鄂爾多斯盆地油田水化學特征及地質意義

梁曉偉 牛小兵 李衛成張 三 葉 博 尤 源

（1.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018）

鄂爾多斯盆地是中國第二大中生代含油氣沉積盆地［1，2］，晚三疊世沉積期具有“盆大、坡緩、穩定、源多”特點，其中的三疊系延長組和侏羅系延安組是盆地內最重要和最典型的低滲、特低滲透型含油層系［3，4］。按沉積旋回性，延長組可劃分為9個主力含油層組，依次覆于延長組之上的侏羅系富縣組和延安組，僅延安組下部的延9、延10油層組為侏羅系的主力含油層系。

含油氣沉積盆地流體地球化學是一門涉及多學科的交叉學科，是當代地學研究的前沿。油層水的化學特征是不同的成巖環境包括后期改造的綜合反映，油層水的化學性質與油氣成藏密切相關，地下水動力條件及油層水演化側面反映了盆地流體流動樣式及演化規律［5－15］，油氣的生成、運移、聚集、保存和散失都是在地層水的環境里或是在地層水的參與下進行的，油層水作為地質流體的重要組成部分存在于任何一個油氣藏流體系統中，其化學成分蘊含了許多與油氣藏形成和保存相關的信息［16－18］。油層水和油氣之間存在經常性的物質成分交換，直接或間接地指示盆地流體系統的開放性和封閉性，因此，油層水性質的研究更是石油地質學中油氣成藏過程的重點研究內容之一［5，12］。在以往的研究中，對盆地流體的研究往往注重于油氣的組分分析，而對油層水分布特征及演化研究力度不足。本文通過對鄂爾多斯盆地石油成藏過程和不同層系地層水化學特征的對比分析，發現三疊系延長組與侏羅系延安組的水化學特征差異顯著；在分析不同沉積條件下油層水特征的變化及其影響因素的基礎上，探討油層水與油藏保存條件的關系及其勘探與開發意義。

1 現今油田水分布特征

1.1 礦化度

礦化度（TDS）是指地層水中含無機鹽量的多少（即質量濃度）。地層水的礦化度是地理地質環境變遷所導致的地下水動力場和水化學場經歷漫長而復雜演化過程的反映。按照礦化度的大小可將地層水劃分為5類（表1）［18－21］。

表1 地層水礦化度分類Table 1 Mineralization classification of formation water

統計表明，鄂爾多斯盆地延長組及延安組現今各油層組油田水礦化度變化在18～90g／L之間，平均為52g／L（圖1），屬于鹽水－鹵水的地層水類型。其中，將延長組長3－長6上油層組合與長7－長10下油層組合相比較，其礦化度明顯較高，與以往隨著埋藏深度加大礦化度增高的認識存在明顯差別。

1.2 地層水鹽類離子組分

鄂爾多斯盆地鹽類常規離子組分中陽離子為Na＋＋K＋，Ca2＋，Mg2＋；陰離子為Cl－，，；而 且 陽 離 子 具 有ρ（Na＋＋K＋）＞ρ（Ca2＋）＞，陰 離 子 豐 度 表 現 為 ρ（Cl－）＞＞，Na＋＋K＋和Cl－是鹽類離子的主要組成部分（表2）。

圖1 鄂爾多斯盆地主力油層組油層水礦化度分布柱狀圖Fig.1 The bar graph for mineralization distribution of formation water of main reservoir groups in Ordos Basin

1.3 油田水類型

按照蘇林（1946）分類法，可將油田中的地層水分為4種類型：CaCl2型、NaHCO3型、MgCl2型和Na2SO4型。對于油田來說，含油氣圈閉的水文地質開啟程度決定了油田水性質。如裸露和嚴重破壞的圈閉構造中，多屬于開放性的Na2SO4型水；而與地表隔絕良好的圈閉構造中，多屬于封閉性的 CaCl2型水［11，22－24］。

鄂爾多斯盆地延長組油田水屬于CaCl2型水，其他水型極少，表明油田的水文地質條件穩定，油藏封閉性好，有利于油藏的后期保存；主要與延長組地層為典型低孔低滲型儲層，縱向上及側向上的連通性較差，水體交換停滯，水動力對油藏不具破壞作用密切相關。延安組油田水主體為NaHCO3型水，少部分為高礦化度的CaCl2型水，與其較復雜的分布特征和具備開放性有關。

2 油田水化學參數

2.1 鈉氯系數

鈉氯 系 數 （r（Na＋／Cl－））是 反 映 地 層 封 閉 性 好壞、油田水變質程度、地層水活動性的重要參數。低鈉氯系數與水變質程度高、油氣保存條件好具有一致性，比值小，反映了比較還原的水體環境，有利于油氣的保存［25－28］。按諾沃謝利分類，鄂爾多斯盆地各油層組鈉氯系數具有明顯分帶性（圖2－A）。

表2 鄂爾多斯盆地各主力油層組鹽類離子含量統計表Table 2 Statistical chart of ions content of different reservoir groups in Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地主力油層組油層水化學參數柱狀圖Fig.2 The bar graph of chemical parameters of formation water for main reservoirs

次生油藏分布帶：延安組及富縣組鈉氯系數＞1，在1.10～1.35之間，平均為1.20，地層水多為NaHCO3型。

大量原生油藏分布帶：延長組鈉氯系數＜1，在0.64～0.98之間，平均為0.78，地層水多為CaCl2型。

鈉氯系數分布特征與延長組、富縣組及延安組水型特征相符合。

2.2 脫硫系數

2.3 氯鎂系數

氯鎂系數（γ（Cl－／Mg2＋））可反映地層水在運移過程中水巖作用的強度和離子交替置換的程度。地下徑流越慢，水巖作用時間越長，離子交換作用將越徹底，流體中Na＋和Mg2＋離子可能越少，而Ca2＋離子相對越多。與此對應，水的變質程度就越深，越有利于油氣保存，油氣伴生的地層水氯鎂系數通常＞5.13。鄂爾多斯盆地各油層組油田水統計結果，氯鎂系數均?5.13，平均值為65.54（圖2－C），反映地層水封閉性好、封閉時間長，濃縮變質作用很深，非常有利于油氣的聚集和保存。

2.4 鎂鈣系數

低的鎂鈣系數（γ（Mg2＋／Ca2＋））常與次生孔隙的發育有關。方解石的白云石化和溶解過程都能夠改善儲層的物性，并導致油田水中鎂鈣系數值降低。鄂爾多斯盆地各油層組油田水鎂鈣系數分帶性明顯，如富縣組及延安組鎂鈣系數在0.39～0.69之間，平均為0.50，儲層受成巖作用改造弱，以原生孔隙為主，溶孔不發育；又如延長組各油層組鎂鈣系數在0.08～0.29之間，平均為0.21（圖2－D），儲層受到多期成巖改造，次生溶孔發育，與其較低的鎂鈣系數具有很好的對應關系。

3 油田水化學特征

3.1 長3 長6中部組合油田水高礦化度成因

延長組各油層組油田水礦化度分布，具有長3－長6中部組合油田水礦化度明顯高于長8－長10下部組合。一般來說，沉積盆地中地層水礦化度隨深度的增加而增大；但也不盡然，對于多數沉積盆地，礦化度在一定深度其值為一較寬范圍。這種變化不僅反映了地層水中所溶解物質的來源，同時它還說明地層水經歷了復雜的物理過程，如運移、擴散等［9，12，18］。

顧家裕（2001）認為油田水化學的性質和組分在整個地質歷史過程中是在不斷變化的，它受沉積時環境和流體的性質、大氣水的滲流和淡化作用等9種因素的影響［29］，其中沉積時環境和流體的性質對后期油田水礦化度的影響較大。通過鈉氯系數等地層水化學參數的分析表明，延長組由于受沉積、成巖等作用的綜合影響，形成了低孔低滲儲層，長期處于穩定、還原的水文地質環境，與外界流體的交換基本停滯，非常有利于油藏的保存，因此，各油層組沉積時的環境及流體是決定現今油田水化學特征的重要因素。為了證實沉積時環境和流體與現今油層水化學特征的關系，本文開展了不同油層組古鹽度分析。

古鹽度是古代沉積物中水體鹽度的記錄，可作為分析地質歷史中沉積環境特征的一個重要信息。本文主要運用硼元素法進行古鹽度的恢復。硼元素對于鹽度的反應比較敏感，對沉積環境及各種地質作用具有明顯的指示意義。黏土礦物可從溶液中吸收硼且數量與溶液中硼濃度有關［30－31］，且在各種地球化學分析方法中硼是比較容易確定的一種元素，因此，硼元素常被作為反映鹽度的一個較好的指標來使用。由于自然界水體中硼的濃度是鹽度的線性函數，因而黏土礦物從水體中吸收的硼含量與水體的鹽度呈雙對數關系式，即所謂的佛倫德奇吸收方程［31］，其表達式為

式中：wB為吸收硼的質量分數；S為鹽度（質量分數）；C1和C2是常數。

此方程式是利用硼和黏土礦物定量計算古鹽度的理論基礎。常用的定量計算公式有如下2個。

式中：Sp為古鹽度；wB為“相當硼”含量（質量分數）。

式中：wB＊為“校正硼”含量（質量分數）。

作者在鄂爾多斯盆地姬塬、華慶及鎮北等主力區塊選取了40余口均勻分布的取心井，采集了長3－長9油層組取心段的60件泥巖樣品，分別進行X射線衍射定量分析和微量元素B，Na和K分析，重點加強典型油層組長6及長9的對比分析，運用Couch公式定量計算古鹽度（表3）。結果表明，長6油層組古鹽度較高，平均為2.39‰，具半咸水湖泊的性質；而長9油層組古鹽度平均為0.67‰，為淡水湖泊的性質。古鹽度與現今油層水礦化度之間具有明顯的正相關關系（圖3），長6沉積時的半咸水湖性質是決定現今長6高礦化度的主要因素，富含半咸水的長6儲層在埋藏成巖后，經濃縮作用逐漸演化形成現今高礦化度油層水。

表3 鄂爾多斯盆地延長組長6及長9硼元素法古鹽度計算數據表Table 3 Data on the palaeosalinity Calculated by element B method in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地延長組長6、長9古鹽度及現今油層水礦化度柱狀圖Fig.3 The palaeosalinity and bar graph for mineralization of formation water nowadays in Chang 6and Chang 9layer of Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin

3.2 長1、長2上部組合油田水礦化度變低的原因

20世紀90年代以來，人們開始注意到開放體系中大氣水對砂巖骨架顆粒溶解產生次生孔隙的現象（Emery等，1990；Ramm，1992；Bloch等，1993），特別是近地表暴露和淡水淋濾作用對砂巖物理性質的影響，總結得出了不整合面附近大氣淡水淋濾作用并產生次生孔隙的證據，主要表現為近不整合面附近由長石等鋁硅酸鹽溶解形成的次生孔隙和次生高嶺石增加，巖石物性變好，孔隙度、滲透率增加等特征性標志。

鄂爾多斯盆地晚三疊世末，印支運動使全區抬升，廣遭剝蝕，使大部分地區延長組頂部長1及長2地層大規模缺失，形成了丘陵起伏、階地層疊、溝谷縱橫的前侏羅紀古地貌形態，侏羅系就是在此背景上形成的，造成了延長組與延安組或富縣組多呈平行不整合接觸［34］。黃思靜等研究也表明，該暴露時間間隔中大氣水的淋濾作用，促使了長石等骨架顆粒的溶解，對延長組砂巖儲層次生孔隙的產生及儲層物性的改善具有重要意義［35］。

延長組地層水總體處于封閉的流體動力環境，但延長組頂部特別是長1、長2地層受到印支期末剝蝕暴露時間間隔大氣水的淋濾作用的影響，形成大氣水下滲淡化區，地層相對開啟，油氣保存條件較差，油氣藏規模較小，且處于聚集—散失的動態變化過程中，總體上不利于油氣聚集和保存［26，36］，這是導致現今長1、長2地層水礦化度低的主要因素。

3.3 侏羅系油田水性質及成因

鄂爾多斯盆地侏羅系與三疊系延長組油田水具有明顯差異。前者油田水主體為NaHCO3型，而后者幾乎全部為CaCl2型水。研究認為：造成上述油田水差異的原因主要有：①侏羅系砂巖儲層受沉積成巖改造弱，儲層物性好，水文地質條件活躍，處于較為開放的水體環境，易受外來流體如地表水注入的稀釋作用的影響，改變了鹽類離子組成。②延安組沉積期氣候溫暖潮濕、雨量充沛、植被繁茂，廣泛發育煤系地層。煤系地層在埋藏熱演化過程中會釋放出較高濃度CO2，進入地層水中，導致了地層水中的HCO－3＋濃度大于Cl－＋濃度，使地層水“活化”，構成了侏羅系以NaHCO3型為主的又一重要原因［36］。

4 結論

a.鄂爾多斯盆地三疊系及侏羅系油田水礦化度總體較高，屬于鹽水－鹵水的地層水類型，高度富集的Na＋＋K＋和Cl－是形成油田水高礦化度的原因。

b.延長組油田水為CaCl2型，表明油田的水文地質條件穩定，油藏封閉性能較好，有利于油藏的后期保存。延安組油田水主體為NaHCO3型，水文地質環境活躍，油藏保存條件相對較差。

c.鈉氯系數、脫硫系數等地層水化學參數分析表明，侏羅系為次生油藏分布帶，油藏易受破壞，油藏分布廣、油藏規模小，油藏保存條件較差；延長組為大量原生油藏分布帶，水封閉性能好，油藏保存條件好。

d.各油層組沉積期古鹽度特征對現今地層水礦化度具有明顯的控制作用，長3－長6沉積期半咸水的湖泊性質，是造成長3－長6油田水高礦化度的主要原因；印支期末剝蝕暴露時間間隔大氣水的淋濾作用的影響，是造成延長組頂部長1、長2油田水礦化度變低的重要因素；侏羅系開放的水文地質環境及煤系地層自身釋放的CO2是造成侏羅系NaHCO3型油田水的兩大條件。

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