鄂爾多斯盆地隴東地區長9油層組古鹽度特征及其地質意義①

王昌勇 鄭榮才 劉 哲 梁曉偉 李廷艷 張建伍 李雅楠

(1.成都理工大學沉積地質研究院 成都 610059;2.長慶油田公司勘探部 西安 710018;3.長慶油田公司勘探開發研究院/低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 西安 710021;4.長慶油田分公司超低滲透油藏研究中心 西安 710018)

0 引言

隴東地區位于鄂爾多斯盆地西南部，橫跨天環坳陷和伊陜斜坡(圖1)，在長9油層組沉積時期發育湖泊—三角洲沉積體系［1，2］。該區長9油層組為長慶油田后備資源接替層系，但其基礎地質問題的研究程度總體較低，特別是對長9沉積期湖泊水體性質尚缺乏相關研究。本次研究對該區長9油層組古鹽度進行恢復，分析其湖泊水體性質，并從古地理的角度對其鹽度分帶特征進行了解釋，對該區巖相古地理面貌恢復、重現鄂爾多斯盆地晚三疊世湖泊性質和演化歷史具有重要意義。

1 古鹽度計算

沉積磷酸鹽法、同位素法以及微量元素法是恢復沉積水體古鹽度較常用的幾類方法。其中，沉積磷酸鹽法對區別半咸水環境很有效，但其分析結果常受黏土成因、成巖作用、含磷重礦物及含磷酸鈣的生物化石影響而失效［3］;同位素法主要用于判斷淡水與海水環境，在海相碳酸鹽巖研究中使用較多［4，5］。而對古鹽度進行定量計算，目前主要采用微量元素法［6］，以B元素法應用最為廣泛。

圖1 隴東地區長9油層組沉積相及構造位置圖Fig.1 The plan distribution of sedimentary facies of Chang9 oil-bearing layer of Yanchang Formation in Longdong area and location of the study area

1.1 計算方法

硼元素在地球化學分析中容易被確定，對于沉積環境及鹽度的反應比較敏感，因此，硼元素可作為反映鹽度的指標［7］。自然界水體中硼的濃度是鹽度的線性函數，而黏土從水體中吸附的硼含量與水體鹽度呈雙對數關系式，即佛倫德奇吸收方程［8］:

式中B為吸附硼含量(μg/g)，S為鹽度(‰)，C1和C2是常數，此方程為利用B元素和黏土礦物定量計算古鹽度的理論基礎，在此方程基礎上建立的Adamas公式和Couch公式是計算古鹽度常用的兩個公式:

(1)Adamas(亞當斯)公式［9］，其表達式為:

式①中Sp為古鹽度(‰)，x為“相當硼”含量(單位:%，計算古鹽度時需換算成μg/g)。對于以伊利石為主的泥巖樣品，式中的“相當硼”含量可由沃克校正公式［10］計算得出:

式②中8.5為純伊利石中的理論K2O濃度，B樣品和K2O樣品指樣品的實測結果。

本次研究選取了30件泥巖樣品進行微量元素分析，并首先對其中20件樣品進行了礦物X衍射分析，分析結果表明:長9油層組泥巖主要由黏土礦物組成，其含量介于55.1% ～88.8%之間，其次為石英、鈉長石以及少量鉀長石和方解石(表1)。長9泥巖中除黏土礦物以外，只有鉀長石對微量元素分析中的K元素有影響，而樣品中鉀長石含量一般不超過1%，最高不超過6.5%(表1)，因此由鉀長石帶來的K元素可以忽略不計，微量元素分析測得的K元素含量可視為黏土礦物中的K。

通過微量元素分析分別測得了B和K元素的百分含量用于古鹽度定量計算，原始分析數據及鹽度計算結果見表2。計算結果表明:隴東地區長9油層組古鹽度范圍介于0.4‰～22.3‰，平均為8.6‰;長91平均鹽度8.1‰，長92平均鹽度10.3‰，長91鹽度低于長92。

(2)Couch(科奇)公式［11］，其表達式為:

式③中B*為“校正硼”含量(單位:%，計算古鹽度時需換算成μg/g)，可由Couch校正公式換算:

式④中xi、xm、xk分別代表樣品中實測伊利石、蒙脫石和高嶺石的質量分數，系數代表各類黏土礦物對硼的吸收強度，以系數越大為吸收強度越大，該公式適用于復雜黏土礦物成分的泥巖樣品，但受成巖作用影響較大。

表1 隴東地區長9油層組泥巖礦物X衍射分析結果Table 1 X-ray diffraction data of mudstone in the Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

本次研究選取了隴東地區長9油層組20件泥巖樣同時進行B元素分析和X射線衍射定量分析，其計算結果表明:隴東地區長9油層組古鹽度介于2.7‰～7.7‰，平均為5.0‰;長91平均鹽度為4.9‰，長92平均鹽度略高于長91，為5.2‰(表3)。

Sr/Ba比值及B/Ga比值常作為古鹽度判別的一個標志，沉積物中記錄的Sr/Ba比值及B/Ga比值與古鹽度呈明顯的正相關關系［6，12］。研究區 Sr/Ba比值介于0.21～0.42，B/Ga比值介于0.90～2.22，利用Couch公式和Adams公式對隴東地區長9油層組古鹽度的定量計算結果與對應樣品Sr/Ba比值趨勢基本一致，而與B/Ga比值趨勢極為一致(圖2)，說明Couch公式和Adams公式計算結果總體反映了湖泊水體鹽度特征，具有較高的可信度。

有機地球化學分析結果也印證了Adamas公式和Couch公式計算結果的可靠性。一般說來，高含量的伽馬蠟烷常被視為沉積水體高鹽度的環境標志［13，14］，隴東地區長9油層組暗色泥巖具有較高的γ蠟烷含量(圖3)，2件長9泥巖樣品按照峰面積計算出γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)的比值分別為0.16和0.18，這一數值甚至與東濮凹陷衛20井沙三段頂部蒸發巖中的γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)比值(0.13～0.33)［15］相當，說明其沉積水體具有較高的鹽度。

表2 隴東地區長9油層組硼、鉀分析數據和折算K2O、相當硼及Adams公式法古鹽度計算數據Table 2 The data of B，K and the calculated data of K2O，equivalent boron and paleosalinity of Adams method，Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

1.2 計算結果討論

對比運用Adams公式和Couch公式兩種方法定量計算出的長9油層組古鹽度值，不難發現二者無論是鹽度變化范圍還是鹽度平均值均存在較大差異(表2和表3)，產生這一差異的原因，部分緣于公式的適用條件的差異，更主要歸咎于黏土礦物成巖后生作用的影響。

隴東地區長9油層組泥巖黏土礦物中伊/蒙混層含量較高，一般＞50%，平均值可達65%(表3)，而伊/蒙混層在成巖過程中蒙皂石層將逐漸向伊利石轉化，導致“校正硼”“B*”含量比原始沉積物換算值偏小，從而導致計算的古鹽度低于真實值。同時，研究區長9油層組泥巖黏土礦物中伊利石的校正含量一般＞53%，平均為61%，屬于以伊利石為主的黏土巖，滿足Adams公式的運用條件，其定量計算古鹽度跨越了微咸水、半咸水和咸水3個鹽度帶，符合河流入湖后對湖水鹽度的稀釋規律，因此，認為利用Adams公式對隴東長9油層組古鹽度的恢復更為可靠。

2 古鹽度平面分布與變化規律

運用Adams公式和運用Couch公式恢復的古鹽度平面分布與變化規律極為相似，有如下幾個特點:①研究區北西、北東和西南部均為鹽度相對低值區，而環縣—太白梁—華池所在的三角形區域及馬家砭—太白一帶為高鹽度區域(圖4);②古鹽度分別自西南、北西和北東3個方向往湖盆中央呈逐漸升高的趨勢，分別代表了3個河流入湖的方向(或者三角洲的延伸方向)，其中西南部湖泊水體鹽度最低，應該代表了河流/淡水作用最強的方向(圖4)，亦即主物源方向;③可以確定，長9沉積時期，研究區湖泊水體至少具有半咸水的性質，這一水體性質有利于有機質的保存。

通過對研究區長9油層組古鹽度恢復發現鹽度高值區域與巖芯觀察所確定的前三角洲或湖灣區分布位置高度一致。本次研究共計觀察隴東地區長9油層組取芯井37口，其中16口井巖芯中發育典型的浪成交錯層理(圖5)，指示主要受波浪作用控制的河口壩或遠砂壩等水下沉積環境。浪成交錯層理分布的浪控帶位置與Couch公式恢復得出的古鹽度≥4‰區域(或Adams公式恢復得出的古鹽度≥5‰區域)吻合(圖5)，說明河流作用急劇減弱的前三角洲或湖灣區已經具有半咸水性質。

表3 隴東地區長9油層組B和黏土礦物分析數據及“相當硼”含量和古鹽度計算數據Table 3 The data of B and clay minerals and the calculated data of“equivalent boron”content and paleosalinity in Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

圖2 不同古鹽度恢復方法結果對比Fig.2 Comparison of different method of paleosalinity recovery

圖3 隴東地區長9油層組暗色泥巖GC-MS質量色譜圖Fig.3 GC-MS chromatogram of mudstone of Chang 9 oil-bearing，Longdong area

圖4 隴東地區長9油層組古鹽度平面分布與變化圖(A.根據Couch公式恢復;B.根據Adams公式恢復)Fig.4 The paleosalinity zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area(A.calculated by Couch formula;B.calculated by Adams formula)

圖5 隴東地區長9油層組浪控帶與等鹽度關系Fig.5 The relationship between paleosalinity zone and wave active zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdon

3 研究意義

對隴東地區長9油層組古鹽度平面分布和變化規律分析，對恢復沉積期巖相古地理和成巖期流體性質具有如下幾個重要意義:①確定主、次物源方向以及湖盆中心位置;②定量確定湖岸線位置;③長91油層平均鹽度較長92油層降低，反映了長92→長91沉積期具有湖平面上升演化趨勢;④長9沉積期湖盆的半咸水—咸水性質，決定了成巖期流體具有鹽水(或鹵水)性質，不僅為砂巖早成巖階段提供了富鈉、偏堿性的孔隙水，有利于早期綠泥石環邊和濁沸石的膠結作用的形成而有利原生粒間孔隙保存［16］，而且濁沸石容易在中成巖階段被有機酸溶蝕，形成大量次生孔隙而提高儲層的質量［17，18］，因此，較高古鹽度沉積和成巖環境更有利于優質儲層發育，如:元428井古鹽度高達11.9‰(Adams公式，圖4)，早期綠泥石環邊膠結作用明顯，大量原生粒間孔隙得以保存，次生溶孔也較為發育，并以中—大孔為主(圖6a);而莊81井古鹽度僅為3.6‰(Adams公式，圖4)，幾乎不發育綠泥石環邊膠結物，原生粒間孔隙保存少，溶蝕作用也較弱，僅發育少量次生溶孔，以發育小孔和微孔為主(圖6b)，鹽度高值區域可作為尋找優質儲層的首選區;長9油層組沉積—成巖期較高—高鹽度流體性質所決定的長9油層高鹽度油田水化學特征，非常有利油藏保存。

圖6 典型成巖相組合及其孔隙結構特征Fig.6 Typical diagenetic facies assemblage of sandbody and its pore structure features

同時，通過對Adams公式和Couch公式分別計算出的古鹽度進行分析，對Couch法的適用條件有了新認識，即:該方法不適用于伊/蒙混層特別發育的陸相地層，隨著成巖階段的加深會導致伊蒙混層逐漸向伊利石轉化，最終導致Couch公式計算的古鹽度失效。

4 結論

(1)利用不同研究方法對隴東地區長9油層組古鹽度進行恢復，結果表明:長9沉積期研究區湖泊水體具有微—半咸水性質;

(2)隴東地區湖泊水體鹽度具有自北東、北西及西南方向往中央逐漸增大的趨勢，鹽度平面上的變化規律反映了河流的注入方向或三角洲的延伸范圍，鹽度縱向上的變化則反映了湖平面的演化;

(3)高鹽度區域有利于早期綠泥石環邊膠結作用的進行，從而有利于原生粒間孔隙的保存，為有利于優質儲層發育的地區。

References)

1 李鳳杰，王多云，張慶龍，等.鄂爾多斯盆地隴東地區延長組沉積相特征與層序地層分析［J］.沉積學報，2006，24(4):549-554［Li Fengjie，Wang Duoyun，Zhang Qinglong，et al.Sedimentary facies characteristic and sequence stratigraphy analysis of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2006，24(4):549-554］

2 李文厚，龐軍剛，曹紅霞，等.鄂爾多斯盆地晚三疊世延長期沉積體系及巖相古地理演化［J］.西北大學學報:自然科學版，2009，39(3):501-506［Li Wenhou，Pang Jungang，Cao Hongxia，et al.Depositional system and paleogeographic evolution of the Late Triassic Yanchang Stage in Ordos Basin［J］.Journal of Northwest University:Natural Science Edition，2009，39(3):501-506］

3 Muller G.Sedimentary phosphate method for estimating paleosalinities:Limited applicability［J］.Science，1969，163:812

4 劉寶珺，曾允孚.巖相古地理基礎和工作方法［M］.北京:地質出版社，1985:321-323［Liu Baojun，Zeng Yunfu.Geographical Basis and Methods of Lithofacies［M］.Beijing:Geological Publishing House，1985:321-323］

5 Matthew C.Peros，Eduard G.Reinhardt，Henry P.Schwarcz，et al.High-resolution paleosalinity reconstruction from Laguna dela Leche，north coastal Cuba，using Sr，O，and C isotopes［J］.Science Direct，2007，245:535-550

6 鄭榮才，柳梅青.鄂爾多斯盆地長6油層組古鹽度研究［J］.石油與天然氣地質，1999，20(1):20-25［Zheng Rongcai，Liu Meiqing.Study on palaeosalinity of Chang-6 oil reservoir set in Ordos Basin［J］.Oil＆ Gas Geology，1999，20(1):20-25］

7 周仰康，何錦文，王子玉.硼作為古鹽度指標的應用［C］∥沉積學和有機地球化學學術會議論文選集.北京:科學出版社，1984:55-57［Zhou Yangkang，He Jinwen，Wang Ziyu.Application of B as an index for palaeosalinity［C］∥Collected Papers of Sedimentology and Organic Geochemistry Academic Conference.Beijing:Science Press，1984:55-57］

8 Walker C T，Price N B.Departure curves for computing paleosalinity from boron in illites and shales［J］.AAPG Bulletin，1963，47(5):833-841

9 Adams T D，Haynes J R，Walker C T.Boron in Holocene illites of the dovey estuary，wales，and its relationship to paleosalinity in cyclothems［J］.Sedimentology，1965，4:189-195

10 Walker C T.Evaluation of boron as a paleosalinity indicator and its application to offshore prospects［J］.AAPG Bulletin，1968，52:751-766

11 Couch E L.Calculation of paleosalinities from boron and clay mineral data［J］.AAPG Bulletin，1971，55(10):1829-1837

12 殷科華，葉德書，沈大興，等.息烽—遵義早石炭世大塘期巖相古地理特征［J］.沉積學報，2009，27(4):606-613［Yin Kehua，Ye Deshu，Shen Daxing，et al.Characteristics of lithofacies paleogeography during Datangian Age(Early Carboniferous)in Xifeng and Zunyi，Guizhou［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2009，27(4):606-613］

13 Hill I R，Whithead E V.An optically active triterpane，gammacerane in Green River，Colorado，oil shale bitumen［J］.Chemical Communications，1966，20:752-754

14 Peters K E，Moldowan J M.The Biomarker Guide-interpreting Molecular Fossils in Petroleum and Ancient Sediments［M］.New Jersey:Prentice Hall，1993:363

15 李任偉.伽馬蠟烷的地質產狀及古環境意義［J］.科學通報，1988，33(20):1574-1576［Li Renwei.Geological occurrence and its paleoenvironment significance of Gammacerane［J］.Chinese Science Bulletin，1989，34(14):1208-1211］

16 王昌勇，王成玉，梁曉偉，等.鄂爾多斯盆地姬塬地區上三疊統延長組長8油層組成巖相［J］.石油學報，2011，32(4):597-604［Wang Changyong，Wang Chengyu，Liang Xiaowei，et al.Diagenetic facies of the Chang 8 oil-bearing layer of the Upper Triassic Yanchang Formation in the Jiyuan area，Ordos Basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32(4):597-604］

17 楊曉萍，裘懌楠.鄂爾多斯盆地上三疊統延長組濁沸石的形成機理、分布規律與油氣關系［J］.沉積學報，2002，20(4):628-632［Yang Xiaoping，Qiu Yinan.Formation process and distribution of laumontite cements in Yanchang Formation(Upper Triassic)of Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20(4):628-632］

18 梁浩，羅權生，孔宏偉，等.三塘湖盆地火山巖中沸石的成因及其儲層意義［J］.沉積學報，2011，29(3):537-543［Liang Hao，Luo Quansheng，Kong Hongwei，et al.Formation and distribution of zeolite in volcanic rock and its effect on reserviors in Santanhu Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2011，29(3):537-543］