镇泾地区中生界长8地层水化学特征及其成因

2012-11-09周鑫宇

石油地质与工程 2012年6期

关键词：矿化度海水流体

孔为，周鑫宇

（成都理工大学，四川成都 610059）

镇泾地区中生界长8地层水化学特征及其成因

孔为，周鑫宇

（成都理工大学，四川成都 610059）

镇泾地区中生界区地层水化学组成主要以（K＋＋Na＋）、Cl-离子为主，总矿化度为14 442～61 243 mg／L，属于盐水和卤水的范畴，p H值在5.15～7.01，属偏酸性-弱碱性，地层水水型基本为CaCl2型水。地层水中Cl-和Ca2＋、Mg2＋的浓度与（K＋＋Na＋）和Ca2＋的浓度的关系表明，研究区地层水受沉积环境、流体-岩石相互作用、流体混合作用及蒸发浓缩作用共同控制，而含钙矿物的溶蚀及钠长石化作用等导致了Ca2＋离子的富集、Mg2＋离子和Na＋离子的亏损。地层水特征系数与油气特征的关系显示有利于油气聚集和保存。

鄂尔多斯盆地；镇泾地区；地层水；化学特征

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是中国中部中、新生代大型陆相沉积盆地之一，中生界三叠系延长组是该区油气勘探的主要目的层，具有烃源岩发育，生储盖组合配套，勘探领域广及潜力大的特点。镇原-泾川（镇泾）区块在构造上位于鄂尔多斯盆地天环坳陷南段，面积约为2 511.15 m2（图1）。由于印支运动末期构造抬升，研究区普遍缺失长4＋5段以上地层，部分井区缺失长6段；上覆侏罗系延安组沉积完全受控于前侏罗纪古地形，延安组自南向北依次超覆［1-2］。镇泾地区中生界构造平缓，为一简单的单斜，发育一系列低幅鼻状构造。镇泾地区三叠系延长组发育大型辫状河三角洲前缘沉积，分流河道砂体极为发育［3-4］。三叠系延长组、侏罗系均构成了河流-湖泊-河流的完整旋回。每一旋回的中部为湖盆发育的鼎盛时期，发育了较厚的烃源岩。镇泾地区中生界烃源岩主要发育在三叠系延长组三段及二段，其次为侏罗系延安组二段。长8、长7及长6的烃源岩分布广、厚度大、有机质丰度高，有机质类型中-好且成熟度适中，为中生界油气藏的形成提供了重要的物质基础。研究区长8层砂岩类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，其中碎屑颗粒含量较高，一般占岩石总体的90%以上。碎屑长石主要由钾长石和斜长石组成，以斜长石居多。岩屑主要由火成岩和变质岩岩屑组成，沉积岩屑含量较低。火成岩屑成分主要为喷发岩屑，且含量较高；变质岩屑成分较复杂，主要有石英岩、高变岩、片岩、千枚岩和板岩等，含少量云母碎屑。填隙物含量较少，由方解石、绿泥石、水云母、高岭石、硅质、白云石、黄铁矿等组成，以方解石和绿泥石为主。

图1 研究区位置图

2 地层水分布特征

2.1 地层水化学组成

通过对镇泾地区中生界产出的24个地层水样的常规无机化学分析可知，（K＋＋Na＋）、Ca2＋、Mg2＋、Cl-、HCO3-、SO42-等盐类离子占了地层水的90%以上。长8地层水中含量最多的是Cl-，其次是（K＋＋Na＋）、Ca2＋，主要离子浓度组合是：Cl-＞（K＋＋Na＋）＞Ca2＋＞Mg2＋＞HCO3-＞SO42-＞CO32-（图2）。这种离子浓度组合特征可能是延长组碳酸盐岩地层水埋藏、演化过程中，受多种因素作用的结果，地层水盐类离子浓度普遍比现代海水离子浓度平均值要高，但是（K＋＋Na＋）、Mg2＋和SO42-的浓度要比海水的低，这可能与地层水演变过程中 Ca2＋，Cl-离子的富集与（K＋＋Na＋）、Mg2＋和SO42-离子的亏损有关；而 HCO3-离子的浓度比正常海水的要高，这可能与该地区存在大量的天然气有关。

图2 镇泾地区长8层地层水各离子含量

地层水主要离子浓度随总矿化度（TDS）的变化情况见图3。Cl-浓度随总矿化度的增大而增高，约占总矿化度的60%，相关系数达0.96，而高的Cl-浓度一般被认为是地层水蒸发浓缩的产物或盐类矿物溶解的结果。因此，研究区盐类的溶解是地层水富含Ca2＋、Cl-离子的主要原因，进而可以推测地层水的高矿化度也应该与盐类矿物的溶解作用有关。（K＋＋Na＋）、Ca2＋、Mg2＋浓度也随着矿化度增大而升高，其相关性较Cl-差，HCO3-浓度随总矿化度升高而减小。需要指出的是（K＋＋Na＋）、Ca2＋与矿化度的关系分为两段式，先是随着矿化度的增加，（K＋＋Na＋）增加的速率更快，随着矿化度的进一步升高，Ca2＋增速大于（K＋＋Na＋）增速。这是因为在地下深处，沿着水岩作用和生物化学作用加强的方向，Ca2＋、Cl-离子增加，而 Na＋离子逐渐被Ca2＋离子置换，且这种置换是2个Na＋离子对应一个Ca2＋离子。

图3 镇泾地区中生界长8地层水主要离子浓度随总矿化度（TDS）的变化情况

2.2 地层水矿化度

对镇泾地区中生界长8地层水样的统计分析表明，其总矿化度为14 442～61 242 mg／L，平均矿化度达33 435.87 mg／L，略低于海水的盐度35 000 mg／L。根据矿化度的划分标准，镇泾地区长8地层水属于盐水和卤水的范畴［5］，为中、高浓度，是长期的地层内循环、水-岩相互作用和经浓缩变质作用的综合结果。研究区地层水主要来自海相或海陆过渡相环境，尽管经历过多次构造运动，因其埋藏深，封闭条件较好，仍保存了较多的原始残余海水的特征，并且在漫长的地质发展过程中不断浓缩和碱化，受大气降水影响较小，从而造成现今地层水总矿化度高的特征。

2.3 地层水水型特征

通过对镇泾地区中生界长8地层水样的统计分析，并根据苏林水型分类方案［6］可知，其主要为CaCl2型水，个别为 MgCl2型（H H26-10井）；其中，CaCl2型水是油气田水中最有利的标志水型，一般被认为是深盆地滞留型水。从层位上看，少量MgCl2型水可能与邻近地表水的入侵或其他因素有关（例如钻井过程中淡水的加入）。MgCl2型的水可能与压实成岩作用下硫酸盐的溶解有关，不利于油气的保存。中生界各层段地层水水型整体上均属CaCl2型水。这表明延长组地层水在纵向水文地质剖面上具有深层交替停滞状态特征，地层水处于还原环境，反映储层良好的封闭条件，有利于油气聚集和保存。需指出的是，水型仅反映水文地质封闭条件，并不意味着凡是CaCl2型水分布就能发现油气藏。

2.4 酸碱度

对镇泾地区中生界长8测得p H值的24个地层水样品的统计分析表明，其p H值介于5.1 5～7.01，多数在5.0～6.8，属于偏酸性-弱碱性，这可能与该区总矿化度高有关。Hanor等认为（1994）：总矿化度高会使H＋活度增高，导致地层水变得偏酸性［7］。

3 地层水特征系数

与油气储层关系较大的地下水化学特征值，包括钠氯系数、氯镁系数、变质系数和脱硫系数等。这些指标通常用来判断地层内流体移动的方向、地层水活动的强弱和封闭性等情况，与油气运聚有一定的成因关系。但是由于水化学参数受多种地质作用的影响，只有在综合考虑各种参数变化规律和相互对应关系的基础上，才能科学合理的利用这些参数。

（1）钠氯系数（Na＋／Cl-）。镇泾地区中生界长8地层水钠氯系数平均为0.57。按照博雅尔斯基分类（1970），研究区长8地层水属于氯化钙型水的三、四、五型，是有利于油气聚集和保存的区域。

（2）脱硫系数（100×SO42-／Cl-）。脱硫系数（100×SO42-／Cl-）越小，表明地层水封闭性越好，有利于油气的保存。据国内外对油气田的大量研究，脱硫系数为1可以作为还原条件好坏的界限指标。脱硫系数小于1的地层水，通常标明地层水还原彻底，埋藏于封闭良好的地区；反之，则认为还原不彻底，可能受到浅表层氧化作用的影响。镇泾地区长8地层水脱硫系数平均值为0.3，说明该地区地层水封闭性好，有利于油气的保存。

（3）氯镁系数（Cl-／Mg2＋）和变质系数（Cl--Na＋／Mg2＋）。据国内外众多油气田研究，与油气伴生的地层水氯镁系数＞5.13，变质系数＞1。镇泾地区中生界长8层地层水Cl-／Mg2＋比值和Cl--Na＋／Mg2＋变化范围较大，但二个系数绝大多数均在油气田水指标范围内，说明研究区储层总体封闭良好。

4 地层水成因分析

4.1 分析方法

影响地层水化学成分变化的主要机制包括溶释溶解作用、蒸发浓缩作用、混合作用、阳离子交替吸附作用、渗析作用、脱硫酸作用和流体-岩相互作用等［8-9］。

沉积盆地中，原始沉积物及流体的组成是流体相互作用的物质基础。前人对原始沉积水为海水的水化学特征的研究表明，其化学水特征演变遵从海水蒸发浓缩线［10］。海水蒸发曲线常被用于判断各种离子富集或亏损，进而提供矿物溶解-沉淀及地层水化学演化信息［11-13］。

海水蒸发实验资料表明，Cl-离子化学性质稳定，不易被吸附和沉淀，在海水蒸发曲线上，当Cl-的浓度低于100 g／L 时，lg（Cl-浓度）与lg（Br-浓度）呈斜率为1的直线关系［13］，表明Cl-在浓度增加到100 g／L之前不会发生沉淀。镇泾地区中生界长8层地层水中的Cl-与矿化度有较好的线性关系，Cl-的最高浓度低于90 g／L，并且中生界没有发现盐层，由此可以认为在地层水演化过程中，Cl-没有发生沉淀，其含量变化主要是地层水蒸发浓缩的结果。因此，可以利用其它离子组分含量相对于Cl-含量的变化，来判断地层水中各种离子的富集或亏损，从而分析地层水化学演化。

4.2 Ca2＋-Cl-、Mg2＋-Cl-的关系

通过分析镇泾地区长8层地层水中Ca2＋-Cl-、Mg2＋-Cl-关系（图4），可得到以下地层水化学特征：①在Ca2＋-Cl-双对数关系图上（图4a），数据点比较散乱，且基本位于海水浓缩线左上方，而且地层水Ca2＋／Cl-值（平均为0.19）远高于海水值（0.02），表现为Ca2＋富集特征。②Mg2＋-Cl-在双对数关系图上（图4b），数据点同样比较散乱，且基本位于海水浓缩线右下侧，而且地层水 Mg2＋／Cl-值（平均为0.011）低于海水值（0.066），表现为Mg2＋亏损特征。③Mg2＋、Ca2＋离子浓度随Cl-离子浓度的增加均呈现增加的趋势。在双对数坐标上虽然呈线性关系，且大致平行于海水浓缩，但其演化线却明显偏离海水蒸发浓缩线。表明镇泾地区中生界长8层地层水与海水蒸发浓缩来源水的差别。该区地层水可能受到了不同程度的蒸发浓缩作用或流体混合作用控制。

4.3 （K＋＋Na＋）-Ca2＋关系

图4 Cl-离子浓度与Ca2＋，Mg2＋离子浓度相关图（底图据 Hanor J S，1944［10］）

不管盆地流体的来源是海水的蒸发浓缩还是盐岩的分解，盆地流体一定会经历有意义的水-岩相互作用，这样才能引起流体中Ca2＋离子浓度的增加［14］。Davission等计算Ca2＋浓度相对海水富集和Na＋浓度相对海水亏损的方法被证明是一种有效反映流体-岩石相互作用途径的方法［2，3］。在图5上，镇泾地区中生界长8地层水出现Ca2＋富集和Na＋亏损现象，而且这种变化是等摩尔量的，即2Na＋→Ca2＋。根据Land和 Milliken（1981）等的研究［15-16］，在自然界中只有斜长石的钠长石化过程，才能导致Ca2＋相对海水富集和Na＋相对海水亏损，且置换比例为1∶2，这种置换规律［2-3］为：Ca Al2Si2O8＋4SiO2＋2Na＋＝2Na AlSi3O8＋Ca2＋，即镇泾地区中生界长8层中主要的流体-岩石相互反应是斜长石的钠长石化过程。虽然镇泾地区中生界地层水在中Nadeficit-Caexcess呈线性关系，但其分布比较散乱，均散布在盐岩溶解和海水蒸发来源的地层水的范围内，可能的解释为镇泾地区中生界长8地层水可能为盐岩溶解和海水蒸发的混合物。

图5 Nadeficit-Caexcess相关图解（底图据 Davisson M L，1996［3］）

4.4 Ca2＋富集成因

沉积物中原始沉积水可能为海水或淡水，随着沉积物不断埋藏，沉积水经历蒸发、与地表水或其它地层水混合、或与岩石发生流体-岩石相互作用等一系列的变化过程，导致地层水性质改变，从而引起流体中Ca2＋离子浓度的增加［14］。

研究区碎屑长石主要由钾长石和斜长石组成，以斜长石居多。该区中地层中主要的水-岩相互反应是斜长石的钠长石化过程。通过计算被溶解的钙长石的摩尔浓度可以进一步计算出地层水中从钙长石中释放的钙离子质量浓度。研究区储层砂岩中，火山物质较多，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。据克拉克研究表明，地球各洲岩浆岩的平均CaO 含量为5.08%［17］，而一般酸性岩浆岩CaO含量低于3%。研究区泥化或硅化的火山灰中CaO含量远低于5.08%，因此，研究区火山灰中的Ca2＋已大量释放，可能是地层水中Ca2＋富集的主要原因。通过研究可知，该区地层水中的Ca2＋富集，表明在水-岩相互作用过程中，从矿物中释放了大量的Ca2＋，或者说，Ca2＋的富集与含钙矿物的溶蚀有关。

4.5 Mg2＋与Na＋亏损成因

镇泾地区中生界长8砂岩中含有绿泥石、菱铁矿和白云石胶结物，这些矿物中富含镁。因此，研究区地层水中Mg2＋亏损与菱铁矿、白云石胶结物和绿泥石发育有关。

研究区地层水中Na＋亏损。该区碎屑长石中斜长石居多，且前已提及该区地层中主要的水-岩相互反应为斜长石的钠长石化过程。因此，本区的Na＋亏损是阳离子交换作用的结果。

5 结论

（1）镇泾地区中生界地层水总矿化度为14 442～61 242 mg／L，平均矿化度达33 435.87 mg／L，属于盐水和卤水的范畴。p H值介于5.15～7.01，属于偏酸性-弱碱性，绝大多数在5～6.8，为弱酸性。地层水水型整体上均属有利油气保存的CaCl2型水。

（2）镇泾地区中生界地层水并不是简单受蒸发浓缩与大气降水的影响，而可能为盐岩溶解和蒸发的混合物。

（3）地层水特征系数显示镇泾地区是有利于油气聚集和保存的区域。

［1］丁晓琪，张哨楠，刘岩.鄂尔多斯盆地南部镇泾油田前侏罗纪古地貌与油层分布规律［J］.地球科学与环境学报，2008，30（4）：385-388.

［2］郭正权，张立荣，楚美娟，等.鄂尔多斯盆地南部前侏罗纪古地貌对延安组下部油藏的控制作用［J］.古地理学报，2008，10（1）：63-69.

［3］丁晓琪，张哨楠，刘朋坤，等.镇泾区块延长组层序地层格架下油层富集规律［J］.西南石油大学学报，2008，30（2）：49-54.

［4］杨友运，张蓬勃，张忠义.鄂尔多斯盆地西峰油田长8油组辫状河三角洲沉积特征与层序演化［J］.地质科技情报，2005，24（1）：45-49.

［5］解习农，李思田，刘晓峰.异常压力盆地流体力学［M］.武汉：中国地质大学出版社，2006：57-58.

［6］刘方槐，颜婉荪.油气田水文地质学原理［M］.北京：石油工业出版社，1991：48-51.

［7］李贤庆，侯读杰.鄂尔多斯盆地中部气田地层流体特征与天然气成藏［M］.北京：地质出版社，2005.

［8］ Davisson M L，Presser T S，Criss R E.Geochemistry of tectonically expelled fluids from the northern Coast Ranges，Rumsey Hills［J］.Geochim et Cosmochimica.Acta，1994，58：1 687-1 699.

［9］ Davisson M L，Criss R E.Na-Ca-Cl relations in basinal fluids［J］.Geochim et Cosmochimica.Acta，1996，60（15）：2 743-2 752.

［10］ Hanor J S.Physical and chemical controls on the com-position of waters in sedimentary basins［J］.Marine and Peroleum Geology，1944，11（1）：31-45.

［11］蔡春芳，梅博文，马亭，等.塔里木盆地油田水的成因与演化［J］.地质论评，1997，43（6）：650-657.

［12］沈忠民，宫亚军，刘四兵.川西坳陷新场地区上三叠统须家河组地层水成因探讨［J］.地质论评，2010，56（1）：82-88.

［13］周训，李慈君.海水蒸发轨迹线及其应用［J］.地质科学，1995，20（2）：410-414.

［14］何治亮，陈强路，钱一雄，等.塔里木盆地中央隆起区油气勘探方向［J］.石油与天然气地质，2006，27（6）：769-778.

［15］ Land L S，Milliken K L.Frldspar diagenesis in the Frio Formation，Brazoria County，Texas gulf coast［J］.Geology，1981，9（7）：314-318.

［16］ Allaby A，Allaby M.The Concise Oxford Dictionary of Earth Sciences［M］.Oxford University Press，1990：410-412.

［17］姜在兴.沉积学［M］.北京：石油工业出版社，2003.

TE125.4

1673-8217（2012）06-0055-04

2012-07-13；改回日期：2012-09-10