/L，平均為52.1 g/L；斷裂以南二疊系地層水TDS介于15.3～80.1 g/L，主體介于20～60 g/L，平均為41.9 g/L，整體略低于斷裂以北(圖2a)。山西組地層水特征與所在地區(qū)下石盒子組地層水礦化度分布范圍一致(圖2a)，未表現(xiàn)出垂向分帶特征。少數(shù)樣品礦化度偏低，甚至TDS不足5 g/L，可能是受凝析水混入的影響。大牛地氣田下石盒子組地層水礦化度明顯偏低，盒2、3段礦化度平均分別僅為15 g/L和14 g/L，這可能主要由于含氣飽和度較高、凝析水較多造成的[16]。蘇里格氣田二疊系地層水礦化度介于29.1～68.3 g/L，平均為48.3 g/L[15]，與杭錦旗地區(qū)地層水具有一定的相似性。

泊爾江海子斷裂兩側(cè)二疊系地層水中Na++K+濃度與TDS具有一定的正相關(guān)性(圖2a)，而Cl-則與TDS呈明顯的正相關(guān)(圖2b)，這可能主要緣自地層水常量離子中Cl-占主導(dǎo)。斷裂以北和以南地層水中Cl-含量分別介于0.9～55.9 g/L和1.1～50 g/L(圖2b)，平均分別為31.8 g/L和24.4 g/L，在平均TDS中占比分別為61.0%和58.2%。

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系地層水Na++K+(a)和Cl-含量(b)與TDS相關(guān)圖

3.2 水化學(xué)特征參數(shù)

變質(zhì)系數(shù)[(rCl--rNa+)/rMg2+]可以反映水巖作用的強(qiáng)度和離子交換的程度，變質(zhì)系數(shù)越大表明油氣藏封閉性越好，越有利于油氣保存[40]。杭錦旗地區(qū)二疊系地層水變質(zhì)系數(shù)整體高于0，泊爾江海子斷裂以北和以南地層水變質(zhì)系數(shù)平均分別為20.2和33.6(圖3b)。蘇里格氣田二疊系地層水變質(zhì)系數(shù)介于7.8～180.0，平均為55.1[15]，表明其水巖作用強(qiáng)度超過杭錦旗地區(qū)，油氣藏封閉性更好。

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系地層水脫硫系數(shù)與鈉氯系數(shù)(a)和鹽化系數(shù)與變質(zhì)系數(shù)(b)相關(guān)圖

因此，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水的不同類型水化學(xué)特征參數(shù)均表明，該區(qū)二疊系具有較好的地層封閉性，地層水在埋藏過程中經(jīng)歷了較強(qiáng)的濃縮變質(zhì)作用，反映了天然氣保存條件較好。截至2021年底，該區(qū)東勝氣田二疊系天然氣探明儲(chǔ)量共1 926.74×108m3，其中泊爾江海子斷裂以南的獨(dú)貴加汗區(qū)帶為1 529.09×108m3，斷裂以北什股壕區(qū)帶為162.87×108m3；在控制儲(chǔ)量和預(yù)測儲(chǔ)量中，泊爾江海子斷裂南北兩側(cè)的獨(dú)貴加汗、十里加汗和什股壕這3個(gè)區(qū)帶合計(jì)占比分別超過85%和60%[5]。這反映了東勝氣田天然氣三級(jí)儲(chǔ)量主體位于泊爾江海子斷裂南、北兩側(cè)，較好的保存條件是該區(qū)形成規(guī)模性天然氣聚集的重要基礎(chǔ)。

3.3 離子間關(guān)系特征

海水蒸發(fā)曲線和海水—河水混合線在判斷各種離子的相對富集或虧損、指示水巖相互作用與地層水演化特征等方面發(fā)揮著重要作用[16,25,41-42]。由于Cl-化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，在海水蒸發(fā)曲線上只有在達(dá)到100 g/L之后才會(huì)發(fā)生沉淀，因此通過其他離子含量相對Cl-含量的變化，能夠判斷地層水中各種離子的相對富集或虧損[16]。杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂以北和以南地區(qū)地層水中Cl-含量分別介于0.9～55.9 g/L和1.1～50 g/L，遠(yuǎn)小于100 g/L(圖2b)，且二疊系未發(fā)現(xiàn)鹽層，這表明地層水在演化過程中未發(fā)生Cl-的沉淀，其含量變化源自地層水的蒸發(fā)濃縮作用。

在Cl-和Na+相關(guān)圖上，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水除個(gè)別樣品位于海水—河水混合線上外，主體與海水特征較為接近(圖4a)。與海水—河水混合線和海水蒸發(fā)線相比，在Cl-濃度相近的條件下，杭錦旗地區(qū)地層水Na+濃度表現(xiàn)出輕度虧損的特征(圖4a)，這表明地層水的化學(xué)演化并非只經(jīng)歷了簡單的蒸發(fā)濃縮。地層水中Na+的相對富集主要緣自含鈉礦物的溶解，而斜長石的鈉長石化作用則會(huì)導(dǎo)致地層水中相對虧損Na+而富集Ca2+[43]。與海水蒸發(fā)曲線相比，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水除了表現(xiàn)出輕度的Na+虧損外，還表現(xiàn)出明顯的Ca2+相對富集特征(圖4b)，表明地層中發(fā)生了斜長石的鈉長石化作用。值得注意的是，杭錦旗地區(qū)地層水中Na+僅為輕度虧損，而同為陽離子的Ca2+卻是顯著富集，即斜長石發(fā)生鈉長石化導(dǎo)致的Na+的虧損并不足以平衡Ca2+的富集。

杭錦旗地區(qū)地層水中Mg2+含量均低于海水的值，相對海水蒸發(fā)曲線表現(xiàn)出明顯的虧損特征，這一方面表明地層水為陸相地層水濃縮變質(zhì)而來，并非直接來自海相地層；另一方面也與Ca2+的顯著富集相對應(yīng)(圖4c)。對四川盆地川西新場地區(qū)須家河組地層水研究表明，Ca2+的富集和Mg2+的虧損往往指示了成巖過程中發(fā)生了白云巖化作用[25,42]。大牛地氣田上古生界地層水中Mg2+的相對虧損也被認(rèn)為與白云石膠結(jié)物和綠泥石等發(fā)育有關(guān)[16]。因此，杭錦旗地區(qū)地層水中Mg2+的虧損可能主要緣自膠結(jié)物的白云巖化作用，這也與Ca2+的富集相平衡。

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系地層水Cl-與Na+ (a)、Ca2+ (b)、Mg2+ (c)、Sr(d)含量相關(guān)圖

3.4 微量元素特征

異常高含量的Sr往往發(fā)育于高濃縮的海相地層水或膏鹽巖地層中，如川中地區(qū)須家河組地層水中Sr含量普遍超過1 000 mg/L，可能與下伏高濃縮的海相地層水有關(guān)；而川西須家河組典型陸相地層水中Sr含量則明顯較低，主體介于200～800 mg/L[25,44]。地層水中Ca2+和Sr的同步富集可以指示二者為水巖相互作用過程中由含鈣礦物溶蝕釋放而來[16]。杭錦旗地區(qū)二疊系地層水中Sr含量介于212～871mg/L，平均為660 mg/L，且未表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異(表1)。與海水蒸發(fā)曲線相比，杭錦旗地區(qū)地層水中明顯富集Sr(圖4d)，與Ca2+表現(xiàn)出一定的相似性(圖4b)。這表明該區(qū)地層水中的Sr主要來自鈣長石或膠結(jié)物方解石等含鈣礦物的溶蝕，并非來自海相地層水的濃縮。

微量元素Ba、Sr組合反映海相與陸相水文地質(zhì)環(huán)境，油田水中Ba含量較高表明存在良好的還原環(huán)境[22]。如川中地區(qū)須家河組地層水多數(shù)具有很高的Ba、Sr含量，二者分別普遍超過1 200 mg/L和1 000 mg/L，表明其可能與高濃縮的海相地層水有關(guān)[44]。杭錦旗地區(qū)泊爾江海子斷裂以北下石盒子組地層水中Ba含量介于66～301 mg/L，平均為207 mg/L；斷裂以南地區(qū)下石盒子組則整體偏低(37～77 mg/L)，而該區(qū)山西組一個(gè)地層水樣品表現(xiàn)出明顯較高的Ba含量(569 mg/L)(表1)。杭錦旗地區(qū)二疊系地層水樣品中的Ba含量盡管超過現(xiàn)今海水中的Ba含量[44]，表明其為還原環(huán)境的產(chǎn)物，但明顯低于四川盆地須家河組地層水。因此，杭錦旗地區(qū)下石盒子組地層水主體為蒸發(fā)濃縮后的陸相地層水，山西組地層水樣品可能受到了下伏太原組海陸過渡相沉積的影響而具有相對較高的Ba含量。

海相地層水中B含量普遍大于100 mg/L，如四川盆地威遠(yuǎn)氣田震旦系地層水中B含量為386～428 mg/L，而陸相地層水則普遍小于100 mg/L[22]。泊爾江海子斷裂以北和以南地區(qū)地層水中B含量分別介于3.92～13.41 mg/L和10.77～33.56 mg/L(表1)，平均分別為8.40 mg/L和21.16 mg/L，均表現(xiàn)出陸相地層水的典型特征。此外，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水中Mn含量介于1.99～29.44 mg/L，平均14.10 mg/L，多數(shù)小于20 mg/L(表1)。

4 氫、氧同位素組成

氫、氧同位素組成在揭示大氣降水影響和水巖相互作用方面發(fā)揮著不可替代的作用。全球大氣降水的氫、氧同位素組成具有明顯的緯度效應(yīng)，隨著緯度升高，地層水的δD與δ18O值逐漸降低，且二者表現(xiàn)出明顯的線性正相關(guān)(δD=8δ18O+10)[45]。水巖相互作用會(huì)使得地層水δ18O值增大，進(jìn)而在δD與δ18O值相關(guān)圖上表現(xiàn)出氧同位素漂移的特征[46]。因此，氫、氧同位素組成在地層水研究中得到了廣泛有效的應(yīng)用[15,22,25,44,47]。

杭錦旗地區(qū)二疊系地層水δD值介于-129‰～-75‰之間，平均為-84‰，主體集中分布于-81‰～-75‰；δ18O值主體介于-12.1‰～-8.8‰，僅一個(gè)樣品δ18O值較高(-4.0‰)(表1)。蘇里格氣田二疊系地層水δD和δ18O值分別介于-82.7‰～-60.5‰和-6.3‰～-3.4‰，平均分別為-73.8‰和-4.7‰，為典型濃縮成因的古沉積水[15]。杭錦旗地區(qū)地層水δ18O值主體低于蘇里格氣田的值，僅個(gè)別樣品δ18O值與蘇里格氣田地層水的值一致(圖5)。在δD和δ18O值相關(guān)圖上，杭錦旗地區(qū)地層水主體更靠近全球大氣降水線分布，表明該區(qū)地層水經(jīng)歷的水巖相互作用整體明顯弱于蘇里格氣田；個(gè)別樣品經(jīng)受了較強(qiáng)的水巖相互作用而具有相對較高的δ18O值，與蘇里格氣田地層水樣品特征較為一致(圖5)。這也與變質(zhì)系數(shù)反映出的水巖相互作用強(qiáng)度差異(圖3b)相一致。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系地層水氫、氧同位素值相關(guān)圖

泊爾江海子斷裂以北ES4井下石盒子組地層水樣品δD值僅為-103‰，其TDS僅為16.8 g/L(表1)。多口鉆井的單井埋藏史研究表明，杭錦旗地區(qū)晚白堊世以來經(jīng)歷了大規(guī)模的區(qū)域性抬升[36]。在構(gòu)造隆升背景下，氣藏冷卻產(chǎn)生的凝析水往往具有較輕的氫同位素組成和很低的礦化度，因而氣藏中存在少量凝析水會(huì)使得地層水δD和TDS值均降低[25,44]。因此，ES4井下石盒子組地層水樣品具有較低的δD和TDS值，主要是因?yàn)橥戆讏资酪詠韰^(qū)域性抬升過程中凝析水的混入。

斷裂以南地區(qū)J110井盡管δD和δ18O值分別僅為-129‰和-12.1‰，但其TDS為46.0 g/L(表1)，表明其并未受到凝析水的顯著影響。由于該井緊鄰泊爾江海子斷裂(圖1)，推測其地層水氫、氧同位素組成偏輕，可能主要受部分地表水沿?cái)嗔褲B入的影響。過敏等[33]研究表明，沿泊爾江海子斷裂帶有部分井的地層水經(jīng)歷了不同來源水的混合以及地表水的滲入。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)二疊系地層水pH值平均為6.8，水型主體為CaCl2型。泊爾江海子斷裂以北的什股壕地區(qū)地層水礦化度平均為52.1 g/L，而斷裂以南獨(dú)貴加汗和十里加汗地區(qū)地層水礦化度略低，平均為41.9 g/L。地層水主體具有鈉氯系數(shù)小于0.87、脫硫系數(shù)小于10、變質(zhì)系數(shù)高于0、鹽化系數(shù)大于100等特征，指示了地層封閉性較好，地層水在埋藏過程中經(jīng)歷了較強(qiáng)的濃縮變質(zhì)作用，天然氣保存條件較好。

(2)不同離子與Cl-相關(guān)性分析表明，與海水蒸發(fā)曲線相比，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水表現(xiàn)出輕度的Na+虧損、明顯的Ca2+富集和Mg2+虧損等特征，表明地層中發(fā)生了斜長石的鈉長石化作用和膠結(jié)物的白云巖化作用。微量元素特征分析表明，杭錦旗地區(qū)二疊系地層水中Sr主要來自含鈣礦物的溶蝕，Ba、B等含量反映了地層水主體為蒸發(fā)濃縮后的陸相地層水。

(3)杭錦旗地區(qū)二疊系地層水δD和δ18O值主體分別介于-81‰～-75‰和-12.1‰～-8.8‰，該區(qū)地層水經(jīng)歷的水巖相互作用整體明顯弱于蘇里格氣田。少數(shù)樣品具有偏低的δD值，主要是因?yàn)橥戆讏资酪詠韰^(qū)域性抬升過程中凝析水的混入，或者受到了地表水沿?cái)嗔褲B入的影響。

致謝：樣品的采集和資料收集得到了中國石化華北油氣分公司的大力協(xié)助，地球化學(xué)分析測試得到了中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的有力支持，審稿專家對初稿提出了寶貴修改意見，在此一并深表謝意！