陆相断陷盆地地层水化学场变化规律分析

朱家俊

(中国石化胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营257015)

陆相断陷盆地地层水化学场变化规律分析

朱家俊

(中国石化胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营257015)

油气层解释要解决的首要问题是地层水的化学特征问题。陆相断陷盆地地层水的化学场是比较复杂的,纵向上,地层水的化学特征一般不尽相同;横向上,同一套储层中不同井之间其地层水的化学特征,有可能相同也可能不同,甚至相差很大。地层水的化学特征即受控于沉积环境又受控于沉积后的成岩作用、构造运动,有的与火山活动密切相关,有的与地层水与其宿主岩的形成时间有关。陆相油藏测井解释含油饱和度工作中,在地层水电阻率的选取时,以上因素都应该充分考虑。

测井解释;陆相断陷盆地;地层水;构造运动;火山活动

0 引 言

以陆相沉积为主要特征的我国东部油、气田这些年来的各种含油饱和度解释方法是以阿尔奇公式为基础衍化而来的[1-2]。阿尔奇公式中的R0是指储层100%含水时的电阻率,在解释中通常借用于邻近水层的资料,即假设油层中的水与邻近水层中水的化学性质相等。公式中的 Rw常根据邻近水层的试水资料或自然电位测井资料求得。这是目前各种解释方法中通用的选择。然而,对于陆相断陷盆地,地层水中离子的运移、聚集是个复杂的过程。纵向上,地层水的化学特征一般不尽相同;横向上,同一套储层中不同井之间其地层水的化学特征,有时可能相同有时也可能不同,甚至相差很大。地层水的化学特征即受控于沉积环境又受控于沉积后的成岩作用、构造运动,有的与火山活动密切相关,有的与地层水与其宿主岩的形成时间有关。

地层水电阻率是测井解释油气层饱和度的重要参数,它的准确与否直接影响到饱和度的解释精度。在解释模型确定以后,正确认识与确定地层水的电阻率是十分重要的。

1 陆相断陷盆地中地层水的来源、构成、演化及运移

1.1 陆相断陷盆地中地层水的来源

陆相断陷沉积盆地地层水的来源有2种。一类为原生水;另一类为外来水。当有断层与地表相通,则大气雨水、泉水等均可沿着断层运移到储层中;深部地层的地层水也可沿着输导层或断裂带运移至其中而赋存下来[3]。Moran等(1995年)对墨西哥湾海岸盆地的分析表明,油田卤水的地质年龄要明显高于其宿主岩的地质时代,这说明卤水来源于深部更古老地层,它是经垂向运移至较浅部而聚集下来的[4]。陆相断陷盆地中的地层水是以原生水为主还是以外来水为主,主要取决于沉积后的地质运动。目前地层中地层水的化学特性是地理、地质环境变迁导致的地下水动力场和化学场经漫长、复杂演化的结果。

1.2 陆相断陷盆地中地层水的演化

以胜利油区济阳坳陷沙四段为例分析该区地层水的演化过程。沙四段沉积期,济阳盆地周围古陆环抱为亚热带气候,区内气候干热。其水化学场的演变大体经历了3个阶段。

(1)同生沉积作用水文地质期。在时间上系指沙四段沉积作用开始至结束这段时间,大约2 000万年。研究表明该期早期湖水古盐度应大于40 g/L,晚期古盐度则为21～40 g/L,这样东营湖盆沙四段同生沉积水应为40 g/L,为盐湖相孔隙盐卤水。沾车凹陷的沉积条件与东营相似,但其南北、中、东均有高山,接受水的补给,其同生沉积水应比东营凹陷稍淡,推测总矿化度为20 g/L左右[5]。

(2)埋藏、淋滤作用并存的水文地质期。在时间上指沙三～东营期,大约1 500万年。但在沾车凹陷沙四段末期,有大规模的地层剥蚀(沉积间断)致使大气降水进入,使矿化度降低,水型改变,SO增多,HCO离子增加[6]。但在深凹处(如义东地区)无沉积间断,这就是沾车凹陷水型与东营凹陷不同的重要原因。

在沙四～东营沉积后,凹陷中的沙四段地层被埋藏,靠近凸起的沙四段仍接受裸露灰岩大气降水渗入补给,进行着淋滤作用和水交替作用,改变着同生沉积水的化学场。但必须看到,沙四在下第三系沉积后裸露很少,仅仅是潜山的水流,通过边界断层和不整合面向沙四段地层补给,其数量很少,影响范围也不大。因此,水化学活动仍以内循环为主,仅在盆地边部有大气降水或地表水进入。

(3)埋藏封闭作用地质期。在时间上指新第三系第四纪沉积完成,大约2 500万年。这时期沙四含水系统全部被掩埋地下,进入埋藏封闭作用期[3,7]。这时地层厚度在下第三系基础上又沉积1 500～2 000 m,此时由于上部地层的加厚不断增加荷载,沙四中的泥岩不断被压缩,持续地进入储层中,发生内循环型挤压式水交替,这种水交替成为该水文地质时期中唯一的水循环。在温度压力增高的条件下,发生物理、化学、生物化学等作用,加快了围岩中的可溶盐向液相中转移的速度和规模。加之本身在高温下发生蒸发浓缩作用,几种作用的迭加使沙四地层中的水体不断矿化,朝含盐增高的方向发展。这就是沙四地下水多数为高矿化水原因(东营、惠民凹陷水最高可达200 g/L)。

1.3 陆相断陷盆地中地层水的运移

盆地中的流体静止的赋存是相对的,流动运移是绝对的。储层中的水从生成后,伴随大大小小的地质运动,它们的运移(横向的与纵向的)一时一刻也没有停止过,仅是运移的原因与规模不同而已。

深部水的运移一般是伴随着油气运移而运移的,它与盆地中的流体压力封存箱密切相关。埋深于3 000 m的地层常出现异常超压,组成了一系列相互独立的封存箱(流体封存单元),各箱之间的压力不能转换,而且与上覆水动力系统也不连通[8]。在这样的背景下存在2种运移机制:箱内水溶对流与向箱外的混相涌流,一旦构造运动引起开启性断裂发生,异常高压层中的流体,含烃也好,不含烃也好,将会在短时间内沿着断层向低压段快速涌流。箱内流体一旦流出箱外,由于压力下降,原来溶于水中的油气便分离出来,油、气、水将根据不同的动力机制决定自己的运移距离。油气除了与箱内的水具有同样的压力外,本身还受浮力的影响,因此高压的油气与同样高压的水相比,运移距离要更远些。

处于高压封存箱内的储层,只存在箱内的水溶对流,由于它们基本为同一沉积体系,地层水的化学特征相差不多,因此不论含油与否,储层中的水性基本一致。

处于封存箱外又距封存箱较近的地层是箱内油气聚集的有利场所,自然也是箱内地层水释放压力驱替原生水的主要场所[9]。因此,这部分储层的地层水的性质变化较大,它取决于深部油气及水对本层原生水的驱替情况。

处于封存箱较远的地层,水的化学特征受封存箱内地层水的影响较小,可能因为箱内的地层水在运移途中已将压力释放殆尽,而油气由于浮力的影响继续上浮。

因此,外来水主要分布于距压力封存箱较近的地层中。

2 实例分析

2.1 箱内成藏体系地层水的变化规律

牛庄油田位于东营凹陷的牛庄洼陷,该洼陷是一个发育时间长、沉积厚度大、生油层段多、有机质丰度高、成油条件很好的生油洼陷,生油岩与储集层交互叠置。沙三段的浊积扇被巨厚的生油岩包围,形成叠覆的内生包裹型生储盖配置。储集层可直接大量接收与聚集生油岩所排出的烃类,为一典型的箱内成藏体系。由于储集体本身的封闭性,储层中的水一般为原生水,而无外来水的干扰,因此这类储层中地层水的矿化度只与原来的沉积环境有关,而与油气的运移及富集程度无关(见表1)。

表1 牛庄油田某区块地层水数据表

2.2 临箱成藏体系地层水的变化规律

东营凹陷郝家油田河4断块构造上位于中央隆起带西端郝家鼻状构造,处于高压封存箱之上。沙二段油藏埋深2 500～2 600 m,为分流河道沉积,为淡水沉积环境,但其地层水矿化度25 000～98 000 mg/L。距断层最近的河4-斜64井2 649～2 655 m段为上油层下油水同层,油层电阻率仅有1Ω·m,试采日产油22 t。据化验分析资料,该层地层水矿化度为98 000 mg/L,比河4-斜64井距断层稍远的河4-斜57和河4-斜60井地层水矿化度为25 000、26 500 mg/L,油层电阻率为3～4Ω·m。河4断块Es2油藏地层水矿化度偏高及其距断层越近矿化度越大的特征表明其高矿化度地层水是沿落差500 m的河4大断层上窜的深部卤水。河4大断层是提供高矿化度地层水和油气的运移通道(见图1)。

图1 沙四段高矿化度地层水沿断层运移示意图

2.3 远箱成藏体系地层水的变化规律

孤东油田区域构造位于济阳凹陷东部沾化东缘的长堤潜山披覆构造带与垦东凸起之间,馆陶组油藏为该油田的主力油藏。该油田被孤南、桩东、孤北3个生油洼陷所围绕[8],馆陶组的油气通道有断层及不整合面及馆下段大规模发育的厚度很大的砂岩输导层。烃源岩中的水在运移过程中将能量不断释放于这些输导层中,而对馆上段储层影响较小,图2为孤东油田馆上段地层水矿化度与含水率关系图。1 300～1 400 m层段地层水的矿化度从2 000～5 000 mg/L变化不等,但与储层产水率没有关系。

图2 孤东油田馆上段地层水矿化度与含水率关系图

2.4 与火山侵入有关的地层水的变化规律

地层深处的岩浆沿软弱带向上侵入到围岩中冷凝固结形成侵入岩的过程叫岩浆的侵入作用,其侵入方式有岩浆以热力熔化围岩和机械力挤入围岩2种方式,多数情况下2种作用同时存在。岩浆挤入地层占据一定的空间,并迫使被侵入地层中的水等流体向四周运移;熔融岩浆所含的巨大热量同时对被其触及的围岩中的流体产生强烈的蒸煮浓缩作用,水分蒸发,各种盐分被滞留下来,随着水分的进一步蒸发,远处的地层水携带盐分过来补充,水分再蒸发,盐分又被滞留下来,使本来是淡水的同生沉积水变咸。如此循环便呈现以岩浆侵入体为中心,随着半径增大地层水矿化度逐渐降低至原状地层水矿化度的特征。

如商河油田商741块商74-6井钻遇火山侵入岩体,在其沙三段紧临侵入岩体的商741井2 812～2 885 m地层水矿化度为45 839 mg/L。随着与侵入岩体距离增大,地层水矿化度越来越低,距离商74-6井约800 m的夏101井沙三段2 887～2 895.6 m地层水矿化度为24 260 m g/L;而最远处1 000 m以外商79井2 450～2 458 m地层水矿化度为16 870 mg/L(见图3)。这充分说明岩浆侵入对地层水的蒸煮浓缩作用是引起地层水变化的原因。

图3 商741火成岩油藏剖面图

3 结 论

由于储集层与生油岩及油气水运移通道配置关系的不同,使得现今储层中地层水的来源及变化规律变得复杂。位于高压封存箱内的储层及远离高压封存箱的储层中的地层水以原生水为主,它只与储层本身的沉积环境、成岩作用有关;紧邻高压封存箱储层中的地层水的性质不仅取决于原生水还取决于来自深部地层的外来水以及油气在其中的富集程度。火山活动对地层水的化学性质会产生较大的影响。由于地层水电阻率是求取含油饱和度的重要参数,在求取该参数时,考虑上述因素是十分必要的,通常将邻近水层的地层水电阻率作为选值依据的方法也是值得商榷的。

陆相断陷盆地的油气运移与聚集有其内在的规律。阿尔奇公式是以海相沉积为背景而研制的含油饱和度解释方法。它的通用性似乎已被人们所接受。但正如本文所分析的一样,通常地层水电阻率选取方法事实与理论上的不足也是明显的。希望本文的一些分析与讨论有助于我国陆相断陷盆地油气层的测井解释。

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[2] 孙建孟,王永刚.地球物理资料综合应用[M].东营:中国石油大学出版社,2001:116-117.

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Analysis on the Changes of Formation Water Chem ical Field in Land Facies Fault Basin

ZHU Jiajun
(Geological Scientific Research Institute,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying,Shandong 257015,China)

The first p roblem in hydrocarbon zone interp retation is the chemical characters analyses of formation water.The chemical field of formation water is very comp lex in fault basin of land facies.In vertically,the chemical character of formation water is generally not the same;in horizontally,the chemical character of formation water in different wells in the same reservoir is perhap s the same o r different,even very different.The chem ical character of fo rmation w ater is not only controlled by the depositional environment,but also by post-depositional lithogeny and tectonic movement.And some characters are related to the volcanic event,some to the formed time of host rock.W hen interp reting the oil saturation of land facies reservoir and selecting the fo rmation w ater resistivity,w e should fully consider the influencing facto rs above.

log interp retation,land facies fault basin,formation water,tectonic movement,volcanic event

1004-1338(2010)04-0352-04

P631.84;TE122.23

A

中国石化科技攻关项目“济阳坳陷低电阻油层识别评价及应用技术研究”课题编号:P04020

朱家俊,男,1959年生,博士,高级工程师,从事地质综合研究工作。

2010-03-18 本文编辑 余 迎)