渤海沙壘田凸起帶地層流體特征及其形成機制

時夢臨，張 成，解習農

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430000)

0 引 言

近些年來，盆地流體研究成為了國際地學界的熱點問題。流體作為控制盆地中物質演變和能量再分配的主導因素，與盆地中油氣的生成、運移和成藏過程有著緊密聯系，是油氣勘探的重要手段之一。當前盆地流體分析成為油氣勘探和某些層控型金屬礦床勘探研究的重要手段之一。今后盆地流體的發展趨勢在于對其進行物理化學模擬，致力于應用現代地質數學方法將流體發育過程中的眾多影響因素在一個模型系統中表現出來，建立流體各階段油氣運聚、成藏的歷史模型。渤海西部沙壘田凸起是一長期暴露并接受風化剝蝕的古潛山，早期走滑斷層將沙壘田凸起分為東、西2段。目前，在沙壘田凸起的東側已經發現數億噸的石油地質儲量。沙壘田凸起區是該區油氣勘探的有利地區，也是盆地流體活動較復雜的地區。通過對沙壘田凸起盆地流體化學場和地層壓力演化的分析，試圖揭示該區盆地流體活動特征，進而為該區油氣的運移及勘探提供技術支持。

1 區域地質概況

渤海海域位于中國遼東半島和山東半島之間，被天津市、遼寧省、河北省、山東省三面環繞包圍，僅有東部區域與黃海相連[1]。沙壘田凸起位于渤海海域西部，EW走向并四面環洼，南北分別與沙南凹陷和南堡凹陷相接，東邊與渤中凹陷以緩坡相連。沙壘田凸起是一個長期暴露并遭受風化剝蝕的古潛山，構造上有多個高點，從走滑強度看，分隔沙壘田凸起東、西2段的走滑斷層的走滑作用最強，平面上具明顯的西強東弱特點，從走滑斷層展布方向上看，南段的斷層主要為北東向[2-3](圖1)。

圖1 沙壘田凸起及周緣地區區域地質概況

2 地層流體特征

2.1 地層流體水型特征

根據蘇林地層水分類方案，將地層水分為4類水型，分別為NaHCO3型、Na2SO4型、CaCl2型、MgCl2型。研究區不同層系的地層水水型有較大差別，明化鎮組和東營組以NaHCO3水型為主，館陶組和沙河街組以CaCl2水型為主，Na2SO4型和MgCl2型含量非常低。

2.2 地層流體主要化學組成

沙壘田凸起的地層水所含的離子類型十分豐富，陽離子主要有Fe2+、Fe3+、K++Na+、Mg2+、Ca2+，陰離子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-。陽離子含量由高到低依次為K++Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+，Na+含量占據絕對優勢，平均含量約為4 500 mg/L；陰離子含量由高到低依次為Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，Cl-的含量占據絕對優勢，平均含量約為6 000 mg/L。研究區地層水總礦化度最小值不到1 g/L，最大值達160 g/L，平均值約為81 g/L。

2.3 地層流體主要離子參數

離子參數可直觀地反映地層水的賦存狀態、運移特征、變質程度、封閉性、離子交換程度以及水-巖相互作用強度等[4]。

鈉氯系數r(Na+)/r(Cl-)反映地層水的變質程度[5]，其值越小，變質程度越深，地層水越濃縮，封閉性越好，越利于油氣的保存；鈉鈣系數r(Na+)/r(Ca2+)反映陽離子交替吸附作用，地層水越封閉，礦化度越高越濃縮，其值越高；脫硫系數r(SO42-)×100/r(Cl-)反映流體的封閉程度，其值越小，還原環境越強烈，地層封閉性越好，油氣的保存越有利[6]；碳酸鹽平衡系數[r(HCO3-)+r(CO32-)]/r(Ca2+)反映油氣性質和運移方向[7]，其值越小，越靠近油氣藏，保存條件越好；氯鎂系數r(Cl-)/r(Mg2+)反映地層水濃縮作用[8]，地層水封閉越好，時間越長，濃縮變質程度越深，氯鎂系數就越大，隨地層深度的增加，氯鎂系數呈現下降趨勢[9-10]。上述各系數中，r(i)代表i離子在地層水中物質的量濃度，單位為g/L。

3 地層流體壓力特征

圖2為研究區實測壓力隨深度的變化關系，其現今壓力場在垂向上分為常壓系統和超壓系統。位于沙壘田凸起西段凸起中部的HZ5井和東段中部的CFD8-4-2井超壓頂界面均處于較高位置，而位于凸起北部的CFD5-5-1井以及南部的CFD18-1-1井超壓頂界面均不到2.6 km；渤中凹陷BZ13-1-1井和沙南凹陷CFD14-2-1井超壓頂界面均處于較低位置。由此可推測，沙壘田凸起及周緣地區的超壓系統頂界面深度是呈自凸起向凹陷方向逐漸增大。

圖2 沙壘田凸起及其周緣區域典型實測地層壓力與深度關系

研究區主要壓力場結構類型為單超壓型。一般超壓帶的頂部發育一套低滲透性的封閉巖層，有效防止超壓釋放，常壓帶與超壓帶之間往往發育由粗到細的巖性過渡帶[9]。綜合利用鉆井和泥巖測井聲波時差對泥巖孔隙流體壓力狀態進行分析，結果如圖3所示。

圖3中2口井壓力特征均為超壓型，但超壓形成的機制不同，CFD18-1-1井為自源型超壓，是在沒有外界流體流入的狀態下，系統內部的物理化學條件改變導致系統壓力增加，快速沉降和充填是導致不均衡壓實出現的主要原因，快速沉積使盆地流體失去了排出的時間，導致壓實與排水作用不平衡[10]。CFD24-1-1井為傳導型超壓，傳導型超壓是指由于體系外部的水動力作用或應力條件改變致使體系內部流體超壓，CFD24-1-1井中由于側向上疏導體與更高超壓流體囊連通，導致超壓流體注入砂巖孔隙，致使流體壓力增加[11]。

圖3 沙壘田凸起CFD24-1-1、CFD18-1-1井壓力特征分析

4 地層流體分帶及其形成機制

4.1 地層流體垂向分帶性

現今地層水化學特征可以揭示水文地質條件，反映水流演化特征，是地質信息的綜合反映，受原始沉積環境和后期成巖改造影響，地層水化學特征在垂向上以及平面上均呈現不均一性[12]。

研究區主要離子參數表現出很強的垂向分帶性，圖4為5種主要離子參數隨深度變化關系，根據離子參數的組合特點對于水文地質條件進行縱向分帶。地層水交替自由帶，鈉氯系數、鈉鈣系數、脫硫系數、碳酸鹽平衡系數出現高值，此深度地層水的封閉性較差，地層水受到大氣降水影響較大。地層水交替阻滯帶，此深度鈉氯系數、鈉鈣系數、脫硫系數、碳酸鹽平衡系數都相對于地層水交替自由帶有所增加，該段地層的封閉性變好，受到大氣降水的影響逐漸減小。氯鎂系數減少主要是由于隨著地層深度增加，氯化物的溶解作用加強，Cl-含量增加所致。地層水交替停滯帶是一個封閉性好且超壓的系統，鈉氯系數、脫硫系數、碳酸鹽平衡系數等數值持續下降整體上反映了該段地層封閉性好的水文地質條件。

圖4 沙壘田凸起及其周緣地區離子參數特征

研究區影響盆地流體礦化度的因素主要表現為4個方面，導致了地層流體在垂向上的分帶性(圖5)[13-15]：①地層水自由交換帶，礦化度及元素離子濃度呈升高趨勢，是由于近地表的蒸發濃縮作用，隨埋深增加，蒸發作用的強度明顯減弱；②地層礦化度在泥巖壓實排水作用下呈下降趨勢，研究區沉積泥巖原始孔隙水含量高，較少受到蒸發濃縮作用的影響，孔隙水具有低礦化度、低離子濃度的特征；③隨著埋藏繼續加深，地層的封閉性越來越好，泥巖發生壓濾濃縮作用，在具較高交換能力的沉積物滲出的溶液中，礦化度隨壓力增高而降低，殘余孔隙水的礦化度則升高；④泥巖壓濾濃縮作用和地層超壓共同作用導致礦化度在2 000 m開始增加，3 000 m達最大值，在此之下地層中，高嶺石等黏土礦物隨埋深增加脫水導致地層水被淡化[16-18]。

4.2 地層流體超壓系統與化學場成因關系

研究區地層流體壓力場與礦化度垂向分帶特征有一定的一致性，地層流體壓力場垂向分帶特征如圖6所示，在相對封閉的超壓系統中發育了高礦化度地層水，其地層水礦化度的變化受到超壓系統外界環境影響較小。

研究區常壓帶盆地流體的礦化度整體處于較低水平，與海水相近，根據地層水礦化度分類屬于鹽水(10 g/L≤TDS<50 g/L)，主要離子質量濃度也低于平均值。過渡壓力帶盆地流體礦化度開始升高，但整體處于較低水平，同樣為鹽水。超壓帶盆地流體礦化度整體處于較高值，礦化度平均值較高，屬于鹵水(TDS≥50 g/L)，3 000 m出現峰值，約為90 g/L。可以看出，研究區盆地流體礦化度分布特征與超壓發育特征具有一定耦合關系[19]。

4.3 水-巖相互作用

水-巖相互作用對地層水的性質產生較大影響，研究區斷裂系統和不整合面發育，為流體的運移提供了通道，其輸導網絡具有較好連通性和較大孔隙度，有利于地層水與周圍巖石充分接觸，各種水-巖作用充分進行，對于研究區地層水礦化度以及主要元素離子濃度變化起著比較重要作用[20]。

圖5 沙壘田凸起及其周緣區域礦化度及主要元素離子質量濃度垂向分布

圖6 沙壘田凸起及其周緣地區盆地流體壓力場與化學場關系

圖7為沙壘田凸起及周緣地區不同層系Na+和Cl-濃度關系。由圖7可以看出，Na+與Cl-的比值及關系分別為1∶1、Na+相對Cl-過剩和Na+相對Cl-匱乏3種情況。明化鎮組等較淺層系Na+和Cl-元素物質的量濃度為1∶1，沙河街組等較深層系地層水數據顯示Na+相對Cl-過剩或不足。將過剩的Na+和HCO3-物質的量濃度進行比較，部分過剩的Na+與HCO3-物質的量濃度為1∶1的關系，這種關系可以解釋在該區黏土礦物中，高嶺石占據的相當的比例，鈉長石在水解的過程中生成等量的Na+和HCO3-，同時生成高嶺石。

將過剩Ca2+與虧損Na+進行比較(圖8)，在較淺地層中，鹽巖溶解是導致礦化度變化的主要原因。隨埋深增加，溫度和壓力條件變化，部分CO2成為游離狀態從水中逸出，生成碳酸鹽膠結物，發生脫碳酸作用。使地層水中HCO3-物質的量濃度降低，Na+物質的量濃度依然過剩；同時膏巖溶解，導致地層水Ca2+濃度升高，促進了脫碳酸作用正向進行，導致HCO3-含量降低。

圖7 沙壘田凸起及周緣區域Na+與Cl-物質的量濃度及過剩Na+與HCO3-物質的量濃度關系

圖8 沙壘田凸起及其周緣地區虧損Na+和過剩Ca2+的關系

由圖8可以看出，當虧損Na+大于25 mmol/L時，數據點呈一定斜率增長，虧損Na+和過剩Ca2+主要以2∶1的比例發生陽離子交換作用，在研究區較深地層中，地層溫度達到了斜長石的鈉長石化的反應溫度(100～150 ℃)。說明在研究區較深地層存在斜長石的鈉長石化這種水-巖作用類型。膏巖的溶解對于這種虧損Na+和過剩Ca2+的趨勢起增強作用[21]。

5 油氣地質意義

盆地流體作為油氣匯聚、運移的主要載體，水型、礦化度及主要離子含量、離子參數均與油氣藏的形成分布密切相關。CaCl2型和NaHCO3型水是含油氣的標志，研究區館陶組和沙河街組地層水的水型均為CaCl2型，分布在地層環境交換能力差的交替阻滯帶和交替停滯帶，此層系發生濃縮和強烈的脫硫作用，Ca2+和Cl-較富集。這種水化學環境反映了油氣圈閉的良好性質，對于油氣藏的形成和保存是非常良好的條件。礦化度變化規律對于油氣的運聚在垂向上也有指示意義，一般礦化度升高方向為油氣的運移方向，中國發現的大部分油氣藏均遵循此規律，礦化度升高也是導致水型由NaHCO3型向CaCl2型轉變的原因，研究區的CaCl2水型與高礦化度油氣藏密切相關。其次，盆地流體中離子參數也能反映油氣保存條件，研究區沙河街組低鈉氯系數，脫硫系數，碳酸鹽平衡系數，高鈉鎂系數均指示地層水處于封閉的還原環境，對于油氣保存十分有利。同時，研究區地層超壓系統為油氣運移提供了充足的動力，影響油氣運移距離、方向及富集層系，在超壓盆地中油氣多富集于超壓頂界面附近[22]。

綜上所述，在研究區沙壘田凸起及其周緣區域地層水化學特征和壓力特征均指示在館陶組和沙河街組存在儲層，館陶組儲層主要在凸起部位，沙河街組儲層主要在凸起邊緣及周圍凹陷區域。該層位地層水地質環境穩定，封閉條件好，利于油氣聚集保存。

6 結 論

(1) 在沙壘田凸起及周緣研究區，礦化度、水型及離子參數垂向上呈分帶性，劃分為地層水交替自由帶、阻滯帶和停滯帶。根據地層水成因在垂向上分為蒸發濃縮帶、泥巖壓實排水帶、泥巖壓濾濃縮帶和黏土礦物脫水淡化帶。膏巖溶解、鈉長石的高嶺石化、斜長石的鈉長石化、碳酸鹽膠結物形成等水-巖作用是現今地層水這種特殊分帶性的主要原因。

(2) 在沙壘田凸起及周緣研究區，壓力隨埋深增加而增大，研究區域超壓帶的壓力場結構特征為單超壓型。垂向上整個區域的超壓頂界面出現在2 500～3 000 m深度的沙河街組層系范圍內。平面上超壓系統頂界面深度總體是呈自凸起向凹陷方向逐漸增大的趨勢。

(3) 在沙壘田凸起及周緣研究區，地層水化學場與壓力場具一定耦合關系，在垂向上超壓頂界面上下，礦化度都有很大差別，超壓帶和礦化度普遍要高于常壓帶。常壓帶地表水滲入活躍，礦化度較低，過渡帶以下地層水文地質環境封閉性較好，礦化度升高，3 000 m處出現峰值，對于油氣的聚集該帶也具有良好的保存條件。

(4) 在沙壘田凸起及周緣研究區，地層水化學和壓力特征及其垂向分帶性均指示凸起地區館陶組和凸起邊緣及周圍凹陷區域的地層水地質環境穩定，利于油氣聚集保存。