东营凹陷古近系地层水化学特征及其演化主控因素分析

银 燕

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015）

东营凹陷古近系地层水化学特征及其演化主控因素分析

银 燕

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院,山东东营 257015）

地层水水化学性质与油气成藏具有重要关系,在东营凹陷地层水水化学数据及地质资料分析基础上,明确其古近系地层水水化学具明显的平面分区性及垂向分带性。地层水水化学变化除受原始沉积环境及气候影响外,还受到后期压实排水、外来流体及断裂活动等因素的制约,同时成岩过程中矿物转化脱水和耗水对其也有重要的影响。

地层水;水化学;矿化度;成岩作用;东营凹陷

流体是地质作用过程中不可缺少的重要因素,对油气生成、运移、聚集过程起着关键的控制作用。当前对地层水的研究,多偏重于地层流体中的油气,或仅研究狭义的地下水,缺乏对沉积盆地内地层水与成岩作用关系、地层水与油气成藏关系、地层水在油气藏中的赋存状态等方面的系统认识[1-4]。

随着勘探开发程度的不断深入,对地层水水化学在油气成藏中的作用要求更精细,孙向阳(2001）对东营凹陷Es2、Es3、Es4段地层水水化学分布特征及其控制因素进行了分析,本文结合现有地层水资料 ,进一步分 Es4(上、下）、Es3(上、中、下）、Es2、Es1来研究地层水水化学在平面上的分布特征,结合纵向上地层水水化学变化特征,进而分析地层水演化过程中主要涉及的影响因素,从岩石及成岩作用上揭示地层水演化的主控因素,从而能够对已进入勘探后期的富油凹陷的岩性、地层等隐蔽油气藏勘探具有更实际的指导意义。

1 地质概况

东营凹陷隶属于济阳坳陷中的一个次级构造单元,它位于济阳坳陷的东南部,为一外围有凸起环绕的晚侏罗世—古近纪的断陷复合盆地。东接青坨子凸起,南部地层与鲁西隆起、广饶凸起呈超覆接触,西与惠民凹陷毗邻,北以陈家庄—滨县凸起为界,东西长约90 km,南北宽约65 km,总面积约5 850 km2,总体走向为北东向(图1）。其基本构造格局为北断南超、北陡南缓。凹陷被北西西向断裂分割为东西两个部分,西部为博兴凹陷、东部又被晚期北东东向盐膏拱张背斜分割为轴向近北东东向的三个洼陷。

图1 东营凹陷区域地质构造图Fig.1 The regional geological structural graph of Dongying Sag

2 地层水水化学特征

2.1 地层水水化学分布的平面分区性特征

研究不同区带地层水水化学特征,分析地层水变化规律,通常依据地层水矿化度、水型、钠氯比值、变质系数、脱硫系数等指标。从现有地层水资料数据来看,东营凹陷地层水水化学变化特征在平面上具有明显的分区性。下面以地层水矿化度为例,分层系说明东营凹陷地层水的平面分布特征。

沙四段地层水整体矿化度很高,最高值可达335 g/L,平均68 g/L,这与沙四段地层埋藏较深、地层水基本不受外来水质的影响有关。沙四下段地层水高值区位于洼陷带,且东高西低,北部洼陷区地层水矿化度最大,基本不受外来水质的影响,向南逐渐减小,这与沙四下段沉积时期气候干旱,湖水含盐度高,化学沉积较发育有关;沙四上段地层水矿化度高值区域范围扩大,在洼陷内部,随着埋深的增加,地表水下渗强度减弱,随地下水在下渗流动过程中溶解的溶质增多,使矿化度逐渐增加,在盆地边缘,由于埋藏较浅,地下水淡化现象明显,矿化度显著降低(图 2）。

图2 东营凹陷沙四上段地层水矿化度等值线分布图Fig.2 The Es4s local water salinity contour map of Dongying Sag

沙三段地层水矿化度值较沙四段有所降低,但最高值也可达331 g/L,平均59 g/L,不同的是沙三段地层水等值线存在明显的梯度带。沙三下段地层水矿化度高值区相对于沙四段范围缩小,高值区变化带和断裂构造带一致,凹陷边部矿化度降低,这与沙三下段沉积时期,断裂活动强烈及沉积环境有关;沙三中段地层水矿化度较高的区域位于中央隆起带断裂发育区及牛庄洼陷,而沿盆地边缘,矿化度变化幅度较大,分析认为是断层沟通沙四段高矿化度地层水造成的(图3）;沙三上段沉积时期东营凹陷水体继续变浅,沉积相以河流三角洲为主,矿化度高值中心分布于牛庄—六户洼陷和中央背斜带,凹陷边部矿化度明显减小,矿化度低值区分布于博兴断裂阶状构造带及金家鼻状构造带。

沙二段地层水矿化度值更低,最高值为241 g/L,平均34 g/L,凹陷边部地层水矿化度明显减小,其等值线梯度更加明显,并多与断裂构造带展布一致(图4）;到沙一段地层水矿化度值普遍较低,凹陷边部数值更低(图5）。

图3 东营凹陷沙三中段地层水矿化度等值线分布图Fig.3 The Es3z local water salinity contour map of Dongying Sag

图4 东营凹陷沙二段地层水矿化度等值线分布图Fig.4 The Es2 local water salinity contour map of Dongying Sag

图5 东营凹陷沙一段地层水矿化度等值线分布图Fig.5 The Es1 local water salinity contour map of Dongying Sag

图6 东营凹陷地层水水化学纵向展布图Fig.6 The vertical local water hydrochemical distribution of Dongying Sag

2.2 地层水水化学分布的垂向分带性特征

从东营凹陷地层水横向展布特征可以看出从深层到浅层地层水矿化度具有一定的变化规律,基本上是沙四段不受外界影响逐渐变化到受外界强烈影响的沙一段。而地层水水化学纵向上具有明显的阶段性和分带性(图6）。

埋深1 100 m以上地层处于早成岩阶段,属开放的地下水系统。该阶段地层水受外界大气水下渗淡化影响最大,地层水以NaHCO3型水为主,整体上其矿化度、阴离子和阳离子含量较低,呈氧化状态的硫酸根离子和钠氯系数呈高值且数据较分散。自上而下,地层水水化学参数呈现由小到大的变化规律,至800 m左右,大气水影响变小,蒸发浓缩作用起主要作用;再向下,地层进入大量压实排水阶段,故而地层水矿化度及各项离子浓度变小。整体上该阶段地层水矿化度一般较低。

埋深1 100～2 100 m地层为开放与封闭体系的过渡带。受到外部大气水影响较小,但仍处于半开放体系。随着地层埋深的增加,钠氯系数值小于1的CaCl2型地层水明显增多,地层水矿化度及各离子浓度缓慢增加(矿化度最高达140 g/L）,硫酸根数据相对变小,最后地层水矿化度及各项离子浓度又普遍降低(矿化度最低达到105 g/L）。

埋深2 100 m以下地层处于晚成岩阶段,属封闭体系地下水系统。地层水主要为CaCl2型水,其钠氯系数基本小于1。该阶段地层流体压力普遍进入高压体系,广泛发育地层压力和流体封隔层,地层水较为封闭,地层内发生渗滤浓缩作用和蚀变耗水作用,其地层水矿化度、各离子浓度及离子组合特征均增至最高,不受外界水环境的影响。

3 地层水水化学特征主控因素分析

通过东营凹陷地层水水化学分布特征,可以看出不同层系地层水的水化学特征具有明显差异。除了受原始沉积、气候环境影响外,还受到后期的断裂活动、大气水的渗入淡化作用、蒸发浓缩作用、泥岩压实排水作用、地下水的渗滤浓缩作用、黏土矿物的脱水作用、有机质对水化学的影响作用、矿物的溶解、转变及沉淀作用、阳离子的交换吸附作用及硫酸盐的还原作用等[3-11]。

地层埋深小于800 m时,属早成岩早期。地层水受外界大气水影响较大,主要为大气水下渗淡化所致,其影响的程度取决于气候、地形、地质构造、渗透层与隔水层的分布以及凹陷压实排水形成的离心流的相对强度等。同时在局部地区存在蒸发浓缩作用,是导致孔隙水矿化度和离子浓度增加的最主要因素之一。众因素制约该阶段地层水矿化度一般较低。

地层埋深800～1 700 m时,属早成岩晚期。随着地层深度的增加,地层中的泥岩开始压实排水淡化作用,使得渗透层的Cl-、Na+浓度和矿化度降低,盐化系数 Cl-/(C+HCO3-）变小,S、C+HC浓度增大,脱硫系数S/(S+Cl-）、钠氯系数rNa+/rCl-变大。同时地层中的页岩也在进行着压滤浓缩作用,在具有较高交换能力的沉积物(如蒙脱石）中所渗出的溶液,其浓度随压力增高而降低,残余孔隙水的浓度将有所增高。这种压滤浓缩蚀变耗水使得地层水矿化度快速增长,其值最高达140 g/L。

地层埋深1 700～3 000 m时,属晚成岩早期。随地层深度增加,地区环境发生变化,地层中黏土矿物蚀变开始脱水,即黏土矿物都不同程度地含有一定数量的吸附水和结构水。随着埋深和地温的增加,阶段性地发生脱水作用。黏土矿物脱水产生的孔隙水基本上为淡水,这种机理能使地下水淡化,造成地层水矿化度急剧降低,最低达到105 g/L。同时地层中发生渗滤浓缩作用,即在地下水渗透过程中,黏土矿物具有隔膜渗滤作用,不同浓度的盐溶液若被半渗透隔膜隔开,则将引起溶液浓度较低的一边,通过隔膜移向浓度较高一边,在高浓度一边产生较大的压力,并伴随着蚀变耗水作用。渗滤浓缩作用和蚀变耗水作用使得其地层水矿化度数值较高,特别是该阶段2 100 m以下部位,几乎不受外界水环境的影响;同时该阶段内部地层水矿化度依然存有低值,表明其内部存在各自独立的系统。

地层埋深3 000 m以下,属晚成岩晚期。地层内主要发生渗滤浓缩作用和蚀变耗水作用,使得其地层水矿化度数值较高,不受外界水环境的影响,同时该阶段内部地层水的低值矿化度数据依然存有,表明其内部存在各自独立的系统。

总之,影响地层水水化学特征的因素较多,这些影响因素共同导致了地层水水化学特征的垂直分带性及平面分区性特征。

4 结论

(1）地层水水化学在平面上具分区性。沙四段整体地层水数值较高,且东高西低,北部洼陷区地层水矿化度最大,向南逐渐减小;沙三段地层水矿化度高值区范围缩小,高值区变化带和断裂构造带一致,凹陷边部和浅层地层水急剧降低。

(2）纵向上,随深度增加,地层水矿化度、钠离子、氯离子、碳酸根离子含量和盐化系数逐渐增大,硫酸根离子含量、钠氯系数和脱硫系数逐渐减小,显示出明显阶段性及分带性,且这种阶段性与成岩作用相对应。

(3）深部高矿化度流体沿断层向上发生了穿层运移,特别是断裂带和凹陷边缘地层水矿化度等值线梯度急剧变化,代表盆地深部高矿化度的流体向外运移汇聚的主方向及凹陷边部和浅层地层水明显受下渗大气水的影响,除此影响因素外,还与成岩过程中沉积压实及矿物蚀变成分变化有关。

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[2]孙向阳,解习农.东营凹陷地层水化学特征与油气聚集关系[J].石油实验地质,2001,23(3）:292-297.

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Analysis of hydrochemical characteristics of paleogene local water and the affecting factors in Dongying Sag

Yin Yan
(Geoscience Research Institute of SINOPEC Shengli Oilf ields Company,Dongying Shandong257015）

There is an important relationship between the hydrochemical features of local water and oil accumulation.On the basis of the analysis of local water hydrochemical features and geological data of Dongying Sag,the planar division and vertical zonation of paleogene local water was revealed.The local water hydrochemical feature is controlled by later compaction and drainage,foreign fluid and fault activity except the primary sedimentary environment and climate condition.The dehydration and consumption of water because of mineralogic changing during diagenetic process are also important influencing factors.

local water;hydrochemical;salinity;diagenesis;Dongying Sag

TE133+.1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2011.01.037

1008-2336(2011）01-0037-06

2010-09-07;改回日期:2010-11-01

银燕,女,1975年生,工程师,从事油气地质研究。E-mail:yy5156@163.com。