鄂尔多斯盆地油田水化学特征及地质意义

梁晓伟 牛小兵 李卫成张 三 叶 博 尤 源

（1.中国石油 长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018）

鄂尔多斯盆地是中国第二大中生代含油气沉积盆地［1，2］，晚三叠世沉积期具有“盆大、坡缓、稳定、源多”特点，其中的三叠系延长组和侏罗系延安组是盆地内最重要和最典型的低渗、特低渗透型含油层系［3，4］。按沉积旋回性，延长组可划分为9个主力含油层组，依次覆于延长组之上的侏罗系富县组和延安组，仅延安组下部的延9、延10油层组为侏罗系的主力含油层系。

含油气沉积盆地流体地球化学是一门涉及多学科的交叉学科，是当代地学研究的前沿。油层水的化学特征是不同的成岩环境包括后期改造的综合反映，油层水的化学性质与油气成藏密切相关，地下水动力条件及油层水演化侧面反映了盆地流体流动样式及演化规律［5－15］，油气的生成、运移、聚集、保存和散失都是在地层水的环境里或是在地层水的参与下进行的，油层水作为地质流体的重要组成部分存在于任何一个油气藏流体系统中，其化学成分蕴含了许多与油气藏形成和保存相关的信息［16－18］。油层水和油气之间存在经常性的物质成分交换，直接或间接地指示盆地流体系统的开放性和封闭性，因此，油层水性质的研究更是石油地质学中油气成藏过程的重点研究内容之一［5，12］。在以往的研究中，对盆地流体的研究往往注重于油气的组分分析，而对油层水分布特征及演化研究力度不足。本文通过对鄂尔多斯盆地石油成藏过程和不同层系地层水化学特征的对比分析，发现三叠系延长组与侏罗系延安组的水化学特征差异显著；在分析不同沉积条件下油层水特征的变化及其影响因素的基础上，探讨油层水与油藏保存条件的关系及其勘探与开发意义。

1 现今油田水分布特征

1.1 矿化度

矿化度（TDS）是指地层水中含无机盐量的多少（即质量浓度）。地层水的矿化度是地理地质环境变迁所导致的地下水动力场和水化学场经历漫长而复杂演化过程的反映。按照矿化度的大小可将地层水划分为5类（表1）［18－21］。

表1 地层水矿化度分类Table 1 Mineralization classification of formation water

统计表明，鄂尔多斯盆地延长组及延安组现今各油层组油田水矿化度变化在18～90g／L之间，平均为52g／L（图1），属于盐水－卤水的地层水类型。其中，将延长组长3－长6上油层组合与长7－长10下油层组合相比较，其矿化度明显较高，与以往随着埋藏深度加大矿化度增高的认识存在明显差别。

1.2 地层水盐类离子组分

鄂尔多斯盆地盐类常规离子组分中阳离子为Na＋＋K＋，Ca2＋，Mg2＋；阴离子为Cl－，，；而 且 阳 离 子 具 有ρ（Na＋＋K＋）＞ρ（Ca2＋）＞，阴 离 子 丰 度 表 现 为 ρ（Cl－）＞＞，Na＋＋K＋和Cl－是盐类离子的主要组成部分（表2）。

图1 鄂尔多斯盆地主力油层组油层水矿化度分布柱状图Fig.1 The bar graph for mineralization distribution of formation water of main reservoir groups in Ordos Basin

1.3 油田水类型

按照苏林（1946）分类法，可将油田中的地层水分为4种类型：CaCl2型、NaHCO3型、MgCl2型和Na2SO4型。对于油田来说，含油气圈闭的水文地质开启程度决定了油田水性质。如裸露和严重破坏的圈闭构造中，多属于开放性的Na2SO4型水；而与地表隔绝良好的圈闭构造中，多属于封闭性的 CaCl2型水［11，22－24］。

鄂尔多斯盆地延长组油田水属于CaCl2型水，其他水型极少，表明油田的水文地质条件稳定，油藏封闭性好，有利于油藏的后期保存；主要与延长组地层为典型低孔低渗型储层，纵向上及侧向上的连通性较差，水体交换停滞，水动力对油藏不具破坏作用密切相关。延安组油田水主体为NaHCO3型水，少部分为高矿化度的CaCl2型水，与其较复杂的分布特征和具备开放性有关。

2 油田水化学参数

2.1 钠氯系数

钠氯 系 数 （r（Na＋／Cl－））是 反 映 地 层 封 闭 性 好坏、油田水变质程度、地层水活动性的重要参数。低钠氯系数与水变质程度高、油气保存条件好具有一致性，比值小，反映了比较还原的水体环境，有利于油气的保存［25－28］。按诺沃谢利分类，鄂尔多斯盆地各油层组钠氯系数具有明显分带性（图2－A）。

表2 鄂尔多斯盆地各主力油层组盐类离子含量统计表Table 2 Statistical chart of ions content of different reservoir groups in Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地主力油层组油层水化学参数柱状图Fig.2 The bar graph of chemical parameters of formation water for main reservoirs

次生油藏分布带：延安组及富县组钠氯系数＞1，在1.10～1.35之间，平均为1.20，地层水多为NaHCO3型。

大量原生油藏分布带：延长组钠氯系数＜1，在0.64～0.98之间，平均为0.78，地层水多为CaCl2型。

钠氯系数分布特征与延长组、富县组及延安组水型特征相符合。

2.2 脱硫系数

2.3 氯镁系数

氯镁系数（γ（Cl－／Mg2＋））可反映地层水在运移过程中水岩作用的强度和离子交替置换的程度。地下径流越慢，水岩作用时间越长，离子交换作用将越彻底，流体中Na＋和Mg2＋离子可能越少，而Ca2＋离子相对越多。与此对应，水的变质程度就越深，越有利于油气保存，油气伴生的地层水氯镁系数通常＞5.13。鄂尔多斯盆地各油层组油田水统计结果，氯镁系数均≫5.13，平均值为65.54（图2－C），反映地层水封闭性好、封闭时间长，浓缩变质作用很深，非常有利于油气的聚集和保存。

2.4 镁钙系数

低的镁钙系数（γ（Mg2＋／Ca2＋））常与次生孔隙的发育有关。方解石的白云石化和溶解过程都能够改善储层的物性，并导致油田水中镁钙系数值降低。鄂尔多斯盆地各油层组油田水镁钙系数分带性明显，如富县组及延安组镁钙系数在0.39～0.69之间，平均为0.50，储层受成岩作用改造弱，以原生孔隙为主，溶孔不发育；又如延长组各油层组镁钙系数在0.08～0.29之间，平均为0.21（图2－D），储层受到多期成岩改造，次生溶孔发育，与其较低的镁钙系数具有很好的对应关系。

3 油田水化学特征

3.1 长3 长6中部组合油田水高矿化度成因

延长组各油层组油田水矿化度分布，具有长3－长6中部组合油田水矿化度明显高于长8－长10下部组合。一般来说，沉积盆地中地层水矿化度随深度的增加而增大；但也不尽然，对于多数沉积盆地，矿化度在一定深度其值为一较宽范围。这种变化不仅反映了地层水中所溶解物质的来源，同时它还说明地层水经历了复杂的物理过程，如运移、扩散等［9，12，18］。

顾家裕（2001）认为油田水化学的性质和组分在整个地质历史过程中是在不断变化的，它受沉积时环境和流体的性质、大气水的渗流和淡化作用等9种因素的影响［29］，其中沉积时环境和流体的性质对后期油田水矿化度的影响较大。通过钠氯系数等地层水化学参数的分析表明，延长组由于受沉积、成岩等作用的综合影响，形成了低孔低渗储层，长期处于稳定、还原的水文地质环境，与外界流体的交换基本停滞，非常有利于油藏的保存，因此，各油层组沉积时的环境及流体是决定现今油田水化学特征的重要因素。为了证实沉积时环境和流体与现今油层水化学特征的关系，本文开展了不同油层组古盐度分析。

古盐度是古代沉积物中水体盐度的记录，可作为分析地质历史中沉积环境特征的一个重要信息。本文主要运用硼元素法进行古盐度的恢复。硼元素对于盐度的反应比较敏感，对沉积环境及各种地质作用具有明显的指示意义。黏土矿物可从溶液中吸收硼且数量与溶液中硼浓度有关［30－31］，且在各种地球化学分析方法中硼是比较容易确定的一种元素，因此，硼元素常被作为反映盐度的一个较好的指标来使用。由于自然界水体中硼的浓度是盐度的线性函数，因而黏土矿物从水体中吸收的硼含量与水体的盐度呈双对数关系式，即所谓的佛伦德奇吸收方程［31］，其表达式为

式中：wB为吸收硼的质量分数；S为盐度（质量分数）；C1和C2是常数。

此方程式是利用硼和黏土矿物定量计算古盐度的理论基础。常用的定量计算公式有如下2个。

式中：Sp为古盐度；wB为“相当硼”含量（质量分数）。

式中：wB＊为“校正硼”含量（质量分数）。

作者在鄂尔多斯盆地姬塬、华庆及镇北等主力区块选取了40余口均匀分布的取心井，采集了长3－长9油层组取心段的60件泥岩样品，分别进行X射线衍射定量分析和微量元素B，Na和K分析，重点加强典型油层组长6及长9的对比分析，运用Couch公式定量计算古盐度（表3）。结果表明，长6油层组古盐度较高，平均为2.39‰，具半咸水湖泊的性质；而长9油层组古盐度平均为0.67‰，为淡水湖泊的性质。古盐度与现今油层水矿化度之间具有明显的正相关关系（图3），长6沉积时的半咸水湖性质是决定现今长6高矿化度的主要因素，富含半咸水的长6储层在埋藏成岩后，经浓缩作用逐渐演化形成现今高矿化度油层水。

表3 鄂尔多斯盆地延长组长6及长9硼元素法古盐度计算数据表Table 3 Data on the palaeosalinity Calculated by element B method in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地延长组长6、长9古盐度及现今油层水矿化度柱状图Fig.3 The palaeosalinity and bar graph for mineralization of formation water nowadays in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

3.2 长1、长2上部组合油田水矿化度变低的原因

20世纪90年代以来，人们开始注意到开放体系中大气水对砂岩骨架颗粒溶解产生次生孔隙的现象（Emery等，1990；Ramm，1992；Bloch等，1993），特别是近地表暴露和淡水淋滤作用对砂岩物理性质的影响，总结得出了不整合面附近大气淡水淋滤作用并产生次生孔隙的证据，主要表现为近不整合面附近由长石等铝硅酸盐溶解形成的次生孔隙和次生高岭石增加，岩石物性变好，孔隙度、渗透率增加等特征性标志。

鄂尔多斯盆地晚三叠世末，印支运动使全区抬升，广遭剥蚀，使大部分地区延长组顶部长1及长2地层大规模缺失，形成了丘陵起伏、阶地层叠、沟谷纵横的前侏罗纪古地貌形态，侏罗系就是在此背景上形成的，造成了延长组与延安组或富县组多呈平行不整合接触［34］。黄思静等研究也表明，该暴露时间间隔中大气水的淋滤作用，促使了长石等骨架颗粒的溶解，对延长组砂岩储层次生孔隙的产生及储层物性的改善具有重要意义［35］。

延长组地层水总体处于封闭的流体动力环境，但延长组顶部特别是长1、长2地层受到印支期末剥蚀暴露时间间隔大气水的淋滤作用的影响，形成大气水下渗淡化区，地层相对开启，油气保存条件较差，油气藏规模较小，且处于聚集—散失的动态变化过程中，总体上不利于油气聚集和保存［26，36］，这是导致现今长1、长2地层水矿化度低的主要因素。

3.3 侏罗系油田水性质及成因

鄂尔多斯盆地侏罗系与三叠系延长组油田水具有明显差异。前者油田水主体为NaHCO3型，而后者几乎全部为CaCl2型水。研究认为：造成上述油田水差异的原因主要有：①侏罗系砂岩储层受沉积成岩改造弱，储层物性好，水文地质条件活跃，处于较为开放的水体环境，易受外来流体如地表水注入的稀释作用的影响，改变了盐类离子组成。②延安组沉积期气候温暖潮湿、雨量充沛、植被繁茂，广泛发育煤系地层。煤系地层在埋藏热演化过程中会释放出较高浓度CO2，进入地层水中，导致了地层水中的HCO－3＋浓度大于Cl－＋浓度，使地层水“活化”，构成了侏罗系以NaHCO3型为主的又一重要原因［36］。

4 结论

a.鄂尔多斯盆地三叠系及侏罗系油田水矿化度总体较高，属于盐水－卤水的地层水类型，高度富集的Na＋＋K＋和Cl－是形成油田水高矿化度的原因。

b.延长组油田水为CaCl2型，表明油田的水文地质条件稳定，油藏封闭性能较好，有利于油藏的后期保存。延安组油田水主体为NaHCO3型，水文地质环境活跃，油藏保存条件相对较差。

c.钠氯系数、脱硫系数等地层水化学参数分析表明，侏罗系为次生油藏分布带，油藏易受破坏，油藏分布广、油藏规模小，油藏保存条件较差；延长组为大量原生油藏分布带，水封闭性能好，油藏保存条件好。

d.各油层组沉积期古盐度特征对现今地层水矿化度具有明显的控制作用，长3－长6沉积期半咸水的湖泊性质，是造成长3－长6油田水高矿化度的主要原因；印支期末剥蚀暴露时间间隔大气水的淋滤作用的影响，是造成延长组顶部长1、长2油田水矿化度变低的重要因素；侏罗系开放的水文地质环境及煤系地层自身释放的CO2是造成侏罗系NaHCO3型油田水的两大条件。

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