地表水/地层水水型分类及其划分方法

康志勇，李晓涛，田 文，吴一平

(1.中国石油辽河油田公司勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010;2.中国石油冀东油田公司勘探开发研究院，河北 唐山 063004)

0 引 言

地层水是指储存在地下岩层或矿床中的可动水和束缚水，包括地层圈闭中的边水、底水、层间水、水层水和温泉水。地层水主要有4种来源：一是沉积水，指沉积物堆积过程中保存于其中的水，其含盐量和化学成分受控于原环境，但在岩层埋深、压实、成岩等过程中的物理化学变化有时会使沉积水中的矿物离子发生改变；二是渗入水，指大气降水等渗入岩层中的地表水，渗入水可淡化地下高矿化度水；三是深层水，指来源于地壳深部的高矿化度高温水；四是转化水，指沉积成岩和烃类形成过程中，黏土矿物转化脱出的层间水及有机质向烃类转化时分解出的水。目前的地层水是上述4种来源水的混合水，甚至是与地表水的再混合水。地表水是天然汇集形成的水资源，包括自然降水、雪山和冰川融水、沼泽水、江水、河水、湖水和海水。而地层水分类主要源于美国学者帕勒梅尔和苏联学者阿列金、舒卡列夫、苏林及中国学者张金来等。目前，地层水普遍采用苏联地质矿物学博士苏林教授的分类(简称“苏林分类”)。苏林分类虽然在实践中还存在一些矛盾，但一直没有更好的替代解决方案。本文在分析国内外著名学者的各种天然水分类中，通过探讨天然水如何分类以及分析天然水中盐类形成顺序与地质环境的内在联系，提出天然水综合成因系数与综合判断系数分类方案(简称“六步九分法”)，该方案试图解决目前苏林分类在实际应用中出现的各种主要矛盾。

1 天然水分类现状

天然水是自然界中非人为因素形成的地表水和地层水的统称。实际上有很大比例的地表水与埋藏较浅的地层水以露头或泉眼等形式相互连通，因此，严格意义上的地表水与部分浅层地层水是很难区分的。

1.1 主要分类参数

(1)地层水矿化度()：指1 L水中所含矿物离子的质量，单位为mg·L。

(2)离子毫摩尔浓度：指1 L水中所含矿物离子的毫摩尔数。其数学表达式为

(1)

(3)离子单位电荷毫摩尔浓度：指1 L水中所含矿物离子的单位电荷毫摩尔数。单位电荷或元电荷是指带1.602 189 4×10库伦电量的最小电荷。1库伦相当于6.241 460 122×10个电子所带的电量总和。1个电子带1个单位负电荷电量，1个质子带1个单位正电荷电量。例如，1个Cl带1个单位负电荷电量，1个Ca带2个单位正电荷电量。单位电荷描述的是电量而非粒子。离子单位电荷毫摩尔浓度的计算公式为

(2)

式中：为总离子单位电荷毫摩尔浓度；为第种离子的单位电荷毫摩尔浓度；为第种离子或酸根的化合价(=1，=1，=2，=2，=1，=2，=1，=2)。

1.2 现有分类

水文地质学用矿化度或含盐量将天然水划分为淡水、微咸水、咸水、盐水、卤水5种类型；按水硬度可把天然水分为特软水、软水、中等水、硬水、特硬水5类。

(1)阿列金分类。首先把水体中含量最多的阴离子作为分类基础，将天然水分为3类，分别为重碳酸盐类、硫酸盐类、氯化物类；其次，在每一类中按阳离子分为3组，即钙组、镁组、钠组；最后，再按相关离子单位电荷毫摩尔浓度比例关系把每一组分为4种类型，分别为Ⅰ型(+2>2+2)、Ⅱ型(+2<2+2<2++2)、Ⅲ型(2++2<2+2或>+)、Ⅳ型(+2=0)，最终划分出27种水型。

(2)舒卡列夫分类。该分类是按阴、阳离子物质的量浓度大小进行划分的。在天然水中，4种阴离子与4种阳离子相互结合；按照阴离子或阳离子单位电荷毫摩尔分数大于25%才能参与水型命名的分类原则，将天然水组合分为49种水型。舒卡列夫分类与阿列金分类有相同之处，但又有离子单位电荷毫摩尔分数下限要求不同等区别。

(3)苏林分类。1911年美国帕勒梅尔首次提出地层水分类方案，之后众多学者在此基础上提出很多方案。1946年苏联地质矿物学博士苏林教授的特性系数分类最简洁，普遍被大家接受。苏林教授认为：地层水的化学成分与地质环境有关；根据Na(K)与Cl的当量浓度比(等于单位电荷毫摩尔浓度比)，按阳离子与阴离子亲合力大小的组合顺序(图1)，结合特性系数可将地层水划分为NaSO、NaHCO、MgCl和CaCl等4种水型。这也是石油行业地层水水型分类的现行行业标准。

①代表离子亲合力最大;②代表离子亲合力中等;③代表离子亲合力最小图1 离子亲合力顺序示意图Fig.1 View of Ionic Affinity Sequence

(4)张金来对中国地层水进行了较长时间的研究，考虑到水中离子的特点，于1982年提出地层水以Cl等为指标的分类方案。Cl与地层水矿化度的相关性较好，其变化一般能反映地层水的化学特征，因此，按Cl浓度、离子组合变异系数、闭合系数等指标可将地层水划分为低氯水、中氯水、强氯水和高氯水4种水型。

1.3 存在问题

天然水无论按矿化度、含盐量、硬度或Cl浓度进行分类，都只是对总离子或指定离子含量高低的简单分类，没有与天然水的具体形成环境建立关联，对油气田的勘探开发缺乏指向性。阿列金分类重点考虑了优势离子，虽然分类很细，但水型的划分缺乏与地质环境的客观因果关系；舒卡列夫分类忽略了阴离子或阳离子单位电荷毫摩尔分数小于25%的离子，然而这些离子恰好与天然水的成因环境密切相关，另外该分类还未考虑阴离子或阳离子单位电荷毫摩尔分数大于25%时离子的主次关系；苏林分类虽然在不同程度上规避了上述分类的主要不足，但其自身依然存在诸多缺陷，主要表现在以下几个方面。

(1)苏林分类中不包含自然界中普遍存在的NaCl水型，即忽略了Na(含K)和Cl单位电荷毫摩尔浓度近乎对等或NaCl+KCl在水中的配伍离子单位电荷毫摩尔分数占绝对优势时(如大于或等于80%)这一特定的、极具代表性的NaCl形成环境。

(3)苏林分类未把代表天然水水型盐类的稳定性与形成该盐类的地质环境建立符合实际的因果关系。

(4)苏林分类没有真正把地表水与地层水区分开，且使用的离子当量浓度单位(meq·L)目前已废弃，应改用国际通用的物质的量浓度，即离子毫摩尔浓度(mmol·L)或单位电荷毫摩尔浓度(mmol·L)。

2 天然水水型分析

天然水水型分析是油气藏特征研究的重要组成部分，而天然水中各种盐类的形成环境及优势离子单位电荷毫摩尔分数都是天然水水型分析时需要充分考虑的因素。本文在苏林分类和阿列金分类基础上提出了天然水综合成因系数与综合判断系数分类方案(简称“六步九分法”)。该分类方案既考虑了不同成因环境下形成盐类的稳定性及地质历史演变的影响，也考虑了优势离子及优势盐类对分析天然水水型的指向意义。

2.1 盐类化合物形成顺序

在天然水常见的8种离子中，当4种阳离子与4种阴离子单位电荷毫摩尔浓度基本对等时，根据8种离子亲合力大小关系(图1)，由亲合力最强的阴、阳离子间首先充分化合；当亲合力最强的离子还有富余时，这些离子与亲合力次强的离子充分化合；之后若还有亲合力最强的离子剩余时，再与亲合力最弱的离子充分化合。只有亲合力最强的阴、阳离子按亲合力大小依次全部化合后，亲合力次强的离子间才开始化合；当次强离子还有剩余时，次强离子再与亲合力最弱的离子进行化合，并消耗殆尽；最后才出现亲合力最弱的阴、阳离子间化合，这就是天然水中盐类化合物的形成过程。水中每种盐类化合物的形成总与相应的地质环境密切相关，相似的地质环境可形成相同的盐类化合物，而相同的盐类化合物可以是不同地质环境下的产物。

图2 9种盐类化合物形成顺序示意图Fig.2 View of Nine Salt Compounds Formation Sequence

首先，亲合力最强的离子之间或与亲合力次强的离子之间形成最稳定的化合物NaCl、NaSO或MgCl。该类化合物形成于陆相环境(内陆闭塞湖泊)或海相环境(入海口、海湾、远海)，形成这些盐类化合物的天然水都经历了相当长的地质历史演化周期。随后，亲合力最强的离子与亲合力最弱的离子之间形成较稳定的化合物NaHCO或CaCl。NaHCO的原始沉积环境为陆相，CaCl的原始沉积环境为陆相或海相，其演变与成岩和(或)成藏有千丝万缕的联系，并且都经历了漫长的地质历史演化周期。接着，亲合力中等的离子之间形成中等稳定的化合物MgSO。该类化合物形成于特定的盐湖或海湾等环境，并经历了较长的地质历史演化周期，但在油气藏中极少见到该类地层水。之后，亲合力中等的离子与亲合力最弱的离子之间形成较不稳定的化合物Mg(HCO)或CaSO。Mg(HCO)形成于不稳定的陆相(如河流或淡水湖泊)或与火山活动有关的地质环境；在地质历史演化的过程中，当含Mg(HCO)的地层埋深超过3 000 m时，Mg(HCO)受热到一定程度会转化为碱式碳酸镁(3MgCO·Mg(OH)·3HO)沉淀。CaSO形成于陆相(河流、淡水湖泊)或干旱、半干旱的盐化泻湖环境，或存在于与石膏矿脉相接触的地层水和温泉中，陆相环境形成的CaSO水型经历的地质历史演化周期非常短暂。最后，亲合力最弱的离子之间形成最不稳定的化合物Ca(HCO)。该化合物只存在于不稳定的内陆河流、淡水湖泊或埋深小于3 000 m的地层及温泉中，是未经历过地质历史演化或经历了极短地质历史演化的天然水。

总之，大部分地层水与地表水实际上是同源之水，只是在特定地质环境下经历不同的地质历史演化周期和演化形成机制而已。

2.2 水型评价参数

评价天然水水型之前，首先分别计算常见的8种离子总离子单位电荷毫摩尔浓度、每种离子单位电荷毫摩尔分数以及配伍后的NaCl+KCl在水中单位电荷毫摩尔浓度和单位电荷毫摩尔分数；其次，计算相关离子单位电荷毫摩尔浓度比、天然水综合成因系数和天然水综合判断系数；最后，确定优势离子及优势盐类。

总离子单位电荷毫摩尔浓度和配伍后的NaCl+KCl在水中单位电荷毫摩尔浓度()为

(3)

配伍后的NaCl+KCl在水中单位电荷毫摩尔浓度是阴、阳离子(Na+K、Cl)中的最小浓度正电荷或最小浓度负电荷之离子单位电荷毫摩尔浓度的两倍。

离子和配伍后的NaCl+KCl在水中单位电荷毫摩尔分数分别为

(5)

(6)

式中：为第种离子单位电荷毫摩尔分数；为Na+K与Cl配伍后形成的NaCl+KCl在天然水中单位电荷毫摩尔分数(简称“NaCl单位电荷毫摩尔分数”)。

根据Na+K与Cl单位电荷毫摩尔分数及NaCl单位电荷毫摩尔分数可判断天然水中NaCl是否为优势盐类。

离子单位电荷毫摩尔浓度比(简称“浓度比”)为

(7)

(8)

(9)

式中：、、分别为离子单位电荷毫摩尔浓度比；为分母调节系数(分母中其他变量为0时，=0000 1；分母中其他变量不为0时，=0)。

天然水综合成因系数为

=+-

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：、、、、分别为天然水综合成因系数。

根据天然水综合成因系数可确定天然水中的优势盐类：当≈0时，天然水属NaCl形成环境；在各种特定背景下，当满足>0.5时，天然水属NaSO形成环境；当满足>0.5时，天然水属MgCl形成环境；当满足>0.5时，天然水属CaCl形成环境；当满足>0.5时，天然水属NaHCO形成环境。

天然水综合判断系数为

=min(+,++
+--)

(15)

=+---

(16)

=

(17)

=+-

(18)

(19)

=max(,,,)

(20)

=min(,+++
---)

(21)

=++--

(22)

=

(23)

=--

(24)

(25)

=max(,,,)

(26)

式中：、、、、、分别为当>1时天然水综合判断系数及其最大值；、、、、、分别为当<1时天然水综合判断系数及其最大值。

2.3 离子组合类型

根据天然水综合成因系数可将天然水离子组合分为5类，再依据浓度比将天然水离子组合细分为20种类型(表1)。当然，这20种离子组合类型都是在阴、阳离子单位电荷毫摩尔浓度基本对等的前提下划分的，实际情况会更复杂些。总体而言，除个别极端情况外，天然水离子组合基本反映了天然水中最常见的矿物离子组合类型。

表1 天然水离子组合类型Table 1 Ions Combination Types of Natural Water

2.4 水型分析步骤

根据5类20种天然水矿物离子组合类型，结合NaCl单位电荷毫摩尔分数，可用6个步骤将天然水划分为9种水型，即六步九分法(表2)。

第一步，根据浓度比，将天然水分为3组，当0.99≤≤1.01或-0.01≤≤0.01时，将天然水划分为NaCl水型。

第二步，根据NaCl单位电荷毫摩尔分数，将第一步余下的两组天然水细分为4组；当≥0.80时，其中的两组天然水可划分为NaCl水型。

第三步，根据浓度比或，将第二步余下的两组天然水细分为4组。

第四步，根据天然水综合成因系数、、、，结合第三步分组结果，将天然水进一步细分为8组，其中的4组天然水可分别划分为NaSO水型(>0.5)、MgCl水型(>0.5)、CaCl水型(>0.5)和NaHCO水型(>0.5)。

第五步，根据浓度比和，将第四步余下的4组天然水进一步细分为8组，并将其中的4组天然水分别划分为MgSO水型和Ca(HCO)水型。

第六步，根据天然水综合判断系数、、、、、、、、、、、将第五步余下的4组天然水进一步细分为12组，并按天然水综合判断系数依次划分出Ca(HCO)→CaSO→MgSO→NaSO和MgSO→NaHCO以及Ca(HCO)→Mg(HCO)→MgSO→MgCl和CaCl→CaSO等8种天然水水型(表2)。

表2 六步九分法分析天然水水型Table 2 Natural Water Types Analyzed by Classification Method with Nine Types and Six Steps

综上所述，用六步九分法将天然水划分为9种，即NaCl水型、NaSO水型、MgCl水型、NaHCO水型、CaCl水型、MgSO水型、CaSO水型、Mg(HCO)水型、Ca(HCO)水型，且每种水型具有各自的特点及成因环境。

2.5 水型特点

NaCl(俗称石盐、食盐或盐)水型代表有源供给的内陆闭塞湖泊或入海口、海湾环境。其主要特点是0.99≤≤1.01，或-0.01≤≤0.01，或≥0.80，并形成以NaCl为优势盐类的NaCl水型。

MgCl水型代表开阔的海洋环境。在远离海岸的开阔海水中阴、阳离子单位电荷毫摩尔浓度大小依次为+>2>2、>2>+2。该水型的基本特点是<0.80、<1、<1、>05或<0.80、≤05、≥1、=，水中的双优势离子形成了优势盐类MgCl，并形成MgCl水型。在大洋中，由于海水经历了漫长的演变周期和连续不断地各种不同形式的混合运动，以及海水的巨大体量，造就了MgCl水型遵循海水常量成分恒定性原理。但在地层中出现的MgCl水型，其离子单位电荷毫摩尔浓度不遵循海水常量成分恒定性原理，且总矿化度小于海水。

NaHCO(俗称小苏打)水型代表陆相环境，是油气藏中最常见的地层水水型，地表无此水型。该水型的特点是<0.80、>1、≥1、>05或<0.80、≤05、<1、>1，水中的双优势离子形成优势盐类NaHCO，使地层水形成NaHCO水型。

CaCl水型代表陆相或海相环境，是深层封闭环境的产物，是气藏最典型的地层水水型，地表无此水型。该水型的特点是<0.80、<1、>05或<0.80、≤05、<1、>1，水中的双优势离子形成了优势盐类CaCl，使地层水形成CaCl水型。

CaSO(俗称硬石膏)水型代表陆相盐化泻湖等环境，多与石膏矿的形成环境类似，可出现在河流、湖泊、温泉水或油气藏中。该水型的特点是<0.80、>1、<1、≥1、≤05、=或<0.80、>1、<1、≥1、≤05、≤1，水中的双优势离子形成了优势盐类CaSO，使天然水形成CaSO水型。

Mg(HCO)水型代表低矿化度的地表淡水或浅层地层水。该水型的特点是<0.80、>1、≥1、<1、≤05、≤1或<0.80、>1、≥1、<1、≤05、=，水中的双优势离子形成了优势盐类Mg(HCO)，使天然水形成Mg(HCO)水型。

Ca(HCO)水型代表大陆冲刷环境，是典型的地表淡水水型，与河流中离子单位电荷毫摩尔浓度大小顺序(2>>2或2>2>或2>2>，>2>)基本匹配，油气藏中少见此水型。该水型的基本特点是<0.80、>1、<1、≥1、≤05、=，或<0.80、>1、≥1、≥1、≤05，或<0.80、<1、<1、≥1、≤05，或<0.80、<1、≥1、<1、≤05、=，说明水中的双优势离子相互结合形成了优势盐类Ca(HCO)，使天然水(主要为地表水)形成最不稳定的Ca(HCO)水型，这是因为Ca(HCO)加热即转换为CaCO和CO。同时，该水型还有别于封闭湖泊，在自然界中演化时间极短，如河流及正常湖泊一般很快汇入大海或被生物消耗或渗入地下等；其与大洋海水形成鲜明对比，大洋海水的主要离子成分相对稳定，而河流和淡水湖泊的主要离子成分很不稳定(上、中、下游或不同季节取样分析结果都会有较大差异)。因此，Ca(HCO)是衡量地表水是否经历了较长地质历史演化周期的重要标志性盐类。

在上述9种水型中，Ca(HCO)水型为典型的大陆冲刷环境下的淡水水型，基本不出现在油气田中；MgCl水型为典型的开阔大洋海水水型，出现在油气藏中的MgCl水型不遵从海水常量成分恒定性原理；MgSO水型出现在盐湖或海湾环境；Mg(HCO)水型为很少出现的地表淡水或浅层地层水水型，可出现在与火山岩有关的地层中；CaSO水型为特定地质环境下形成的地层水水型；NaHCO和CaCl为典型的地层水水型，地表不存在这两类水型；NaSO水型为内陆有源封闭性湖泊或地层水水型；NaCl水型为内陆有源封闭性湖泊、海湾、入海口或地层水水型，无论出现在地表还是地层中都是经历了较长地质历史演化周期的重要标志性水型。

2.6 案例分析

表3、4以洞庭湖水样为例阐述了天然水六步九分法的具体应用步骤及水型分析结果。表5根据国内外不同地区146个水样分析结果，用六步九分法与苏林分类对比分析天然水水型。已有淡水水样分析表明，地表淡水以Ca(HCO)水型为主，而非苏林分类划分的NaSO水型(表5)。

表3 洞庭湖离子含量分析结果Table 3 Analysis Results of Ion Content in Dongting Lake

表4 洞庭湖水型分析结果Table 4 Analysis Results of Water Type in Dongting Lake

表5 天然水离子浓度及水型对比Table 5 Comparison Between Natural Water Ion Concentration and Water Type

NaSO水型在六步九分法中是内陆闭塞湖泊或地层条件下形成的；Ca(HCO)和Mg(HCO)水型都不会出现在大于3 000 m以下的地层中，因为含Ca(HCO)的地层水温度升高到100 ℃后即分解为CaCO沉淀和CO气体；含Mg(HCO)的地层水温度升高到100 ℃后即转化为碱式碳酸镁沉淀。综上所述，钙质胶结的砂岩地层可能是Ca(HCO)水型的陆相沉积物在经历深埋(大于3 000 m)、压实、成岩等过程中发生了系列物理化学变化后的产物，使地层水由原来的Ca(HCO)水型转变为NaHCO或CaCl水型，这也许就是在地表见不到NaHCO和CaCl水型的根本原因；反过来说，在地层中出现的NaHCO水型，也许其母水应为陆相成因的淡水，并成为陆相油气成藏的佐证之一。

3 结 语

(1)Na+K和Cl相对含量是天然水水型划分的方向性指标。NaCl绝对含量反映天然水的演化历史，含量越高代表天然水的地质历史演化周期相对较长；NaCl相对含量也反映天然水的形成演化环境，当NaCl单位电荷毫摩尔分数大于或等于0.80时，NaCl才称为优势盐类，否则NaCl属非优势盐类。

(2)在阴、阳离子单位电荷毫摩尔浓度基本对等的前提下，根据天然水综合成因系数和浓度比，可将天然水中的离子划分为5类20种离子组合类型。这些离子组合基本涵盖了自然界中最常见的8种离子的组合类型。

(4)分析天然水水型的六步九分法是以离子单位电荷毫摩尔浓度比、天然水综合成因系数和天然水综合判断系数为标尺，将优势盐类的单位电荷毫摩尔分数与成因环境紧密结合，在离子单位电荷毫摩尔浓度相等的条件下，以亲合力更弱的离子形成的优势盐类占优作为天然水水型命名的基本原则，从而使不同环境下形成的优势盐类决定了相应的天然水水型。

(5)最常见的5种地层水水型为NaHCO、CaCl、NaSO、MgCl、NaCl。其中，NaHCO水型和CaCl水型不会出现在地表水中；不常见的3种地层水水型为Mg(HCO)、CaSO、MgSO。最常见的4种地表水水型为Ca(HCO)、MgCl、NaSO、NaCl；不常见的两种地表水水型为Mg(HCO)和CaSO。

(6)地表水MgCl水型遵循海水常量成分恒定性原理，地层水MgCl水型则不遵循此原理。在地表水NaSO水型中，Mg单位电荷毫摩尔浓度大于Ca；在地层水NaSO水型中，Mg单位电荷毫摩尔浓度小于Ca。地表水和地层水NaCl水型目前还无法区分。地表淡水以Ca(HCO)水型为主，而非苏林分类划分的NaSO水型。

(7)9种天然水水型反映了相对特定的地质环境，即内陆河流、内陆淡水湖泊、内陆封闭半封闭非淡水湖泊、近岸封闭泻湖、海湾、入海口、近海、远海以及成岩和成烃环境。不同环境形成的各类天然水都要经历一定的地质历史演化周期。稳定性好的相应盐类水型演化周期最长；稳定性最差的相应盐类水型演化周期最短，甚至可以忽略；同一水型的演化周期差别也非常悬殊。

(8)六步九分法适用于分析天然形成的地表水和与油气藏成烃作用及油气藏形成有关的地层水水型，且要求常见的4种阳离子和4种阴离子单位电荷毫摩尔浓度基本对等，因此，对分析其他矿床地层水水型可能存在风险。