鄂爾多斯盆地天環坳陷北部山1-盒8段地層水地球化學特征及成因

楊 振, 朱世發, 賈 業, 高 陽

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 2.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249； 3.中國石油勘探開發研究院，廊坊 065007)

地層水是沉積盆地流體的重要成分，存在于儲層孔隙空間中，長期與油氣相伴生[1]。沉積盆地中地層水可能來源于大氣降水、沉積水、海水和深成水(一般占比較小)，以及上述幾種類型水的混合物[2]。其與圍巖長期復雜的化學反應及能量交換，注定了彼此間緊密的物質聯系[3-4]。地層水中必定存有油氣等流體成因和運聚散失的相關信息[5-6]，地層水的來源及其運動規律始終與油氣運聚和油氣藏的保存環境有著密切的聯系[7]。對其地球化學特征的研究，可以為研究地層水的成因和演化提供有價值的線索，成為評價氣水分布及其保存條件的重要手段和方法。

鄂爾多斯盆地資源分布廣、資源潛力和儲量規模巨大，其油氣產量更是取得了舉世聞名的成就。盆地北部上古生界作為重要的產氣層位，隨著蘇里格勘探程度的深入，尋找盆地上古生界的勘探接替領域尤為迫切，特別是近年來，隨著對盆地西部勘探潛力的評估，綜合分析后認為天環坳陷具有優越的油氣地質條件，近幾年的鉆探也進一步證實了天環地區的勘探潛力，在該區上古生界的不同層位均鉆遇了工業氣流。然而隨著勘探的深入，在該區部署的探井試氣出水現象普遍，產水層位不一，在盒8段、山西組均有出水現象，且出水量差異很大，最多日產水量甚至高達168方(蘇337井)，極大地減緩了勘探開發進程。目前對天環地區上古生界地層水方面的研究程度較低，遠不能滿足下一階段勘探任務需求。

鑒于此，通過系統收集由中國石油長慶油田所提供的地層水資料，運用統計分析、離子比值法、離子相關性分析等多種研究方法，結合前人對天環地區儲層等方面的研究成果，針對該區試氣出水較為嚴重的現象，對地層水地球化學特征和成因進行分析，以期為下一階段氣水分布研究和天然氣勘探開發提供基本地質依據。

1 區域地質概況

研究區天環北部地區位于盆地西北部，構造單元隸屬于天環坳陷北段[圖1(a)]，該區東臨蘇里格大氣田，西與沖斷帶相接，面積約1.1×104km2。天環北段上古生界為一套海陸過渡相的碎屑巖沉積體系，地層自下而上依次為石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，總沉積厚度約700 m[8]。烴源巖主要來源于本溪組、太原組和山西組的煤層及暗色泥巖，為廣覆式生烴。上古生界主力產氣層為山西組山1段和下石盒子組盒8段，是此次研究的目的層位，二者為整合接觸[圖1(b)]。天環北部山1段發育淺水曲流河三角洲沉積，盒8段發育淺水辮狀河三角洲沉積。進入新生代以來，盆地西緣開始隆升，受西緣逆沖帶的影響，研究區最終過渡為現今西傾的單斜構造形態[圖1(c)]。

圖1 研究區取樣點、地層沉積特征及現今構造特征Fig.1 Sampling site， stratigraphic sedimentary characteristics and persent tectonic characteristics in the study area

近幾年天環坳陷有多口井在上古生界的不同層位獲得工業油氣流，如李4井在盒8段測試獲得20.24×104m3/d的無阻流量，李10井在太原組測試獲得4.78×104m3/d的無阻流量，蘇399井在山1段測試獲得4.35×104m3/d的無阻流量。近期天環坳陷新增鉆探井20口，其中位于蘇402井-李8井以西區域的李22、李23、李30等井均獲得1.0×104m3/d以上的工業氣流，基本不產水或者低產水，預示著天環坳陷具有很大的勘探潛力和前景。截至2018年底共計鉆井170余口，30余口井產工業氣流，70余口井見水[9]。勘探實踐顯示，天環地區山1段產水井較少，盒8段多數井產水，砂體多期疊置，氣水關系復雜(圖2)。

盡管如此，天環地區相較于盆地內其他區塊而言，部署的勘探開采井較少，勘探開發程度仍較低。因此，考慮到鉆井、試氣過程中所使用的鉆井液等對正常地層水化學數據的干擾，在剔除非正常地層水數據的前提下，最終選取該區45口出水最為嚴重且分析化驗資料較為齊全的試氣井為研究對象[圖1(a)]，選取其山1-盒8層段共計102份地層水樣進行統計分析，以達到覆蓋全區、預測未探明區塊地層水特征的目的。

2 地層水地球化學特征

2.1 地層水主要化學組成

圖2 天環坳陷北部A32-A31井山1-盒8段氣藏剖面圖[連井線位置見圖1(a)]Fig.2 Gas reservoir profile of Shan 1st to He 8th member from well A32 to well A31 in the northern Tianhuan Depression [well tie location in Fig.1(a)]

表1 天環坳陷北部山1-盒8段地層水主要化學離子含量統計Table 1 Chemical ion contents statistics of formation water of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

圖3 地層水主要陰、陽離子組成三角圖Fig.3 Triangular chart of main anion and cation component of formation water

2.2 地層水礦化度

天環北部山1-盒8段45口井102份水樣數據統計分析表明，地層水的化學成分變化較大，總礦化度(TDS)為1.72～76.43 g·L-1，主要分布范圍是25.45～68.14 g·L-1，平均40.27 g·L-1。對比顯示，地層水總礦化度要明顯高于地表水(通常約為0.1 g·L-1)，70%的樣品數據點也高于海水礦化度(35 g·L-1)。地層水的礦化度可以體現儲層封閉性及蒸發濃縮的程度。儲層封閉條件好，地層水蒸發濃縮程度大，導致礦化度相對較高[10]。天環地區山1-盒8段地層水所處環境封閉條件較好。

圖4 天環坳陷北部山1-盒8段地層水主要離子濃度與總礦化度(TDS)的關系Fig.4 Relationship between main ion concentration and total dissolved solid(TDS)of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

2.3 地層水pH

天環北部山1-盒8段地層水樣品統計結果表明，其pH介于5.5～7.0(樣品數98)，平均為6.0，偏酸性。油氣生成過程中伴生的有機酸流體使地層水多顯酸性，這在油氣層中較常見。

2.4 地層水水型

表2 自然界地下水水型分類標準Table 2 Classification standard of groundwater type in nature

此外，根據實際需要，博雅爾斯基又將氯化鈣型水進一步劃分為五類[12](表3)，天環地區以氯化鈣Ⅳ型和Ⅴ型水為主。整體來看，天環地區山1-盒8段地層水水型特征反映地層水所處環境封閉性較好，是較理想的烴類聚集地。

表3 博雅爾斯基對氯化鈣型水的分類Table 3 Category of the calcium chloride type water of Burson Marsteller Chhabra

3 地層水化學特征參數

除上文提到的礦化度、水型等基本參數外，地層水的化學特征參數也常用來反映地層水特性，通常包括鈉氯系數、脫硫系數、鎂鈣系數和變質系數等，其值大小能夠體現特定水體環境，指示油氣運移及保存信息(表4)。

3.1 鈉氯系數

鈉氯系數[c(Na+)/c(Cl-)]是反映地層水變質程度的基本參數，用于評價地層封閉性。在陸相沉積層中，若高礦化度地層水中鈉氯系數大于0.85，多數來源于沉積水或變質型滲透水；而鈉氯系數小于0.85，則沉積水或滲透水必然發生了高度變質[13]。一般認為有利于油氣保存的鈉氯系數上限為0.75。鈉氯系數值越大，指示地層水受滲入水的影響越大，對烴類的保存越不利；反之鈉氯系數值越小，代表水體環境越還原，對烴類的保存越有利[14]。天環北部地區山1-盒8段地層水的鈉氯系數較低，介于0.21～0.63，平均0.42，反映受滲入水的影響較小，地層水更濃縮，所處水體環境封閉性較好。

表4 天環坳陷北部山1-盒8段地層水離子比例系數Table 4 The ion proportional coefficient of formation water in Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

3.2 脫硫系數

圖5 天環坳陷北部山1-盒8段地層水成因分類Fig.5 Genetic classification of Surin formation water of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

3.3 鎂鈣系數

地層水中Mg2+、Ca2+屬于消耗性離子，Mg2+的消耗與自生綠泥石及蒙脫石的沉淀有關，Ca2+的消耗多與自生方解石和濁沸石的沉淀有關，在Mg2+、Ca2+兩者被大量消耗的背景下，方解石、濁沸石等含鈣礦物的溶解會增加Ca2+含量，使得地層水中Ca2+相對Mg2+富集，溶解作用也會在一定程度上改善儲層內部空間結構。因此，鎂鈣系數[c(Mg2+)/c(Ca2+)]可用來表征次生孔隙發育程度[16,17]，此值越小說明次生孔隙越發育。山1-盒8段地層水的鎂鈣系數在0.01～0.55，平均0. 13，鎂鈣系數值偏低，是天然氣儲集的有利場所。

3.4 變質系數

變質系數反映了礦物溶解沉淀過程中陽離子交換的程度，此值越大，地層水變質作用越強，地層封閉性越好，對油氣藏的聚集和保存越有利[18]。山1-盒8段地層水的變質系數[c(Cl-)-c(Na+)]/c(Mg2+)=0.09～159.6，平均25.36，水-巖作用強烈，氣藏封閉條件良好。

實驗表明，鈉氯系數小于0.75，鎂鈣系數小于0.3和較大的變質系數，反映地層水變質和蒸發濃縮作用較強，地層封閉環境良好，地層水屬于原始沉積成因水，有利于烴類聚集成藏。以上分析可以看出天環北部山1-盒8段地層水正是處于此種封閉環境下，屬于高度變質的原始沉積地層水。

4 地層水成因分析

地層水的地球化學特征能夠提供其演化過程的信息，例如水-巖相互作用的程度和溶質的來源。因此，本次通過分析離子間相對含量的變化來分析研究區的地層水成因。

4.1 分析方法

除鹽巖溶解沉淀外，Br-是大多數水-巖相互作用的保守元素。比較海水蒸發軌跡和地層水Br-與不同離子之間的差異，進而圈定離子的富集或損耗，為礦物溶解沉淀、地層水演化乃至油氣運移提供依據[19-20]。但研究區山1-盒8層段陰離子組成中Br-只有少量顯示，遠遠低于其他陰離子含量，此外，目的層段緊鄰下覆山2段煤系烴源巖，烴源巖中Br-的釋放擴散也可能造成地層水中Br-的富集，使分析結果誤差較大，因此不宜采用Br-相對含量變化來分析地層水成因。

天環北部上古生界從山西組到下石盒子組發育淺水三角洲沉積，采用海-河水混合線及海水蒸發線的聯合線(以下統稱聯合線)來示蹤地層水的演化過程就顯得十分有用。海水蒸發實驗數據顯示[21]，Cl-作為穩定的化學元素，幾乎不參與其他礦物的成巖反應，當Cl-的濃度小于100 g·L-1時，lg(Cl-濃度)與lg(Br-濃度)呈斜率為1的線性關系，且在此區間內不會形成沉淀。若實際數據點偏離這一直線，則表示除了水分的增加或減少外，還受到其他作用的影響。天環北部目的層位地層水中Cl-的濃度均低于60 g·L-1，且Cl-與總礦化度呈較好的正相關性，此外，上古生界暫未發現任何鹽巖層，基本能夠判定在地層水演化始末，Cl-始終未形成沉淀，其值變化完全取決于地層水蒸發濃縮的程度。因而，可以對比地層水中各離子組分含量與Cl-含量之間的差異，指示其他離子的富集或損耗情況，最大可能地還原水化學演化過程。

4.2 離子間關系特征

通過分析研究區地層水中Cl--Ca2+、Cl--Mg2+、Cl--Na+關系(圖6)，得到了下述規律：①Ca2+在聯合線的右側，呈富集狀態；②Mg2+位于聯合線的左上方，呈虧損狀態；Na+半數以上數據位于聯合線上方，部分數據貼合聯合線，呈略虧損狀態；③Ca2+、Mg2+、Na+分別與Cl-在對數坐標上表現為線性相關，且與聯合線基本平行，目的層位數據點之間重疊度較高。

海水蒸發線、海水及河水數據來自文獻[21]圖6 地層水中Cl-與各種離子濃度關系圖Fig.6 The relations of Cl-with various ion concentration in formation water

4.3 Ca2+富集成因

天環北部上古生界地層水中富含Ca2+，而在整體封閉的條件下，Ca2+的含量主要受水-巖作用的控制，即鈣離子的富集程度和含鈣礦物的溶蝕密切相關[22]。下伏太原組發育部分灰巖層，山1-盒8段砂巖儲層填隙物中見鐵方解石充填[23]，有研究表明，鈣質膠結物形成所需要的Ca2+含量，僅靠鈣長石溶解來提供是遠遠不夠的[24]。因此地層水中溶解的Ca2+必然有其他來源，這可能與太原組灰巖被地層水溶蝕從而釋放Ca2+有關。與此同時，天然氣充注過程中伴生的有機酸流體也會使碳酸鹽礦物溶解，從而增加Ca2+的富集。理論上，在高溫階段的巖漿結晶中，鍶離子能輕易將鈣離子置換出[24]，研究區山西組和下石盒子組也發現了部分火山物質，且目的層位火山物質中CaO的含量明顯低于其他層位，這可能是由于火山物質中Ca2+已大量溶解于地層水中，造成Ca2+的富集。山1段地層水中的Ca2+含量高于盒8段，是由于其緊鄰下伏煤層及炭質泥巖，有機質成熟所產生的有機酸流體對近源儲層中的鉀長石和含鈣礦物的溶蝕程度高于盒8段，因而使更多的Ca2+釋放于地層水中。

4.4 Mg2+與Na+虧損成因

水-巖相互作用能顯著地改變地層水中陽離子的含量，天環北部上古生界山1-盒8段致密砂巖填隙物中高嶺石、綠泥石等黏土礦物相對含量較高[23]，約占30%，山西組鏡下礦片也觀察到鐵白云石膠結物及菱鐵礦，相對含量10%，且泥晶菱鐵礦中富含鎂，而黏土礦物中常含MgO等雜質，因而認為研究區目的層位Mg2+虧損和高嶺石、綠泥石化有密切關聯，成巖過程中碳酸鹽巖的白云巖化作用也被認為是Mg2+虧損的重要機制，這會使地層水中的Ca2+含量增多而Mg2+減少，鐵方解石與鐵白云石的存在證實了這一點。另外，天環北部目的層位地層水中Na+呈略虧損狀態。在沉積盆地中，與鈉有關的水巖反應要么是斜長石的鈉長石化，要么是鉀長石或鹽巖的溶解沉淀。在4.1節的討論中，已經排除了鹽巖的溶解或沉淀。因此，最有可能是斜長石或鉀長石發生了鈉長石化作用。此外，黏土礦物多帶負電荷，對陽離子有吸附作用，在地層水滲流過程中，部分Na+也會被層狀黏土礦物吸附，呈現出Na+略虧損的現象。

4.5 各層系地層水特征相似性原因

天環北部山1-盒8段各層位地層水中Ca2+、Mg2+、Na+與Cl-在對數坐標上表現為線性相關，而且這些呈線性關系的數據點與聯合線基本平行，反映地層水發生了一定程度的蒸發濃縮或流體混合作用。目的層位數據點在各離子對數坐標上重疊程度較高，推測原因如下：①天環北部目的層位物源均來自于盆地北部陰山地區及西北緣阿拉善古陸[25]，砂巖物質組分受相同物源區控制，且埋深程度相當，地溫差別不大，因而地層水中Ca2+、Mg2+、Na+發生的水-巖反應程度大致相當；②盒8段和山1段地層水一定尺度上發生了流體混合，地層水跨層流動，表現出較好的相似性。

由以上分析可以得到，研究區山1-盒8段地層水成因與蒸發濃縮作用、水-巖相互作用和流體混合作用等密切相關，屬于原始沉積地層水且經歷了較強濃縮變質作用。

5 結論

(1)天環坳陷北部地區山1-盒8段地層水礦化度較高，主要分布范圍是25.45～68.14 g·L-1，平均40.27 g·L-1。其pH=5.5～7.0，平均為6.0，偏酸性。離子組成以Cl-、K++Na+和Ca2+為主。水型為氯化鈣Ⅳ型和Ⅴ型水，反映其良好的天然氣保存環境。

(2)天環北部地區山1-盒8段地層水的鈉氯系數較低，在0.21～0.63，平均0.42，脫硫系數和鈣鎂系數也較低，平均分別為2.24和0.13，變質系數較大，為0.09～159.6，平均25.36，這表明水-巖作用較強烈，水體封閉環境較好，有利于天然氣聚集成藏。

(3)通過對比地層水中各離子組分含量與Cl-含量之間的差異特征，分析得出天環地區山1-盒8段地層水成因與蒸發濃縮作用、水-巖相互作用和流體混合作用等有密切關聯，屬于原始沉積成因水且經歷了較強濃縮變質作用。