鄂爾多斯盆地延長組下組合地層水特征及其油氣地質意義

周新平 ，鄧秀芹，李士祥，左 靜，張文選，李濤濤，廖永樂

（1.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710018；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探事業部，西安 710018；4.中國石油長慶油田分公司第五采油廠，西安 710018）

0 引言

沉積盆地流體是聯系各種地質要素和作用過程的媒介，它為地球化學場、水動力場、地熱場及構造演化等研究提供了科學依據［1］。作為沉積盆地的一種流體類型，地層水為烴類活動提供了載體和動力，貫穿了烴類生成、運移、聚集、保存甚至散失等整個過程。地層水的性質和分布特征是揭示湖盆演化和盆地流體活動規律的重要依據。眾多學者對地層水性質與油氣藏關系進行了研究，在地層水組成特征及其同位素構成［2-6］、地層水區帶分布特征［7-9］、地層水來源及成因［10-14］、地層水對儲層物性的影響［15-16］、地層水流體特征與油氣成藏關系［17-21］、地層水形成演化［22-23］等方面取得了豐碩的成果。普遍認為地層水礦化度、水型、特征參數、同位素等地球化學指標可有效判識其成因和形成環境，進而間接反映油氣藏的封閉性和保存條件。一般而言，地層水礦化度越高，特征參數反映油氣藏的封閉性越強，油氣藏保存條件越好，對油氣成藏越有利；反之，油氣藏保存條件較差，油氣藏可能遭受破壞。值得注意的是，地層水離子組成、礦化度、水型等受沉積、成巖、成藏、后期構造運動等多種因素影響，油層的地層水礦化度并非總是高于水層的礦化度，油層的電阻率并非總是大于水層的電阻率；開放環境的淺層存在CaCl2型地層水，封閉環境的深層也存在Na2SO4型地層水。

鄂爾多斯盆地油氣分布與地層水性質關系密切。蘇里格氣田地層水同位素反映出互不連通的深層封閉環境古沉積水特征，其分布主要受生烴強度和儲層非均質性控制［24］；蘇里格氣田西部盒8 段地層水具有油氣伴生水的特征，形成于封閉還原環境，存在孤立砂體封閉地層水、弱動力生烴氣水驅替不完全的殘留水以及砂體低部位滯留水等3 種成因類型［25］。中生界三疊系延長組長6 油層組地層水硼元素等地球化學指標顯示，盆地長6 沉積期湖泊水體的古鹽度為0.94%～1.01%，屬富鈉的微咸—半咸水環境［26］；三疊系延長組和侏羅系延安組地層水礦化度差異顯著，長6 以上及侏羅系地層水礦化度主要受沉積期古鹽度、剝蝕暴露期大氣水淋濾及煤系地層釋放CO2等因素控制［27］；馬家灘地區延長組油藏受構造運動影響，地表水滲入并與油氣發生強烈的淋濾交換作用，導致早期油氣藏破壞［28］；姬塬地區長6 油層組地層水特征參數表明油藏保存條件差異是形成復雜油水分布的主要原因［29］；盆地南部長6 油層組地層水成因與成巖作用和有機質熱演化密切聯系，是經過較強濃縮變質作用并受油氣等有機流體影響的原始沉積成因水，油氣藏處于穩定封閉環境［30］。鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組、侏羅系延安組地層水性質及成因取得了較多的研究成果，但針對盆地延長組下組合地層水性質及其與油藏的關系還缺少研究。因此，本文旨在通過對盆地延長組下組合地層水性質及分布研究，分析地層水礦化度、特征參數等與油藏的關系以及地層水礦化度對測井解釋的影響，以期為盆地中生界延長組流體系統研究及復雜油水關系分布的測井精細識別提供依據。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，根據現今盆地構造形態及演化歷史，劃分出西緣沖斷帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、伊盟隆起及渭北隆起6 個二級構造單元，目前已發現的油藏主要分布在伊陜斜坡和天環坳陷。中生界三疊系延長組為主要的含油層系，依據凝灰質或炭質泥巖等標志層，結合沉積旋回、巖性組合等，將延長組自下而上劃分為10 個（長10—長1）油層組。根據湖盆演化、沉積旋回、巖性特征、源儲組合以及區域性泥頁巖分隔等，進一步將長10—長8 油層組劃歸為延長組下組合，長7—長4+5 油層組為中組合，長3 及以上淺層為上組合。其中，長10 油層組為湖盆演化初期，以河流—三角洲沉積為主，發育灰色厚層塊狀粗砂巖、中細砂巖，以麻斑結構為特征；受局部湖侵影響，長9 油層組主要為三角洲—湖泊沉積，發育暗色泥巖、頁巖夾薄層灰色粉細砂巖、中細砂巖；長8 油層組以三角洲沉積為主，發育深灰色泥巖與淺灰綠色厚層中細砂巖互層［31］（圖1）。

延長組下組合油藏分布存在差異。長10 油藏主要分布在陜北地區；長9 油藏主要分布在姬塬地區，陜北、隴東地區零星分布；長8 油藏及出油井點較多，在姬塬、陜北、隴東等地區均有分布，是中生界延長組的主力產油層。

2 地層水性質

2.1 地層水水樣篩選

鄂爾多斯盆地中生界延長組油藏為典型的“三低”油藏，低滲透—致密油層需要通過壓裂改造才能獲得工業產能。儲層改造過程中可能受到殘酸影響，所取水樣的離子組成、水型等會失真，用受殘酸影響的地層水分析結果來判斷地層情況必然會產生錯誤結論［32］。綜合地層水水樣的pH 值、離子含量、水型、壓裂液返排率等，建立了地層水水樣篩選標準。正常地層水的返排率較高，pH 值為6～8，離子組成以Cl-，Na+，K+離子為主，ρ（Cl-）＞ρ（Na++K+）＞ρ（Ca2+）＞ρ（SO42-），CaCl2型為主。受殘酸影響的地層水返排率低，pH 值＜6，地層水偏酸性；Ca2+，Mg2+，Cl-含量偏高，Ca2+含量甚至高于Na++K+含量，ρ（Cl-）＞ρ（Ca2+）＞ρ（Na++K+）＞ρ（SO42-），CaCl2型地層水。盆地延長組正常地層水和受殘酸影響地層水的主要區別在于Na+，K+，Ca2+離子含量差異，正常地層水的陽離子以Na++K+為主，Ca2+，Mg2+含量較低；受殘酸影響的地層水陽離子以Ca2+為主，Na++K+含量較低，Cl-含量總體較高（圖2）。

2.2 地層水性質

基于地層水水樣篩選，通過1 萬余個地層水分析數據研究盆地延長組地層水性質。鄂爾多斯盆地延長組地層水離子組成以Cl-，Na+，K+為主，其次為Ca2+，SO42-，其他離子含量較低；地層水礦化度為0～160 g/L，主要分布在10～80 g/L，平均為48.9 g/L，屬于鹽水；水型以CaCl2型為主，占樣品數的83.6%，其次為Na2SO4型，占樣品數的8.3%，其他水型較少。延長組下組合各油層組離子組成及含量較為接近，但與延長組平均離子含量分布不同，Cl-，Na+，K+明顯偏低，其他離子含量差別不大；地層水礦化度相近，平均為28.4 g/L，屬于鹽水；水型主要為CaCl2型，Na2SO4型地層水較延長組多（圖3—4）。

地層水的鈉氯系數［ρ（Na+）/ρ（Cl-）］、脫硫系數［100×ρ（SO42-）/ρ（Na+)］、變質系數［（ρ（Cl-）-ρ（Na+)）/ρ（Mg2+）］等特征參數常用于表征地層水性質［4-5，8，29］。鈉氯系數反映地層水濃縮和變質程度，通常認為地層水封閉性越好，則濃縮程度越高，鈉氯系數越小，保存條件也越有利；脫硫系數能較好反映保存條件，地層水還原越徹底，脫硫系數越小，封閉性越好，越有利于油氣保存；變質系數顯示地層水運移過程中離子的置換程度，水巖作用越強，變質系數越大，離子交換越徹底，保存條件越好。鄂爾多斯盆地延長組地層水的鈉氯系數、脫硫系數、變質系數平均值分別為0.51，0.07，23.50；延長組下組合各油層組地層水特征參數相近，長10 油層組地層水鈉氯系數、脫硫系數、變質系數平均值分別為0.49，0.12，23.33；長9油層組地層水鈉氯系數、脫硫系數、變質系數平均值分別為0.51，0.14，16.75；長8 油層組地層水鈉氯系數、脫硫系數、變質系數平均值分別為0.54，0.11，18.95。

地層水特征參數表明，鄂爾多斯盆地延長組地層水封閉性整體較好，保存條件有利，但不同地區不同油層組，其封閉性也存在不同。延長組地層水礦化度與特征參數具有一定的相關性，鈉氯系數、脫硫系數、變質系數隨礦化度的增大而減小，西緣沖斷帶局部地區少數樣品點受地層抬升剝蝕、大氣淡水淋濾等因素影響，出現隨礦化度的增大而增大的現象。當礦化度＜30 g/L 時，特征參數隨礦化度增大快速下降；當礦化度＞30 g/L，特征參數隨礦化度增大趨于平穩（圖5）。

由此可見，礦化度相對較小的地層水的濃縮程度較低，水巖作用相對較弱，封閉性也相對較差；礦化度較高的地層水通常濃縮程度較高，水巖作用相對較強，封閉性也相對較好。

3 地層水礦化度分布

3.1 礦化度垂向分帶分布

沉積盆地地層水性質垂向分布具有分帶性，地層水礦化度、水型、特征參數等并不隨埋深增加而單調變化［7-8，10］。地層水化學剖面表明，鄂爾多斯盆地延長組下組合地層水離子含量、礦化度明顯不同于其他油層組，地層水水型、特征參數、同位素等也有所不同（圖6）。

根據鄂爾多斯盆地延長組地層水性質，結合湖盆演化特征、長7 泥頁巖、長4+5 泥巖遮擋分隔，以及淺層受侏羅系古河侵蝕的影響，可將延長組劃分為3 套流體系統，延長組下組合長10、長9、長8 油層組屬于同一流體系統。該流體系統形成于湖盆的擴張期，礦化度整體較低，封閉性較好。

礦化度是地層水性質的重要指標。鄂爾多斯盆地延長組地層水礦化度垂向上分帶分布，無論是盆地延長組地層水礦化度，還是各地區延長組地層水礦化度，基本都表現出自下而上呈先增大后減小的趨勢，下組合地層水礦化度明顯較低（圖7），認為與湖盆演化初期沉積水體鹽度低、水巖作用相對較弱、流體流動相對通暢有關。長10 油層組地層水礦化度主要分布在10～30 g/L，平均為28.0 g/L；長9油層組地層水礦化度主要分布在10～30 g/L，平均為26.4 g/L；長8 油層組主要分布在10～50 g/L，平均30.8 g/L。

3.2 礦化度平面分區分布

受沉積期湖泊水體鹽度、剝蝕暴露期大氣水淋濾、后期構造運動斷裂溝通等多種因素影響［27-28，33-34］，鄂爾多斯盆地延長組地層水礦化度差異分布，不同地區同一油層組地層水礦化度不同，鹽池地區普遍較低，陜北地區延長組下組合及長3 以上淺層礦化度較低，姬塬地區、鎮北—合水地區、華池—慶陽地區延長組長3 及以上淺層礦化度較高（圖7）?？紤]到地層水水樣數據的代表性，針對延長組下組合地層水礦化度分布，對陜北地區長10 油層組、姬塬地區長9 油層組、鎮北地區長8 油層組以及華池地區長8 油層組地層水礦化度進行分析。

陜北地區長10 油層組地層水礦化度整體較低，主要分布在10～30 g/L，局部地區少數地層水礦化度可達60 g/L 以上。地層水礦化度自西向東間互分布，吳起、侯市、高橋地區相對較高，一般分布在30～60 g/L；順寧地區地層水礦化度較低，一般＜20 g/L（圖8）。該區基本不受斷裂、侏羅系古河侵蝕的影響，長10 油層組礦化度的差異分布認為主要受儲層非均質性的影響。

姬塬地區西部臨近西緣沖斷帶，斷裂系統發育，低級序斷裂對油氣成藏及流體分布具有一定的控制作用［33-34］。該區長9 油層組地層水礦化度整體相對較低，主要分布在10～30 g/L。盡管天環坳陷軸部長9 油層組埋深大（2 500 m 左右），水巖作用強烈，但其礦化度依然較低，一般低于20 g/L，認為與原始地層水礦化度低有關［27］；定邊、馮地坑、胡尖山等地地層水礦化度較高，為30～50 g/L，局部地區＞50 g/L（圖9）。

鄂爾多斯盆地長8 油層組地層水礦化度相對整體較低，主要分布在10～50 g/L，平均為31 g/L。其中，受西緣斷裂帶、天環坳陷的影響，鹽池地區地層水礦化度最低，天環坳陷最高，斜坡帶相差不大，湖盆中部減小。隴東地區長8 油層組地層水礦化度相對較高，從天環坳陷軸部向湖盆中部，地層水礦化度逐漸減小。其中，臨近天環坳陷軸部的鎮北地區地層水礦化度一般＞50 g/L，環西西部地區少數出水井點的地層水礦化度＞80 g/L，局部水樣礦化度＞100 g/L；位于湖盆中部的華池地區地層水礦化度明顯減小，主要分布在30～50 g/L，慶城、合水、正寧地區的地層水礦化度低于30 g/L（圖10），認為與湖盆中部長7 厚層泥頁巖壓實排水淡化有關［7］。

4 地層水分析的油氣地質意義

4.1 油藏保存條件

地層水特征參數、礦化度、水型等在分析油氣藏保存條件方面具有較好的指示意義。根據特征參數判斷油氣保存條件的指標［5］，鄂爾多斯盆地延長組下組合地層水鈉氯系數為0.51，說明地層水為高濃縮變質水，油氣保存條件好；脫硫系數平均為0.07，?1，表明封閉條件較好，有利于油氣保存；變質系數平均為23.50，?1，為高濃縮階段地層水，油氣保存條件較好。

延長組下組合油藏保存條件整體較好，但古峰莊地區裂縫發育帶部分井鉆井揭示的含油顯示較好，巖心錄井顯示油斑及以上含油級別，地球化學錄井、核磁共振均顯示含油，但無論是通過酸化壓裂還是射孔求初產儲層改造工藝，試油多數出水，少數為出油或油花，水量一般較大。該區低級序斷層發育，以逆斷層為主，主要切過延長組，少數切穿延長組甚至侏羅系，斷層延伸長度較短，＜3 km；斷距較小，一般10～20 m；傾向SW 或NE，傾角較大，為40°～80°；低級序斷層在馬家灘—古峰莊—馬坊地區廣泛發育，平面分布具有分帶性，呈NWW 雁行式展布。與盆地、二級構造帶等邊界大斷層對構造、沉積的控制作用不同，低級序斷層活動性弱，控制作用不明顯［33］。地層水水型雖以CaCl2型為主，但礦化度低，一般分布在10～20 g/L，Cl-含量低，SO42-含量較高，地層水特征參數顯示地層水較活躍（圖9，圖11）。儲層油氣包裹體豐度參數GOI 反映了儲層的含油飽和度，可用于古油層、油水界面及油氣充注史等分析，通常認為油層、運移通道及水層的GOI 分別為＞5%，1%～5%及＜1%［35］。該區中生界試油為出水層，GOI 為6.7%～10.1%，表明其發生過原油充注并形成古油藏。儲層定量顆粒熒光分析結果表明，早期原油充注形成了古油藏或古油層，但后期調整改造，孔隙中殘留的原油較少，形成了現今的水層［34］。晚侏羅世末早期原油優先在緊鄰的相對高滲區聚集形成巖性油藏，再通過疊置砂體、西緣大斷裂在西緣逆沖帶、天環坳陷帶等聚集成藏；受早白堊世低級序斷層影響部分油藏調整；早白堊世末期原油沿低級序斷層垂向輸導再側向運移，在西緣逆沖帶、天環坳陷帶形成構造、構造-巖性油藏；喜山期部分油藏被破壞。

4.2 油水分布關系

鄂爾多斯盆地延長組下組合油水分布關系復雜，出油井集中分布區出現零星的出水井，出水井大量分布區也有出油井分布（參見圖8—10）。油藏的發育受多種因素影響，但總的來看，油藏或出油井點的分布與礦化度高低的絕對值無關，姬塬地區長9 油層組部分油藏地層水礦化度僅為10 g/L，而環西長8 油層組水層地層水礦化度超過80 g/L，說明油藏的地層水礦化度并非一定很高，較高礦化度地層水不一定指示油藏。通過對鄂爾多斯盆地延長組下組合地層水礦化度與出油井、出水井分布的關系來看，地層水礦化度太高，流體流動可能受阻形成滯留區，烴類難以形成有效運聚，對油氣成藏不利；地層水礦化度太低，流體流動太活躍，烴類保存條件不好，對成藏也不利。油藏或出油井點主要分布在礦化度相對較高的區域，這些區域有利于烴類運聚成藏。

4.3 油水層測井識別

通常運用阿爾奇公式進行油水層測井解釋，影響儲層電阻率的因素包括巖性、物性、含油性、孔隙結構、潤濕性和地層水性質等［36-39］。有關地層水性質對儲層電阻率的影響研究較少，而地層水礦化度在復雜條件下的油水層識別中能起到重要作用。

華池地區長8 油層組在大面積出油的背景下，局部相對高滲儲層試油出水，發育高阻水層，電阻率平均為60 Ω·m。部分油層電阻率分布在24～50 Ω·m，高阻水層的電阻率比常規水層高，電阻率值與部分油層相當甚至更高，油水層測井識別難度較大。該區高阻水層的儲層物性、含油飽和度與常規水層相差不大，對電阻率的影響有限。地層水礦化度整體較低，水層礦化度一般＜50 g/L，電阻率隨礦化度減小而快速增大（圖12），較低礦化度的地層水是形成高阻水層的重要成因。另外，相對較高含量的吸附有機質的綠泥石膜、儲層偏親油對高阻水層電阻率也有一定影響。

鎮北地區天環坳陷軸部發育低阻油層，該區烴源巖相對不發育，油藏充注程度相對較低，油層電阻率分布在5～20 Ω·m，平均為14 Ω·m；天環坳陷東側烴源巖主要分布范圍內的常規油層電阻率一般＞30 Ω·m，低阻油層的電阻率遠低于常規油層，與水層電阻率相近。針對局部地區部分層位的低阻油層成因，謝青等［40］通過孔隙結構、地層水礦化度、黏土礦化含量等分析取得了一些認識。綜合儲層電阻率影響因素分析，認為高礦化度（＞60 g/L）、低飽和度（平均為60%）是形成該區低阻油層的主要原因。

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地中生界延長組地層水性質呈區帶性分布。延長組下組合地層水性質明顯不同于其他油層組，屬于同一流體系統，地層水礦化度較低，平均為28.4 g/L；地層水礦化度差異分布，從西緣沖斷帶、天環坳陷軸部到湖盆中部，礦化度總體呈先增加后減小的趨勢。

（2）鄂爾多斯盆地中生界延長組下組合地層水鈉氯系數、脫硫系數、變質系數等表明地層封閉性較強，保存條件好，對成藏有利。油藏及出油井點的分布與地層水礦化度的絕對大小無關，主要分布在地層水礦化度相對較高的區域。西緣沖斷帶部分油藏受構造作用影響進行了調整改造。

（3）地層水礦化度低是湖盆中部高阻水層、天環坳陷軸部低阻油層形成的重要因素，該特征影響了油水層的測井解釋。