柴达木盆地西部新近系和古近系油田卤水水化学特征及其地质意义

李建森，李廷伟，马海州，彭喜明

（1.中国科学院青海盐湖研究所，青海 西宁 810008；2.中国科学院大学，北京 100049；3.西北大学地质系，陕西 西安 710069）

油田水是指储集层内与油气伴生的地层水，并与烃类的运移、聚集和油气藏的形成有一定关系［1］。对油田水的研究，是了解油气生成和油气藏形成的重要途径，对油气田勘探和开发有重要意义。同时，高溶解性总固体油田水中的有效组分有些可达工业品位，具有开采价值，因此油田水的研究具有矿产资源意义。

在柴达木盆地西部进行油气勘探时，经常伴有自井中喷出的油田水，出水量大，矿种多，钾、硼、锂等远超工业品位，有望成为第四纪盐湖卤水的后续利用资源。研究表明，通过盐田蒸发试验［2］，可以得到质量较好的钾石盐、硼钾混盐、含锂碘的母液［3］。因此，对于柴达木盆地西部含油构造地层水的水化学特征的全面深入分析可以揭示油田水化学成因与演化，指导进一步开发油田卤水资源并进行资源开发潜力评价，同时具有重要的油气地质意义。基于此，于2011年10月至11月期间赴柴达木盆地西部进行采样，寻找“油包水”产油井45口，直接从出油口采得样品45件(南翼山5件，狮子沟4件，红柳泉3件，小梁山7件，油泉子5件，油墩子1件，尕斯气田5件，昆北—乌南4件，大风山2件，冷湖4件，油砂山5件，见图1)，并采集地表水样11件(尕斯晶间卤水1件、尕斯库勒湖水1件、茫崖自流井水3件、红柳泉自流井水1件、大柴旦地热泉水4件、阿拉尔河水1件)作为对比，共计样品56件，从质和量上最大限度的保证了样品的可靠性，进行了样品的全化学分析并探讨了其地质与资源意义。

1 区域地质概况

柴达木盆地周缘分别被祁连山、昆仑山和阿尔金山包围，呈不规则菱形。在海西造山运动以前，是横贯欧亚大陆南部的古特提斯海的组成部分。自海西运动以来，柴达木地区经历了多次的造山运动，每次造山运动都加剧了盆地边缘深大断裂(带)的活动。直到中生代末—新生代初以来，板块的强烈俯冲，四周山体不断抬升，中央坳陷盆地主体形成，盆地西部逐渐行成“边断内超、高山深盆”的沉积环境［4］，为盆地带来了大量的盐类碎屑物质。再加上干旱的气候条件，加剧了成盐作用的强度，沉积了巨厚的盐层［5］。

受三大造山带的挤压构造作用，发育了一系列逆冲断层和断展背斜［6］(图1)。茫崖坳陷作为柴达木盆地西部的一个三级构造单元，发育了一系列受背斜构造控制的油气藏，赋存有大量的油田卤水资源，根据部分石油钻孔记录资料或测井资料，油田水赋存地层主要为古近系和新近系，包括上新统狮子沟组、上油砂山组，中新统下油砂山组、上干柴沟，渐新统下干柴沟组［7］，主要发育泥质岩、灰泥岩、泥灰岩等细粒钙质沉积物，地貌上表现为低山、丘陵区，含水层主要由一套微胶结的碎屑岩和灰岩等组成。透水性弱，水头压力高，与石油、天然气共生，为高溶解性总固体盐卤水，选取这些背斜构造进行系统集中采样分析研究。

图1 柴达木盆地西部茫崖拗陷地质构造与采样分布图Fig.1 Geologic structure and main brine sample points in western Qaidam basin

2 油田卤水元素地球化学特征及其地质意义

油田水中各种离子的含量反映了所在地层的水文地质条件和水文地球化学环境，也是油田水成因与演化的信息载体，同时具有油气地质意义。柴达木盆地茫崖拗陷的油田卤水样品与地表样品的化学成分见表1。

1.1 溶解性总固体分布特征及其油气地质意义

地层水的溶解性总固体特征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的反映［8］。柴西油田水的溶解性总固体介于5.59～316 g/L，总体变化范围较大，但绝大多数地区溶解性总固体值在100 g/L以上，平均为140 g/L，仅有油砂山油区的SX-27井与红柳泉油区红115井样品溶解性总固体值相对异常，分别为5.59g/L和11.38 g/L，接近当地地表水溶解性总固体值(阿拉尔河水溶解性总固体为8.72 g/L)。为验证其与地表水是否有联系(即是否受到地表水污染)，测得两者δ11B值分别为31.12‰和23.82‰，而阿拉尔河水δ11B=0.12‰，其他河湖温泉水也低于0.2‰，初步推断两者与地表水并无直接联系，进一步测得SX-27井样品(D=－25.64、δ18O=4.86，红 115 井样品 δD= － 21.28、δ18O=10.58，远远偏离当地大气降水线，而落在变质水与岩浆水之间，因此可以推断两个异常样品与地表水并无直接联系，样品并未受到污染。

总体来看，柴西油田卤水具有高溶解性总固体特征，溶解性总固体的高值区反映为闭塞的沉积环境，古气候为半湖泊、半干旱，水外泄条件差，封闭条件极好，是地层水不断浓缩的结果，同时也由于断裂活动的结果，导致高溶解性总固体地层水通过断层发生运移。地层水的总溶解性总固体尽管受影响因素很多，但它仍不失为反映油气保存条件的重要指标。就某一盆地而言，在构造封闭的水交替阻滞－停滞带，总溶解性总固体一般比较高；在平面分布上越接近盆地中心，总溶解性总固体越高，而在盆地的补给区，总溶解性总固体逐渐降低［9］。柴达木盆地西部茫崖拗陷为主要产油区，极富新近、古近系油气藏资源，说明本区地层的油气保存条件极好，这也印证了油田水高溶解性总固体有利于保存油气藏的事实，高溶解性总固体油田水的发现具有油气地质意义，区域油田水的溶解性总固体高值区是油气找矿靶区，值得重视。茫崖拗陷油田水溶解性总固体平均值以昆北－乌南油区14.3g/L为最低，以油墩子316g/L为最高，从平面分布上看，溶解性总固体以南翼山、小梁山、大风山、油墩子构造区域依次向外围降低，如昆北—乌南仅为14.3g/L(图2)，说明南翼山—小梁山—大风山沉积区域可能为柴达木盆地西部的沉积中心，这与南翼山构造油气藏是目前柴西北区发现的最大油气藏，质量好，储量大［10］的事实一致，也说明周边如昆北—乌南油区可能存在盆地的补给区域。同时，研究表明南翼山构造区的油气充注主要来自北边的小梁山凹陷［11］，而南翼山的地层水溶解性总固体值要高于小梁山凹陷55g/L以上，因此溶解性总固体分布与油气运移路径也存在一定相关性，值得深入探讨与研究。

表1 柴达木西部油田卤水与地表水样的化学成分Table 1 The chemical composition of oilfield brine and surface water in western Qaidam basin

图2 柴西各采样点平均溶解性总固体分布Fig.2 The average salinity distribution of each sample point in the western Qaidam basin

1.2 卤水特征离子分布与离子间关系及其意义

柴达木盆地西部新近、古近系油田水水化学分析结果表明:按照油田水分类法中的苏林分类法，柴西油田水皆为CaCl2型，为地下深层条件形成，主要来源于埋藏压释水、有机质热演化成烃析出水、粘土矿物脱出的结晶水等，具有深层交替停滞状态特征。主要离子浓度组合为:Cl－＞Na++K+＞ Ca2+＞ Mg2+＞＞HCO3－，阴离子以Cl－为主，含量可达189.35 g/L。同时，Cl－含量与溶解性总固体之间呈现了极好的线性关系(图3)，相关系数达0.999，可以推测高溶解性总固体油田水是蒸发浓缩的产物和盐类矿物溶解的结果［12］。阳离子以Na++K+为主，含量可达118.51g/L，Na+含量与溶解性总固体之间也呈现极好的线性关系(图3)，相关系数达0.938，说明油田水经历了强烈的浓缩作用，柴西茫崖拗陷新近、古近系地层环境为有利于油气生成和保存的还原环境。

对比来看，柴西油田水水化学基本特征与塔里木盆地具有一定的相似度，说明二者在地质构造背景上的某些相似性。与新疆吐鲁番盆地相比，除以外离子含量较高；除HCO3－外，其他基本离子含量远高于东部一些盆地，说明较大的地质构造背景差别。与海水对比来看:柴西油田水溶解性总固体、Na++K+、Ca2+、Cl－、HCO3－均高于海水数倍，有的可达数十倍，如Ca2+含量可高于海水30倍(表2)。

图3 氯离子与钠离子浓度随溶解性总固体变化Fig.3 Relations between Cl－、Na+and TDS for oilfield brine from western Qaidam basin

与资源可开采利用品位比来看:众多具有开发价值的元素都达到工业品位，如NaCl、B、Li和Br等远超单独开采品位，K多数达到综合利用品位，因此油田水的研究不仅具有石油地质学上的意义，它的开发利用还具有重大的资源意义。

2 油田水化学参数组合特征及其地质意义

油田水地球化学特征可以揭示油田水系统的演化和水文地质条件的封闭性。研究中常用参数有钠氯系数、脱硫系数、钙镁系数和钠钙系数等，这些系数对研究油田卤水的成因演化过程以及油气生成与运聚等有一定意义，见表3。

表2 海水及中国主要含油气盆地油田水化学特征对比［13～14］Table 2 Comparison of chemistry features of water in seawater and oil-bearing basins［13 ～ 14］

图4 柴西油田卤水中锂与硼的含量关系Fig.4 Relations between Li and B for oilfield brine from western Qaidam basin

2.1 钠氯系数(rNa/rCl)

钠氯系数(rNa/rCl)可以判断地层水的来源、浓缩变质作用程度及水动力条件等。地层水中Na+化学稳定性相对Cl－较差，在地层水埋藏过程中可能由于吸附、沉淀等化学反应而减少，而Cl－变化不大，因此，在埋藏过程中该系数趋于降低，钠氯系数变大反映受渗入水的影响，不利于油气保存。通常，标准海水的rNa/rCl平均值为0.85～0.87，岩盐层溶滤形成的地层水rNa/rCl大约为1，受大气降水淋滤作用影响的地层水rNa/rCl一般大于1，经过阳离子交替吸附和强烈的水－岩相互作用的沉积水rNa/rCl＜0.87［15］。同时，据汪蕴璞等研究:卤水rNa/rCl=0.87，rBr×103/rCl=3.33，则为海成沉积卤水；当rNa/rCl=0.87～0.99或更高，rBr×103/rCl=0.83～0.083或更小时，卤水为岩盐溶滤成因；当rNa/rCl＜0.87，rBr×103/rCl＞ 3.33 时，则为沉积变质卤水［16］。

从柴达木盆地西部油田卤水钠氯系数与溴氯系数来看(图5)，油田卤水溴氯系数皆小于0.83，而多数油田卤水钠氯系数大于0.87，反映了油田卤水的大气降水岩盐淋滤成因，部分小于0.87，表明发生了阳离子交替吸附与强烈的水岩反应过程。

2.2 脱硫系数(100×rSO4/rCl)

表3 油田水各化学系数Table 3 Chemical factor of oilfield brine

图5 钠氯系数与溴氯系数分布关系Fig.5 Relations between rNa/rCl×103and rBr×103/rCl for oilfield brine from western Qaidam basin

图6 脱硫系数Fig.6 Relations between Sand Cl－for oilfield brine from western Qaidam basin

2.3 钙镁系数(rCa/rMg)

钙镁系数(rCa/rMg)反映了地层水的变质程度，时间越长，封闭性越好，则变质程度就越高，其值就越高。柴西油田卤水rCa/rMg多数大于2，最高的为南翼山地区达9.72，红柳泉地区达8.47，而尕斯2号、小梁山5号为最低，接近于0。总体来看，柴西油田卤水变质程度较低。其富Ca2+、低Mg2+、SO2－4的特点表征了柴西油田卤水的深成CaCl2型特征，富Ca2+可能与白云岩化或碳酸盐矿物或硫酸盐矿物溶解有关［17］。

2.4 rCa+Mg/rHCO3+SO4系数

根据研究表明，地下水中rCa+Mg/rHCO3+SO4＞＞1，则指示Ca2+和Mg2+主要来源于碳酸盐矿物的溶解；若rCa+Mg/rHCO3+SO4＜＜1，则指示Ca2+和Mg2+主要来源于硅酸盐或硫酸盐矿物的溶解；若rCa+Mg/rHCO3+SO4大约为1，则指示既有硅酸盐矿物的溶解，又有碳酸盐的溶解［18］。如图7，从柴西油田卤水的 rCa+Mg/rHCO3+SO4系数来看，多数系数大于或等于1，基本推断 Ca2+和Mg2+来源中碳酸盐的溶解占主导作用，并伴随一定的硫酸盐溶解，至于白云岩化，目前尚存较大争议［19］，基于目前数据无法判断。从rCa/rMg系数与钙离子摩尔浓度关系(图8)来看，柴西油田卤水的演化基本落在碳酸盐溶解线上，可以推断Ca2+来源主要与碳酸盐矿物溶解有关。同时，据研究表明，HCO3－的来源主要有三种:碳酸盐矿物溶解、有机质成熟过程中CO2的加入、细菌还原作用。而柴西油田卤水存在硫酸根的细菌还原作用，从与HCO3－的关系(图9)来看，两者存在正相关关系，因此HCO3－不可能来源于还原作用，而应与碳酸盐矿物溶解或有机质成熟过程中CO2的加入有关，也支持了油田卤水演化过程中碳酸盐矿物溶解作用的推论。

图7 rCa+Mg/rHCO3+SO4系数Fig.7 Relations between Ca2+add Mg2+and HCO 3－addfor oilfield brine from western Qaidam basin

图8 Ca2+与rCa/rMg之间的关系Fig.8 Relations between Ca2+and rCa/rMg for oilfield brine from western Qaidam basin

3 结论

(1)柴达木盆地西部茫崖拗陷新近、古近系油田卤水具有高溶解性总固体CaCl2型水的特点，反映了其地下深层闭塞沉积环境下的高度浓缩成因。油田水的溶解性总固体与油气成藏运聚有显著地关系，值得深入探讨。

图9 HCO3－与的关系Fig.9 Relations between HCO 3－andfor oilfield brine from western Qaidam basin

(2)柴西油田卤水多数离子含量高于海水，B、Li等离子远超工业开采品位，其来源可能与深部火山地热水有关。同时表现为富Ca2+而贫Mg2+、SO42－，富Ca2+与碳酸盐矿物溶解有关。

(3)柴西新近系、古近系油田卤水起源于大气降水，淋滤了岩盐，并有深部火山地热水的参与，经历了高度浓缩，并在形成演化过程中发生了一定的水岩反应。

(4)依据溶解性总固体、钠氯系数、脱硫系数等特征推断乌南—昆北油区可能存在柴西茫崖拗陷的补给区。

［1］李贤庆，侯读杰，张爱云.油田水地球化学研究进展［J］.地质科技情报，2001，20(2):51 －54.［LI X Q，HOU D J，ZHANG A Y.The progress of oilfield water research［J］.Geological Science and Technology Information，2001，20(2):51 －54.(in Chinese)］

［2］崔香梅.南翼山油田卤水模拟蒸发研究及析出物的鉴定［D］.北京:中国科学院研究生院，2009.［CUI X M.Study on simulated evaporation of Nanyishan oilfield brine and identification of crystallizations［D］.Beijing:Graduate school of Chinese Academy of Sciences，2009.(in Chinese)］

［3］付建龙，于升松，李世金，等.柴达木盆地新近、古近系油田水资源可利用性分析［J］.盐湖研究，2005，13(3):17 －21.［FU J L，YU S S，LI S J，et al.Availability of Tertiary oilfield water resources in Western Qaidam basin［J］.Journal of Salt Lake Research，2005，13(3):17 －21.(in Chinese)］

［4］袁见齐，霍承禹，蔡克勤.高山深盆的成盐环境:一种新的成盐模式的剖析［J］.地质论评，1983，29(2):159－165.［YUAN J Q，HUO C Y，CAI K Q.The high mountain—deep basin saline environment—A new genetic model of salt deposits［J］.Geol Rev，1983，29(2):159 －165.(in Chinese)］

［5］张彭熹.柴达木盆地盐湖［M］.北京:科学出版社，1987:32－233.［ZHANG P X.Salt lake of Qaidam basin［M］.Beijing:Science Press，1987:32 －233.(in Chinese)］

［6］姜波，徐凤银，彭德华，等.柴达木盆地北缘断裂构造变形特征［J］.中国矿业大学学报，2004，33(6):687－692.［JIANG B，XU F Y，PENG D H，et al.Deformation characteristics of fault structures on the Northern fringe of Qaidam basin［J］. Journal of China University of Mining ＆Technology，2004，33(6):687 －692.(in Chinese)］

［7］青海省地质调查院.青海省柴达木盆地西部新近、古近系富钾硼锂油田水资源远景区评价［R］.西宁:青海省地质调查院，2003.［Qinghai Geological Survey Institute.Evalution on the resources vision zone of the Oilfield Waters of Western Qaidam Basin which is enrichment of Potassium，Lithium，and Boron［R］.Xining:Qinghai Geological Survey Institute，2003.(in Chinese)］

［8］齐荣，刘晓峰，林伯伟.沾化凹陷东北部地区地层水特征及成因分析［J］.地质科技情报，2010，29(6):101 － 105.［QI R，LIU X F，LIN B W.Characteristics and genesis of formation water in Northeastern area， Zhanhua depression ［J］.Geological Science and Technology Information，2010，29(6):101 －105.(in Chinese)］

［9］聂志阳.蒙古某凹陷水文地质特征与油藏的关系研究［J］.科学技术与工程，2011，11(29):7230 －7235.［NIE Z Y.The relationship between hydrogeologic characteristics and reservoir in a depression in Mongolia［J］.Science Technology and Engineering，2011，11(29):7230 －7235.(in Chinese)］

［10］陆俊刚，陈世加，王志兴，等.柴达木盆地南翼山构造油气成因及成藏分析［J］.新疆石油地质，2008，29(3):296 － 299.［LU J G，CHEN S J，WANG Z X，et al.Oil-Gas origin and accumulation model of Nanyishan structural reservoir in Qaidam basin［J］.Xinjiang Petroleum Geology，2008，29(3):296 －299.(in Chinese)］

［11］何国源，关平，谭彦虎，等.柴达木盆地南翼山油田的油气充注成藏途径［J］.沉积学报，2009，27(4):770－775.［HE G Y，GUAN P，TAN Y H，et al.The path of hydrocarbon charge and accumulation in Nanyishan oilfield of the Northwest Qaidam basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2009，27(4):770－775.(in Chinese)］

［12］蔡春芳，梅博文，李伟.塔里木盆地油田水文地球化学［J］.地球化学，1996，25(6):614－623.［CAI C F，MEI B W，LI W.The hydrogeochemistry of oilfield in Tarin basin［J］.Geochimica，1996，25(6):614 －623.(in Chinese)］

［13］冷济高，庞雄奇，张凤奇，等.辽河西部凹陷地层水特征及其成因分析［J］.西南大学学报:自然科学版，2008，30(5):58 －63.［LENG J G，PANG X Q，ZHANG F Q，et al.Characteristics of formation water and the genesis analysis in the Western LiaoHe sag［J］.Journal of Southwest Petroleum University:Science＆Technology Edition，1996，25(6):614 －623.(in Chinese)］

［14］张宏达，汪珊.渤海石臼坨凸起上新近、古近系油田水化学及其形成演化规律［J］.地球学报，2000，21(2):128 － 133.［ZHANG H D，WANG S.Chemistry of Upper Tertiary oilfield water in Shijiutuo symon fault of Bohai Sea and regularity of its formation and evolution［J］.Acta Geoscientia Sinica，2000，21(2):128 －133.(in Chinese)］

［15］林晓英，曾溅辉，杨海军，等.塔里木盆地哈得逊油田石炭系地层水化学特征及成因［J］.现代地质，2012，26(2):377－383.［LIN X Y，ZENG J H，YANG H J，et al.Geochemical characteristics and origin of formation water from the carboniferous in Hadson oilfield，Tarim basin［J］.Geoscience，2012，26(2):377 －383.(in Chinese)］

［16］汪蕴璞.深层卤水形成问题及研究方法［M］.北京:地质出版社，1982:68－69.［WANG Y P.The formed problems and the research methods of deep brine［M］.Beijing:Geological Press，1982:68 －69.(in Chinese)］

［17］瓦良亚什科.钾盐矿床形成的地球化学规律［M］.范立，译.北京:中国工业出版社，1965:30－57.［Valiashko.Geochemical laws of the formation of potash deposits［M］.FAN Li，tr.Beijing:China Industry Press，1965:30 －57.(in Chinese)］

［18］李生海.鄂尔多斯白垩纪盆地北区地下水水化学演化的同位素示踪［D］.长春:吉林大学，2008.［LI S H.Isotopic tracing of hydrogeochemical evolution of groundwater in the Northern part of Ordos Cretaceous basin［D］.Changchun:Jinlin Unversity，2008.(in Chinese)］

［19］张学锋，胡文瑄，张军涛.白云岩成因相关问题及主要形成模式［J］.地质科技情报，2006，25(5):33－40.［ZHANG X F，HU W X，ZHANG J T.Critical problems fordolomite formation and dolomitization models［J］. Geological Science and Technology Information，2006，25(5):33 －40.(in Chinese)］