鄂尔多斯盆地陇东地区长9油层组古盐度特征及其地质意义①

王昌勇 郑荣才 刘 哲 梁晓伟 李廷艳 张建伍 李雅楠

(1.成都理工大学沉积地质研究院 成都 610059;2.长庆油田公司勘探部 西安 710018;3.长庆油田公司勘探开发研究院/低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 西安 710021;4.长庆油田分公司超低渗透油藏研究中心 西安 710018)

0 引言

陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部，横跨天环坳陷和伊陕斜坡(图1)，在长9油层组沉积时期发育湖泊—三角洲沉积体系［1，2］。该区长9油层组为长庆油田后备资源接替层系，但其基础地质问题的研究程度总体较低，特别是对长9沉积期湖泊水体性质尚缺乏相关研究。本次研究对该区长9油层组古盐度进行恢复，分析其湖泊水体性质，并从古地理的角度对其盐度分带特征进行了解释，对该区岩相古地理面貌恢复、重现鄂尔多斯盆地晚三叠世湖泊性质和演化历史具有重要意义。

1 古盐度计算

沉积磷酸盐法、同位素法以及微量元素法是恢复沉积水体古盐度较常用的几类方法。其中，沉积磷酸盐法对区别半咸水环境很有效，但其分析结果常受黏土成因、成岩作用、含磷重矿物及含磷酸钙的生物化石影响而失效［3］;同位素法主要用于判断淡水与海水环境，在海相碳酸盐岩研究中使用较多［4，5］。而对古盐度进行定量计算，目前主要采用微量元素法［6］，以B元素法应用最为广泛。

图1 陇东地区长9油层组沉积相及构造位置图Fig.1 The plan distribution of sedimentary facies of Chang9 oil-bearing layer of Yanchang Formation in Longdong area and location of the study area

1.1 计算方法

硼元素在地球化学分析中容易被确定，对于沉积环境及盐度的反应比较敏感，因此，硼元素可作为反映盐度的指标［7］。自然界水体中硼的浓度是盐度的线性函数，而黏土从水体中吸附的硼含量与水体盐度呈双对数关系式，即佛伦德奇吸收方程［8］:

式中B为吸附硼含量(μg/g)，S为盐度(‰)，C1和C2是常数，此方程为利用B元素和黏土矿物定量计算古盐度的理论基础，在此方程基础上建立的Adamas公式和Couch公式是计算古盐度常用的两个公式:

(1)Adamas(亚当斯)公式［9］，其表达式为:

式①中Sp为古盐度(‰)，x为“相当硼”含量(单位:%，计算古盐度时需换算成μg/g)。对于以伊利石为主的泥岩样品，式中的“相当硼”含量可由沃克校正公式［10］计算得出:

式②中8.5为纯伊利石中的理论K2O浓度，B样品和K2O样品指样品的实测结果。

本次研究选取了30件泥岩样品进行微量元素分析，并首先对其中20件样品进行了矿物X衍射分析，分析结果表明:长9油层组泥岩主要由黏土矿物组成，其含量介于55.1% ～88.8%之间，其次为石英、钠长石以及少量钾长石和方解石(表1)。长9泥岩中除黏土矿物以外，只有钾长石对微量元素分析中的K元素有影响，而样品中钾长石含量一般不超过1%，最高不超过6.5%(表1)，因此由钾长石带来的K元素可以忽略不计，微量元素分析测得的K元素含量可视为黏土矿物中的K。

通过微量元素分析分别测得了B和K元素的百分含量用于古盐度定量计算，原始分析数据及盐度计算结果见表2。计算结果表明:陇东地区长9油层组古盐度范围介于0.4‰～22.3‰，平均为8.6‰;长91平均盐度8.1‰，长92平均盐度10.3‰，长91盐度低于长92。

(2)Couch(科奇)公式［11］，其表达式为:

式③中B*为“校正硼”含量(单位:%，计算古盐度时需换算成μg/g)，可由Couch校正公式换算:

式④中xi、xm、xk分别代表样品中实测伊利石、蒙脱石和高岭石的质量分数，系数代表各类黏土矿物对硼的吸收强度，以系数越大为吸收强度越大，该公式适用于复杂黏土矿物成分的泥岩样品，但受成岩作用影响较大。

表1 陇东地区长9油层组泥岩矿物X衍射分析结果Table 1 X-ray diffraction data of mudstone in the Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

本次研究选取了陇东地区长9油层组20件泥岩样同时进行B元素分析和X射线衍射定量分析，其计算结果表明:陇东地区长9油层组古盐度介于2.7‰～7.7‰，平均为5.0‰;长91平均盐度为4.9‰，长92平均盐度略高于长91，为5.2‰(表3)。

Sr/Ba比值及B/Ga比值常作为古盐度判别的一个标志，沉积物中记录的Sr/Ba比值及B/Ga比值与古盐度呈明显的正相关关系［6，12］。研究区 Sr/Ba比值介于0.21～0.42，B/Ga比值介于0.90～2.22，利用Couch公式和Adams公式对陇东地区长9油层组古盐度的定量计算结果与对应样品Sr/Ba比值趋势基本一致，而与B/Ga比值趋势极为一致(图2)，说明Couch公式和Adams公式计算结果总体反映了湖泊水体盐度特征，具有较高的可信度。

有机地球化学分析结果也印证了Adamas公式和Couch公式计算结果的可靠性。一般说来，高含量的伽马蜡烷常被视为沉积水体高盐度的环境标志［13，14］，陇东地区长9油层组暗色泥岩具有较高的γ蜡烷含量(图3)，2件长9泥岩样品按照峰面积计算出γ蜡烷和藿烷(αβ+βα)的比值分别为0.16和0.18，这一数值甚至与东濮凹陷卫20井沙三段顶部蒸发岩中的γ蜡烷和藿烷(αβ+βα)比值(0.13～0.33)［15］相当，说明其沉积水体具有较高的盐度。

表2 陇东地区长9油层组硼、钾分析数据和折算K2O、相当硼及Adams公式法古盐度计算数据Table 2 The data of B，K and the calculated data of K2O，equivalent boron and paleosalinity of Adams method，Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

1.2 计算结果讨论

对比运用Adams公式和Couch公式两种方法定量计算出的长9油层组古盐度值，不难发现二者无论是盐度变化范围还是盐度平均值均存在较大差异(表2和表3)，产生这一差异的原因，部分缘于公式的适用条件的差异，更主要归咎于黏土矿物成岩后生作用的影响。

陇东地区长9油层组泥岩黏土矿物中伊/蒙混层含量较高，一般＞50%，平均值可达65%(表3)，而伊/蒙混层在成岩过程中蒙皂石层将逐渐向伊利石转化，导致“校正硼”“B*”含量比原始沉积物换算值偏小，从而导致计算的古盐度低于真实值。同时，研究区长9油层组泥岩黏土矿物中伊利石的校正含量一般＞53%，平均为61%，属于以伊利石为主的黏土岩，满足Adams公式的运用条件，其定量计算古盐度跨越了微咸水、半咸水和咸水3个盐度带，符合河流入湖后对湖水盐度的稀释规律，因此，认为利用Adams公式对陇东长9油层组古盐度的恢复更为可靠。

2 古盐度平面分布与变化规律

运用Adams公式和运用Couch公式恢复的古盐度平面分布与变化规律极为相似，有如下几个特点:①研究区北西、北东和西南部均为盐度相对低值区，而环县—太白梁—华池所在的三角形区域及马家砭—太白一带为高盐度区域(图4);②古盐度分别自西南、北西和北东3个方向往湖盆中央呈逐渐升高的趋势，分别代表了3个河流入湖的方向(或者三角洲的延伸方向)，其中西南部湖泊水体盐度最低，应该代表了河流/淡水作用最强的方向(图4)，亦即主物源方向;③可以确定，长9沉积时期，研究区湖泊水体至少具有半咸水的性质，这一水体性质有利于有机质的保存。

通过对研究区长9油层组古盐度恢复发现盐度高值区域与岩芯观察所确定的前三角洲或湖湾区分布位置高度一致。本次研究共计观察陇东地区长9油层组取芯井37口，其中16口井岩芯中发育典型的浪成交错层理(图5)，指示主要受波浪作用控制的河口坝或远砂坝等水下沉积环境。浪成交错层理分布的浪控带位置与Couch公式恢复得出的古盐度≥4‰区域(或Adams公式恢复得出的古盐度≥5‰区域)吻合(图5)，说明河流作用急剧减弱的前三角洲或湖湾区已经具有半咸水性质。

表3 陇东地区长9油层组B和黏土矿物分析数据及“相当硼”含量和古盐度计算数据Table 3 The data of B and clay minerals and the calculated data of“equivalent boron”content and paleosalinity in Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

图2 不同古盐度恢复方法结果对比Fig.2 Comparison of different method of paleosalinity recovery

图3 陇东地区长9油层组暗色泥岩GC-MS质量色谱图Fig.3 GC-MS chromatogram of mudstone of Chang 9 oil-bearing，Longdong area

图4 陇东地区长9油层组古盐度平面分布与变化图(A.根据Couch公式恢复;B.根据Adams公式恢复)Fig.4 The paleosalinity zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area(A.calculated by Couch formula;B.calculated by Adams formula)

图5 陇东地区长9油层组浪控带与等盐度关系Fig.5 The relationship between paleosalinity zone and wave active zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdon

3 研究意义

对陇东地区长9油层组古盐度平面分布和变化规律分析，对恢复沉积期岩相古地理和成岩期流体性质具有如下几个重要意义:①确定主、次物源方向以及湖盆中心位置;②定量确定湖岸线位置;③长91油层平均盐度较长92油层降低，反映了长92→长91沉积期具有湖平面上升演化趋势;④长9沉积期湖盆的半咸水—咸水性质，决定了成岩期流体具有盐水(或卤水)性质，不仅为砂岩早成岩阶段提供了富钠、偏碱性的孔隙水，有利于早期绿泥石环边和浊沸石的胶结作用的形成而有利原生粒间孔隙保存［16］，而且浊沸石容易在中成岩阶段被有机酸溶蚀，形成大量次生孔隙而提高储层的质量［17，18］，因此，较高古盐度沉积和成岩环境更有利于优质储层发育，如:元428井古盐度高达11.9‰(Adams公式，图4)，早期绿泥石环边胶结作用明显，大量原生粒间孔隙得以保存，次生溶孔也较为发育，并以中—大孔为主(图6a);而庄81井古盐度仅为3.6‰(Adams公式，图4)，几乎不发育绿泥石环边胶结物，原生粒间孔隙保存少，溶蚀作用也较弱，仅发育少量次生溶孔，以发育小孔和微孔为主(图6b)，盐度高值区域可作为寻找优质储层的首选区;长9油层组沉积—成岩期较高—高盐度流体性质所决定的长9油层高盐度油田水化学特征，非常有利油藏保存。

图6 典型成岩相组合及其孔隙结构特征Fig.6 Typical diagenetic facies assemblage of sandbody and its pore structure features

同时，通过对Adams公式和Couch公式分别计算出的古盐度进行分析，对Couch法的适用条件有了新认识，即:该方法不适用于伊/蒙混层特别发育的陆相地层，随着成岩阶段的加深会导致伊蒙混层逐渐向伊利石转化，最终导致Couch公式计算的古盐度失效。

4 结论

(1)利用不同研究方法对陇东地区长9油层组古盐度进行恢复，结果表明:长9沉积期研究区湖泊水体具有微—半咸水性质;

(2)陇东地区湖泊水体盐度具有自北东、北西及西南方向往中央逐渐增大的趋势，盐度平面上的变化规律反映了河流的注入方向或三角洲的延伸范围，盐度纵向上的变化则反映了湖平面的演化;

(3)高盐度区域有利于早期绿泥石环边胶结作用的进行，从而有利于原生粒间孔隙的保存，为有利于优质储层发育的地区。

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