陕北黄土塬地区油田注水工程水文地质勘查研究

崔　强，张金功，吴向阳，冯诗源

(1．西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2．延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西 延安 717400；3．陕西地质工程总公司，陕西 西安 710054)

陕北黄土塬地区油田注水工程水文地质勘查研究

崔强1，张金功1，吴向阳2，冯诗源3

(1．西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2．延长油田股份有限公司杏子川采油厂，陕西 延安 717400；3．陕西地质工程总公司，陕西 西安 710054)

[摘要]陕北地区水源匮乏严重制约了当地油田的注水开发。为解决油田注水工程水源不足的问题，采用水文地质调查、钻探、坑探、抽水试验、水质检测和测流等一系列方法，查明了注水工程水源地附近的水文地质条件，确定了陕北油区潜水含水岩组的岩性、厚度、富水性及潜水的补给、径流、排泄条件、地下水动态特征、开采条件及水化学等特征，明确了油区集中供水水源地的位置及取水工程类型并预测集水构筑物水质水量及开采保证程度。此次研究也为其他油田解决集中供水水源地勘察问题提供一定的参考依据。

[关键词]注水工程水源；水文地质勘查；含水岩组分布；方案论证；陕北油田

目前，国内外许多油田都采用向油层注水的方法来保持地层压力，使油田持续高产稳产，提高油田最终采收率[1-2]。陕北地区石油、煤炭等矿产资源储量大，丰富的石油资源开发带动了地区社会经济发展。然而陕北地区注水水源不足，已成为石油开采业发展的瓶颈[3]。因此，查明陕北地区地表径流和浅层地下含水层富水区特征，为油田开发规划新的经济型地表水和地下水集中供水工程，对解决油田注水水源问题具有十分重要的意义。

延长油田杏子川采油厂为解决谭家营与郝家坪油区的油田注水工程供水水源问题，拟在油区附近范围内寻找供水水源。为查明注水工程附近地区的水文地质条件，需查明潜水含水岩组的岩性、厚度、富水性及潜水的补给、径流、排泄条件和水化学特征，确定各油区集中供水水源地的位置及取水工程类型，预测集水构筑物水质水量及开采保证程度以满足油区集中供水需求。

1自然地理及地质概况

杏子川采油厂油区地处陕北黄土高原北部，海拔1 170～1 521 m，主要地貌为黄土梁峁与河谷阶地，平均沟壑密度4.7 km/km2[4]。勘查范围内主要河流有延河及其一级支流坪桥川支流[5-6]。沉积地层为前第四系及第四系沉积层。前第四系主要是中生界陆相碎屑岩沉积岩系，由老至新依次出露侏罗系中统直罗组及安定组、白垩系下统洛河组，另外还有新生界新近系上新统。第四纪地层自中更新统至全新统，有冲积、冲洪积及风积等沉积成因，广泛覆盖于老地层之上[7-8]。本次勘查根据注水工程的油区分布范围及附近地区的水文地质条件，确定了勘查区范围：谭家营油区为梁家坪沟至老庄沟的傍延河地段，勘查区长8.5 km，宽2.6 km，面积22.1 km2；郝家坪油区为肖官驿沟至石圪台的傍坪桥川地段，勘查范围长5.8 km，宽2.5 km，面积14.5 km2。

2勘查区水文地质特征研究

本次勘查依据水文地质调查、钻探、坑探、抽水试验、水质检测和测流等一系列工作对勘查区水文地质特征进行了勘查研究。

2.1地下水类型

勘查区黄土梁峁地下水系统可细分为4个亚系统：黄土梁峁潜水亚系统、第四系冲积层潜水亚系统、中生界裂隙孔隙潜水亚系统及中生界裂隙孔隙承压水亚系统。

2.2含水岩组的划分及富水性

依据区内地下水赋存状态及含水介质的地层时代、成因和岩性，将区内含水层划分为5个含水岩组，各含水岩组富水性参照GB/T14538规定进行划分。

2.2.1黄土梁峁风积黄土孔隙—裂隙潜水含水岩组

广泛分布于黄土粱峁地区，含水层为中更新统黄土层，储水条件极差，流量多小于0.1 L/s，属极弱富水或零星含水，无集中供水意义。

2.2.2河谷冲积层与下伏基岩风化带孔隙潜水含水岩组

分布于区内延河、坪桥川河及主要沟道的漫滩与I级阶地区。岩性由含泥质的砾卵石层及中细砂层组成，厚度一般为2～6 m。根据本次勘探资料表明，延河阶地单井出水量为100～500 m3/d，属较弱-中等富水，水化学类型多属SO42-·HCO3-型，矿化度1 g/L左右。

2.2.3白垩系洛河组砂岩裂隙—孔隙潜水含水岩组

此类含水岩组仅分布于谭家营勘查区西北角，含水层为白垩系下统洛河组中—细砂岩。砂岩岩性较疏松，巨型交错层理发育，地下水类型多为HCO3-型，矿化度小于1 g/L，水质良好。但含水岩组在区内分布范围及含水厚度较小，富水性较弱，且距离油区远，对油区供水意义不大。

2.2.4侏罗系安定组与直罗组砂岩与泥岩风化—裂隙孔隙潜水含水岩组

含水层广布全区，岩性为侏罗系中统直罗组及安定组砂岩。富水性主要取决于风化裂隙发育程度，沟谷区强风化带厚度一般0.5～1.0 m，中风化带1～3 m，其次取决于地貌和岩性，梁峁区因受密集沟谷切割，基岩水水位埋深大，补给条件差，富水性为极弱富水，河谷地区含水层厚度一般10～20 m，水位埋深浅，具一定汇水范围，补给条件较好，径流通畅，相对比较富水。该含水岩组地下水类型多为HCO3-、HCO3-·SO42-型，矿化度1 g/L左右。

2.2.5碎屑岩类裂隙—孔隙承压水含水岩组

广泛分布于全区基岩风化带之下，含水层主要为侏罗系砂岩，其储存及运动条件受构造裂隙的严格控制。陕北地区区域性断裂构造不发育，因此承压水分布有一定局限性。承压水在河谷地区的顶板埋深一般在20～30 m，水头一般略高于上部风化带潜水水位，局部形成自流，总体上管井的单井出水量<10 m3/d，属极弱富水。另外承压水水化学类型普遍为NaCl型水，矿化度>3 g/L，随着深度的增加，水质更差，无开采利用价值。

2.3地下水的补给、径流和排泄

勘查区地下水补给方式主要包括大气降水渗入补给和地表水侧向渗漏补给。地下水的径流方向和径流强度等随地面坡度和含水层岩性不同而异。黄土梁峁区有限的潜水沿黄土垂直节理及大孔隙向两侧冲沟径流，河谷阶地潜水流向一般向河流下游。基岩风化带的潜水径流途径主要为节理裂隙，并受岩层层面控制。

排泄方式包括泉水排泄、地下径流排泄和人工开采排泄等。

2.4地下水水化学特征

勘查区内第四系冲积层潜水补给来源较多，水化学特征相对较为复杂。一般情况下，冲积层潜水因含水层颗粒粗，地下水流速快，加之流程短，排泄畅通，地下水矿化度多小于1 g/L，水化学类型以HCO3-型为主，水质普遍较好。但局部地段由于基岩裸露或埋深较小，受高矿化度基岩水的影响，潜水水质较差。

2.4.1延河干流区潜水水化学特征

选取延河干流上有代表性的傍河调查取样点进行水化学类型、矿化度、pH测定及三线图分析，结果如表1、图2所示。

表1　延河干流流域探井(孔)取样分析结果表

由图可知，延河干流地区从上游至下游阳离子中Ca2+、HCO3-相对含量处于减小状态，Na+、Mg2+及SO42-的相对含量处于增加状态。老庄沟至桃树湾段的潜水矿化度一般小于1 g/L，水化学类型以HCO3-、HCO3-·SO42-型为主，水质较好；桃树湾至谭家营段蒸发浓缩强烈，潜水矿化度多大于1 g/L，水化学类型以SO42-·HCO3-—Ca2+·Na+型为主，水质相对而言较差。

2.4.2坪桥川河谷区潜水水化学特征

坪桥川河谷地区及其支沟第四系厚度变化较大，局部基岩裸露，受基岩中高矿化水的影响，区内潜水水化学类型比较复杂。据本次勘探孔(井)水质分析资料，潜水的水化学类型主要有Cl-—Na+·Ca2+、HCO3-·SO42-—Ca2+·Na+型水，水的矿化度759.2～2 096.3 mg/L，pH值7.0～8.0。水化学特征总体上有自上游向下游随着径流途经增加矿化度增大，水质逐渐变差的趋势。

图1　延河干流潜水化学分析三线图

2.5地下水动态特征

据水动态测定资料，延河与坪桥川河漫滩地下水位变化受河水位影响较大。第四系冲积含水层岩性为砂砾石，颗粒粗，导水性好，地下水位变幅1.0～2.0 m，且与河水位几乎同步变化。水位变化大致趋势为8、9月份水位抬升，到3月份受冰雪融化水影响，水位又有抬升，具有双峰特征。

2.6地下水开采条件

勘查区基岩风化带厚度小、水质差、水量小，故不适用于传统的管井形式取水。第四系冲积含水层虽然厚度较小，宽度较窄，依靠降水补给能力较差，但渗透性较好，渗透系数多在0.6～2.0 m/d，当取水地点靠近地表河流时，取水还可激发河流补给量。因此，根据勘查区水文地质条件，结合陕北地区地下水开采工程经验，宜将第四系冲积层及下伏基岩风化带作为勘查区内主要取水目的层。本次水源地均选择在河流漫滩区，以傍河取水的渗流井并辅以集水廊道的集水方式开采地下水。

图2　谭家营油区集中供水水源地水文地质剖面示意图

3水源地建设方案论证

3.1水文地质调查

通过对谭家营及郝家坪油区水源地的勘查及在延河漫滩区施工的30多个探井水文地质调查结果看，集中供水水源地建设的理想地段地层如下：0～1.8 m为粉土，1.8～5.5 m为砂砾卵石，下伏基岩强风化带厚度1.2 m、中—微风化带厚度1.3 m(图2、图3)。含水层主要为卵石层，透水性相对较好，主孔抽水静水位0.69 m，动水位4.18 m，单井涌水量42～88 m3/d，水化学类型为SO42-·HCO3-—Na+·Ca2+型，矿化度1 074.9～1 228.6 mg/L。

图3　谭家营油区集中供水水源地水文地质剖面示意图

3.2取水量评价

勘探资料表明水源地建设理想地段下伏基岩裂隙较发育，富水性较好，宜将基岩和松散覆盖层作为整体联合开采。本次勘察布置的勘探孔临近延河及坪桥川河，按照近地表水的潜水完整井流采用弗尔格依米尔公式计算渗透系数K如表2、表3所示。

表2　谭家营油区水源地渗透系数计算表

表3　郝家坪油区水源地渗透系数计算表

由于基岩风化带和松散覆盖层作为一个含水层整体联合开采，而探井仅揭穿覆盖层，因此，开采层综合渗透系数K宜选取钻孔抽水试验计算结果，谭家营、郝家坪油区渗透系数分别取值1.26 m/d、0.90 m/d。依据工程取水量预测计算公式Q总=Q辐射+Q廊道，辐射井取水量参照《井水量计算的理论与实践》(施普德著，1977年)计算参数及涌水量结果见表4、表5。

表4　谭家营水源地辐射井涌水量计算表

表5　郝家坪水源地辐射井涌水量计算表

集水廊道取水量预测采用裘布依完整潜水井流和达西公式计算。计算参数及结果见表6、表7。综合以上出水量计算结果，谭家营供水水源地的取水能力为4 854.8 m3/d，郝家坪油区集中供水水源地的出水量为2 103.9 m3/d，能够满足两油区注水工程的需水目标。

表6　谭家营水源地集水廊道涌水量计算表

表7　郝家坪水源地集水廊道涌水量计算表

4结语

(1)陕北黄土高原油区含水层可划分为5个含水岩组，其中黄土梁峁风积黄土孔隙—裂隙潜水含水岩组、白垩系洛河组砂岩裂隙—孔隙潜水含水岩组及碎屑岩类裂隙—孔隙承压水含水岩组富水性较弱，河谷冲积层与下伏基岩风化带孔隙潜水含水岩组及侏罗系安定组与直罗组砂岩与泥岩风化—裂隙孔隙潜水含水岩组含水较丰富，水化学类型多属SO42-·HCO3-型，矿化度1 g/L左右，可作为注水工程取水的含水岩组。

(2)陕北油区基岩风化带厚度小、水质差、水量小，不适用于传统的管井形式取水，应在河流漫滩区，以傍河取水的渗流井并辅以集水廊道的集水方式开采地下水。

(3)通过对水源地建设方案的论证，建设集中供水水源地理想地段的含水层主要为砂砾卵石层，透水性较好，单井出水量可达40 m3/d以上，水化学类型为SO42-·HCO3-—Na+·Ca2+型，矿化度1 000m g/L左右，计算的辐射井和集水廊道的涌水量可以满足油田注水工程水量的需求。此次供水水源地的勘查研究也为陕北其他油田解决集中供水水源地勘察问题提供一定的参考。

参考文献

[1]李道品.低渗透砂岩油田开发[M].北京:石油工业出版社.1997.

[2]孙景民,高翔.油田采出水回注地层的可行性研究[J].钻采工艺.2002,25(4):42～46.

[3]葛芬莉.延长油田东部区域注水水源配置方案分析[J].陕西水利.2015,(1):23～26.

[4]陕西省区域地质志[R].陕西省地质局.1982.

[5]延安地区地下水资源勘查报告[R].陕西省地质局第一水文地质工程地质队.1970.

[6]安塞县谭家营—沿河湾河谷区水文地质普查报告[R].陕西省地质局第一水文地质工程地质队.1973.

[7]鄂尔多斯盆地地下水勘查研究[R].国地质调查局专报.2007.

[8]陕西省环境地质调查报告[R].陕西省地勘局第二水文地质工程地质队.2000.

Research on Water Source Exploration of Oil Field Water Injection Project in the Loess Plateau Area of Northern Shaanxi

CUIQiang1，ZHANG Jin-gong1，WU Xiang-yang2，FENG Shi-yuan3

(1.Department of geology, Northwest University/ State Key Laboratory of continental dynamics Xi'an，710069 Shaanxi；2.Xingzichuan oil production plant of Yanchang oilfield co.,LTD Yan’an，717400 Shaanxi；3.Shaanxi Geological Engineering Corporation Xi'an，710054 Shaanxi)

Abstract:The water shortage in the north of Shaanxi province seriously restricts the development of water injection in the local oilfield. In order to solve the problem of water shortage in oilfield’s water injection project, a series of methods, such as hydrogeological investigation, drilling, test pitting, pumping test, water quality detection and flow measurement, were used to find out the hydrogeological conditions near the water source area of water injection project, and to determine the characteristics of lithology, thickness, water yield property, phreatic recharge, runoff, drainage, groundwater dynamic characteristics, mining conditions and water chemistry in the north Shaanxi oil region, and to make clear the location of centralized water supply sources and the water intake project types and to predicte the water content and water quality of catchment build and exploitation-guarantee degree. This study also provides a reference for other oil field to solve the problem of the water source prospecting.

Key words:Water supply engineering；hydrogeological exploration；distribution characteristics of water-bearing formation；scheme demonstration and oil field of North Shaanxi.

[收稿日期]2016-02-02

[基金项目]中国地质调查局“非常规能源矿产调查评价”基础地质调查计划项目(12120113040700)和延长石油股份有限公司科研项目(ycsy2013ky-B-03)

[作者简介]崔强(1985-)，男，山东潍坊人，在读博士研究生，主攻方向：油气田勘探与开发。

[中图分类号]P618.130.2

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0236-04