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鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水化學(xué)特征及其成因

2012-11-09 00:30:42周鑫宇
石油地質(zhì)與工程 2012年6期
關(guān)鍵詞:礦化度海水流體

孔 為,周鑫宇

(成都理工大學(xué),四川成都 610059)

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水化學(xué)特征及其成因

孔 為,周鑫宇

(成都理工大學(xué),四川成都 610059)

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界區(qū)地層水化學(xué)組成主要以(K++Na+)、Cl-離子為主,總礦化度為14 442~61 243 mg/L,屬于鹽水和鹵水的范疇,p H值在5.15~7.01,屬偏酸性-弱堿性,地層水水型基本為CaCl2型水。地層水中Cl-和Ca2+、Mg2+的濃度與(K++Na+)和Ca2+的濃度的關(guān)系表明,研究區(qū)地層水受沉積環(huán)境、流體-巖石相互作用、流體混合作用及蒸發(fā)濃縮作用共同控制,而含鈣礦物的溶蝕及鈉長(zhǎng)石化作用等導(dǎo)致了Ca2+離子的富集、Mg2+離子和Na+離子的虧損。地層水特征系數(shù)與油氣特征的關(guān)系顯示有利于油氣聚集和保存。

鄂爾多斯盆地;鎮(zhèn)涇地區(qū);地層水;化學(xué)特征

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是中國(guó)中部中、新生代大型陸相沉積盆地之一,中生界三疊系延長(zhǎng)組是該區(qū)油氣勘探的主要目的層,具有烴源巖發(fā)育,生儲(chǔ)蓋組合配套,勘探領(lǐng)域廣及潛力大的特點(diǎn)。鎮(zhèn)原-涇川(鎮(zhèn)涇)區(qū)塊在構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地天環(huán)坳陷南段,面積約為2 511.15 m2(圖1)。由于印支運(yùn)動(dòng)末期構(gòu)造抬升,研究區(qū)普遍缺失長(zhǎng)4+5段以上地層,部分井區(qū)缺失長(zhǎng)6段;上覆侏羅系延安組沉積完全受控于前侏羅紀(jì)古地形,延安組自南向北依次超覆[1-2]。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界構(gòu)造平緩,為一簡(jiǎn)單的單斜,發(fā)育一系列低幅鼻狀構(gòu)造。鎮(zhèn)涇地區(qū)三疊系延長(zhǎng)組發(fā)育大型辮狀河三角洲前緣沉積,分流河道砂體極為發(fā)育[3-4]。三疊系延長(zhǎng)組、侏羅系均構(gòu)成了河流-湖泊-河流的完整旋回。每一旋回的中部為湖盆發(fā)育的鼎盛時(shí)期,發(fā)育了較厚的烴源巖。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界烴源巖主要發(fā)育在三疊系延長(zhǎng)組三段及二段,其次為侏羅系延安組二段。長(zhǎng)8、長(zhǎng)7及長(zhǎng)6的烴源巖分布廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)質(zhì)類型中-好且成熟度適中,為中生界油氣藏的形成提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)長(zhǎng)8層砂巖類型主要為長(zhǎng)石巖屑砂巖和巖屑長(zhǎng)石砂巖,其中碎屑顆粒含量較高,一般占巖石總體的90%以上。碎屑長(zhǎng)石主要由鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石組成,以斜長(zhǎng)石居多。巖屑主要由火成巖和變質(zhì)巖巖屑組成,沉積巖屑含量較低?;鸪蓭r屑成分主要為噴發(fā)巖屑,且含量較高;變質(zhì)巖屑成分較復(fù)雜,主要有石英巖、高變巖、片巖、千枚巖和板巖等,含少量云母碎屑。填隙物含量較少,由方解石、綠泥石、水云母、高嶺石、硅質(zhì)、白云石、黃鐵礦等組成,以方解石和綠泥石為主。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 地層水分布特征

2.1 地層水化學(xué)組成

通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界產(chǎn)出的24個(gè)地層水樣的常規(guī)無(wú)機(jī)化學(xué)分析可知,(K++Na+)、Ca2+、Mg2+、Cl-、HCO3-、SO42-等鹽類離子占了地層水的90%以上。長(zhǎng)8地層水中含量最多的是Cl-,其次是(K++Na+)、Ca2+,主要離子濃度組合是:Cl-> (K++Na+)>Ca2+>Mg2+>HCO3->SO42->CO32-(圖2)。這種離子濃度組合特征可能是延長(zhǎng)組碳酸鹽巖地層水埋藏、演化過(guò)程中,受多種因素作用的結(jié)果,地層水鹽類離子濃度普遍比現(xiàn)代海水離子濃度平均值要高,但是(K++Na+)、Mg2+和SO42-的濃度要比海水的低,這可能與地層水演變過(guò)程中 Ca2+,Cl-離子的富集與(K++Na+)、Mg2+和SO42-離子的虧損有關(guān);而 HCO3-離子的濃度比正常海水的要高,這可能與該地區(qū)存在大量的天然氣有關(guān)。

圖2 鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8層地層水各離子含量

地層水主要離子濃度隨總礦化度(TDS)的變化情況見(jiàn)圖3。Cl-濃度隨總礦化度的增大而增高,約占總礦化度的60%,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96,而高的Cl-濃度一般被認(rèn)為是地層水蒸發(fā)濃縮的產(chǎn)物或鹽類礦物溶解的結(jié)果。因此,研究區(qū)鹽類的溶解是地層水富含Ca2+、Cl-離子的主要原因,進(jìn)而可以推測(cè)地層水的高礦化度也應(yīng)該與鹽類礦物的溶解作用有關(guān)。(K++Na+)、Ca2+、Mg2+濃度也隨著礦化度增大而升高,其相關(guān)性較Cl-差,HCO3-濃度隨總礦化度升高而減小。需要指出的是(K++Na+)、Ca2+與礦化度的關(guān)系分為兩段式,先是隨著礦化度的增加,(K++Na+)增加的速率更快,隨著礦化度的進(jìn)一步升高,Ca2+增速大于(K++Na+)增速。這是因?yàn)樵诘叵律钐?,沿著水巖作用和生物化學(xué)作用加強(qiáng)的方向,Ca2+、Cl-離子增加,而 Na+離子逐漸被Ca2+離子置換,且這種置換是2個(gè)Na+離子對(duì)應(yīng)一個(gè)Ca2+離子。

圖3 鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水主要離子濃度隨總礦化度(TDS)的變化情況

2.2 地層水礦化度

對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水樣的統(tǒng)計(jì)分析表明,其總礦化度為14 442~61 242 mg/L,平均礦化度達(dá)33 435.87 mg/L,略低于海水的鹽度35 000 mg/L。根據(jù)礦化度的劃分標(biāo)準(zhǔn),鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8地層水屬于鹽水和鹵水的范疇[5],為中、高濃度,是長(zhǎng)期的地層內(nèi)循環(huán)、水-巖相互作用和經(jīng)濃縮變質(zhì)作用的綜合結(jié)果。研究區(qū)地層水主要來(lái)自海相或海陸過(guò)渡相環(huán)境,盡管經(jīng)歷過(guò)多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),因其埋藏深,封閉條件較好,仍保存了較多的原始?xì)堄嗪K奶卣?,并且在漫長(zhǎng)的地質(zhì)發(fā)展過(guò)程中不斷濃縮和堿化,受大氣降水影響較小,從而造成現(xiàn)今地層水總礦化度高的特征。

2.3 地層水水型特征

通過(guò)對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水樣的統(tǒng)計(jì)分析,并根據(jù)蘇林水型分類方案[6]可知,其主要為CaCl2型水,個(gè)別為 MgCl2型(H H26-10井);其中,CaCl2型水是油氣田水中最有利的標(biāo)志水型,一般被認(rèn)為是深盆地滯留型水。從層位上看,少量MgCl2型水可能與鄰近地表水的入侵或其他因素有關(guān)(例如鉆井過(guò)程中淡水的加入)。MgCl2型的水可能與壓實(shí)成巖作用下硫酸鹽的溶解有關(guān),不利于油氣的保存。中生界各層段地層水水型整體上均屬CaCl2型水。這表明延長(zhǎng)組地層水在縱向水文地質(zhì)剖面上具有深層交替停滯狀態(tài)特征,地層水處于還原環(huán)境,反映儲(chǔ)層良好的封閉條件,有利于油氣聚集和保存。需指出的是,水型僅反映水文地質(zhì)封閉條件,并不意味著凡是CaCl2型水分布就能發(fā)現(xiàn)油氣藏。

2.4 酸堿度

對(duì)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8測(cè)得p H值的24個(gè)地層水樣品的統(tǒng)計(jì)分析表明,其p H值介于5.1 5~7.01,多數(shù)在5.0~6.8,屬于偏酸性-弱堿性,這可能與該區(qū)總礦化度高有關(guān)。Hanor等認(rèn)為(1994):總礦化度高會(huì)使H+活度增高,導(dǎo)致地層水變得偏酸性[7]。

3 地層水特征系數(shù)

與油氣儲(chǔ)層關(guān)系較大的地下水化學(xué)特征值,包括鈉氯系數(shù)、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)和脫硫系數(shù)等。這些指標(biāo)通常用來(lái)判斷地層內(nèi)流體移動(dòng)的方向、地層水活動(dòng)的強(qiáng)弱和封閉性等情況,與油氣運(yùn)聚有一定的成因關(guān)系。但是由于水化學(xué)參數(shù)受多種地質(zhì)作用的影響,只有在綜合考慮各種參數(shù)變化規(guī)律和相互對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上,才能科學(xué)合理的利用這些參數(shù)。

(1)鈉氯系數(shù)(Na+/Cl-)。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水鈉氯系數(shù)平均為0.57。按照博雅爾斯基分類(1970),研究區(qū)長(zhǎng)8地層水屬于氯化鈣型水的三、四、五型,是有利于油氣聚集和保存的區(qū)域。

(2)脫硫系數(shù)(100×SO42-/Cl-)。脫硫系數(shù)(100×SO42-/Cl-)越小,表明地層水封閉性越好,有利于油氣的保存。據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)油氣田的大量研究,脫硫系數(shù)為1可以作為還原條件好壞的界限指標(biāo)。脫硫系數(shù)小于1的地層水,通常標(biāo)明地層水還原徹底,埋藏于封閉良好的地區(qū);反之,則認(rèn)為還原不徹底,可能受到淺表層氧化作用的影響。鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8地層水脫硫系數(shù)平均值為0.3,說(shuō)明該地區(qū)地層水封閉性好,有利于油氣的保存。

(3)氯鎂系數(shù)(Cl-/Mg2+)和變質(zhì)系數(shù)(Cl--Na+/Mg2+)。據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多油氣田研究,與油氣伴生的地層水氯鎂系數(shù)>5.13,變質(zhì)系數(shù)>1。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8層地層水Cl-/Mg2+比值和Cl--Na+/Mg2+變化范圍較大,但二個(gè)系數(shù)絕大多數(shù)均在油氣田水指標(biāo)范圍內(nèi),說(shuō)明研究區(qū)儲(chǔ)層總體封閉良好。

4 地層水成因分析

4.1 分析方法

影響地層水化學(xué)成分變化的主要機(jī)制包括溶釋溶解作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用、陽(yáng)離子交替吸附作用、滲析作用、脫硫酸作用和流體-巖相互作用等[8-9]。

沉積盆地中,原始沉積物及流體的組成是流體相互作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。前人對(duì)原始沉積水為海水的水化學(xué)特征的研究表明,其化學(xué)水特征演變遵從海水蒸發(fā)濃縮線[10]。海水蒸發(fā)曲線常被用于判斷各種離子富集或虧損,進(jìn)而提供礦物溶解-沉淀及地層水化學(xué)演化信息[11-13]。

海水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)資料表明,Cl-離子化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不易被吸附和沉淀,在海水蒸發(fā)曲線上,當(dāng)Cl-的濃度低于100 g/L 時(shí),lg(Cl-濃度)與lg(Br-濃度)呈斜率為1的直線關(guān)系[13],表明Cl-在濃度增加到100 g/L之前不會(huì)發(fā)生沉淀。鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8層地層水中的Cl-與礦化度有較好的線性關(guān)系,Cl-的最高濃度低于90 g/L,并且中生界沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鹽層,由此可以認(rèn)為在地層水演化過(guò)程中,Cl-沒(méi)有發(fā)生沉淀,其含量變化主要是地層水蒸發(fā)濃縮的結(jié)果。因此,可以利用其它離子組分含量相對(duì)于Cl-含量的變化,來(lái)判斷地層水中各種離子的富集或虧損,從而分析地層水化學(xué)演化。

4.2 Ca2+-Cl-、Mg2+-Cl-的關(guān)系

通過(guò)分析鎮(zhèn)涇地區(qū)長(zhǎng)8層地層水中Ca2+-Cl-、Mg2+-Cl-關(guān)系(圖4),可得到以下地層水化學(xué)特征:①在Ca2+-Cl-雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖上(圖4a),數(shù)據(jù)點(diǎn)比較散亂,且基本位于海水濃縮線左上方,而且地層水Ca2+/Cl-值(平均為0.19)遠(yuǎn)高于海水值(0.02),表現(xiàn)為Ca2+富集特征。②Mg2+-Cl-在雙對(duì)數(shù)關(guān)系圖上(圖4b),數(shù)據(jù)點(diǎn)同樣比較散亂,且基本位于海水濃縮線右下側(cè),而且地層水 Mg2+/Cl-值(平均為0.011)低于海水值(0.066),表現(xiàn)為Mg2+虧損特征。③Mg2+、Ca2+離子濃度隨Cl-離子濃度的增加均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上雖然呈線性關(guān)系,且大致平行于海水濃縮,但其演化線卻明顯偏離海水蒸發(fā)濃縮線。表明鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8層地層水與海水蒸發(fā)濃縮來(lái)源水的差別。該區(qū)地層水可能受到了不同程度的蒸發(fā)濃縮作用或流體混合作用控制。

4.3 (K++Na+)-Ca2+關(guān)系

圖4 Cl-離子濃度與Ca2+,Mg2+離子濃度相關(guān)圖(底圖據(jù) Hanor J S,1944[10])

不管盆地流體的來(lái)源是海水的蒸發(fā)濃縮還是鹽巖的分解,盆地流體一定會(huì)經(jīng)歷有意義的水-巖相互作用,這樣才能引起流體中Ca2+離子濃度的增加[14]。Davission等計(jì)算Ca2+濃度相對(duì)海水富集和Na+濃度相對(duì)海水虧損的方法被證明是一種有效反映流體-巖石相互作用途徑的方法[2,3]。在圖5上,鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水出現(xiàn)Ca2+富集和Na+虧損現(xiàn)象,而且這種變化是等摩爾量的,即2Na+→Ca2+。根據(jù)Land和 Milliken(1981)等的研究[15-16],在 自 然 界 中 只 有 斜 長(zhǎng) 石 的 鈉 長(zhǎng) 石 化 過(guò)程,才能導(dǎo)致Ca2+相對(duì)海水富集和Na+相對(duì)海水虧損,且置換比例為1∶2,這種置換規(guī)律[2-3]為:Ca Al2Si2O8+4SiO2+2Na+=2Na AlSi3O8+Ca2+,即鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8層中主要的流體-巖石相互反應(yīng)是斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化過(guò)程。雖然鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水在中Nadeficit-Caexcess呈線性關(guān)系,但其分布比較散亂,均散布在鹽巖溶解和海水蒸發(fā)來(lái)源的地層水的范圍內(nèi),可能的解釋為鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8地層水可能為鹽巖溶解和海水蒸發(fā)的混合物。

圖5 Nadeficit-Caexcess相關(guān)圖解(底圖據(jù) Davisson M L,1996[3])

4.4 Ca2+富集成因

沉積物中原始沉積水可能為海水或淡水,隨著沉積物不斷埋藏,沉積水經(jīng)歷蒸發(fā)、與地表水或其它地層水混合、或與巖石發(fā)生流體-巖石相互作用等一系列的變化過(guò)程,導(dǎo)致地層水性質(zhì)改變,從而引起流體中Ca2+離子濃度的增加[14]。

研究區(qū)碎屑長(zhǎng)石主要由鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石組成,以斜長(zhǎng)石居多。該區(qū)中地層中主要的水-巖相互反應(yīng)是斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化過(guò)程。通過(guò)計(jì)算被溶解的鈣長(zhǎng)石的摩爾濃度可以進(jìn)一步計(jì)算出地層水中從鈣長(zhǎng)石中釋放的鈣離子質(zhì)量濃度。研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖中,火山物質(zhì)較多,中-酸性火山碎屑常泥化或硅化,泥化或硅化的火山灰中含CaO。據(jù)克拉克研究表明,地球各洲巖漿巖的平均CaO 含量為5.08%[17],而一般酸性巖漿巖CaO含量低于3%。研究區(qū)泥化或硅化的火山灰中CaO含量遠(yuǎn)低于5.08%,因此,研究區(qū)火山灰中的Ca2+已大量釋放,可能是地層水中Ca2+富集的主要原因。通過(guò)研究可知,該區(qū)地層水中的Ca2+富集,表明在水-巖相互作用過(guò)程中,從礦物中釋放了大量的Ca2+,或者說(shuō),Ca2+的富集與含鈣礦物的溶蝕有關(guān)。

4.5 Mg2+與Na+虧損成因

鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界長(zhǎng)8砂巖中含有綠泥石、菱鐵礦和白云石膠結(jié)物,這些礦物中富含鎂。因此,研究區(qū)地層水中Mg2+虧損與菱鐵礦、白云石膠結(jié)物和綠泥石發(fā)育有關(guān)。

研究區(qū)地層水中Na+虧損。該區(qū)碎屑長(zhǎng)石中斜長(zhǎng)石居多,且前已提及該區(qū)地層中主要的水-巖相互反應(yīng)為斜長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化過(guò)程。因此,本區(qū)的Na+虧損是陽(yáng)離子交換作用的結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水總礦化度為14 442~61 242 mg/L,平均礦化度達(dá)33 435.87 mg/L,屬于鹽水和鹵水的范疇。p H值介于5.15~7.01,屬于偏酸性-弱堿性,絕大多數(shù)在5~6.8,為弱酸性。地層水水型整體上均屬有利油氣保存的CaCl2型水。

(2)鎮(zhèn)涇地區(qū)中生界地層水并不是簡(jiǎn)單受蒸發(fā)濃縮與大氣降水的影響,而可能為鹽巖溶解和蒸發(fā)的混合物。

(3)地層水特征系數(shù)顯示鎮(zhèn)涇地區(qū)是有利于油氣聚集和保存的區(qū)域。

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TE125.4

A

1673-8217(2012)06-0055-04

2012-07-13;改回日期:2012-09-10

孔為,1982年生,在讀碩士生,主要從事油氣藏地質(zhì)學(xué)及成藏動(dòng)力學(xué)研究。

劉洪樹(shù)

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喝多少杯海水能把人“渴死”?
海水為什么不能喝?
等效流體體積模量直接反演的流體識(shí)別方法
海水
利用綜合測(cè)井資料計(jì)算地下水等效NaCl溶液礦化度方法
低礦化度水驅(qū)技術(shù)增產(chǎn)機(jī)理與適用條件
特高礦化度Cr3+交聯(lián)聚合物溶液滲流特性及其機(jī)制
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