鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水地球化学特征和来源

赵永强，倪春华，吴小奇，朱建辉，刘光祥，王付斌，贾会冲，张 威，齐 荣，安 川

1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；2.中国石化 油气成藏重点实验室，江苏 无锡 214126；3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 102206；4.中国石化 华北油气分公司 油气勘探管理部，郑州 450006；5.中国石化 华北油气分公司 勘探开发研究院，郑州 450006

鄂尔多斯盆地是我国陆上重要的含油气盆地之一，也是我国目前天然气产量最高的盆地，现已发现包括苏里格、大牛地等在内的探明储量超过1 000×108m3的大气田9个[1-4]。鄂尔多斯盆地天然气勘探领域主要包括上古生界石炭系—二叠系致密砂岩和下古生界奥陶系马家沟组碳酸盐岩[5-14]，其中上古生界气藏中气水共存现象普遍存在[15-17]。近年来，勘探范围从盆地腹部逐渐向盆地边缘拓展，在盆地北缘杭锦旗地区上古生界发现了东胜大气田，截至2021年底，其天然气探明储量达1 926.74×108m3[5]，该区成为鄂尔多斯盆地天然气勘探开发的热点地区之一。

杭锦旗地区上古生界天然气主要富集于二叠系下石盒子组砂岩储层中。烃源岩和天然气地球化学特征的系统研究表明，该区泊尔江海子断裂以南十里加汗和独贵加汗地区烃源岩明显优于断裂以北什股壕地区烃源岩[18-19]，什股壕地区天然气主要由断裂南侧十里加汗和独贵加汗地区运移而来[9,20]。杭锦旗地区二叠系气水关系较为复杂[17]，多口钻井气水同产，未发生明显的气水分异[21]。地层水地化特征和成因研究在揭示油气藏保存条件、储层水岩相互作用、油气成藏机理等方面发挥了独特的作用[22-31]。初步研究表明，泊尔江海子断裂南、北两侧地层水特征表现出一定的差异[32-33]，但对该区地层水地球化学特征和成因的研究整体较为薄弱，制约了对天然气成藏过程和富集机理的认识。因此，本文通过对杭锦旗地区不同区带二叠系地层水常量组分、微量元素和氢、氧同位素的分析，并与苏里格气田地层水特征的对比，探讨地层水的成因和来源，以期为揭示该区天然气成藏机理提供科学依据。

1 地质背景

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北缘，处于伊盟隆起、伊陕斜坡与天环坳陷这3个盆地一级构造单元的结合部位(图1a)，总面积为9 825 km2[17,21]。该区古生代构造沉积演化受自东向西发育的3条主干断裂控制(图1b)，其中泊尔江海子断裂为断面北倾的逆断层，而乌兰吉林庙和三眼井断裂则为断面南倾的正断层[9,19]。根据断裂分布等特征可以将该区划分为什股壕、独贵加汗、十里加汗、阿镇、公卡汗、新召西、新召东等7个勘探区带[5]。杭锦旗地区在地形特征上是鄂尔多斯盆地北部长期继承性的古隆起，也是油气运移的有利指向区[34]。目前发现的探明储量主要位于独贵加汗、新召东、什股壕这3个区带[5](图1b)。

图1 鄂尔多斯盆北部杭锦旗地区构造位置(a)和井位分布(b)

杭锦旗地区天然气主要储集于下石盒子组(P1x)致密砂岩中，在山西组(P1s)、太原组(C3t)等层系也有局部发现，储集层总体上以低孔、低渗为特征[35]。天然气成因鉴别和气源对比表明，天然气主体为煤成气，来自太原组和山西组煤系烃源岩[9,20]。这套烃源岩为倾气型源岩，有机质类型主要为Ⅲ型，成熟度自北向南逐渐增大，镜质体反射率Ro主体介于0.8%～1.4%[18-19]。煤系烃源岩生气强度在泊尔江海子断裂以南主体介于(15～30)×108m3/km2，而在该断裂以北则普遍小于10×108m3/km2[19,36]。上石盒子组(P2sh)和石千峰组(P2s)在杭锦旗地区分布较为稳定，其中泥岩厚度130～160 m，是下伏下石盒子组和山西组致密气藏的有效区域盖层[36]。与鄂尔多斯盆地腹部上古生界气藏相比，杭锦旗地区已发现的天然气储量丰度和单井产量较低，气水分布复杂[36]。

2 样品和分析方法

本文采集了杭锦旗地区二叠系下石盒子组和山西组水样共12个，其中泊尔江海子断裂以北什股壕地区8个，断裂以南独贵加汗地区3个、十里加汗地区1个。地层水地球化学分析测试均在中国石化油气成藏重点实验室进行，水化学组成分析参考行业标准《油田水分析方法：SY/T 5523-2016》[37]，其中微量元素含量分析采用Vista-MPX电感耦合等离子体发射光谱仪进行，氢、氧同位素组成分析采用Delta V Advantage稳定同位素质谱仪进行。地层水矿化度、微量元素含量和氢、氧同位素组成测试结果详见表1。此外，笔者还收集了杭锦旗地区不同钻井[21,33]及苏里格气田[15]地层水数据用于对比分析。

表1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区地层水矿化度、微量元素含量和氢、氧同位素组成

3 地层水化学组成

3.1 水型和矿化度

杭锦旗地区泊尔江海子断裂南、北两侧地层水具有一定的差异。断裂以北二叠系地层水矿化度(TDS)介于3.6～89.2 g/L，主体介于40～80 g/L，平均为52.1 g/L；断裂以南二叠系地层水TDS介于15.3～80.1 g/L，主体介于20～60 g/L，平均为41.9 g/L，整体略低于断裂以北(图2a)。山西组地层水特征与所在地区下石盒子组地层水矿化度分布范围一致(图2a)，未表现出垂向分带特征。少数样品矿化度偏低，甚至TDS不足5 g/L，可能是受凝析水混入的影响。大牛地气田下石盒子组地层水矿化度明显偏低，盒2、3段矿化度平均分别仅为15 g/L和14 g/L，这可能主要由于含气饱和度较高、凝析水较多造成的[16]。苏里格气田二叠系地层水矿化度介于29.1～68.3 g/L，平均为48.3 g/L[15]，与杭锦旗地区地层水具有一定的相似性。

泊尔江海子断裂两侧二叠系地层水中Na++K+浓度与TDS具有一定的正相关性(图2a)，而Cl-则与TDS呈明显的正相关(图2b)，这可能主要缘自地层水常量离子中Cl-占主导。断裂以北和以南地层水中Cl-含量分别介于0.9～55.9 g/L和1.1～50 g/L(图2b)，平均分别为31.8 g/L和24.4 g/L，在平均TDS中占比分别为61.0%和58.2%。

图2 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水Na++K+(a)和Cl-含量(b)与TDS相关图

3.2 水化学特征参数

变质系数[(rCl--rNa+)/rMg2+]可以反映水岩作用的强度和离子交换的程度，变质系数越大表明油气藏封闭性越好，越有利于油气保存[40]。杭锦旗地区二叠系地层水变质系数整体高于0，泊尔江海子断裂以北和以南地层水变质系数平均分别为20.2和33.6(图3b)。苏里格气田二叠系地层水变质系数介于7.8～180.0，平均为55.1[15]，表明其水岩作用强度超过杭锦旗地区，油气藏封闭性更好。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水脱硫系数与钠氯系数(a)和盐化系数与变质系数(b)相关图

因此，杭锦旗地区二叠系地层水的不同类型水化学特征参数均表明，该区二叠系具有较好的地层封闭性，地层水在埋藏过程中经历了较强的浓缩变质作用，反映了天然气保存条件较好。截至2021年底，该区东胜气田二叠系天然气探明储量共1 926.74×108m3，其中泊尔江海子断裂以南的独贵加汗区带为1 529.09×108m3，断裂以北什股壕区带为162.87×108m3；在控制储量和预测储量中，泊尔江海子断裂南北两侧的独贵加汗、十里加汗和什股壕这3个区带合计占比分别超过85%和60%[5]。这反映了东胜气田天然气三级储量主体位于泊尔江海子断裂南、北两侧，较好的保存条件是该区形成规模性天然气聚集的重要基础。

3.3 离子间关系特征

海水蒸发曲线和海水—河水混合线在判断各种离子的相对富集或亏损、指示水岩相互作用与地层水演化特征等方面发挥着重要作用[16,25,41-42]。由于Cl-化学性质相对稳定，在海水蒸发曲线上只有在达到100 g/L之后才会发生沉淀，因此通过其他离子含量相对Cl-含量的变化，能够判断地层水中各种离子的相对富集或亏损[16]。杭锦旗地区泊尔江海子断裂以北和以南地区地层水中Cl-含量分别介于0.9～55.9 g/L和1.1～50 g/L，远小于100 g/L(图2b)，且二叠系未发现盐层，这表明地层水在演化过程中未发生Cl-的沉淀，其含量变化源自地层水的蒸发浓缩作用。

在Cl-和Na+相关图上，杭锦旗地区二叠系地层水除个别样品位于海水—河水混合线上外，主体与海水特征较为接近(图4a)。与海水—河水混合线和海水蒸发线相比，在Cl-浓度相近的条件下，杭锦旗地区地层水Na+浓度表现出轻度亏损的特征(图4a)，这表明地层水的化学演化并非只经历了简单的蒸发浓缩。地层水中Na+的相对富集主要缘自含钠矿物的溶解，而斜长石的钠长石化作用则会导致地层水中相对亏损Na+而富集Ca2+[43]。与海水蒸发曲线相比，杭锦旗地区二叠系地层水除了表现出轻度的Na+亏损外，还表现出明显的Ca2+相对富集特征(图4b)，表明地层中发生了斜长石的钠长石化作用。值得注意的是，杭锦旗地区地层水中Na+仅为轻度亏损，而同为阳离子的Ca2+却是显著富集，即斜长石发生钠长石化导致的Na+的亏损并不足以平衡Ca2+的富集。

杭锦旗地区地层水中Mg2+含量均低于海水的值，相对海水蒸发曲线表现出明显的亏损特征，这一方面表明地层水为陆相地层水浓缩变质而来，并非直接来自海相地层；另一方面也与Ca2+的显著富集相对应(图4c)。对四川盆地川西新场地区须家河组地层水研究表明，Ca2+的富集和Mg2+的亏损往往指示了成岩过程中发生了白云岩化作用[25,42]。大牛地气田上古生界地层水中Mg2+的相对亏损也被认为与白云石胶结物和绿泥石等发育有关[16]。因此，杭锦旗地区地层水中Mg2+的亏损可能主要缘自胶结物的白云岩化作用，这也与Ca2+的富集相平衡。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水Cl-与Na+ (a)、Ca2+ (b)、Mg2+ (c)、Sr(d)含量相关图

3.4 微量元素特征

异常高含量的Sr往往发育于高浓缩的海相地层水或膏盐岩地层中，如川中地区须家河组地层水中Sr含量普遍超过1 000 mg/L，可能与下伏高浓缩的海相地层水有关；而川西须家河组典型陆相地层水中Sr含量则明显较低，主体介于200～800 mg/L[25,44]。地层水中Ca2+和Sr的同步富集可以指示二者为水岩相互作用过程中由含钙矿物溶蚀释放而来[16]。杭锦旗地区二叠系地层水中Sr含量介于212～871mg/L，平均为660 mg/L，且未表现出明显的区域性差异(表1)。与海水蒸发曲线相比，杭锦旗地区地层水中明显富集Sr(图4d)，与Ca2+表现出一定的相似性(图4b)。这表明该区地层水中的Sr主要来自钙长石或胶结物方解石等含钙矿物的溶蚀，并非来自海相地层水的浓缩。

微量元素Ba、Sr组合反映海相与陆相水文地质环境，油田水中Ba含量较高表明存在良好的还原环境[22]。如川中地区须家河组地层水多数具有很高的Ba、Sr含量，二者分别普遍超过1 200 mg/L和1 000 mg/L，表明其可能与高浓缩的海相地层水有关[44]。杭锦旗地区泊尔江海子断裂以北下石盒子组地层水中Ba含量介于66～301 mg/L，平均为207 mg/L；断裂以南地区下石盒子组则整体偏低(37～77 mg/L)，而该区山西组一个地层水样品表现出明显较高的Ba含量(569 mg/L)(表1)。杭锦旗地区二叠系地层水样品中的Ba含量尽管超过现今海水中的Ba含量[44]，表明其为还原环境的产物，但明显低于四川盆地须家河组地层水。因此，杭锦旗地区下石盒子组地层水主体为蒸发浓缩后的陆相地层水，山西组地层水样品可能受到了下伏太原组海陆过渡相沉积的影响而具有相对较高的Ba含量。

海相地层水中B含量普遍大于100 mg/L，如四川盆地威远气田震旦系地层水中B含量为386～428 mg/L，而陆相地层水则普遍小于100 mg/L[22]。泊尔江海子断裂以北和以南地区地层水中B含量分别介于3.92～13.41 mg/L和10.77～33.56 mg/L(表1)，平均分别为8.40 mg/L和21.16 mg/L，均表现出陆相地层水的典型特征。此外，杭锦旗地区二叠系地层水中Mn含量介于1.99～29.44 mg/L，平均14.10 mg/L，多数小于20 mg/L(表1)。

4 氢、氧同位素组成

氢、氧同位素组成在揭示大气降水影响和水岩相互作用方面发挥着不可替代的作用。全球大气降水的氢、氧同位素组成具有明显的纬度效应，随着纬度升高，地层水的δD与δ18O值逐渐降低，且二者表现出明显的线性正相关(δD=8δ18O+10)[45]。水岩相互作用会使得地层水δ18O值增大，进而在δD与δ18O值相关图上表现出氧同位素漂移的特征[46]。因此，氢、氧同位素组成在地层水研究中得到了广泛有效的应用[15,22,25,44,47]。

杭锦旗地区二叠系地层水δD值介于-129‰～-75‰之间，平均为-84‰，主体集中分布于-81‰～-75‰；δ18O值主体介于-12.1‰～-8.8‰，仅一个样品δ18O值较高(-4.0‰)(表1)。苏里格气田二叠系地层水δD和δ18O值分别介于-82.7‰～-60.5‰和-6.3‰～-3.4‰，平均分别为-73.8‰和-4.7‰，为典型浓缩成因的古沉积水[15]。杭锦旗地区地层水δ18O值主体低于苏里格气田的值，仅个别样品δ18O值与苏里格气田地层水的值一致(图5)。在δD和δ18O值相关图上，杭锦旗地区地层水主体更靠近全球大气降水线分布，表明该区地层水经历的水岩相互作用整体明显弱于苏里格气田；个别样品经受了较强的水岩相互作用而具有相对较高的δ18O值，与苏里格气田地层水样品特征较为一致(图5)。这也与变质系数反映出的水岩相互作用强度差异(图3b)相一致。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水氢、氧同位素值相关图

泊尔江海子断裂以北ES4井下石盒子组地层水样品δD值仅为-103‰，其TDS仅为16.8 g/L(表1)。多口钻井的单井埋藏史研究表明，杭锦旗地区晚白垩世以来经历了大规模的区域性抬升[36]。在构造隆升背景下，气藏冷却产生的凝析水往往具有较轻的氢同位素组成和很低的矿化度，因而气藏中存在少量凝析水会使得地层水δD和TDS值均降低[25,44]。因此，ES4井下石盒子组地层水样品具有较低的δD和TDS值，主要是因为晚白垩世以来区域性抬升过程中凝析水的混入。

断裂以南地区J110井尽管δD和δ18O值分别仅为-129‰和-12.1‰，但其TDS为46.0 g/L(表1)，表明其并未受到凝析水的显著影响。由于该井紧邻泊尔江海子断裂(图1)，推测其地层水氢、氧同位素组成偏轻，可能主要受部分地表水沿断裂渗入的影响。过敏等[33]研究表明，沿泊尔江海子断裂带有部分井的地层水经历了不同来源水的混合以及地表水的渗入。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系地层水pH值平均为6.8，水型主体为CaCl2型。泊尔江海子断裂以北的什股壕地区地层水矿化度平均为52.1 g/L，而断裂以南独贵加汗和十里加汗地区地层水矿化度略低，平均为41.9 g/L。地层水主体具有钠氯系数小于0.87、脱硫系数小于10、变质系数高于0、盐化系数大于100等特征，指示了地层封闭性较好，地层水在埋藏过程中经历了较强的浓缩变质作用，天然气保存条件较好。

(2)不同离子与Cl-相关性分析表明，与海水蒸发曲线相比，杭锦旗地区二叠系地层水表现出轻度的Na+亏损、明显的Ca2+富集和Mg2+亏损等特征，表明地层中发生了斜长石的钠长石化作用和胶结物的白云岩化作用。微量元素特征分析表明，杭锦旗地区二叠系地层水中Sr主要来自含钙矿物的溶蚀，Ba、B等含量反映了地层水主体为蒸发浓缩后的陆相地层水。

(3)杭锦旗地区二叠系地层水δD和δ18O值主体分别介于-81‰～-75‰和-12.1‰～-8.8‰，该区地层水经历的水岩相互作用整体明显弱于苏里格气田。少数样品具有偏低的δD值，主要是因为晚白垩世以来区域性抬升过程中凝析水的混入，或者受到了地表水沿断裂渗入的影响。

致谢：样品的采集和资料收集得到了中国石化华北油气分公司的大力协助，地球化学分析测试得到了中国石化油气成藏重点实验室的有力支持，审稿专家对初稿提出了宝贵修改意见，在此一并深表谢意！