柴达木盆地西部第三系油田水水文地球化学特征

2014-09-22李建森李廷伟彭喜明韩元红李中平马海州

石油与天然气地质 2014年1期

关键词：柴达木盆地氢氧卤水

李建森，李廷伟，彭喜明，韩元红，李中平，马海州

(1.中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁 810008； 2.西北大学地质学系，陕西西安 710069；3.中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室，甘肃兰州 730000)

柴达木盆地西部第三系油田水水文地球化学特征

李建森1，李廷伟1，彭喜明2，韩元红3，李中平3，马海州1

氢氧同位素；地球化学特征；油田水；第三系；柴达木盆地西部

近年来，在柴达木盆地西部古近纪—新近纪地层中发现有大量卤水资源，钾、硼、锂等矿种远超工业品位，有望成为第四纪盐湖卤水的后续资源。通过对油田水蒸发试验表明,可以得到质量较好的钾石盐、硼钾混盐、含锂碘母液[1-3]。对于柴达木盆地西部第三系油田水的水文地球化学特征研究可以为柴达木盆地深层卤水资源开发提供第一手资料。

1 区域地质概况

2 样品采集与分析测试

在柴达木盆地西部直接从出油井口采得样品45件，并采集地表水样11件(图1)。由中科院青海盐湖研究所对56件水样进行全化学分析。选取具有典型性和代表性的油田水27件、浅层地表水和泉水7件，进行氢氧同位素测试，同位素测试由中国科学院地质与地球物理研究所油气资源研究重点实验室完成，氧同位素利用CO2-H2O平衡法制备，氢同位素利用金属锌还原法制备，在Isprime100稳定同位素质谱上测定，测试精度18O<0.1‰，D<1‰。

3 油田水元素地球化学特征

柴达木盆地西部第三系油田水总矿化度基本在100 g/L以上，平均为140 g/L。油田水较浅表卤水

以及泉水的矿化度高数百倍以上，而与尕斯库勒湖水和晶间卤水等受高度蒸发的地表卤水矿化度相似，但油田水处在第三系数千米地层中，与浅层地表水和第四纪盐湖卤水的形成环境和保存环境绝然不同，油田水必然经历了复杂的水文地球化学过程。

3.1 典型特征离子分布

图1 柴达木盆地西部采样点(据Google Earth，2013)Fig.1 Sampling points in western Qaidam Basin(based on Google Earth，2013)

柴西油田水Br-含量为0.34～69.15 mg/L，平均值为19.5 mg/L，明显低于海水值(现代海水Br-含量为65 mg/L)，而在一些典型的海相沉积盆地，如四川盆地深层油田水Br-含量可高达1 282 mg/L，美国密执安盆地志留系油田水Br-含量可高达2 572 mg/L，说明柴西油田水具有典型的陆相特征。

柴达木盆地西部油田水Li+含量较高，最高可达237.5 mg/L，平均为36.7 mg/L，远高于海水(0.17 mg/L)，在南翼山、油泉子、尕斯、大风山等区域分布值较高。White等人(1963)认为深层水中锂含量的增加应该与岩浆水和火山射气有关[5]。柴西油田水同时高度富集B2O3，其含量可高达4 140 mg/L，平均含量为1 138 mg/L。国内外资料表明，海相地层水的硼含量一般为100 mg/L，如四川盆地B3+含量为30 mg/L，美国中密西西比盐盆侏罗纪—白垩纪地层水B3+含量为167 mg/L，柴西油田水B3+含量表现出极大的特殊性，表明具有特殊来源渠道，可能为深部来源。从B与Li的浓度关系来看，呈现一定的正相关关系(图2)，必然有特殊的物质来源通道。从区域地质构造来看，柴达木盆地与周边地块交接处幔源岩浆活动最为强烈，周缘山区的断裂带附近分布着许多中生代至近代的火山，在柴西第三系油田钻井中，许多井钻入基岩发现古近纪含烃地层直接覆盖在花岗岩基底上，证实了柴西地区岩浆岩的发育状况。火山活动形成的地热水中往往含有丰富的K，B和Li等，在第三纪时柴达木盆地的地形是东高西低，火山-地热水中的K，B和Li均可汇集到盆地西部，可在有利地段富集成矿[6]。因此，柴达木盆地第三系油田水的K，B和Li等高度富集的元素可能为深源流体控制形成，与深部火山地热岩浆流体的混合有关。

3.2 水化学参数组合特征

3.2.1 钠氯系数和溴氯系数

通常，标准海水的钠氯系数(rNa/rCl)平均值为0.85～0.87左右，岩盐层溶滤形成的地层水钠氯系数(rNa/rCl)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[7]。同时，据汪蕴璞等研究：卤水rNa/rCl=0.87，溴氯系数(103rBr/rCl)=3.33，则为海成沉积卤水；当rNa/rCl=0.87～0.99或更高，103rBr/rCl=0.83～0.083 或更小时，为岩盐溶滤成因；当rNa/rCl<0.87，103rBr/rCl>3.33时，则为沉积变质卤水[8]。溶滤卤水的钠氯系数值一般较高，可接近于1，只有在溶滤钾盐-石盐岩时，该系数值才会比较低，甚至下降到0.87左右; 在溶滤钾石盐时，可降到0.70左右[9]。柴达木盆地西部油田卤水溴氯系数皆小于0.83，而钠氯系数多数大于0.87，介于0.87～1，如狮子沟、小梁山、油泉子等，反映了这些区域油田水的变质程度较低，并且多为大气降水岩盐淋滤成因。而有部分油田水溴氯系数小于0.83，但钠氯系数多数小于0.87，如南翼山和冷湖油田水，表明南翼山和冷湖油田水形成过程中可能溶滤了一定的钾石盐。若溶滤了一定的钾石盐，则有钾盐层存在的可能性，具有找钾可能，需要进一步验证。钾氯系数是淋滤卤水中最直接的找矿标志，实践证明，钾氯系数(103rK/rCl)在10～20为异常，大于20则异常显著，沉积卤水达到钾盐沉积阶段时大于75[10]。柴西油田水的103rK/rCl多数低于20，基本不具有找钾特征，而南翼山异常显著，103rK/rCl在30以上，说明该区油田水在形成过程中可能溶滤了一定的钾石盐。冷湖地区油田水钠氯系数小于0.87，103rK/rCl也低于10，溶滤了钾石盐的可能性极小，初步推测在形成过程中发生了阳离子交替吸附作用。柴达木盆地西部油田水溴氯系数都没有达到近代海水的正常值(3.47)，从溴的卤水地球化学角度来看，具有这种性质的卤水，一般为内陆湖盆或为内陆海等一些非典型海相成因的盆地，更进一步佐证了关于柴达木盆地不属于海相成盐理论的论证。

图2 油田水中锂与硼含量关系Fig.2 Relations between the content of Li+ and B3+ in oilfield water in western Qaidam Basin

3.2.2 rCa+Mg/rHCO3+SO4系数和rCa/rMg系数

图与的关系Fig.4 Relations between the content of and in oilfield water in western Qaidam Basin

4 油田水氢氧同位素特征

将柴达木盆地西部油田水、泉水、晶间卤水、河湖水、自流井水的氢氧同位素投到D-18O标准关系图上(图5)。

柴达木盆地西部油田水氢同位素值分布在-75.61‰～13.35‰，变化范围较大，平均值为-38.81‰，氧同位素值分布在-7.68‰～10.58‰，平均值为0.63‰。从图5可见，27个油田水的氢氧同位素值基本沿一条直线分布，说明柴西油田水经历了相似的演化过程，其演化趋势线δD=2.3δ18O-41，此演化趋势线与当地大气降水线相交，交点δD=-81.15‰，δ18O=-16.68‰，接近于当地现代柴达木盆地大气降水的氢氧同位素平均值(δD=-92.10‰，δ18O=-13.47‰)[16]，与尕斯库勒湖水(δD=-83.70‰，δ18O=-10.18‰)和茫崖自流井水(δD=-71.66‰，δ18O=-8.24‰)具有相似的氢氧同位素特征，尕斯库勒湖位于昆仑山下，常年接受大量冰雪融水的补给，茫崖自流井位于昆仑山下草原上，矿化度仅为1.70 g/L，直接接受大气降水和冰雪融水补给。

图5 油田水与浅表水、泉水氢氧同位素分布特征Fig.5 Comparison of hydrogen and oxygen isotope distribution between oilfield water,shallow groundwater and spring water in western Qaidam Basin

起源于大气降水的柴西地区浅层地表水和泉水的氢氧同位素数值分布在柴西油田水的周围，总体分布具有相似的特征，起源上应该具有相似性，表明柴西油田水起源于大气降水。

油田水氢氧同位素值全部落在全球大气降水线和柴达木盆地大气降水线右侧，而在岩浆水区域左侧，说明柴西油田水具有大气降水和岩浆水掺杂的性质。通过对地层水质量平衡研究表明，高矿化度热水溶液的形成不能仅用大气降水的蒸发作用或溶液与岩石间的相互作用来解释，而是除了现代或古代大气降水外，可能有其他来源。对四川盆地、江汉盆地、塔里木盆地和柴达木盆地等赋存有封存型地热水的大型沉积盆地深部钻探发现封存CaCl2型热卤水氢氧同位素值与初生水同位素值(D=-100‰～-70‰)相近，而逸出气体40Ar/36Ar达海岭型值域(4 440～9 255)，表明地层水中往往存在幔源成分[17]。对柴达木盆地西部天然气氦同位素的研究表明天然气具有一定的幔源特征[18]。因此，柴西油田水有幔源流体加入是可能的。大柴旦2号和4号两个泉水样具有近似于大气降水特征的氢氧同位素值(2号δD=-71.08‰，δ18O=-2.51‰；4号δD=-58.3‰，δ18O=-5.82‰)，但均发生了一定的“氧漂移”，大柴旦2号温泉水温度高达85 ℃，矿化度1.32 g/ L，B2O3含量达130 mg/L，Li+含量3.42 mg/L，大柴旦4号冷泉水水温约15 ℃，矿化度0.36 g/ L，B2O3含量仅为7.20 mg/L，Li+含量0.03 mg/L，两个样品均采自南祁连山，虽然两个取样点相距较近，但是却有极大的硼、锂含量差别，根据郑绵平的研究，大柴旦富硼锂温泉水与南祁连山深大断裂和岩浆地热水活动有关。据张彭熹的研究，大柴旦温泉水的低氚含量(12 Tu)揭示与深部水有关[3]。因此，大柴旦2号温泉水具有深源特征，应该为大气降水沿深大断裂进入地幔加热后与岩浆热液掺和返回地表，在深循环过程中与富氧矿物发生了交换使其发生一定的“氧漂移”，“低氘高氧”岩浆热液的参与使得大柴旦高温富硼锂温泉水具有“低氘高氧”的性质，而4号冷泉水温度低并缺乏硼锂等元素，不具有深源特征，这与4号样品较2号样品δD值更高，而δ18O值低的特点一致。因此，油田水与地热温泉水具有相似性质是可能的，可以确定柴西油田水具有深源岩浆热水的掺杂。

有部分油田水氢氧同位素值落在变质水氢氧同位素特征范围内，可见柴西油田水经历了一定的变质作用而演化成为深成CaCl2型油田水。柴西油田水均发生了强烈的“氧漂移”，具有偏正的特点。油田水与地层中含氧类矿物进行同位素交换，如白云岩化作用，可导致油田水氧同位素的偏正的特点。另外，Honor等研究指出沉积盆地内的生油层被烃类充填后，热化学硫酸盐还原作用可导致生成H2S气体，H2S氧化与电离提供的H+，可以促进水一岩相互作用，导致δ18O值明显正偏移[19]。相对于“氧漂移”而言，δD值无明显漂移而趋于偏负，与油田水不与地层岩石发生氘交换有关。Fisher等认为油田水与烃类伴生，当原油降解时，烃类可与水发生反应，可使δD值降低[20]。因此，柴达木盆地西部油田水 “氧漂移” 的特点应该与深源岩浆地热水的加入和充分的水-岩反应有关。

图6 油田水氢氧同位素分布特征Fig.6 Hydrogen and oxygen isotope distribution of oilfield water in western Qaidam Basin

由图6可知，南翼山和红柳泉油田水氢氧同位素分布特征较为集中，均分布在变质水区域，表明发生了较强烈的变质作用，同时也可说明该区油田水受到的深部热源水体的掺入作用较为强烈。狮子沟、昆北和冷湖地区油田水的氢氧同位素特征则集中落在变质水与岩浆水外侧，而靠近大气降水线，说明该区油田水变质作用不如南翼山和红柳泉等地区强烈，更具有大气降水特征。而部分油田水，虽然采自同一构造区域，但同位素特征分布分散，如小梁山、尕斯等，这应该与区域构造特征有关，如有的处在深大断裂附近，较多接受深源水的补给，则使得油田水样具有更明显的变质水氢氧同位素特征。同一构造区的油田水同位素分散分布可能与不同来源水体的掺杂量有关。可见，不同来源水体掺杂以及深源水补给量是影响油田水氢氧同位素变化的又一个重要因素。

5 结论

关，最终导致油田水的变质作用。同时，柴达木盆地南翼山地区可能具有地层找钾潜力。

2) 通过水化学与同位素地球化学研究表明：柴达木盆地西部第三系油田水起源于大气降水，为大气降水沿深大断裂下渗并经地幔加热同时接受了一定的深源岩浆地热水的掺杂上涌补给形成，并在形成过程中与地层中的盐类矿物充分作用。

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(编辑高岩)

HydrogeochemicalbehaviorsofoilfieldwaterintheTertiaryinwesternQaidamBasin

Li Jiansen1，Li Tingwei1，Peng Ximing2，Han Yuanhong3,4，Li Zhongping3，Ma Haizhou1

(1.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xining,Qinghai810008,China；2.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an，Shaanxi710069,China；3.KeyLaboratoryofPetroleumResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou，Gansu730000,China)