陸相斷陷盆地地層水化學場變化規(guī)律分析

朱家俊

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院,山東東營257015)

陸相斷陷盆地地層水化學場變化規(guī)律分析

朱家俊

(中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院,山東東營257015)

油氣層解釋要解決的首要問題是地層水的化學特征問題。陸相斷陷盆地地層水的化學場是比較復雜的,縱向上,地層水的化學特征一般不盡相同;橫向上,同一套儲層中不同井之間其地層水的化學特征,有可能相同也可能不同,甚至相差很大。地層水的化學特征即受控于沉積環(huán)境又受控于沉積后的成巖作用、構造運動,有的與火山活動密切相關,有的與地層水與其宿主巖的形成時間有關。陸相油藏測井解釋含油飽和度工作中,在地層水電阻率的選取時,以上因素都應該充分考慮。

測井解釋;陸相斷陷盆地;地層水;構造運動;火山活動

0 引 言

以陸相沉積為主要特征的我國東部油、氣田這些年來的各種含油飽和度解釋方法是以阿爾奇公式為基礎衍化而來的[1-2]。阿爾奇公式中的R0是指儲層100%含水時的電阻率,在解釋中通常借用于鄰近水層的資料,即假設油層中的水與鄰近水層中水的化學性質(zhì)相等。公式中的 Rw常根據(jù)鄰近水層的試水資料或自然電位測井資料求得。這是目前各種解釋方法中通用的選擇。然而,對于陸相斷陷盆地,地層水中離子的運移、聚集是個復雜的過程?？v向上,地層水的化學特征一般不盡相同;橫向上,同一套儲層中不同井之間其地層水的化學特征,有時可能相同有時也可能不同,甚至相差很大。地層水的化學特征即受控于沉積環(huán)境又受控于沉積后的成巖作用、構造運動,有的與火山活動密切相關,有的與地層水與其宿主巖的形成時間有關。

地層水電阻率是測井解釋油氣層飽和度的重要參數(shù),它的準確與否直接影響到飽和度的解釋精度。在解釋模型確定以后,正確認識與確定地層水的電阻率是十分重要的。

1 陸相斷陷盆地中地層水的來源、構成、演化及運移

1.1 陸相斷陷盆地中地層水的來源

陸相斷陷沉積盆地地層水的來源有2種。一類為原生水;另一類為外來水。當有斷層與地表相通,則大氣雨水、泉水等均可沿著斷層運移到儲層中;深部地層的地層水也可沿著輸導層或斷裂帶運移至其中而賦存下來[3]。Moran等(1995年)對墨西哥灣海岸盆地的分析表明,油田鹵水的地質(zhì)年齡要明顯高于其宿主巖的地質(zhì)時代,這說明鹵水來源于深部更古老地層,它是經(jīng)垂向運移至較淺部而聚集下來的[4]。陸相斷陷盆地中的地層水是以原生水為主還是以外來水為主,主要取決于沉積后的地質(zhì)運動。目前地層中地層水的化學特性是地理、地質(zhì)環(huán)境變遷導致的地下水動力場和化學場經(jīng)漫長、復雜演化的結果。

1.2 陸相斷陷盆地中地層水的演化

以勝利油區(qū)濟陽坳陷沙四段為例分析該區(qū)地層水的演化過程。沙四段沉積期,濟陽盆地周圍古陸環(huán)抱為亞熱帶氣候,區(qū)內(nèi)氣候干熱。其水化學場的演變大體經(jīng)歷了3個階段。

(1)同生沉積作用水文地質(zhì)期。在時間上系指沙四段沉積作用開始至結束這段時間,大約2 000萬年。研究表明該期早期湖水古鹽度應大于40 g/L,晚期古鹽度則為21～40 g/L,這樣東營湖盆沙四段同生沉積水應為40 g/L,為鹽湖相孔隙鹽鹵水。沾車凹陷的沉積條件與東營相似,但其南北、中、東均有高山,接受水的補給,其同生沉積水應比東營凹陷稍淡,推測總礦化度為20 g/L左右[5]。

(2)埋藏、淋濾作用并存的水文地質(zhì)期。在時間上指沙三～東營期,大約1 500萬年。但在沾車凹陷沙四段末期,有大規(guī)模的地層剝蝕(沉積間斷)致使大氣降水進入,使礦化度降低,水型改變,SO增多,HCO離子增加[6]。但在深凹處(如義東地區(qū))無沉積間斷,這就是沾車凹陷水型與東營凹陷不同的重要原因。

在沙四～東營沉積后,凹陷中的沙四段地層被埋藏,靠近凸起的沙四段仍接受裸露灰?guī)r大氣降水滲入補給,進行著淋濾作用和水交替作用,改變著同生沉積水的化學場。但必須看到,沙四在下第三系沉積后裸露很少,僅僅是潛山的水流,通過邊界斷層和不整合面向沙四段地層補給,其數(shù)量很少,影響范圍也不大。因此,水化學活動仍以內(nèi)循環(huán)為主,僅在盆地邊部有大氣降水或地表水進入。

(3)埋藏封閉作用地質(zhì)期。在時間上指新第三系第四紀沉積完成,大約2 500萬年。這時期沙四含水系統(tǒng)全部被掩埋地下,進入埋藏封閉作用期[3,7]。這時地層厚度在下第三系基礎上又沉積1 500～2 000 m,此時由于上部地層的加厚不斷增加荷載,沙四中的泥巖不斷被壓縮,持續(xù)地進入儲層中,發(fā)生內(nèi)循環(huán)型擠壓式水交替,這種水交替成為該水文地質(zhì)時期中唯一的水循環(huán)。在溫度壓力增高的條件下,發(fā)生物理、化學、生物化學等作用,加快了圍巖中的可溶鹽向液相中轉移的速度和規(guī)模。加之本身在高溫下發(fā)生蒸發(fā)濃縮作用,幾種作用的迭加使沙四地層中的水體不斷礦化,朝含鹽增高的方向發(fā)展。這就是沙四地下水多數(shù)為高礦化水原因(東營、惠民凹陷水最高可達200 g/L)。

1.3 陸相斷陷盆地中地層水的運移

盆地中的流體靜止的賦存是相對的,流動運移是絕對的。儲層中的水從生成后,伴隨大大小小的地質(zhì)運動,它們的運移(橫向的與縱向的)一時一刻也沒有停止過,僅是運移的原因與規(guī)模不同而已。

深部水的運移一般是伴隨著油氣運移而運移的,它與盆地中的流體壓力封存箱密切相關。埋深于3 000 m的地層常出現(xiàn)異常超壓,組成了一系列相互獨立的封存箱(流體封存單元),各箱之間的壓力不能轉換,而且與上覆水動力系統(tǒng)也不連通[8]。在這樣的背景下存在2種運移機制:箱內(nèi)水溶對流與向箱外的混相涌流,一旦構造運動引起開啟性斷裂發(fā)生,異常高壓層中的流體,含烴也好,不含烴也好,將會在短時間內(nèi)沿著斷層向低壓段快速涌流。箱內(nèi)流體一旦流出箱外,由于壓力下降,原來溶于水中的油氣便分離出來,油、氣、水將根據(jù)不同的動力機制決定自己的運移距離。油氣除了與箱內(nèi)的水具有同樣的壓力外,本身還受浮力的影響,因此高壓的油氣與同樣高壓的水相比,運移距離要更遠些。

處于高壓封存箱內(nèi)的儲層,只存在箱內(nèi)的水溶對流,由于它們基本為同一沉積體系,地層水的化學特征相差不多,因此不論含油與否,儲層中的水性基本一致。

處于封存箱外又距封存箱較近的地層是箱內(nèi)油氣聚集的有利場所,自然也是箱內(nèi)地層水釋放壓力驅(qū)替原生水的主要場所[9]。因此,這部分儲層的地層水的性質(zhì)變化較大,它取決于深部油氣及水對本層原生水的驅(qū)替情況。

處于封存箱較遠的地層,水的化學特征受封存箱內(nèi)地層水的影響較小,可能因為箱內(nèi)的地層水在運移途中已將壓力釋放殆盡,而油氣由于浮力的影響繼續(xù)上浮。

因此,外來水主要分布于距壓力封存箱較近的地層中。

2 實例分析

2.1 箱內(nèi)成藏體系地層水的變化規(guī)律

牛莊油田位于東營凹陷的牛莊洼陷,該洼陷是一個發(fā)育時間長、沉積厚度大、生油層段多、有機質(zhì)豐度高、成油條件很好的生油洼陷,生油巖與儲集層交互疊置。沙三段的濁積扇被巨厚的生油巖包圍,形成疊覆的內(nèi)生包裹型生儲蓋配置。儲集層可直接大量接收與聚集生油巖所排出的烴類,為一典型的箱內(nèi)成藏體系。由于儲集體本身的封閉性,儲層中的水一般為原生水,而無外來水的干擾,因此這類儲層中地層水的礦化度只與原來的沉積環(huán)境有關,而與油氣的運移及富集程度無關(見表1)。

表1 牛莊油田某區(qū)塊地層水數(shù)據(jù)表

2.2 臨箱成藏體系地層水的變化規(guī)律

東營凹陷郝家油田河4斷塊構造上位于中央隆起帶西端郝家鼻狀構造,處于高壓封存箱之上。沙二段油藏埋深2 500～2 600 m,為分流河道沉積,為淡水沉積環(huán)境,但其地層水礦化度25 000～98 000 mg/L。距斷層最近的河4-斜64井2 649～2 655 m段為上油層下油水同層,油層電阻率僅有1Ω·m,試采日產(chǎn)油22 t。據(jù)化驗分析資料,該層地層水礦化度為98 000 mg/L,比河4-斜64井距斷層稍遠的河4-斜57和河4-斜60井地層水礦化度為25 000、26 500 mg/L,油層電阻率為3～4Ω·m。河4斷塊Es2油藏地層水礦化度偏高及其距斷層越近礦化度越大的特征表明其高礦化度地層水是沿落差500 m的河4大斷層上竄的深部鹵水。河4大斷層是提供高礦化度地層水和油氣的運移通道(見圖1)。

圖1 沙四段高礦化度地層水沿斷層運移示意圖

2.3 遠箱成藏體系地層水的變化規(guī)律

孤東油田區(qū)域構造位于濟陽凹陷東部沾化東緣的長堤潛山披覆構造帶與墾東凸起之間,館陶組油藏為該油田的主力油藏。該油田被孤南、樁東、孤北3個生油洼陷所圍繞[8],館陶組的油氣通道有斷層及不整合面及館下段大規(guī)模發(fā)育的厚度很大的砂巖輸導層。烴源巖中的水在運移過程中將能量不斷釋放于這些輸導層中,而對館上段儲層影響較小,圖2為孤東油田館上段地層水礦化度與含水率關系圖。1 300～1 400 m層段地層水的礦化度從2 000～5 000 mg/L變化不等,但與儲層產(chǎn)水率沒有關系。

圖2 孤東油田館上段地層水礦化度與含水率關系圖

2.4 與火山侵入有關的地層水的變化規(guī)律

地層深處的巖漿沿軟弱帶向上侵入到圍巖中冷凝固結形成侵入巖的過程叫巖漿的侵入作用,其侵入方式有巖漿以熱力熔化圍巖和機械力擠入圍巖2種方式,多數(shù)情況下2種作用同時存在。巖漿擠入地層占據(jù)一定的空間,并迫使被侵入地層中的水等流體向四周運移;熔融巖漿所含的巨大熱量同時對被其觸及的圍巖中的流體產(chǎn)生強烈的蒸煮濃縮作用,水分蒸發(fā),各種鹽分被滯留下來,隨著水分的進一步蒸發(fā),遠處的地層水攜帶鹽分過來補充,水分再蒸發(fā),鹽分又被滯留下來,使本來是淡水的同生沉積水變咸。如此循環(huán)便呈現(xiàn)以巖漿侵入體為中心,隨著半徑增大地層水礦化度逐漸降低至原狀地層水礦化度的特征。

如商河油田商741塊商74-6井鉆遇火山侵入巖體,在其沙三段緊臨侵入巖體的商741井2 812～2 885 m地層水礦化度為45 839 mg/L。隨著與侵入巖體距離增大,地層水礦化度越來越低,距離商74-6井約800 m的夏101井沙三段2 887～2 895.6 m地層水礦化度為24 260 m g/L;而最遠處1 000 m以外商79井2 450～2 458 m地層水礦化度為16 870 mg/L(見圖3)。這充分說明巖漿侵入對地層水的蒸煮濃縮作用是引起地層水變化的原因。

圖3 商741火成巖油藏剖面圖

3 結 論

由于儲集層與生油巖及油氣水運移通道配置關系的不同,使得現(xiàn)今儲層中地層水的來源及變化規(guī)律變得復雜。位于高壓封存箱內(nèi)的儲層及遠離高壓封存箱的儲層中的地層水以原生水為主,它只與儲層本身的沉積環(huán)境、成巖作用有關;緊鄰高壓封存箱儲層中的地層水的性質(zhì)不僅取決于原生水還取決于來自深部地層的外來水以及油氣在其中的富集程度?；鹕交顒訉Φ貙铀幕瘜W性質(zhì)會產(chǎn)生較大的影響。由于地層水電阻率是求取含油飽和度的重要參數(shù),在求取該參數(shù)時,考慮上述因素是十分必要的,通常將鄰近水層的地層水電阻率作為選值依據(jù)的方法也是值得商榷的。

陸相斷陷盆地的油氣運移與聚集有其內(nèi)在的規(guī)律。阿爾奇公式是以海相沉積為背景而研制的含油飽和度解釋方法。它的通用性似乎已被人們所接受。但正如本文所分析的一樣,通常地層水電阻率選取方法事實與理論上的不足也是明顯的。希望本文的一些分析與討論有助于我國陸相斷陷盆地油氣層的測井解釋。

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Analysis on the Changes of Formation Water Chem ical Field in Land Facies Fault Basin

ZHU Jiajun
(Geological Scientific Research Institute,Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying,Shandong 257015,China)

The first p roblem in hydrocarbon zone interp retation is the chemical characters analyses of formation water.The chemical field of formation water is very comp lex in fault basin of land facies.In vertically,the chemical character of formation water is generally not the same;in horizontally,the chemical character of formation water in different wells in the same reservoir is perhap s the same o r different,even very different.The chem ical character of fo rmation w ater is not only controlled by the depositional environment,but also by post-depositional lithogeny and tectonic movement.And some characters are related to the volcanic event,some to the formed time of host rock.W hen interp reting the oil saturation of land facies reservoir and selecting the fo rmation w ater resistivity,w e should fully consider the influencing facto rs above.

log interp retation,land facies fault basin,formation water,tectonic movement,volcanic event

1004-1338(2010)04-0352-04

P631.84;TE122.23

A

中國石化科技攻關項目“濟陽坳陷低電阻油層識別評價及應用技術研究”課題編號:P04020

朱家俊,男,1959年生,博士,高級工程師,從事地質(zhì)綜合研究工作。

2010-03-18 本文編輯 余 迎)