王冰潔，何生，王靜

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430074）

東營(yíng)凹陷水化學(xué)場(chǎng)成因及其與超壓系統(tǒng)耦合關(guān)系

王冰潔1，何生1，王靜2

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430074）

以研究區(qū)2000余口探井的實(shí)測(cè)地壓和油田水化學(xué)資料以及149個(gè)流體包裹體古壓力模擬結(jié)果等為基礎(chǔ)，利用地層水中陰陽(yáng)離子平衡關(guān)系和水－巖相互作用的特點(diǎn)，考察東營(yíng)凹陷水化學(xué)場(chǎng)的成因特征及其與超壓系統(tǒng)演化特征的耦合關(guān)系以及對(duì)原油保存條件的影響。結(jié)果表明:在垂向上，2.2 km之上常壓系統(tǒng)（沙二段至館陶組）地層水礦化度一般低于100 g/L，屬于咸水，而2.2 km之下的超壓系統(tǒng)（沙四和沙三段）部分地層水礦化度高于100 g/L，最高達(dá)336 g/L，屬于鹽水;在平面上，東營(yíng)凹陷東部地層水礦化度高于西部，北帶高于南部，沙三和沙二段高礦化度地層水在凹陷中心沿?cái)嗔褞Х植?，沙四段地層水礦化度以東營(yíng)北帶洼陷區(qū)為中心呈環(huán)帶狀向外減小;在水化學(xué)場(chǎng)和超壓系統(tǒng)耦合作用下，超壓流體封存箱中的水－巖相互作用對(duì)凹陷中心氯化鈣型高礦化度地層水的形成具有重要作用，高礦化度地層水的形成某種程度上受到沙四段蒸發(fā)巖地層中鹽類溶解作用的影響;不同地區(qū)和層位的原油密度不同，在凹陷邊緣常壓帶為開(kāi)啟的水文地質(zhì)系統(tǒng)，地表水滲入作用導(dǎo)致地層水礦化度降低，原油的輕組分散失，密度增加，油氣保存條件較差，而凹陷中心超壓頂面附近和超壓系統(tǒng)內(nèi)部處于封閉性較好的水文地質(zhì)系統(tǒng)，原油密度多小于0.9 g/cm3，油氣保存條件較好。

東營(yíng)凹陷;超壓系統(tǒng);礦化度特征;離子特征;水－巖相互作用;原油分布與保存

地層水是含油氣盆地中的主要流體，其活動(dòng)特征和性質(zhì)直接或間接指示盆地流體系統(tǒng)的開(kāi)放性和封閉性［1-2］，古水文地質(zhì)條件與油氣的生成、運(yùn)移、聚集及保存有著密切的聯(lián)系［3-6］。東營(yíng)凹陷異常高壓通常發(fā)育在富泥段古近系沙河街組烴源巖層系中［7-16］，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)地壓資料（DST）和地層水礦化度對(duì)比發(fā)現(xiàn)東營(yíng)凹陷發(fā)育的超壓系統(tǒng)和異常高礦化度的地層水在空間分布上具有一致性的特征，說(shuō)明流體動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)的形成具有緊密聯(lián)系，而研究水化學(xué)場(chǎng)的分布特點(diǎn)和形成規(guī)律可以揭示流體動(dòng)力場(chǎng)特征［17-23］，二者在一定程度上具有耦合關(guān)系。因此，對(duì)超壓系統(tǒng)地層水的特征和成因進(jìn)行分析有助于解釋超壓流體的運(yùn)移和成藏機(jī)制。筆者通過(guò)東營(yíng)凹陷2000余口探井的實(shí)測(cè)地壓和油田水化學(xué)資料以及149個(gè)流體包裹體古壓力模擬結(jié)果等資料，研究超壓系統(tǒng)內(nèi)地層水的分布特征和形成規(guī)律，探討水化學(xué)場(chǎng)特征和超壓系統(tǒng)之間的演化關(guān)系以及對(duì)不同壓力系統(tǒng)內(nèi)油氣分布和保存條件的影響。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

東營(yíng)凹陷位于山東省北部的黃河入?？诟浇?，渤海灣裂谷盆地群的東南部，是一個(gè)中新生代斷陷。凹陷北為陳家莊凸起，西為濱縣凸起、青城凸起，南為魯西隆起、廣饒凸起，東為青坨子凸起。凹陷東西長(zhǎng)約90 km，南北寬約65 km，面積約5700 km2，為北斷南超的箕狀斷陷湖盆。凹陷內(nèi)的二級(jí)構(gòu)造帶表現(xiàn)為四洼一凸的特點(diǎn)，包括利津洼陷、牛莊洼陷、博興洼陷和民豐洼陷以及中央凸起斷裂帶（圖1）。凹陷內(nèi)部的斷裂體系包括:沿陳家莊凸起南側(cè)從西向東包括濱南斷裂帶、利津斷裂帶、勝北斷裂帶和永北斷裂帶，牛莊洼陷南側(cè)發(fā)育有陳官莊－王家崗斷裂帶和八面河斷裂帶，在博興南部緩坡帶，發(fā)育博興斷裂帶，北部陡坡帶發(fā)育高青斷裂帶，牛莊洼陷和博興洼陷通過(guò)石村斷裂帶相隔;凹陷內(nèi)新生界地層自下而上發(fā)育有古近紀(jì)孔店組（Ek）、沙河街組（Es）和東營(yíng)組（Ed），新近紀(jì)館陶組（Ng）和明化鎮(zhèn)組（Nm），第四紀(jì)平原組（Qp）共5套地層，其中沙河街組又可分為沙四段（Es4）、沙三段（Es3）、沙二段（Es2）和沙一段（Es1）。

圖1 東營(yíng)凹陷構(gòu)造特征和構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭DFig.1 Structure character and structral division of Dongying depression

2 地層水化學(xué)場(chǎng)特征分析

水化學(xué)場(chǎng)的特征可以從一個(gè)側(cè)面揭示水流系統(tǒng)演化的性質(zhì)和水文地質(zhì)條件的封閉性。地層水化學(xué)特征主要包括礦化度、水型、主導(dǎo)陰陽(yáng)離子及各種離子的組合特征，它們是地下水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)在地史時(shí)期演化的結(jié)果［24-25］。在判斷水文環(huán)境及水化學(xué)剖面的分帶性時(shí)，主要依據(jù)礦化度、氯離子、水型等參數(shù)，并結(jié)合鈣離子、鈉離子、鎂離子、碳酸（氫）根離子、硫酸根離子等陰陽(yáng)離子的變化特征和離子組合系數(shù)，在特定環(huán)境下離子組合系數(shù)相對(duì)于礦化度及水型更具有繼承性，能真實(shí)地反映地層水的運(yùn)移、變化及賦存狀態(tài)。

2.1 地層水礦化度分布特征

共收集東營(yíng)凹陷新生界沙四段至館陶組2 691個(gè)礦化度資料進(jìn)行特征分析。受沉積環(huán)境和地質(zhì)演化過(guò)程的影響，東營(yíng)凹陷各組段地層水礦化度呈現(xiàn)不同的特征。在常壓帶沙二段至平原組（圖2），礦化度小于100 g/L，屬于咸水，少部分水樣礦化度大于100 g/L，沙二段部分地層水礦化度可以達(dá)到150 g/L;沙三、四段地層水礦化度出現(xiàn)異常高的現(xiàn)象，沙三段最大為330.8 g/L，沙四段為336 g/L，屬于鹽水。從圖2（a）、（b）和（c）可以看出，根據(jù)地層水礦化度的分布，在垂向上可以明顯劃分為3部分:深度在0～0.5 km地層水礦化度相對(duì)較小，不超過(guò)10 g/ L;深度在0.5～2.2 km地層水礦化度有所增大，在沙二段最高為65 g/L，沙三段為76.5 g/L，沙四段為133 g/L;深度在2 km（超壓頂界面深度）之下即在超壓發(fā)育帶內(nèi)（圖2（d）、（e）），最大壓力系數(shù)可達(dá)2.0。

圖2 東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層地層水礦化度和地層壓力隨深度變化關(guān)系Fig.2 Variation of TDS in formation water and pressure followed with depth changing in Dongying depression

圖3分別為沙三和沙四段礦化度平面分布特征和壓力系數(shù)平面分布特征。整體上地層水礦化度東部大于西部，北部利津洼陷大于南部牛莊洼陷和博興洼陷。其中，沙三段高礦化度的地層水具有沿?cái)嗔褞Х植嫉奶攸c(diǎn)，如沙三段中央斷裂帶、勝北斷裂帶和濱南斷裂帶都表現(xiàn)出高礦化度的特點(diǎn)。沙四段礦化度整體上表現(xiàn)為高值，形成了以利津洼陷北部為高值區(qū)的環(huán)帶狀分布特征。值得注意的是，沙三、四段異常高壓系統(tǒng)和高礦化度的平面分布特征具有一致性，說(shuō)明在相對(duì)封閉的超壓系統(tǒng)中發(fā)育有高礦化度的地層水，這與剖面反映的特征相一致，這種現(xiàn)象表明東營(yíng)凹陷沙三、四段異常高的地層水礦化度形成于相對(duì)封閉的系統(tǒng)之中，其地層水各離子特征的變化受超壓系統(tǒng)外部環(huán)境影響較小。

按照蘇林分類方法，常見(jiàn)的油田水的類型為CaCl2型和NaHCO3型。東營(yíng)凹陷地層水類型包括高礦化度的CaCl2型地層水和礦化度相對(duì)較低的NaHCO3型地層水，其中以高礦化度的CaCl2型地層水為主。沙三段在利津、民豐、牛莊洼陷主要發(fā)育CaCl2型地層水，NaHCO3型地層水主要分布在利津斷裂帶和博興洼陷，沙四段主體以CaCl2型地層水為主。根據(jù)上述特征，東營(yíng)凹陷CaCl2型地層水、高礦化度地層水和超壓系統(tǒng)的發(fā)育空間范圍具有一致性，反映了高礦化度超壓區(qū)封閉性較好的水文地質(zhì)條件。

沉積盆地高礦化度地層水具有多種成因，主要包括海水（湖水－相對(duì)于陸相而言）的蒸發(fā)作用［26-27］，鹽巖的溶解作用［28］，泥巖隔膜過(guò)濾作用［29］，水－巖相互作用及混合作用［30-32］等。東營(yíng)凹陷地層水在沉積埋藏后隨著地質(zhì)條件如溫度壓力的改變必然與巖石進(jìn)行水－巖相互作用，為說(shuō)明現(xiàn)今東營(yíng)凹陷地層水特征來(lái)源，對(duì)地層水離子特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算各離子間的相互平衡關(guān)系及離子組合特征。

圖3 沙三、四段地層水礦化度和水型分布與壓力系數(shù)分布Fig.3 Distribution of TDS and water-type，pressure coefficient in Es3 and Es4

2.2 地層水離子特征及成因

（1）主要陰、陽(yáng)離子分布特征。東營(yíng)凹陷地層水陽(yáng)離子主要以鈉離子（Na+）為主，其次為鈣鎂離子（Ca2+、Mg2+）;陰離子主要以氯離子（Cl－）為主，其次為硫酸根和重碳酸根離子（SO42－、HCO3－）。其主要陰、陽(yáng)離子組成隨深度的變化特征如圖4所示。陽(yáng)離子中鈉離子和鈣離子含量相對(duì)較高，鎂離子含量相對(duì)較低，陰離子中氯離子含量較高，重碳酸根離子和硫酸根離子含量相對(duì)較低。

（2）水－巖相互作用影響。從圖3中可以看出東營(yíng)凹陷存在大量高礦化度的CaCl2型水，因?yàn)榈貙訋r石中極少含有CaCl2這種鹽類礦物，所以溶解作用不適用于解釋東營(yíng)凹陷高礦化度CaCl2型水的成因，而CaCl2型水說(shuō)明了水體封閉的沉積環(huán)境，因此，東營(yíng)凹陷CaCl2型水高礦化度的特征是沉積埋藏水與沉積物在封閉環(huán)境下相互作用的結(jié)果，關(guān)于高礦化度CaCl2型水的形成主要包括水－巖作用、陽(yáng)離子交替吸附作用［33］和鈉長(zhǎng)石化作用［34-35］。

①鹽類溶解作用。圖5（a）為不同的礦化度范圍內(nèi)，碳酸氫根離子在地層水中的含量分布特征，隨著礦化度增加，碳酸氫根離子迅速減少;低礦化度時(shí)，碳酸氫根離子占比較大，說(shuō)明地層水受地表富氧和二氧化碳的大氣降水影響，主要成分以碳酸氫根離子為主，當(dāng)?shù)V化度增加時(shí)，碳酸氫根離子濃度迅速減少，而氯離子濃度則迅速增加（圖5（b）），說(shuō)明隨著埋藏深度的增加，氯化物溶解于地層水中，而在局部也存在碳酸鹽礦物的溶解作用。通過(guò)計(jì)算地層水中鈉離子和氯離子濃度，得到二者關(guān)系如圖5（c）所示，可以看出，礦化度越低，各層段鈉離子和氯離子濃度的比值越接近于1，這是東營(yíng)凹陷鹽類溶解于地層水的一個(gè)重要特征。

②鈉長(zhǎng)石化作用。從圖5（c）還可以看出，當(dāng)?shù)V化度較高時(shí)，鈉離子和氯離子濃度比大部分都偏離了1，向著鈉離子減少的方向演化，這說(shuō)明在封閉系統(tǒng)中，水－巖作用改變了高礦化度地層水組成特征，使得鈉離子濃度減小，礦化度越高，鈉離子的減小量越大，水－巖相互作用產(chǎn)生的這種現(xiàn)象可以通過(guò)鈉虧損和鈣富集來(lái)進(jìn)行解釋［36］，即鈉長(zhǎng)石化作用對(duì)鈉離子和鈣離子所產(chǎn)生的影響，其反應(yīng)式為

消耗掉的鈉離子濃度和生成的鈣離子濃度的比值為2，圖5（d）是根據(jù)圖5（c）所計(jì)算的反應(yīng)所消耗的鈉離子濃度和地層水中鈣、鎂離子濃度的比值。因此，鈉長(zhǎng)石化對(duì)陽(yáng)離子的形成具有重要作用。

圖4 陰陽(yáng)離子質(zhì)量濃度隨深度變化特征Fig.4 M ass concentration variation of anion and cation w ith depth changing

③陽(yáng)離子交替吸附作用。圖5（e）和（f）分別為鈉離子和鈣離子與氯離子的質(zhì)量濃度關(guān)系圖。隨著氯離子質(zhì)量濃度的增大，鈉離子質(zhì)量濃度和鈣離子質(zhì)量濃度都增大，而且表現(xiàn)出兩段式的特點(diǎn)，圖中實(shí)線為正常蒸發(fā)濃縮趨勢(shì)，虛線為偏離正常趨勢(shì)（鹽類溶解的附加反應(yīng)），正常蒸發(fā)濃縮線上鈣離子質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率小于鈉離子質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率，原因是由于堿金屬鈉鹽的溶解度較大，濃縮作用使得堿金屬鈉鹽不斷富集，堿金屬鈣鹽由于其溶解度小而不斷沉淀;陽(yáng)離子交替吸附作用對(duì)離子組成也產(chǎn)生影響，在低礦化度條件下，巖石中的鈉離子被水中的鈣離子所交換，導(dǎo)致鈉離子質(zhì)量濃度增加，鈣離子質(zhì)量濃度減小;在高礦化度條件下，即隨著埋藏深度增加，濃縮作用增強(qiáng)，鈣離子和鈉離子質(zhì)量濃度隨著礦化度的增加而繼續(xù)增加，但鈣離子質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率大于鈉離子質(zhì)量濃度增長(zhǎng)率，因?yàn)殛?yáng)離子交換吸附作用是一種可逆反應(yīng)，在低礦化度下，巖石中的鈉離子被水中的鈣離子所交換;在較高礦化度下，水中的鈉離子可與巖石中的鈣離子發(fā)生替換，使鈣離子轉(zhuǎn)人水中，所以增加了鈣離子在地層水中的含量。

（3）離子比值系數(shù)垂向分布特征。（r（Cl－）－r （Na+））/r（Mg2+）為變質(zhì)系數(shù)，反映流體變質(zhì)程度，其絕對(duì)值越大，表明流體的變質(zhì)作用越強(qiáng)，流體－巖石的相互作用強(qiáng)度越大;r（Na+）/r（Cl－）為鈉氯系數(shù)，表示油田水的濃縮變化程度，油田水封閉條件越好、變質(zhì)越深則其值越小;r（Na+）/r（Ca2+）為陽(yáng)離子交替吸附系數(shù)，油田水越封閉、礦化度越高越濃縮，陽(yáng)離子交替吸附作用則越明顯，其值則越小;r （SO42－）×100/r（Cl－）為脫硫系數(shù)，反映流體封閉程度，其值越小，封閉性越好;為加氯系數(shù)，反映油田水變質(zhì)程度，即水－巖作用程度或封閉程度，其值越大，變質(zhì)程度越強(qiáng);r （Ca2++Mg2+）/r（Ca2++Mg2++Na+）為脫鈣鎂系數(shù)，反映油田水中Ca2+和Mg2+的減少程度，圖6為計(jì)算的以上6種離子組合系數(shù)隨深度的變化關(guān)系，根據(jù)這些組合系數(shù)的特點(diǎn)，可以在垂向上對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行劃分。

圖5 不同離子間相互關(guān)系Fig.5 Relation of differen t anion and cation

①油田水強(qiáng)交替區(qū)。深度0～0.5 km，地層埋藏較淺，為明化鎮(zhèn)組合館陶組地層，地層水礦化度較低，變質(zhì)系數(shù)出現(xiàn)異常低值，陽(yáng)離子交替吸附系數(shù)、鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)和脫鈣鎂系數(shù)都表現(xiàn)出異常高值特征，說(shuō)明封閉性較差的水文地質(zhì)條件，地層水受大氣降水影響程度較高，加氯系數(shù)未出現(xiàn)增大特征是本區(qū)Cl－含量穩(wěn)定、SO42－和HCO3－相對(duì)含量較高所導(dǎo)致，這也說(shuō)明了開(kāi)放性的水文地質(zhì)條件。

②油田水弱交替區(qū)。由滲入水與沉積水混合而成，深度0.5～2.2 km，地層水礦化度增加，該段內(nèi)變質(zhì)系數(shù)相對(duì)于強(qiáng)交替區(qū)增加，陽(yáng)離子交替吸附系數(shù)、鈉氯系數(shù)和脫硫系數(shù)都相對(duì)減小，說(shuō)明地層封閉性變好，受大氣降水的影響減小，加氯系數(shù)的增大是由于隨著埋深增加氯化物的溶解作用使得Cl－含量增加所導(dǎo)致，而脫鈣鎂系數(shù)的增加則是由于在本區(qū)內(nèi)隨著礦化度的增大，離子交替吸附作用增強(qiáng)，導(dǎo)致鈣鎂離子濃度增加所致。

③油田水交替阻滯區(qū)。深度2.2 km以下，為一封閉的超壓系統(tǒng)，從各離子比值系數(shù)特征來(lái)看，整體上反映了該區(qū)封閉的水文條件，但也有部分地層水與系統(tǒng)外界進(jìn)行過(guò)交替作用，使各離子組合系數(shù)都出現(xiàn)了異常高值的特征。

3 水化學(xué)場(chǎng)與超壓系統(tǒng)演化耦合關(guān)系

正常情況下，超壓系統(tǒng)環(huán)境封閉，外界流體很難影響系統(tǒng)內(nèi)部的水化學(xué)場(chǎng)特征，而上述現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是由于水化學(xué)場(chǎng)和流體壓力場(chǎng)耦合作用的結(jié)果。

3.1 超壓演化特征

成巖礦物中的流體包裹體帶有包裹體形成時(shí)期時(shí)地層流體豐富的物理化學(xué)信息，目前主要利用同期烴類包裹體和鹽水包裹體均一溫度來(lái)定量恢復(fù)儲(chǔ)層古壓力及其演化規(guī)律［37-40］。

圖6 離子組合特征Fig.6 Combination characteristics of ion

根據(jù)同期油包裹體和鹽水包裹體組成的“數(shù)據(jù)對(duì)”，計(jì)算了沙三、四段64塊砂巖樣品（位置見(jiàn)圖1）的149個(gè)古壓力數(shù)據(jù)，壓力恢復(fù)結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，沙三、四段儲(chǔ)層具有兩期原油充注，形成儲(chǔ)層超壓，其超壓演化可以劃分為3個(gè)階段:第一階段為第一期超壓發(fā)育期至東營(yíng)組沉積末期，地層抬升之前，沙三、四段儲(chǔ)層接受第一期原油充注，沙四段壓力系數(shù)可達(dá)1.8，沙三段為1.4;第二階段為儲(chǔ)層超壓卸載期，從東營(yíng)組末期至館陶組沉積開(kāi)始，整個(gè)東營(yíng)凹陷處于構(gòu)造抬升期，降溫泄壓作用使得儲(chǔ)層流體壓力降低甚至到常壓;第三階段為第二期超壓發(fā)育期，從館陶組沉積末期開(kāi)始，儲(chǔ)層接受第二期原油充注，壓力再次增大形成超壓并保存至今，此階段內(nèi)沙三段壓力系數(shù)最大為1.8，沙四段為1.7。

圖7 東營(yíng)凹陷沙三、四段超壓演化Fig.7 Overpressure evaluation of Es3 and Es4 in Dongying Depressure

3.2 沙四段沉積期

東營(yíng)凹陷沙四段沉積環(huán)境為半封閉的鹽湖相沉積，沙四段巖性剖面在利津洼陷、民豐洼陷和牛莊洼陷垂向上存在三套鹽巖層，平面上呈環(huán)帶狀分布，其累積厚度由湖盆中心向邊緣逐漸減薄，與高礦化度地層水的分布特征一致，因此在沉積初期，湖水蒸發(fā)作用是沙四段同生沉積地層水高礦化度的一個(gè)重要原因;在沉積后期，隨著地層埋深增加，溫度升高，孔隙水溶解地層中的鹽類，導(dǎo)致地層水礦化度進(jìn)一步增大;在沙四段沉積時(shí)期，超壓系統(tǒng)尚未發(fā)育，因此水化學(xué)場(chǎng)為開(kāi)放系統(tǒng);沙四段沉積末期與上覆地層形成沉積間斷，受此次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，大氣降水和地表水滲入沙四段地層中，導(dǎo)致部分地層水的離子組合系數(shù)出現(xiàn)異常值，圖6中各離子組合系數(shù)和圖4中的重碳酸根離子在4 km之下的地層中均出現(xiàn)異常高值，都說(shuō)明了外界流體侵入的影響。

3.3 沙三段沉積期

沙三段沉積期，水體加深，蒸發(fā)作用有所減弱，同沉積地層水礦化度較沙四段有所降低，從上述儲(chǔ)層超壓演化特征來(lái)看，此階段內(nèi)沙四段儲(chǔ)層發(fā)育第一期超壓，沙三段仍為常壓，因此在沙四段發(fā)育超壓封閉系統(tǒng)，為一封閉的水文地質(zhì)系統(tǒng)，而沙三段為開(kāi)放的水文地質(zhì)系統(tǒng)，大氣降水和地表滲入水會(huì)影響沙三段水化學(xué)場(chǎng)的特征，而對(duì)沙四段超壓封閉系統(tǒng)內(nèi)部的水化學(xué)場(chǎng)不產(chǎn)生作用，導(dǎo)致沙三段部分地層水離子組合特征產(chǎn)生異常值;同時(shí)，沙四段高礦化度地層水在超壓作用下沿?cái)嗔严到y(tǒng)周期性的開(kāi)啟在垂向上運(yùn)移并與沙三段地層水混合，使沙三段地層水礦化度增大，所以導(dǎo)致沙三段高值區(qū)在平面分布上主要集中在盆地中心沿史南－現(xiàn)河莊斷裂帶和盆緣濱南、勝北和辛鎮(zhèn)斷裂帶分布（圖3（a））。

3.4 沙二段至東營(yíng)組沉積末期

此階段水體進(jìn)一步加深，蒸發(fā)作用持續(xù)減弱，同沉積期地層水礦化度降低程度較大，在此階段內(nèi)，沙三段地層開(kāi)始發(fā)育超壓系統(tǒng)，形成一個(gè)封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，值得注意的是此階段內(nèi)沙四段最大壓力系數(shù)從沙三段沉積期的1.8降低到約1.6，進(jìn)一步說(shuō)明沙四段地層水在超壓作用下沿?cái)嗔堰\(yùn)移至上覆地層而導(dǎo)致地層流體壓力降低;從壓力演化特征可以看出，東營(yíng)組沉積末期，沙三、四段已經(jīng)形成一個(gè)整體的超壓系統(tǒng)，其內(nèi)部為封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，在超壓作用下，沙三、四段地層水會(huì)繼續(xù)沿?cái)嗔褞б阅皇脚欧诺姆绞街芷谛缘叵蛏细驳貙又羞\(yùn)移。

3.5 東營(yíng)組末期構(gòu)造抬升作用

東營(yíng)組末期發(fā)生東營(yíng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，整個(gè)凹陷抬升遭受剝蝕，在這段時(shí)期內(nèi)，地層壓力降低甚至常壓，因此系統(tǒng)外界流體會(huì)與由超壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌合到y(tǒng)中的部分地層水或在超壓系統(tǒng)內(nèi)部一直保持常壓的地層水發(fā)生交替作用，從圖2（e）、（f）中可以看出，在沙三、四段超壓地層中仍發(fā)育有大量常壓地層流體，這說(shuō)明沙三、四段超壓系統(tǒng)由于受封閉條件和斷裂啟閉性的影響，其在空間的分布特征具有復(fù)雜性。

3.6 館陶組至平原組沉積期

此階段內(nèi)，沙三、四段儲(chǔ)層發(fā)育第二期超壓系統(tǒng)，再次形成封閉的水文地質(zhì)環(huán)境，外界流體已經(jīng)不能夠影響超壓系統(tǒng)，主要為系統(tǒng)內(nèi)部的水－巖相互作用，礦物的溶解、鈉長(zhǎng)石化、陽(yáng)離子交替吸附作用都影響著水化學(xué)場(chǎng)的形成過(guò)程，在凹陷中心封閉性相對(duì)較好的環(huán)境中形成了高礦化度的CaCl2型水。隨著斷裂的周期性的開(kāi)啟封閉作用，下部沙四段高礦化度的地層水在超壓作用下會(huì)持續(xù)沿?cái)嗔褞蛏线\(yùn)移。使上覆地層的礦化度也產(chǎn)生不同程度的增大。在凹陷邊緣常壓系統(tǒng)內(nèi)，由于東營(yíng)組沉積末期東營(yíng)凹陷整體抬升使得南坡沙河街組地層出露地表，富氧和二氧化碳的大氣水沿?cái)鄬雍蜐B透性地層下滲，對(duì)地層水產(chǎn)生淡化作用，因此凹陷邊緣礦化度相對(duì)較低。由圖2中看出，從地表至5 km的范圍內(nèi)地層水都表現(xiàn)出不同程度的低礦化度特征，除了地層水被淡化的作用外，還有深部泥巖的滲析作用的影響，隨著上覆沉積物的增加，泥巖層中的地層水在壓實(shí)作用下向外排出，但由于滲析作用較強(qiáng)，排出地層水礦化度非常低，進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層后降低了地層水的礦化度;根據(jù)上述水化學(xué)場(chǎng)和壓力場(chǎng)耦合作用的分析結(jié)果，東營(yíng)凹陷地層水特征形成模式如圖8所示。

圖8 流體動(dòng)力場(chǎng)及地層水分布相互關(guān)系模式圖Fig.8 Diagram of fluid dynam ic filed and distribution character of formation water

4 水化學(xué)環(huán)境垂直分帶性與油氣分布和保存條件

由東營(yíng)凹陷水文地質(zhì)演化特征可知，整體上約2 km以上的常壓系統(tǒng)為與地表溝通良好的大氣降水滲入活躍的重力流系統(tǒng)，2 km以下的超壓系統(tǒng)屬封閉性很好的缺乏流體補(bǔ)給的水交替停滯系統(tǒng)。東營(yíng)凹陷主要原油探明儲(chǔ)量分布在常壓系統(tǒng)沙二段和超壓系統(tǒng)沙三、四段，其中沙二段的原油探明儲(chǔ)量主要分布在1.9～2.2 km的壓力過(guò)渡帶，遠(yuǎn)大于沙三、四段的儲(chǔ)量。由水文地質(zhì)特征分析結(jié)果可知，縱向上2 km之上的常壓系統(tǒng)并不利于油氣的保存，原油已遭受不同程度的水洗、氧化和生物降解以及輕組分逸散，原油密度的分布特征已證實(shí)（圖9所示），在2 km之上常壓系統(tǒng)中沙二段原油密度分布在0.9～1 g/cm3，沙三段的原油密度分布在0.9～ 1.05 g/cm3，沙四段原油密度分布在0.85～1 g/ cm3，基本上為重質(zhì)原油;2 km之下超壓系統(tǒng)中沙二段原油密度分布在0.83～0.97 g/cm3，沙三段的原油密度分布在0.82～0.95 g/cm3，沙四段原油密度分布在0.82～0.9 g/cm3，屬油質(zhì)較好的正常原油。在平面分布上，東營(yíng)凹陷邊緣油氣保存條件較差，這和現(xiàn)今沙二段原油探明地質(zhì)儲(chǔ)量中主要沿中央斷裂帶分布，而在凹陷邊緣則儲(chǔ)量很小的實(shí)際情況相吻合。

圖9 東營(yíng)凹陷沙二、三、四段原油密度隨深度變化關(guān)系Fig.9 Oil density of Es2，Es3 and Es4 follow ing depth in Dongying depression

5 結(jié)論

（1）東營(yíng)凹陷地層水礦化度存在異常高值，在垂向上呈現(xiàn)出三段式的特點(diǎn);平面上沙四段普遍較高，沙三段高礦化度的地層水沿著斷裂帶分布;地層水的水型特征表明高礦化度的地層水對(duì)應(yīng)CaCl2型水，指示封閉的水文地質(zhì)環(huán)境。礦化度分布特征和超壓發(fā)育特征緊密聯(lián)系，具有一定的耦合關(guān)系。

（2）東營(yíng)凹陷高礦化度的地層水形成受早期同沉積地層水和后期鹽類溶解的影響，在封閉的超壓系統(tǒng)中，鈉長(zhǎng)石化作用和陽(yáng)離子交替吸附作用特征明顯，形成了東營(yíng)凹陷高礦化度的CaCl2型水。

（3）東營(yíng)凹陷水化學(xué)場(chǎng)在垂向上具有十分明顯的分帶性，以2.2 km（超壓頂界面）為界，可以分為上部常壓系統(tǒng)和下部的超壓系統(tǒng)，上部常壓系統(tǒng)與油田水強(qiáng)交替區(qū)和弱交替區(qū)相對(duì)應(yīng)，下部超壓系統(tǒng)和油田水阻滯區(qū)相對(duì)應(yīng)。在常壓系統(tǒng)內(nèi)地表水滲入活躍，不利于油氣保存，但在超壓系統(tǒng)內(nèi)部，水文地質(zhì)封閉性較好，對(duì)地史時(shí)期的油氣聚集具有良好的保存條件。

（4）東營(yíng)凹陷水化學(xué)場(chǎng)和超壓場(chǎng)的耦合關(guān)系可以解釋水化學(xué)場(chǎng)的形成過(guò)程:礦化度在垂向上表現(xiàn)為“三段式”的特點(diǎn)，第一段是砂巖儲(chǔ)層地層水正常演化趨勢(shì)的結(jié)果;第二段高礦化度地層水埋藏較淺，層位上分布在沙四段，平面上則處于凹陷邊緣，是由于盆地中心超壓鹽水沿輸導(dǎo)層和斷層向盆地邊緣側(cè)向運(yùn)移，同時(shí)由于大氣降水的滲入作用和地層滲析作用導(dǎo)致礦化度較低;第三段高礦化度地層水在沙四段主要是受沉積環(huán)境和埋藏期鹽巖層溶解的影響，在沙二、三段則是與沿?cái)嗔严到y(tǒng)垂向運(yùn)移的沙四段超壓流體混合作用的結(jié)果。

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Hydrochem istry field origin and its coupling relationship w ith overpressure system，Dongying depression

WANG Bing-jie1，HE Sheng1，WANG Jing2

（1.Key Laboratory of Tectonicsand Petroleum Resources of Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

According to themeasured pressure of formation，hydrochemistry data from more than 2000 wells in oilfield，and the paleao-pressure from 149 fluid inclusion thermodynam icsmodeling in Dongying depression，themass balance relation of cation and anion was calculated to study the water-rock interaction.Based on these，the generation process of the formation water and its relation to the pressure evolution and oil preservation conditionswere analyzed.The results show that in the vertical，the formation water salinity is lower than 100 g/L in the normal pressure system（from Es2to Qp）with the depth above 2.2 km，and the formation water belongs to saltwater.The formation water salinity is higher than 100 g/L and the highest value is336 g/L in the overpressure system（Es4and Es3）with the depth under2.2 km，and the formation water belongs to saline.In the plane，the formation water salinity in the east of Dongying depression is higher than that in the west，and the salinity in the north is higher than that in the south.The high salinity formation water in Es2and Es3distributes along the fault zones of depression center.The formation water salinity in Es4reduces from the center of north depression to the outside，exhibiting zonal distribution.For the coupling relation between hydrochemical field and overpressure system，waterrock interaction in overpressure fluid compartment has a signification impact on forming high salinity CaCl2formation water in the center depression.The forming of high salinity formation water was influenced by the salt dissolution of evaporite forma-tion in Es4.The density from differentmember and area is different.The depression edge normal pressure zone is an open hydro-geological system.The formation water salinity is reduced by infiltration of surface water.The oil light components are lostand oil density increases.The oil preservation conditionsof the zone are poor，but the top and inside of overpressure system in the center of depression is a closed hydro-geological system.Most of oil density is lower than 0.9 g/cm3，and the oil and gas preservation conditions are good.

Dongying depression;overpressure system;salinity characteristics;ions characteristics;water-rock interaction; oil distribution and preservation

P 641.2

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.03.009

1673-5005（2012）03-0054-11

2012－02－12

國(guó)家重大油氣專項(xiàng)基金（2011ZX05006）;構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室基金（TPR－2010－10）

王冰潔（1984－），男（漢族），陜西渭南人，博士研究生，研究方向?yàn)榈貙恿黧w壓力預(yù)測(cè)和儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)。

（編輯 劉為清）