濟陽坳陷沙河街組地層水化學特征分析及與成藏關系探討

劉瑞娟

(中國石化勝利油田分公司 勘探開發研究院,山東 東營 257001)

地層水是含油氣盆地中的地層流體的重要組成部分,其變化特征可以反映油氣的聚集規律,利用地層水的化學特征可以幫助地質勘探者“找油”,可為油氣勘探提供指導,為生產服務。因此,濟陽坳陷的地層水化學特征研究是一項很重要而且是不可缺少的工作。國內外許多學者對地層水的特征、成因、同位素特征、溫壓條件等開展了研究,并取得了很多重要的成果,但前人對濟陽坳陷沙河街組的地層水特征的深入研究相對較少。因此,本文根據濟陽坳陷的地層水分析數據,討論濟陽坳陷內地層水化學特征及探討地層水化學特征與油氣成藏的關系。

1 區域地質概況

濟陽坳陷地處山東省北部,是渤海灣盆地中一個極其重要的次級構造單元(圖1)。東部以郯廬斷裂的中段與魯東隆起相隔,西部和北部以埕寧隆起和渤南凸起與黃驊坳陷、渤中坳陷相鄰,南部以齊廣斷裂與魯西隆起分界,西南部與臨清坳陷相連。由西向東撒開,西窄東寬,面積為2.65×104km2。早第三紀,坳陷內自南而北發育了東營凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷、車鎮凹陷等4個次級凹陷[1]。這4個凹陷之間有聯系和具有共同點,相互之間也有很多差異,各自形成獨立的生、儲、蓋、運、聚單元,就地層水特征來說,他們之間既有聯系,又相互獨立,本文從地層水化學特征方面淺析油氣成藏之間的差異性。

2 地層水化學特征分析

地層水的化學特征是在相當長的地質歷史時期內地層水與巖石、有機物等相互作用的結果[2]。地層水化學特征分析研究主要包括礦化度、酸堿度、水型、化學系數等。現今呈現的地層水化學特征是地層水在物理、化學等多種作用下,經過長期的演變至今的結果。研究地層水的化學特征,能夠幫助我們還原一個地區的水文歷史[3-6]。

礦化度是指地層水中含有的各種離子、分子與化合物的總量,包含各種鈣、鎂、鋁和錳等金屬的碳酸鹽、重碳酸鹽、氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽以及鈉鹽,它是地質環境變化導致地層水動力場和水化學場經歷復雜演化的反映[7]。

圖1 濟陽坳陷區域概況圖(以東營組邊界為底圖)

2.1 礦化度

筆者在濟陽坳陷內應用了2 215口井的水分析資料,取樣數據點具有代表性。濟陽坳陷礦化度的范圍跨度比較大,0～350 g/L都有分布。每個凹陷不同層位的礦化度存在區別,東營凹陷的礦化度最大,惠民凹陷次之,車鎮和渤南更低一些,這種區別與當時的沉積環境等各方面的因素有很大的關系,反映了不同凹陷地質環境變化存在差異。其中,東營凹陷的礦化度整體較高,其值為0.2<ρ(TDS)<350 g/L,平均值為38.6 g/L;惠民凹陷礦化度范圍為1.3<ρ(TDS)<178 g/L,平均值為33.1 g/L;沾化凹陷礦化度范圍為0.3<ρ(TDS)<204 g/L,平均值為11.46 g/L;車鎮凹陷礦化度范圍為0.5<ρ(TDS)<98 g/L之間,平均值為13.7 g/L。因為海水的礦化度是35 g/L,從各凹陷的平均值上來看,東營凹陷的地層水屬于咸水,其次是惠民凹陷,接近于咸水水平,沾化凹陷和車鎮凹陷相對它們來講淡一些。從層位上來看(表1),從沙一段到孔店組,礦化度是呈現增大的趨勢,是典型的正向水化學剖面,底部層位的水相對較咸。

2.2 酸堿度

地層水的酸堿度顯示的是地層流體演化至今的特征,統計分析(表1)濟陽坳陷沙河街組地層水整體以堿性為主,說明地層水演化至今是以堿性為主。堿性水的來源初步猜想可能有兩個來源:一是坳陷深部上涌的堿性地層水;二是受到了坳陷內部膏鹽層的影響。

通過對濟陽坳陷沙河街組地層水的酸堿度進行剖析,其中以東營凹陷為例來看,淺層斷裂附近以酸性為主,深層洼陷帶和邊緣帶以酸性為主,受沉積、成巖和成烴作用的控制,縱向上具有酸堿交替演化的特點。沙四下亞段指示堿性流體占主導地位,主要受沉積成巖作用的控制;沙四上亞段指示酸性流體占主導地位,主要受生烴作用的影響;沙三下主要是堿性流體占主導作用,受成巖作用的影響;沙三中-沙一段主要是酸性流體占主導,受淋濾作用的影響。

2.3 水 型

地層水的分類方法有很多種,常采用的是蘇林的分類方法[8-9]。蘇林分類將地層水的類型劃分為4類,其中Na2SO4型是大陸沖刷環境下形成的水,一般來說,此水型反映環境封閉性差,不利于油氣聚集和保存。NaHCO3型是大陸環境條件下形成的,該水型在油田中分布廣泛,是含油性良好的標志;Mgcl2水型是海洋環境下形成的水,該水型一般多存在于油氣田內部;CaCl2水型是深層封閉構造環境下形成的水,環境封閉性好,有利于油氣聚集和保存,是含油性良好的標志。

經過統計分析(如表1所示),濟陽坳陷主要陽離子順序為Na++K+>Ca2+>Mg2+,主要陰離子順序為Cl->HCO3->SO42-。如表1所示,東營凹陷和惠民凹陷沙河街組各層位中,水型主要以CaCl2為主;渤南洼陷和車鎮凹陷沙河街組各層位中,水型主要以NaHCO3為主。造成濟陽坳陷水型南北分區的原因分析如下:東營凹陷和惠民凹陷,整體礦化度較高,地層水中以Cl-和Na+占優勢,由于CaCl2的溶解度更大,所以在礦化度高的地層水中以Cl-和Ca2+為主,水型以CaCl2型水為主。在相對較低的礦化度區HCO3-、SO42-占主導,Na+是主要的陽離子,因此沾化凹陷和車鎮凹陷的水型主要以NaHCO3型為主。并且在同一地區的深層封閉環境中,更容易形成CaCl2型水。從濟陽坳陷南北水型差異性來看,沾化凹陷和車鎮凹陷在沙河街組沉積時期水體流動性大于東營凹陷和惠民凹陷,封閉性相對差一點。

表1 濟陽坳陷不同層位地層水化學特征表 mg/L

2.4 主要化學系數

地層水的主要化學系數包括鈉氯系數、脫硫酸系數等,它們是指地層水離子比值,可以反映地層水的地球化學環境和水巖作用強度。本文主要利用鈉氯系數和脫硫酸系數,分析地層水的環境的開啟與封閉性以及是氧化與還原性。

2.4.1 鈉氯系數

鈉氯系數是指單位體積地層水中鈉離子與氯離子的當量比值,這反映了地層水中鈉鹽的富集程度,可以用來分析地層水的變質程度以及地層的封閉性能。從表1可以看出,濟陽坳陷沙河街組的鈉氯系數平均值為0.75～1.52,其中,東營凹陷沙河街組的鈉氯系數平均值均小于1,說明東營凹陷該層位地層水的變質程度較小,地層的封閉保存條件較好。其中,沙四、沙三、沙一段鈉氯系數小于0.85,具有沉積鹵水的特征,接近于海水的鈉氯系數是0.86,沙二段的鈉氯系數平均值是0.99,接近于1,說明該層位具有溶濾鹵水的特征,該段地層的封閉性相對減弱,造成其他溶濾水滲入。惠民凹陷的鈉氯系數平均值與東營凹陷類似,在0.75～0.89之間,說明沙河街組地層水封閉性強。沾化凹陷的鈉氯系數平均值為0.97～1.52,車鎮凹陷的鈉氯系數平均值為0.98～1.21,相對于東營凹陷和惠民凹陷來講,鈉氯系數值較大,反映了這兩個凹陷的水體主要是陸相成因,并且受到滲入水的影響作用較大。總的來講,鈉氯系數值越大,地層的封閉性較弱,受溶濾滲入水的影響較大,對油氣藏的保存不利;反之,如果鈉氯系數值越小,地層封閉性較強,對油氣藏的保存越有利。

2.4.2 脫硫酸系數

脫硫酸系數是地層水環境的氧化—還原的重要指標,是反映油氣藏保存好壞的參數,表達式為(rSO42-×102)/rCl-,地層水中SO42-和Cl-離子的大小直接影響脫硫系數的變動。脫硫酸作用越徹底,脫硫酸系數越接近于0,還原環境越強,表明地層的封閉程度越好。濟陽坳陷沙河街組的脫硫酸系數平均值為0.61～10.77,從表1中可以看出,東營凹陷和惠民凹陷的脫硫酸系數相對其他兩個凹陷較低,東營凹陷的脫硫酸系數平均值為1.32～1.64,惠民凹陷的平均值為0.61～2.01,說明這兩個凹陷是很好的“儲油基地”,沙河街組的地層封閉程度好,還原環境強,未受到強烈氧化作用的影響。沾化凹陷和車鎮凹陷的脫硫酸系數值相對較大,沾化凹陷的均值為3.59～10.77,車鎮凹陷的均值為3.56～7.72,說明這兩個凹陷的地層水在沙河街組時期處于弱氧化弱還原環境,幾乎沒有受到還原作用的影響,地層封閉性相對弱一些。

2.5 地層水化學特征影響因素

經過全面的分析,發現濟陽坳陷沙河街組在不同凹陷、不同層位的化學特征存在明顯差異,造成差異的原因[10-11]包括以下幾個方面。

2.5.1 沉積環境與水-巖作用

沉積時,原始水體的礦化度影響了現今地層水礦化度的大小及變化規律;原始沉積水隨著沉積物的持續埋藏或者剝蝕過程,會與周圍巖石發生水巖反應或鹽巖的溶解淋濾,或是與其他性質的地層水混合,導致本身水化學成分的改變。濟陽坳陷的南北水型差異是地質歷史時期內,不同的水-巖作用造成的,地層水中水化學特征也會為水-巖作用提供重要的信息。

2.5.2 生烴作用

生烴作用會產生大量的有機酸,在超壓的驅動下,有機酸分階段排出,使得地層水中的碳酸鹽礦物溶蝕,儲層中的鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結物溶蝕,導致地層水礦化度增加。

2.5.3 大氣水滲入與蒸發濃縮作用

大氣降水對總礦化度的影響很大,沾化和車鎮凹陷的礦化度相對于東營凹陷和惠民凹陷相對較低,這兩個凹陷曾經遭受過較強的大氣降水淋濾作用。高溫下的蒸發濃縮作用會使深層封閉地層中的水體不斷礦化,朝含鹽度增高的方向發展,礦化度升高。沉積時期若氣候干燥、湖盆收縮,湖水的濃縮作用增強,地層水中鹽巖的溶解是礦化度增大的主要方式。雖然地下巖鹽的溶解會對礦化度產生近距離的影響,但通過地層水通過斷裂帶垂向運移也可以影響很大范圍內的礦化度。

3 地層水化學特征與油氣成藏關系探討

研究表明,地層水礦化度、酸堿度、水型、化學系數的變化與油氣運聚和保存有著密切的關系。[12]

3.1 地層水化學特征與成藏的關系

3.1.1 礦化度

礦化度值越高,地層的封閉性越強,越有利于油氣的保存;濟陽坳陷,礦化度高值區主要分布在洼陷區和構造轉化帶,這反映了流體的釋放和運聚的過程,地層水的運移方向與油氣的運移方向具有一致性。在中央隆起帶或者斷階帶,礦化度會發生明顯的穿層,這些區帶往往也是油氣聚集的區帶。因為高礦化度流體突破的區帶,石英加大、碳酸鹽類和鋁硅酸鹽類溶蝕的成巖作用相對強烈一些,相對應的儲層物性較好,含油性較好。

3.1.2 酸堿度

酸性和堿性成巖環境會出現在成巖過程的不同階段,對儲集物性產生不同的影響。在酸性地層水中,石英比較穩定,碳酸鹽、長石等礦物會處于溶蝕狀態,較容易形成次孔隙,儲集物性相對較好;而在堿性地層水中,碳酸鹽、長石等礦物會發生沉淀,石英溶蝕會隨著酸堿度的增加而增加,形成大量的孔隙,造成儲集物性的變好。

3.1.3 水 型

水型的差異,在于同一離子含量的差異,會導致地層水中的酸堿度存在差異,影響成巖作用的類型,進而對儲集性能產生差異。以東營凹陷的利頁1井為例,在3 560 m的深度,地層水的類型為NaHCO3型,PH為10,呈堿性;在3 785 m,地層水類型為CaCl2型,PH值為5,呈酸性。即使是同一口井,由于水型不同,離子差異,勢必會造成儲集物性的差異。

3.2 地層水化學特征與油氣保存的關系

地層水的特征對油氣的保存有一定的影響,但是地層水總礦化度和水化學系數僅能反映地下油氣的保存封閉條件,并不能直接決定油氣藏的有無。在影響油氣保存的地層水化學特征中,礦化度越高,反應的地層封閉性越強,越有利于油氣的保存;鈉氯系數、變質系數、脫硫酸系數越小,越有利于油氣的保存。前人利用地層水的脫硫系數-鈉氯系數投點判別圖可直觀地反映研究區不同地層所處的油氣水文地質保存環境,將保存環境劃分為保存區、過渡區、弱保存區和非保存等4個區域,這也可作為我們在油氣勘探中借鑒的一個好方法。

4 結 論

(1)濟陽坳陷中東營凹陷和惠民凹陷礦化度較高,沾化凹陷和車鎮凹陷相對較低。整體的酸堿度以堿性為主,不同的層位各有差別,主要受成巖、生烴及淋濾作用的影響。濟陽坳陷南部各凹陷水型以CaCl2為主,北部凹陷以NaHCO3為主,造成這一現象的主要原因是水—巖作用。

(2)濟陽坳陷整體的鈉氯系數和脫硫系數比較低,其中東營凹陷和惠民凹陷的值相對于沾化凹陷和車鎮凹陷來講更低一些,這表明東營凹陷和惠民凹陷的地層封閉性更強一些,油氣保存條件相對較好。

(3)地層水化學特征僅能從地層水的角度反映油氣的封閉、保存條件,并不能直接決定油氣藏的有無。在油氣勘探中,還要結合其他成藏要素匹配分析,才能確定成藏有利區。