劉瑞娟

(中國(guó)石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營(yíng) 257001)

地層水是含油氣盆地中的地層流體的重要組成部分,其變化特征可以反映油氣的聚集規(guī)律,利用地層水的化學(xué)特征可以幫助地質(zhì)勘探者“找油”,可為油氣勘探提供指導(dǎo),為生產(chǎn)服務(wù)。因此,濟(jì)陽(yáng)坳陷的地層水化學(xué)特征研究是一項(xiàng)很重要而且是不可缺少的工作。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)地層水的特征、成因、同位素特征、溫壓條件等開展了研究,并取得了很多重要的成果,但前人對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組的地層水特征的深入研究相對(duì)較少。因此,本文根據(jù)濟(jì)陽(yáng)坳陷的地層水分析數(shù)據(jù),討論濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)地層水化學(xué)特征及探討地層水化學(xué)特征與油氣成藏的關(guān)系。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

濟(jì)陽(yáng)坳陷地處山東省北部,是渤海灣盆地中一個(gè)極其重要的次級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。東部以郯廬斷裂的中段與魯東隆起相隔,西部和北部以埕寧隆起和渤南凸起與黃驊坳陷、渤中坳陷相鄰,南部以齊廣斷裂與魯西隆起分界,西南部與臨清坳陷相連。由西向東撒開,西窄東寬,面積為2.65×104km2。早第三紀(jì),坳陷內(nèi)自南而北發(fā)育了東營(yíng)凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷、車鎮(zhèn)凹陷等4個(gè)次級(jí)凹陷[1]。這4個(gè)凹陷之間有聯(lián)系和具有共同點(diǎn),相互之間也有很多差異,各自形成獨(dú)立的生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、聚單元,就地層水特征來(lái)說(shuō),他們之間既有聯(lián)系,又相互獨(dú)立,本文從地層水化學(xué)特征方面淺析油氣成藏之間的差異性。

2 地層水化學(xué)特征分析

地層水的化學(xué)特征是在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)地層水與巖石、有機(jī)物等相互作用的結(jié)果[2]。地層水化學(xué)特征分析研究主要包括礦化度、酸堿度、水型、化學(xué)系數(shù)等?，F(xiàn)今呈現(xiàn)的地層水化學(xué)特征是地層水在物理、化學(xué)等多種作用下,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演變至今的結(jié)果。研究地層水的化學(xué)特征,能夠幫助我們還原一個(gè)地區(qū)的水文歷史[3-6]。

礦化度是指地層水中含有的各種離子、分子與化合物的總量,包含各種鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及鈉鹽,它是地質(zhì)環(huán)境變化導(dǎo)致地層水動(dòng)力場(chǎng)和水化學(xué)場(chǎng)經(jīng)歷復(fù)雜演化的反映[7]。

圖1 濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)域概況圖(以東營(yíng)組邊界為底圖)

2.1 礦化度

筆者在濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)應(yīng)用了2 215口井的水分析資料,取樣數(shù)據(jù)點(diǎn)具有代表性。濟(jì)陽(yáng)坳陷礦化度的范圍跨度比較大,0～350 g/L都有分布。每個(gè)凹陷不同層位的礦化度存在區(qū)別,東營(yíng)凹陷的礦化度最大,惠民凹陷次之,車鎮(zhèn)和渤南更低一些,這種區(qū)別與當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境等各方面的因素有很大的關(guān)系,反映了不同凹陷地質(zhì)環(huán)境變化存在差異。其中,東營(yíng)凹陷的礦化度整體較高,其值為0.2<ρ(TDS)<350 g/L,平均值為38.6 g/L;惠民凹陷礦化度范圍為1.3<ρ(TDS)<178 g/L,平均值為33.1 g/L;沾化凹陷礦化度范圍為0.3<ρ(TDS)<204 g/L,平均值為11.46 g/L;車鎮(zhèn)凹陷礦化度范圍為0.5<ρ(TDS)<98 g/L之間,平均值為13.7 g/L。因?yàn)楹Ｋ牡V化度是35 g/L,從各凹陷的平均值上來(lái)看,東營(yíng)凹陷的地層水屬于咸水,其次是惠民凹陷,接近于咸水水平,沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷相對(duì)它們來(lái)講淡一些。從層位上來(lái)看(表1),從沙一段到孔店組,礦化度是呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),是典型的正向水化學(xué)剖面,底部層位的水相對(duì)較咸。

2.2 酸堿度

地層水的酸堿度顯示的是地層流體演化至今的特征,統(tǒng)計(jì)分析(表1)濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組地層水整體以堿性為主,說(shuō)明地層水演化至今是以堿性為主。堿性水的來(lái)源初步猜想可能有兩個(gè)來(lái)源:一是坳陷深部上涌的堿性地層水;二是受到了坳陷內(nèi)部膏鹽層的影響。

通過(guò)對(duì)濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組地層水的酸堿度進(jìn)行剖析,其中以東營(yíng)凹陷為例來(lái)看,淺層斷裂附近以酸性為主,深層洼陷帶和邊緣帶以酸性為主,受沉積、成巖和成烴作用的控制,縱向上具有酸堿交替演化的特點(diǎn)。沙四下亞段指示堿性流體占主導(dǎo)地位,主要受沉積成巖作用的控制;沙四上亞段指示酸性流體占主導(dǎo)地位,主要受生烴作用的影響;沙三下主要是堿性流體占主導(dǎo)作用,受成巖作用的影響;沙三中-沙一段主要是酸性流體占主導(dǎo),受淋濾作用的影響。

2.3 水 型

地層水的分類方法有很多種,常采用的是蘇林的分類方法[8-9]。蘇林分類將地層水的類型劃分為4類,其中Na2SO4型是大陸沖刷環(huán)境下形成的水,一般來(lái)說(shuō),此水型反映環(huán)境封閉性差,不利于油氣聚集和保存。NaHCO3型是大陸環(huán)境條件下形成的,該水型在油田中分布廣泛,是含油性良好的標(biāo)志;Mgcl2水型是海洋環(huán)境下形成的水,該水型一般多存在于油氣田內(nèi)部;CaCl2水型是深層封閉構(gòu)造環(huán)境下形成的水,環(huán)境封閉性好,有利于油氣聚集和保存,是含油性良好的標(biāo)志。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析(如表1所示),濟(jì)陽(yáng)坳陷主要陽(yáng)離子順序?yàn)镹a++K+>Ca2+>Mg2+,主要陰離子順序?yàn)镃l->HCO3->SO42-。如表1所示,東營(yíng)凹陷和惠民凹陷沙河街組各層位中,水型主要以CaCl2為主;渤南洼陷和車鎮(zhèn)凹陷沙河街組各層位中,水型主要以NaHCO3為主。造成濟(jì)陽(yáng)坳陷水型南北分區(qū)的原因分析如下:東營(yíng)凹陷和惠民凹陷,整體礦化度較高,地層水中以Cl-和Na+占優(yōu)勢(shì),由于CaCl2的溶解度更大,所以在礦化度高的地層水中以Cl-和Ca2+為主,水型以CaCl2型水為主。在相對(duì)較低的礦化度區(qū)HCO3-、SO42-占主導(dǎo),Na+是主要的陽(yáng)離子,因此沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷的水型主要以NaHCO3型為主。并且在同一地區(qū)的深層封閉環(huán)境中,更容易形成CaCl2型水。從濟(jì)陽(yáng)坳陷南北水型差異性來(lái)看,沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷在沙河街組沉積時(shí)期水體流動(dòng)性大于東營(yíng)凹陷和惠民凹陷,封閉性相對(duì)差一點(diǎn)。

表1 濟(jì)陽(yáng)坳陷不同層位地層水化學(xué)特征表 mg/L

2.4 主要化學(xué)系數(shù)

地層水的主要化學(xué)系數(shù)包括鈉氯系數(shù)、脫硫酸系數(shù)等,它們是指地層水離子比值,可以反映地層水的地球化學(xué)環(huán)境和水巖作用強(qiáng)度。本文主要利用鈉氯系數(shù)和脫硫酸系數(shù),分析地層水的環(huán)境的開啟與封閉性以及是氧化與還原性。

2.4.1 鈉氯系數(shù)

鈉氯系數(shù)是指單位體積地層水中鈉離子與氯離子的當(dāng)量比值,這反映了地層水中鈉鹽的富集程度,可以用來(lái)分析地層水的變質(zhì)程度以及地層的封閉性能。從表1可以看出,濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組的鈉氯系數(shù)平均值為0.75～1.52,其中,東營(yíng)凹陷沙河街組的鈉氯系數(shù)平均值均小于1,說(shuō)明東營(yíng)凹陷該層位地層水的變質(zhì)程度較小,地層的封閉保存條件較好。其中,沙四、沙三、沙一段鈉氯系數(shù)小于0.85,具有沉積鹵水的特征,接近于海水的鈉氯系數(shù)是0.86,沙二段的鈉氯系數(shù)平均值是0.99,接近于1,說(shuō)明該層位具有溶濾鹵水的特征,該段地層的封閉性相對(duì)減弱,造成其他溶濾水滲入?；菝癜枷莸拟c氯系數(shù)平均值與東營(yíng)凹陷類似,在0.75～0.89之間,說(shuō)明沙河街組地層水封閉性強(qiáng)。沾化凹陷的鈉氯系數(shù)平均值為0.97～1.52,車鎮(zhèn)凹陷的鈉氯系數(shù)平均值為0.98～1.21,相對(duì)于東營(yíng)凹陷和惠民凹陷來(lái)講,鈉氯系數(shù)值較大,反映了這兩個(gè)凹陷的水體主要是陸相成因,并且受到滲入水的影響作用較大?？偟膩?lái)講,鈉氯系數(shù)值越大,地層的封閉性較弱,受溶濾滲入水的影響較大,對(duì)油氣藏的保存不利;反之,如果鈉氯系數(shù)值越小,地層封閉性較強(qiáng),對(duì)油氣藏的保存越有利。

2.4.2 脫硫酸系數(shù)

脫硫酸系數(shù)是地層水環(huán)境的氧化—還原的重要指標(biāo),是反映油氣藏保存好壞的參數(shù),表達(dá)式為(rSO42-×102)/rCl-,地層水中SO42-和Cl-離子的大小直接影響脫硫系數(shù)的變動(dòng)。脫硫酸作用越徹底,脫硫酸系數(shù)越接近于0,還原環(huán)境越強(qiáng),表明地層的封閉程度越好。濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組的脫硫酸系數(shù)平均值為0.61～10.77,從表1中可以看出,東營(yíng)凹陷和惠民凹陷的脫硫酸系數(shù)相對(duì)其他兩個(gè)凹陷較低,東營(yíng)凹陷的脫硫酸系數(shù)平均值為1.32～1.64,惠民凹陷的平均值為0.61～2.01,說(shuō)明這兩個(gè)凹陷是很好的“儲(chǔ)油基地”,沙河街組的地層封閉程度好,還原環(huán)境強(qiáng),未受到強(qiáng)烈氧化作用的影響。沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷的脫硫酸系數(shù)值相對(duì)較大,沾化凹陷的均值為3.59～10.77,車鎮(zhèn)凹陷的均值為3.56～7.72,說(shuō)明這兩個(gè)凹陷的地層水在沙河街組時(shí)期處于弱氧化弱還原環(huán)境,幾乎沒(méi)有受到還原作用的影響,地層封閉性相對(duì)弱一些。

2.5 地層水化學(xué)特征影響因素

經(jīng)過(guò)全面的分析,發(fā)現(xiàn)濟(jì)陽(yáng)坳陷沙河街組在不同凹陷、不同層位的化學(xué)特征存在明顯差異,造成差異的原因[10-11]包括以下幾個(gè)方面。

2.5.1 沉積環(huán)境與水-巖作用

沉積時(shí),原始水體的礦化度影響了現(xiàn)今地層水礦化度的大小及變化規(guī)律;原始沉積水隨著沉積物的持續(xù)埋藏或者剝蝕過(guò)程,會(huì)與周圍巖石發(fā)生水巖反應(yīng)或鹽巖的溶解淋濾,或是與其他性質(zhì)的地層水混合,導(dǎo)致本身水化學(xué)成分的改變。濟(jì)陽(yáng)坳陷的南北水型差異是地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi),不同的水-巖作用造成的,地層水中水化學(xué)特征也會(huì)為水-巖作用提供重要的信息。

2.5.2 生烴作用

生烴作用會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸,在超壓的驅(qū)動(dòng)下,有機(jī)酸分階段排出,使得地層水中的碳酸鹽礦物溶蝕,儲(chǔ)層中的鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕,導(dǎo)致地層水礦化度增加。

2.5.3 大氣水滲入與蒸發(fā)濃縮作用

大氣降水對(duì)總礦化度的影響很大,沾化和車鎮(zhèn)凹陷的礦化度相對(duì)于東營(yíng)凹陷和惠民凹陷相對(duì)較低,這兩個(gè)凹陷曾經(jīng)遭受過(guò)較強(qiáng)的大氣降水淋濾作用。高溫下的蒸發(fā)濃縮作用會(huì)使深層封閉地層中的水體不斷礦化,朝含鹽度增高的方向發(fā)展,礦化度升高。沉積時(shí)期若氣候干燥、湖盆收縮,湖水的濃縮作用增強(qiáng),地層水中鹽巖的溶解是礦化度增大的主要方式。雖然地下巖鹽的溶解會(huì)對(duì)礦化度產(chǎn)生近距離的影響,但通過(guò)地層水通過(guò)斷裂帶垂向運(yùn)移也可以影響很大范圍內(nèi)的礦化度。

3 地層水化學(xué)特征與油氣成藏關(guān)系探討

研究表明,地層水礦化度、酸堿度、水型、化學(xué)系數(shù)的變化與油氣運(yùn)聚和保存有著密切的關(guān)系。[12]

3.1 地層水化學(xué)特征與成藏的關(guān)系

3.1.1 礦化度

礦化度值越高,地層的封閉性越強(qiáng),越有利于油氣的保存;濟(jì)陽(yáng)坳陷,礦化度高值區(qū)主要分布在洼陷區(qū)和構(gòu)造轉(zhuǎn)化帶,這反映了流體的釋放和運(yùn)聚的過(guò)程,地層水的運(yùn)移方向與油氣的運(yùn)移方向具有一致性。在中央隆起帶或者斷階帶,礦化度會(huì)發(fā)生明顯的穿層,這些區(qū)帶往往也是油氣聚集的區(qū)帶。因?yàn)楦叩V化度流體突破的區(qū)帶,石英加大、碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類溶蝕的成巖作用相對(duì)強(qiáng)烈一些,相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)層物性較好,含油性較好。

3.1.2 酸堿度

酸性和堿性成巖環(huán)境會(huì)出現(xiàn)在成巖過(guò)程的不同階段,對(duì)儲(chǔ)集物性產(chǎn)生不同的影響。在酸性地層水中,石英比較穩(wěn)定,碳酸鹽、長(zhǎng)石等礦物會(huì)處于溶蝕狀態(tài),較容易形成次孔隙,儲(chǔ)集物性相對(duì)較好;而在堿性地層水中,碳酸鹽、長(zhǎng)石等礦物會(huì)發(fā)生沉淀,石英溶蝕會(huì)隨著酸堿度的增加而增加,形成大量的孔隙,造成儲(chǔ)集物性的變好。

3.1.3 水 型

水型的差異,在于同一離子含量的差異,會(huì)導(dǎo)致地層水中的酸堿度存在差異,影響成巖作用的類型,進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)集性能產(chǎn)生差異。以東營(yíng)凹陷的利頁(yè)1井為例,在3 560 m的深度,地層水的類型為NaHCO3型,PH為10,呈堿性;在3 785 m,地層水類型為CaCl2型,PH值為5,呈酸性。即使是同一口井,由于水型不同,離子差異,勢(shì)必會(huì)造成儲(chǔ)集物性的差異。

3.2 地層水化學(xué)特征與油氣保存的關(guān)系

地層水的特征對(duì)油氣的保存有一定的影響,但是地層水總礦化度和水化學(xué)系數(shù)僅能反映地下油氣的保存封閉條件,并不能直接決定油氣藏的有無(wú)。在影響油氣保存的地層水化學(xué)特征中,礦化度越高,反應(yīng)的地層封閉性越強(qiáng),越有利于油氣的保存;鈉氯系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)、脫硫酸系數(shù)越小,越有利于油氣的保存。前人利用地層水的脫硫系數(shù)-鈉氯系數(shù)投點(diǎn)判別圖可直觀地反映研究區(qū)不同地層所處的油氣水文地質(zhì)保存環(huán)境,將保存環(huán)境劃分為保存區(qū)、過(guò)渡區(qū)、弱保存區(qū)和非保存等4個(gè)區(qū)域,這也可作為我們?cè)谟蜌饪碧街薪梃b的一個(gè)好方法。

4 結(jié) 論

(1)濟(jì)陽(yáng)坳陷中東營(yíng)凹陷和惠民凹陷礦化度較高,沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷相對(duì)較低。整體的酸堿度以堿性為主,不同的層位各有差別,主要受成巖、生烴及淋濾作用的影響。濟(jì)陽(yáng)坳陷南部各凹陷水型以CaCl2為主,北部凹陷以NaHCO3為主,造成這一現(xiàn)象的主要原因是水—巖作用。

(2)濟(jì)陽(yáng)坳陷整體的鈉氯系數(shù)和脫硫系數(shù)比較低,其中東營(yíng)凹陷和惠民凹陷的值相對(duì)于沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷來(lái)講更低一些,這表明東營(yíng)凹陷和惠民凹陷的地層封閉性更強(qiáng)一些,油氣保存條件相對(duì)較好。

(3)地層水化學(xué)特征僅能從地層水的角度反映油氣的封閉、保存條件,并不能直接決定油氣藏的有無(wú)。在油氣勘探中,還要結(jié)合其他成藏要素匹配分析,才能確定成藏有利區(qū)。