姬塬地区长9油层组地层水化学特征及其与油藏的关系

斯 扬, 张文选, 罗安湘, 孙 勃, 朱玉双

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069; 2.西北大学地质学系,陕西西安 710069; 3.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710018)

在盆地演化过程中,地层水特征主要受水文地质环境、流体-岩石相互作用、流体流动及其混合作用等综合影响[1-4]。在含油气盆地中地层水的特征与油藏的运移、聚集和保存关系密切,可一定程度上反映沉积盆地流体系统的开放性和封闭性,以及油气的聚集和保存条件[3-13]。典型的断块油藏内地质历史时期地层水活动较为频繁,地层水化学特征与油藏的关系较为明显,矿化度高的区域往往为油藏运移并聚集的区域。对于鄂尔多斯盆地天环坳陷及陕北斜坡中地层水与油藏关系[14-18],特别是对鄂尔多斯盆地中生界延长组油藏,利用地层水化学特征来指导区域的油藏勘探是一个有待解决的问题。笔者基于鄂尔多斯盆地姬塬地区507组预探井和评价井长9油层组的地层水测试分析资料,对长9油层组地层水特征进行研究,探讨地层水特征与油藏的关系。

1 区域地质概况

姬塬地区位于鄂尔多斯盆地中西部,西起马家滩、东至胡尖山、北自盐池、南抵乔川,研究区面积约1.8×104km2。构造上横跨鄂尔多斯盆地伊陕斜坡和天环坳陷两大构造单元,西部与西缘冲断带接壤(图1)。姬塬地区是长庆油田勘探开发的重点区域,该区正位于盆地中生界延长组生烃中心,主要发育了三叠系延长组及侏罗系延安组两套油藏[17]。长9油层组位于延长组下组合,平均埋深2 570 m,油源主要来自于长7烃源岩,为上生下储型,储层主要为辫状河三角洲沉积体系下的岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩,砂岩粒度相对较粗,粒间孔发育,储层物性相对于长6、长8储层较好[19-20]。由于研究区范围较大,将研究区按构造单元划分为2个区块,分布在天环坳陷及西部的井位划为一区,分布在伊陕斜坡上的井位为另一个区(图2)。

图1 研究区构造及位置Fig.1 Structure and location map of study area

2 地层水化学特征及其分布

2.1 地层水类型

地层水类型较为常用的是苏林分类,苏林通过地层水离子成分与现今海水成分的对比和分析,将地层水分为CaCl2型、MgCl2型、NaHCO3型及Na2SO4型4种[16]。依据苏林分类,深层地层水一般为CaCl2型地层水,代表地层封闭性最好的,矿化度也相对较高;Na2SO4型地层水表示地层封闭性较差或遭到破坏,地表水或者与地表水沟通的地层水往往为此类型;MgCl2型地层水代表的地层封闭性在二者之间,矿化度一般也在二者之间。NaHCO3型地层水在浅层和深层都可存在,浅层NaHCO3型地层水主要可能受地表水的影响较大,矿化度较低,深层存在的NaHCO3地层水往往与硫酸盐与烃类的脱硫作用有关,其矿化度相对较高[17]。

图2 姬塬地区长9段油藏综合图Fig.2 Comprehensive map of Chang 9 reservoir in Jiyuan area

根据苏林分类,姬塬地区延长组长9地层水水型主要为CaCl2型(72.6%),其次为Na2SO4型(11.4%),还有少量MgCl2型(8.5%)和NaHCO3型(7.5%)地层水(图3，其中N为样品个数)。CaCl2型地层水平均矿化度最高,为31.4 g/L,这说明姬塬地区长9地层封闭性较好;Na2SO4型地层水平均矿化度为19.5 g/L, MgCl2地层水平均矿化度为19.3 g/L,二者矿化度相对较低;NaHCO3型地层水平均矿化度相对较高,这也反映了研究区深层存在的NaHCO3地层水可能与脱硫作用有关。

博雅尔斯基依据地层水钠氯系数对CaCl2型地层水进行了进一步划分,将钠氯系数位于[0.85,1)区间内的CaCl2型地层水分为 Ⅰ 类,钠氯系数位于[0.75,0.85)区间内为 Ⅱ 类,钠氯系数位于[0.65,0.75)区间内为 Ⅲ 类,钠氯系数位于[0.5,0.65)区间内为 Ⅳ 类,钠氯系数小于0.5的CaCl2型地层水为 Ⅴ 类。根据此分类,研究区长9地层水中CaCl2型主要为Ⅳ类和Ⅴ类(51.1%),Ⅰ 类CaCl2型地层水最少(12.5%)。Ⅳ 类和 Ⅴ 类CaCl2型地层水矿化度较高,其中 Ⅴ 类CaCl2型地层水平均矿化度最高,为41.5g/L,这也反映了 Ⅴ 类CaCl2型地层水所处的地层封闭性最好。整体来看,姬塬地区长9地层水以CaCl2型为主,地层封闭性较好,有利于油气的保存。

图3 姬塬地区长9地层水类型及CaCl2型地层水类别分布Fig.3 Distribution of formation water types and CaCl2type formation water distribution in Chang 9 reservoir in Jiyuan area

对比天环坳陷与伊陕斜坡来看,伊陕斜坡CaCl2型地层水的占比相对天环坳陷较高,且各类水型的平均矿化度均高于天环坳陷,同时伊陕斜坡CaCl2型地层水以 Ⅳ 类和 Ⅴ 类为主,各类CaCl2型地层水的平均矿化度也相差较小。天环坳陷长9地层水中非CaCl2型地层水的占比相对于陕北斜坡大,且CaCl2型地层水以矿化度相对较低的 Ⅰ 、 Ⅱ 、 Ⅲ 类为主。这些地层水类型的差异反映了天环坳陷整体地层封闭性较伊陕斜坡差,这可能是天环坳陷受西缘冲断带的影响,局部断层裂缝极为发育所致。

2.2 地层水离子成分及矿化度

油田水中分布最广的离子主要有Cl-、SO42-、HCO3-、Na+、Mg2+、Ca2+和K+等,由于Na+和K+化学性质形似,一般情况下将这2种离子放在一起讨论。

姬塬地区延长组长9地层水包含的阳离子按质量浓度依次为K++Na+>Ca2+>Mg2+,阴离子主要为Cl->SO42->HCO3->CO32-,阴阳离子中Cl-质量浓度最高,其次为K++Na+、Ca2+、SO42-。天环坳陷及其西部地层水各离子组分平均质量浓度除了CO32-,其他离子均小于伊陕斜坡,平均矿化度也低于伊陕斜坡(表1)。

表1 姬塬地区长9油层组地层水化学组分

姬塬地区长9地层水平均矿化度为28.7 g/L,其主体分布在10～40 g/L,其中10～20 g/L区间内分布最多(图4),天环坳陷内地层水平均矿化度为24 g/L,伊陕斜坡平均地层水矿化度相对较高,为32.7 g/L。从平面上地层水矿化度的分布(图5)也可以看出,姬塬地区西部红井子—马家滩地区及东部安边—学庄—铁边城一带地层水矿化度相对较低,中部定边—台儿庄—马家山一带地层水矿化度相对较高。

图4 姬塬地区长9油层组地层水矿化度及离子比例系数分布Fig.4 Distribution of formation water salinity and ion ratio coefficient in Chang 9 reservoir in Jiyuan area

从地层水离子成分与矿化度的分布特征来看,矿化度和离子的分布与研究区断层裂缝的分布存在着很大的联系,天环坳陷轴部以西受西缘冲断带影响,断层和裂缝极为发育,同样铁边城至樊学地区一带发育两条一定规模的断层,前人也在研究区东部H148井区附近地区发现了一系列垂直裂缝[24]。这也一定程度上说明长9地层水受局部断层和裂缝系统的沟通,地表水下渗造成了地层水的淡化。

2.3 地层水离子比例系数

地层水离子比例系数可以反映地层水所处的水文地质环境,常用的主要有钠氯系数、变质系数和脱硫系数。Cl-的化学性质稳定,且在Cl-质量浓度小于100 g/L的情况下不会发生沉淀,其离子浓度仅受地层水的蒸发、渗滤浓缩或外来流体混入淡化影响,因此Cl-是地层水中最稳定的离子。Na+在地层水中会参与水岩反应,在地层封闭性越好的条件下,水岩反应越强烈,地层水中的Na+消耗越大。因此钠氯系数能够反映地层的封闭性,钠氯系数越低,则地层水所处的地层封闭性越好[21-23];地层水与烃类相互作用时使得SO42-减少,作用完全时,脱硫系数为0,表明地层封闭,地层水浓缩程度高。越接近油气藏该参数越小,当脱硫系数大于10时,表明地层封闭条件曾经被破坏,受到了古大气水的淋滤[21-23];变质系数能够表征地层水岩作用反应程度,其值越大说明作用越强,地层越封闭,该系数为负值时,则表示地层水可能曾受到大气降水淋滤作用[21-23]。

图5 姬塬地区长9地层水化学参数与试油叠合平面图Fig.5 Formation water chemical parameters and oil testing composite plan in Chang 9 reservoir in Jiyuan area

姬塬地区长9地层水钠氯系数为0.01～8.45,平均为0.87,其主体分布在0.4～1,其中0.6～0.8内分布最多,19%的地层水钠氯系数大于1;脱硫系数分布范围为0～197,平均为17.4,主体分布在0～20,其中0～5内分布最多,44%的地层水脱硫系数大于10,另有18%的地层水脱硫系数大于30;变质系数分布范围为-64～566,平均为14,主体分布在-10～10与大于15两个区间内,平均为14,其中小于0的占19%(图4)。

式中，em,n(m=1,2,…,M,n=1,2,…,N)为双基地距离的观测误差，这里假设其服从零均值的高斯分布，其协方差矩阵为Q.

从姬塬地区长9地层水的离子比例系数分布特征来看,钠氯系数平均值小于1,变质系数平均值较大,这说明整体上姬塬地区长9地层封闭程度较好,水岩作用强,但是存在约19%的地层水钠氯系数大于1和变质系数小于0,这也说明局部区域长9地层封闭程度相对较低,受大气降水淋滤作用影响较大。此外地层水脱硫系数平均偏大,说明长9地层水局部受到外来流体的影响较大。

对比天环坳陷和伊陕斜坡,天环坳陷中地层水钠氯系数大于1的占比高于伊陕斜坡,平均钠氯系数低于伊陕斜坡内地层水;在脱硫系数和变质系数的分布二者也有所差异。这些差异也进一步反映了天环坳陷内地层封闭程度整体弱于伊陕斜坡,这也与二者之间的地质构造条件的差异吻合。

3 地层水与油藏的关系

3.1 油藏分布区地层水化学特征

通过姬塬地区长9油层组地层水矿化度、钠氯系数、脱硫系数、变质系数与试油的叠合平面图(图5)和长9试油出油段地层水化学特征分布(图6),对长9油藏分布区的地层水化学特征进行分析。长9试油出油段地层水矿化度平均为25.1 g/L,主体分布在10～30 g/L,其中地层水矿化度为10～20 g/L,出油段分布最多,在平面上,其主要分布在西北部红井子—麻黄山地区、及东部安边—学庄—新安边—铁边城一带。中部矿化度相对较高的区域内油藏分布较少,仅定边—白儿庄地区存在少量油藏分布。

图6 姬塬地区长9试油出油段地层水化学参数及地层水类型分布Fig.6 Distribution of hydrochemical parameters and formation water type in Chang 9 oil production section in Jiyuan area

长9试油出油段地层水钠氯系数主体分布在0.4～1区域,试油出油段平均钠氯系数0.85,钠氯系数大于1的区域也有少量油藏分布。平面图上也可以看出,整体上长9油藏主要分布在钠氯系数小于1的区域内,但钠氯系数最低的区域并不是姬塬地区长9油藏最为富集的区域。试油出油段中脱硫系数主要分布在脱硫系数小于15及局部脱硫系数大于30的区域,其中脱硫系数小于10和大于10分别占出油段的68%和32%。脱硫系数大于10代表油藏的保存条件相对较差,因此其试油出油占比少,脱硫系数较小的区域,油藏分布的概率相对较高。试油出油段中地层水变质系数分布在变质系数大于0的区域,但是变质系数小于0的区域也有少量分布。从试油出油段地层水类型的分布(图6)可以看出,研究区67.8%出油(油水)井点地层水为CaCl2型,这也说明CaCl2型地层水反映地层封闭性较好,有利于油气的保存。同时据统计,出油(油水)井中 Ⅴ 类和 Ⅳ 类CaCl2地层水分布最多(57%)。这也一定程度上说明反映地层封闭性越好的 Ⅴ 类和 Ⅳ 类CaCl2地层水更为有利于油气的保存。

对比天环坳陷与伊陕斜坡来看,二者试油出油段钠氯系数和脱硫系数的分布有一定差异,这主要是由于天环坳陷内地层整体的封闭性较伊陕斜坡差。而矿化度和变质系数及地层水类型的分布较为一致,这也一定程度上说明虽然研究区区域较大,但二者有利于油藏聚集和保存的水文地质环境是一致的。

3.2 地层水化学特征与油藏关系

姬塬地区长9油藏主要分布在地层矿化度相对较低、地层封闭程度相对较为开放的西部及东部的区域,而在矿化度高、地层封闭性最好的中部天环坳陷与伊陕斜坡过渡区域分布得最少。这与对大多数断陷盆地地层水与油藏关系的研究结果[3-13]不同,也与李士祥等[18]对姬塬地区长6油层组地层水与油藏的关系研究结果相反。这说明油藏保存条件虽然是姬塬地区长9成藏的必要条件,但并非油藏分布的关键因素。因此针对长9油层组现今的地层水化学特征,从长9油气成藏主控因素的角度对长9油层组地层水与油藏的关系进行探讨。

3.2.1 长9油藏成藏主控因素

姬塬地区长9油藏油源主要来自于长7优质烃源岩,为“上生下储型”,且在纵向上与油源的距离相对较远。根据“近源成藏”理论,油气会优先向长8储层充注后,才继续向长9进行油气充注,因此长9油藏充注程度较低,试油井大多出水,工业油流井也大多以油水同出为主。

3.2.2 地层水化学特征与油气运移

过于开放的地层不利于油藏的保存,过于封闭不利于油藏的聚集。研究区整体封闭条件相对较好,有利于油藏的保存,针对长9油藏的运移条件及方向探讨地层水与油藏之间的联系。

针对油气运移方向,主要通过原油的饱和烃、含氮化合物及包裹体微量元素等地化参数来追踪[26-28]。受“地质色层”效应的影响,原油正构烷烃中小相对分子质量化合物较大相对分子质量化合物易于运移,随着运移方向,其含量会逐渐富集,因此(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+会顺着原油运移方向增大[26]。本文研究主要通过原油的(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+的变化来追踪长9油藏运移的方向,同时分析总结地层水化学对运移方向的响应特征(表2)。

姬塬地区长9原油(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+分布在1.5～3.5,运用直方图的形式将其绘制在地层水矿化度水型及构造的综合图上(图7),分析其变化规律,并在图上标出了可能的油气运移方向。长9油藏油气运移的方向在平面上总体表现为自东向西,这与区域内地层上倾方向一致,同时油气运移的方向也受砂体展布方向控制,因此西部及东部油藏主要沿砂体延伸上倾的方向运移。此外局部也存在垂直于砂体延伸方向的油气运移轨迹,这主要受砂体的的横向连通性及微裂缝等运移通道有关。通过原油(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+对长9油藏油气运移方向的分析也与刘犟[27]利用原油含氮化合物及碳同位素追踪的运移方向较为一致,这说明本次运移研究的可靠性,下面主要针对油气运移方向与地层水化学特征的关系进行分析。

对原油饱和烃特征参数与其对应的地层水矿化度进行了分析,从地层水矿化度和(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+的散点图(图8)可以看出,地层水矿化度与(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+有着一定正相关性,即地层水矿化度越大,(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+越大。将样品分构造单元来看,伊陕斜坡内矿化度与地化参数之间表现出了良好的对应关系,天环坳陷内矿化度与地化参数之间的整体相关系数不高,但是去掉H258样品点后,相关系数也极高。分析认为,原油地化参数变化在反映油气运移方向有效性的前提在于地层内“地质色层”效应占主导,而在氧化作用占主导的条件下,地化参数的变化趋势可能会相反[28]。从各样品现今地层水水型来看,H258井为Na2SO4型,这也说明H258井地层的封闭性较差,油藏有可能受氧化作用影响,因此去掉H258点后,地层水矿化度与地化参数的相关性变好。地层水矿化度与(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+的关系说明,地层水矿化度随着油气运移的方向有增大的趋势,姬塬地区长9油藏主要由低矿化度区向高矿化度区运移。

表2 姬塬地区长9油层组原油饱和烃特征参数

图7 姬塬地区长9油层组油气运移方向和地层水分布Fig.7 Oil migration direction and formation water chemical distribution of Chang 9 reservoir in Jiyuan area

从油气运移方向和地层水化学综合平面图(图7)来看,地层水矿化度的变化整体趋势与油气运移方向较为一致,但由于长9油藏为“多点充注”模式,所发生的侧向运移大多为局部短距离的,因此对于局部区域地层水特征与油藏的运移关系,通过剖面的方式进一步分析。

研究区西部天环坳陷内长9油藏主要为岩性-构造油藏,通过CH78-F12-CH70油藏及运移方向剖面图(图9)可以看出,油气主要至F12井向构造高处的CH78及CH70运移,运移路径主要为连通的砂体。从剖面所处的位置来看,F12井位于其余两井西部,且F12井西部发育两条沟通源储的断层,F12井自然优先受到油气充注。从三井的地层水矿化度来看,F12地层水矿化度为三者最低,说明油气由低矿化度区域向高矿化度区域运移。研究区东部安边-胡尖山油藏主要为构造-岩性油藏,从Y196～Y28油藏剖面(图10)可以看出,油气在局部的运移主要自西向东,Y196井向Y195井运移,H386井向Y28井运移,从地层水化学特征的变化趋势来看,均为由低矿化度区域向高矿化度区域运移。此外,H386井(nC21-+nC22+)/(nC28+nC29)及nC21-/nC22+明显低于东部其他样品,这说明H386井可能存在沟通源储的优势运移通道。

图8 姬塬地区长9油层组地层水矿化度与原油地化参数关系Fig.8 Relationship between formation water salinity and oil geochemical parameters of Chang 9 reservoir in Jiyuan area

图9 姬塬地区长9油层组CH78-CH70油藏剖面Fig.9 Sectional view of CH78-CH70 reservoir of Chang 9 reservoir in Jiyuan area

从油气运移方向和地层水化学综合平面图(图7)还可以看出,在油气运移的方向上均存在显示地层水化学异常的Na2SO4型或NaHCO3型地层水。

图10 姬塬地区长9油层组Y196-Y28油藏剖面Fig.10 Sectional view of Y196-Y28 reservoir of Chang 9 reservoir in Jiyuan area

Na2SO4型和NaHCO3型水虽然并不绝对代表地层封闭条件差,但是在整体较为封闭的水文地质条件下,Na2SO4型和NaHCO3型水的出现绝非偶然,其形成必然与地质历史上某一时期的外界流体交换和混入有关。曾溅辉等[9]对塔里木盆地塔中地区低凸起地层地层水化学特征对不整合的响应进行研究,认为不整合面附近的油层组矿化度低、离子比例系数具有典型的遭受大气水淋滤的地层水化学的基本特征。姬塬地区长9油层组Na2SO4型和NaHCO3型地层水矿化度平均为23.4 g/L、钠氯系数平均为1.79,最大可达8.45、脱硫系数平均为40.9,最大可达197、变质系数平均为-9.1,最小可达-64,这些地层水化学特征具有典型的遭受外界流体混入的地层水化学的基本特征,研究区西北部发育的断层裂缝与Na2SO4型和NaHCO3型地层水分布有着较好的联系, 而从姬塬地区长9地层水类型与构造及试油平面分布图(图11)可以看出,姬塬地区长9油藏分布大多都在非CaCl2水型附近,特别是Na2SO4型和NaHCO3型地层水附近。因此,一定程度上可以认为Na2SO4型和NaHCO3型地层水的出现也可以作为油气优势运移通道存在的响应。

此外,从长9油藏试油出油段的地层水类型来看,出油段大多地层水类型为CaCl2型(67. 8%),且Ⅴ类和Ⅳ类在CaCl2型地层水居多(57%),这也说明了CaCl2型地层水可以作为良好的封闭保存条件的响应,更有利于油气的保存,这与前人的研究结果一致。而从油藏分布区地层水化学特征的来看,在10 g/L<地层水矿化度≤30 g/L、0.4<钠氯系数≤1.0、脱硫系数≤15、变质系数>0的地层水化学条件下,长9油藏聚集的概率更大。

图11 姬塬地区长9油层组地层水类型与试油、烃源岩、砂厚及构造叠合图Fig.11 Superposition plane of formation water type,oil test,source rock,sand thickness and structural in Chang 9 reservoir in Jiyuan area

4 结 论

(1)鄂尔多斯盆地姬塬地区三叠系延长组长9油层组地层水类型以CaCl2型为主,整体上长9油层组处于封闭的水文地质环境,但是受局部发育的断层裂缝影响,天环坳陷轴部以西及局部地层流体系统相对较为开放。

(2)长9地层水矿化度与示踪油气运移方向的地球化学参数有着良好正相关性,地层水矿化度的变化可以指示长9油藏运移的方向,即由低矿化度区域向高矿化度区域运移。

(3)在油气运移的路径上,均存在显示地层水化学异常的Na2SO4型或NaHCO3型地层水,在整体较为封闭的水文地质条件下,Na2SO4型和NaHCO3型地层水的出现必然与地质历史上某一时期的外界流体交换和混入有关,一定程度上可作为断层及裂缝等优势运移通道存在的响应,此外CaCl2型地层水一定程度上可以作为良好保存条件的响应,因此长9油藏大多分布在Na2SO4型和NaHCO3型地层水分布区域的附近的CaCl2型地层水中。满足10 g/L <地层水矿化度≤30 g/L、0.4<钠氯系数≤1.0、脱硫系数≤15、变质系数>0,且在Na2SO4型和NaHCO3型地层水分布区域的附近的CaCl2型地层水水文地质环境下,姬塬地区长9油藏聚集的概率较大。

(4)在油气运移条件有限和充注程度不高的条件下,过于封闭的水文地质环境并不利于油藏运移、聚集,过于开放的环境不利于油藏的保存,因此地层水化学特征与油藏的关系受油气成藏地质条件的约束,在研究地层水与油藏的关系过程中,必须对油藏主控因素进行分析,根据油藏主控因素特征与相应地层水化学参数匹配对比。