松辽盆地扶新隆起带扶杨油层地层水化学特征及其与油气运聚关系

梅啸寒，张 琴，王雅芸,吴欣松，刘景彦，赵家宏，王武学

[1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京，100083； 2.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249； 4.中国石油 青海油田分公司采油三厂,青海 茫崖 816400；5.中国石油 吉林油田分公司 勘探开发研究院，吉林 松原 138000]

在含油气盆地中，地层水既是地下流体的主要成分也是油气运移的重要载体，其活动与循环样式与油气的生成、运移及聚集息息相关。地层水化学特征受古沉积环境、蒸发浓缩、水-岩相互作用及流体混合等多重因素影响，因此其化学特征可以间接反映地层的封闭性、成藏条件及油气运移方向等多种地质信息[1-4]。

松辽盆地是以白垩系为主的克拉通内部中-新生代陆相含油气盆地，含有多个油层(黑帝庙、萨尔图、葡萄花、高台子、扶余、杨大城子和农安)，各油层之间被多套局部隔层分割，形成了多套含水系统(上部含水系统、中部含水系统、下部含水系统和深部含水系统)，前人研究认为全盆地稳定展布地青山口组一段油页岩对地层水循环具有很强的阻挡作用[5]，将扶杨油层所在的下部含水系统与上部含水系统分隔。松辽盆地南部扶新隆起带扶杨油层具有近60年的勘探开发历史，但由于区域构造条件极其复杂，砂体被大量断层分隔严重[6]，地层水化学性质的差异分带性不仅体现在垂向上，也体现在不同构造单元上，非均质性严重，因此油气运聚过程及油气富集规律尚不明确。本文以松辽盆地南部扶新隆起带扶杨油层为研究对象，通过地层水离子特征分析地层水来源，结合烃源岩成熟度分析油田地层水矿化度、离子浓度在平面上和垂向上的变化规律与油气运聚及分布的关系，总结平面上不同构造单元，纵向上不同层位油气富集规律，为老油田的油气勘探提供新的理论和依据。

1 地质背景

扶新隆起带位于松辽盆地中央凹陷区东南部，为正向二级构造单元，是一个在前白垩系基岩之上发育的继承性古隆起，被多个生烃中心(西南部的长岭凹陷、西部的大安凹陷和西北部的三肇凹陷)所环绕形成了三面临凹的构造格局[6]。研究区位于扶新隆起带北坡，包含新民油田、新庙油田、新北油田、新立油田、扶余油田及木头油田北部(图1)，区内构造总体南高北低，东高西低，新立断鼻构造-木头构造-扶余古隆起构成了研究区的构造轴线。泉三段K1q3(杨大城子油层)泉四段K1q4(扶余油层)沉积时期松辽盆地进入早期拗陷期阶段，受西南部和东南部两大物源的控制，研究区广泛发育以河流-三角洲相为主体的砂岩储层，上覆青山口组一段沉积时期，盆地进入稳定拗陷期，盆地范围内被广泛的湖泊所覆盖[7]，并发生湖海沟通[8]，水体盐度升高，沉积了3组深湖半深湖劣质油页岩-泥岩组合，是松辽盆地最主要的烃源岩[9]，构成了扶杨油层“上生下储，新生古储”的特殊成藏模式。前人研究表明青山口组一段内部普遍发育的超压引起的势能差是含油气流体通过断层和砂体由凹陷区向隆起区形成压榨水离心流的重要动力[10-11]。充足的油源条件、继承性隆起构造带相互配置，使研究区成为油气运聚的长期有利指向区。

2 地层水化学组成特征

2.1 主要离子组成及水型特征

图1 松辽盆地南部扶新隆起带地理位置和地层发育特征[6]Fig.1 Geographical location and development characteristics of stratum in Fuxin Uplift,Southern Songliao Basin[6]a.研究区地理位置；b.研究区地层发育特征(新深1井)

表1 扶新隆起带扶杨油层部分地层水样品分析测试结果Table 1 Testing results of some formation water samples from Fuyang oil layer in Fuxin Uplift

注：r为离子的当量浓度。

2.2 主要离子比值系数特征

3 地层水来源

扶新隆起带扶杨油层地层水特征复杂，以低矿化度地层水为主，具有淡水型地层水的基本特征，与泉三段、泉四段沉积时期河流-浅水三角洲环境相符合，但局部地区也存在着高矿化度的地层水。张汪明等(2016)认为原始沉积淡水即使经历了浓缩作用矿化度也很难超过10 g/L[19]，因此研究区扶杨油层可能受到了外来高矿化度地层水的影响。

3.1 高矿化度地层水与储层孔隙度的关系

通过研究区扶杨油层地层水矿化度与实测孔隙度、渗透率的关系分析显示(图2)，当孔隙度小于15%时，地层水矿化度随孔隙度增高而缓慢上升，当孔隙度超过15%时，地层水矿化度随孔隙度增高而快速增高；当渗透率小于1×10-3μm2时，地层水矿化度随渗透率的变化幅度不大，当渗透率大于1×10-3μm2时，地层水矿化度随渗透率增高而快速升高，显示出高矿化度地层水(>10 g/L)多聚集在孔隙较大、渗透性较好的地层中[20]。当孔隙度较小、渗透率较低时毛细管力大，高矿化度地层水较难进入孔隙，对孔隙中原始沉积水的影响较小，矿化度上升不明显；而当孔隙度较大、渗透率较高时，高矿化度地层水会快速占据这些渗透性储集体，并以之为通道继续运移，进一步说明了高矿化度地层水的外来性。

3.2 高矿化度地层水与离子组成的关系

史婷婷等(2012)通过氢、氧同位素分析表明，松辽盆地中央凹陷区泉头组地层水为大气水与原始沉积水的混合[21]，未受到深部卤水的影响，因此研究区高矿化度地层水的成因与深部浓缩卤水上涌无关。通过地层水总矿化度与各离子含量关系可知，当地层水矿化度小于10 g/L时，不管是扶杨油层地层水Ca2+含量、Cl-含量还是Br-含量都与地层水矿化度具有良好的线性关系(图3a，c，e)；而当地层水矿化度大于10 g/L时，各离子含量与扶杨油层地层水矿化度的对应关系变差，将地层水矿化度高于10 g/L的数据点与研究区青一段数据交会发现，这些数据的变化规律与青一段各离子有相似的变化规律(图3b，d，f)，尤其以溴元素最为典型。一般而言，溴元素多富集于海水中，在陆相环境中溴元素多来源于陆生植物堆积，其变化多受浓缩作用和沉积环境控制，其他因素的影响较小[22- 23]。从Br-含量随地层水矿化度变化图(图3e，f)中可以看出，扶杨油层和青一段地层水中Br-含量均小于20 mg/L展现了典型的陆相特征，但扶杨油层高矿化度地层水(大于10 g/L)中Br-含量的浓缩趋势与青一段Br-浓缩趋势更为一致。青一段泥岩沉积时期水体较高的盐度[8]，且由于欠压实和生烃作用广泛发育超压，大量高矿化度地层水裹挟油气沿“T2”断层组合和砂体排入扶杨油层[5]，造成扶杨油层矿化度的升高。因此综合研究区高矿化度地层水离子变化特征，认为研究区高矿化度地层水(大于10 g/L)来源于上覆青山口组泥岩。

表2 扶新隆起带扶杨油层离子比值系数、地质意义及与其他油气田的对比[13,18]Table 2 Ion ratio coefficients and geological significance of the Fuyang oil layer in Fuxin Uplift,and the comparison of the the Fuyang oil layer with other oil and gas fields[13,18]

图2 扶新隆起带扶杨油层砂岩实测孔隙度、渗透率与地层水矿化度关系Fig.2 Relations between the measured porosity,permeability and the formation water salinity of the Fuyang oil layer,Fuxin Uplifta.实测孔隙度与地层水矿化度关系；b.渗透率与地层水矿化度关系

图3 扶新隆起带扶杨油层、青一段各离子含量与地层水矿化度关系Fig.3 Relations between ion content and formation water salinity in Fuyang oil layer and Qing-1 member of Fuxin Uplifta.扶杨油层钙离子与矿化度关系；b.扶杨油层高矿化度地层水钙离子、青一段钙离子与矿化度关系；c.扶杨油层氯离子与矿化度关系；d.扶杨油层高矿化度地层水氯离子、青一段氯离子与矿化度关系；e.扶杨油层溴离子与矿化度关系；f扶杨油层高矿化度地层水溴离子、青一段溴离子与矿化度关系

4 地层水分布特征及成藏区域的划分

4.1 地层水垂向分布特征

地层水及其性质的垂向和平面上并非简单的变化，其受到大气水淋滤、地层水浓缩、水岩相互作用、烃源岩排烃等多种作用的影响[12,15,24]，具有时间上的阶段性和空间上的分区带性。楼章华等(2009)在研究松辽盆地北部地层水性质时将水化学剖面划分为若干典型单元[25]，而在研究区石油地质条件的差异造成了水化学剖面的特殊性。

本文收集到的扶杨油层地层水数据点分布于200～2 600 m深度，未揭示深部地层水(大于3 000 m)变化特征[25]。根据总矿化度及各离子垂向变化特征，扶杨油层水化学剖面可划分为大气水下渗淡化带(A)、压实水淡化带(B)、溶蚀浓缩带(C)、粘土脱水淡化带(D)以及越流浓缩带(E)5个区带(图4)。大气水下渗淡化带(A)主要位于800 m以浅(数据主要来自扶余油田)。该带中随着埋藏深度的变浅，地层水矿化度和氯离子浓度快速减小，碳酸氢根离子浓度增加，指示该带受大气淡水渗入影响较大。随着深度增加，河流-三角洲相泥岩脱出大量孔隙水，使地层水淡化，化学剖面进入压实水淡化带(B)，由于扶杨油层原始沉积时为淡水环境，因此该带中淡化作用明显，表现出地层水矿化度、氯离子浓度和碳酸氢根离子降低的趋势。当埋深进一步增加时，地层温度和压力增加，离子的交换能力增加，有机酸溶蚀作用增强，泥岩脱水作用减弱，水化学剖面进入溶蚀浓缩带(C)，表现为地层水矿化度、氯离子浓度和碳酸氢根离子随深度增大缓慢增加的趋势。当埋深超过2 000 m时，地层水进入粘土脱水淡化带(D)，由于埋深较大，排烃产生的油气和有机酸很难影响该带，地层中粘土矿物发生伊利石化作用使蒙脱石脱去大量的层间水，导致地层水矿化度的快速降低。在1 100～1 300 m的深度范围内出现了局部矿化度的高值带(>10 g/L)，即越流浓缩带(E)，表现为矿化度、碳酸氢根离子浓度随深度减小快速增加，而氯离子增加幅度较缓，造成这一现象的主要原因是，青一段烃源岩达到生烃和排烃门限后，向扶杨油层输送大量富含有机酸和CO2的高矿化度的地层水，并在向上越流过程中使得储层不断发生溶蚀[26]，从而使矿化度和碳酸氢根离子浓度不断的升高。

图4 扶新隆起带扶杨油层水化学垂向分布特征Fig.4 Vertical distribution of formation water chemical properties in Fuyang oil layer in Fuxin Uplifta.矿化度(TDS)；b.氯离子(Cl-)含量；c.碳酸氢根含量

4.2 地层水平面分布特征

研究区目的层顶面正断层十分发育，走向以北北西-北北东走向为主，前人研究表明，这些断层多断穿扶杨油层，而向上没于青山口组泥岩，向下终于泉头组二段泥岩[6]，因此扶杨油层连通性较好，地层水化学参数具有一定的继承性(图5)，而又与中部含油气系统和深部含水系统具有较强的分割作用。研究区扶杨油层高地层水矿化度(大于10 g/L)、高钠氯系数的区域集中在新北鼻状构造带，新北鼻状构造带及木头构造西部(图5)，与本地烃源岩成熟度Ro高于0.7的区域大致相当，本地烃源岩排烃能力较强。此外该区域北邻三肇生油凹陷、西毗的大安生油凹陷，是两大离心流发生集中泄水的区域，大量高矿化度、高钠氯系数地层水裹挟油气，沿断层和砂体上涌，因此该区域就有原地和异地双重油源，地层受扰动程度高，造成了高矿化度、高钠氯系数区域与油气富集区高度的一致性。

新庙斜坡带和新民斜坡区地层水整体矿化度、钠氯系数相对较低，仅在局部存在高值区，该区域构造格局整体上为南北向倾斜的斜坡，埋深较浅，本地烃源岩成熟度低(Ro小于0.7%)，排烃能力差，且距凹陷区较远，地层相对封闭，含油气流体以断层和砂体为通道向构造轴线地带流动的过程中被原始沉积水稀释，矿化度降低。此外，该区域是扶杨油层三角洲前缘-湖泊沉积发育区[6]，砂地比相对较低，泥岩在成岩过程中，受上覆地层压力的作用排出大量孔隙水和层间水进一步降低了地层水矿化度。

图5 扶新隆起带扶杨油层地层水矿化度、钠氯系数平面分布Fig.5 Planar distributions of formation water salinity and sodium-chloride coefficients in Fuyang oil layer in Fuxin Uplifta.扶余油层地层水矿化度(g/L)；b.扶余油层地层水钠氯系数；c.杨大城子油层地层水矿化度(g/L)；d.杨大城子油层地层水钠氯系数

研究区矿化度最低的区域分布于扶余古隆起，该区域扶杨油层埋藏浅(200～400 m)，受大气淡水淋滤作用明显，理论上并不利于油气的聚集和保存，但扶余油田作为研究区构造高点是油气侧向运移的长期指向方向，油源条件良好，且断层集中发育，断块圈闭众多，圈闭闭合高度大，因此扶余古隆起仍是扶杨油层最主要的油气聚集区之一，但由于埋深浅降解作用明显，原油稠化作用强烈。

研究区钠氯系数最低的区域分布于新庙斜坡带南部和木头构造北部对应于Na2SO4型和CaCl2型水集中发育的区域，扶杨油层属于典型的上生下储，泉头组沉积后，随着埋深的增加，原始地层水不断浓缩，从最初的地层水型NaHCO3型由于钠长石化作用逐渐向Na2SO4型和CaCl2型转化，如果不受其他流体交换的影响，这种过程几乎不会发生逆转，因此CaCl2型水的存在指示了相对封闭的环境，原始地层水没受到烃类及其流体载体的影响，相对应的该区域内油源条件较差，很难形成大规模油气藏。

4.3 地层水动力场

根据地层水化学性质的平面分布特征及研究区现今压力系数分布特征(图6)，研究扶杨油层可划分为3个地层水动力场单元：压榨水离心流区，越流泄水区，大气水向心流区。总体上新北油田和新立油田扶杨油层现今压力系数大于1.02，属于地层压力高值区，依据楼章华等(2003)对松辽盆地扶杨油层水动力单元的划分[10]，新北油田和新立油田位于压榨水离心流区内。新北油田和新立油田紧邻三肇、大安生油凹陷，凹陷中青一段烃源岩埋深大，排烃强度大，产生的异常压力高。泥岩压实水裹挟油气在异常高压差的驱动下，通过断层和砂体由凹陷中心向边缘产生压榨水离心流[10-11](图6，AA′)，在新北油田和新立油田有利的构造背景下，大规模成藏，造成了高矿化度、高钠氯系数区域与油气富集区高度的一致性。根据地层水垂向及平面分布特征(图4，图5)，扶余油田受大气淡水淋滤作用明显，位于大气水向心流区内，而扶余油田地层压力系数在1.01～0.97，属于正常压力-弱低压区，造成这一现象的原因与扶余油田断裂发育，地层连通性好，大气水下渗淡化作用增强有关。而木头油田、新庙油田及新民油田位于离心流及向心流交汇的越流泄水区内，导致了地下水的向浅部的越流泄水作用，致使该区域上地层封闭性增高，地层水性质发生了转变。

图6 扶新隆起带扶杨油层现今压力系数分布及水动力场划分模式Fig.6 Distribution of present pressure coefficients,and the division model of hydrodynamic field in Fuyang oil layer in Fuxin Uplifta.扶杨油层现今压力系数分布等值线图；b.研究区水动力场划分模式图

4.4 成藏区域的划分

根据地层水动力场和烃源岩排烃能力将研究区分为3个成藏区域：源内成藏区、源边成藏区和源外成藏区。研究区中部和东部包括新北构造东侧、木头油田东北、扶余油田、新民油田及新庙地区青一段埋深不超过1 100 m，有机质成熟度Ro小于0.7%，烃源岩处于低熟或未熟状态[5-6]，排烃能力有限，而区域内离心流逐渐消亡，油气主要依靠浮力长距离侧向运移，为源外成藏区，对应于越流泄水区和大气水向心流区。而新北油田西部、木头油田西南部和新立油田青一段埋深增大，源岩热演化程度高，Ro普遍大于0.7%，本地烃源岩开始进入成熟阶段。该区域内来自凹陷的离心流作用强烈，而本地烃源岩排烃对离心流起到了一定的补给作用，因此扶杨油层受本地烃源岩及凹陷离心流双重控制，青一段烃源岩Ro大于0.7%的区域与压榨水离心流区大致相当，对应于源边成藏区。源内成藏区位于研究区最西部临近大安凹陷和三肇凹陷的区域，主要包含新北构造西侧和新立构造西侧，该区域内青一段埋深超过1 300 m，Ro超过0.9%，烃源岩进入排烃高峰[9]，产烃率可达680 mg/gTOC，该区域烃源岩排烃能力最强，地层超压高，油气影响深度大。

5 地层水化学特征与油气运聚关系

研究区各成藏区域内差异性很大的地层水性质反应了油气经历了不同的运移和成藏过程。为进一步研究扶杨油层水化学与油气运聚关系，以新立油田北部新223-庙17井(BB′)(图7)油气藏剖面为例进行详细油水关系分析。新立油田构造形态总体上表现为近东西向且被大量断层复杂化的断鼻构造，西侧紧临大安凹陷，青一段埋藏深度大(>1 300 m)，成熟度高(Ro>0.9%)，属于源内成藏区(图7)。源内成藏区具有双重油源，一方面本地青一段源岩在超压的作用下，克服浮力和毛细管力，由断层和砂体对接向下直排倒灌和侧灌向扶杨油层中输送了大量含油气高矿化度的酸性流体，另一方面来着凹陷区的压榨水离心流也向研究区输送了大量的油气，这些流体富含有机酸和CO2不断的扰动扶杨油层原始沉积地层水，并发生水岩作用使矿化度和钠氯系数不断升高，地层水类型多为NaHCO3型。当含烃流体下排到一定深度时，超压作用开始减弱，浮力成为地层水运移的主要动力，含烃流体开始沿砂体和断层上涌，不断浓缩并溶蚀储层，地层水矿化度进一步增加(图8)，对应于水化学剖面上的越流浓缩带。在源边成藏区，本地烃源岩成熟度变低，排烃能力较源内成藏区弱，影响层位开始变浅，扶杨油层内部形成了浅部NaHCO3型水，而深部未受扰动区域和过渡区域以Na2SO4型和CaCl2型地层水特征。源边成藏区储层长时间与富含油气流体接触并接受改造形成了大量高含油饱和度的油气藏。扶杨油层砂体以低孔低渗为主要特征，毛细管力大，因此在远离油源的源外成藏区离心流作用强度明显减弱，油气运载能力降低，受地层压实水和原始沉积淡水的影响，地层水矿化度逐步降低，形成的油气藏含油饱和度减低(如庙17井)，此外受越流泄水作用影响，深部地层封闭性增强，含油气流体影响深度很浅，扶余油层内部已出现未受扰动区(CaCl2型水区域)，总体上成藏条件相对较差。

6 结论

1) 扶新隆起带扶杨油层地层水以低矿化度地层水为主，具有淡水型地层水的基本特征，局部地区也存在着来自于上覆青一段的高矿化度的地层水。

2) 扶新隆起带水化学剖面可划分为大气水下渗淡化带(A)、压实水淡化带(B)、溶蚀浓缩带(C)、粘土脱水淡化带(D)以及高矿化度酸性流体上涌形成的越流浓缩带(E)。平面上，扶新隆起带新北鼻状构造带和新北鼻状构造带受两大离心流影响，原始地层水受含油气流体扰动程度大，形成了高矿化度、高钠氯系数区域与油气富集区高度的一致性；新庙斜坡带和新民斜坡区，扶杨油层地层水受泥岩压实排水作用明显，地层水矿化度较低；新庙斜坡部和木头构造北部是Na2SO4型地层水和CaCl2型地层水集中发育区，地层受扰动程度低，成藏条件较差；扶余古隆起受大气淡水淋滤作用明显，但由于是长期的构造高点，仍是研究区油气富集区之一。

3) 根据地层水动力场和烃源岩排烃能力将研究区分为3个成藏区域。源内成藏区、源边成藏区油源条件较好，油气下排深度大，地层受扰动深度较深，地层水矿化度、钠氯系数较高，成藏条件良好。而在源外成藏区部烃源岩成熟度低，含油气流体影响深度较浅，地层相对封闭，钠氯系数较低，油源条件较差，受压实作用影响，矿化度总体较低。