鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度特征及其地質(zhì)意義①

王昌勇 鄭榮才 劉 哲 梁曉偉 李廷艷 張建伍 李雅楠

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院 成都 610059;2.長(zhǎng)慶油田公司勘探部 西安 710018;3.長(zhǎng)慶油田公司勘探開發(fā)研究院/低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 西安 710021;4.長(zhǎng)慶油田分公司超低滲透油藏研究中心 西安 710018)

0 引言

隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部，橫跨天環(huán)坳陷和伊陜斜坡(圖1)，在長(zhǎng)9油層組沉積時(shí)期發(fā)育湖泊—三角洲沉積體系［1，2］。該區(qū)長(zhǎng)9油層組為長(zhǎng)慶油田后備資源接替層系，但其基礎(chǔ)地質(zhì)問題的研究程度總體較低，特別是對(duì)長(zhǎng)9沉積期湖泊水體性質(zhì)尚缺乏相關(guān)研究。本次研究對(duì)該區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度進(jìn)行恢復(fù)，分析其湖泊水體性質(zhì)，并從古地理的角度對(duì)其鹽度分帶特征進(jìn)行了解釋，對(duì)該區(qū)巖相古地理面貌恢復(fù)、重現(xiàn)鄂爾多斯盆地晚三疊世湖泊性質(zhì)和演化歷史具有重要意義。

1 古鹽度計(jì)算

沉積磷酸鹽法、同位素法以及微量元素法是恢復(fù)沉積水體古鹽度較常用的幾類方法。其中，沉積磷酸鹽法對(duì)區(qū)別半咸水環(huán)境很有效，但其分析結(jié)果常受黏土成因、成巖作用、含磷重礦物及含磷酸鈣的生物化石影響而失效［3］;同位素法主要用于判斷淡水與海水環(huán)境，在海相碳酸鹽巖研究中使用較多［4，5］。而對(duì)古鹽度進(jìn)行定量計(jì)算，目前主要采用微量元素法［6］，以B元素法應(yīng)用最為廣泛。

圖1 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組沉積相及構(gòu)造位置圖Fig.1 The plan distribution of sedimentary facies of Chang9 oil-bearing layer of Yanchang Formation in Longdong area and location of the study area

1.1 計(jì)算方法

硼元素在地球化學(xué)分析中容易被確定，對(duì)于沉積環(huán)境及鹽度的反應(yīng)比較敏感，因此，硼元素可作為反映鹽度的指標(biāo)［7］。自然界水體中硼的濃度是鹽度的線性函數(shù)，而黏土從水體中吸附的硼含量與水體鹽度呈雙對(duì)數(shù)關(guān)系式，即佛倫德奇吸收方程［8］:

式中B為吸附硼含量(μg/g)，S為鹽度(‰)，C1和C2是常數(shù)，此方程為利用B元素和黏土礦物定量計(jì)算古鹽度的理論基礎(chǔ)，在此方程基礎(chǔ)上建立的Adamas公式和Couch公式是計(jì)算古鹽度常用的兩個(gè)公式:

(1)Adamas(亞當(dāng)斯)公式［9］，其表達(dá)式為:

式①中Sp為古鹽度(‰)，x為“相當(dāng)硼”含量(單位:%，計(jì)算古鹽度時(shí)需換算成μg/g)。對(duì)于以伊利石為主的泥巖樣品，式中的“相當(dāng)硼”含量可由沃克校正公式［10］計(jì)算得出:

式②中8.5為純伊利石中的理論K2O濃度，B樣品和K2O樣品指樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果。

本次研究選取了30件泥巖樣品進(jìn)行微量元素分析，并首先對(duì)其中20件樣品進(jìn)行了礦物X衍射分析，分析結(jié)果表明:長(zhǎng)9油層組泥巖主要由黏土礦物組成，其含量介于55.1% ～88.8%之間，其次為石英、鈉長(zhǎng)石以及少量鉀長(zhǎng)石和方解石(表1)。長(zhǎng)9泥巖中除黏土礦物以外，只有鉀長(zhǎng)石對(duì)微量元素分析中的K元素有影響，而樣品中鉀長(zhǎng)石含量一般不超過1%，最高不超過6.5%(表1)，因此由鉀長(zhǎng)石帶來的K元素可以忽略不計(jì)，微量元素分析測(cè)得的K元素含量可視為黏土礦物中的K。

通過微量元素分析分別測(cè)得了B和K元素的百分含量用于古鹽度定量計(jì)算，原始分析數(shù)據(jù)及鹽度計(jì)算結(jié)果見表2。計(jì)算結(jié)果表明:隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度范圍介于0.4‰～22.3‰，平均為8.6‰;長(zhǎng)91平均鹽度8.1‰，長(zhǎng)92平均鹽度10.3‰，長(zhǎng)91鹽度低于長(zhǎng)92。

(2)Couch(科奇)公式［11］，其表達(dá)式為:

式③中B*為“校正硼”含量(單位:%，計(jì)算古鹽度時(shí)需換算成μg/g)，可由Couch校正公式換算:

式④中xi、xm、xk分別代表樣品中實(shí)測(cè)伊利石、蒙脫石和高嶺石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，系數(shù)代表各類黏土礦物對(duì)硼的吸收強(qiáng)度，以系數(shù)越大為吸收強(qiáng)度越大，該公式適用于復(fù)雜黏土礦物成分的泥巖樣品，但受成巖作用影響較大。

表1 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組泥巖礦物X衍射分析結(jié)果Table 1 X-ray diffraction data of mudstone in the Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

本次研究選取了隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組20件泥巖樣同時(shí)進(jìn)行B元素分析和X射線衍射定量分析，其計(jì)算結(jié)果表明:隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度介于2.7‰～7.7‰，平均為5.0‰;長(zhǎng)91平均鹽度為4.9‰，長(zhǎng)92平均鹽度略高于長(zhǎng)91，為5.2‰(表3)。

Sr/Ba比值及B/Ga比值常作為古鹽度判別的一個(gè)標(biāo)志，沉積物中記錄的Sr/Ba比值及B/Ga比值與古鹽度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系［6，12］。研究區(qū) Sr/Ba比值介于0.21～0.42，B/Ga比值介于0.90～2.22，利用Couch公式和Adams公式對(duì)隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度的定量計(jì)算結(jié)果與對(duì)應(yīng)樣品Sr/Ba比值趨勢(shì)基本一致，而與B/Ga比值趨勢(shì)極為一致(圖2)，說明Couch公式和Adams公式計(jì)算結(jié)果總體反映了湖泊水體鹽度特征，具有較高的可信度。

有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果也印證了Adamas公式和Couch公式計(jì)算結(jié)果的可靠性。一般說來，高含量的伽馬蠟烷常被視為沉積水體高鹽度的環(huán)境標(biāo)志［13，14］，隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組暗色泥巖具有較高的γ蠟烷含量(圖3)，2件長(zhǎng)9泥巖樣品按照峰面積計(jì)算出γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)的比值分別為0.16和0.18，這一數(shù)值甚至與東濮凹陷衛(wèi)20井沙三段頂部蒸發(fā)巖中的γ蠟烷和藿烷(αβ+βα)比值(0.13～0.33)［15］相當(dāng)，說明其沉積水體具有較高的鹽度。

表2 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組硼、鉀分析數(shù)據(jù)和折算K2O、相當(dāng)硼及Adams公式法古鹽度計(jì)算數(shù)據(jù)Table 2 The data of B，K and the calculated data of K2O，equivalent boron and paleosalinity of Adams method，Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

1.2 計(jì)算結(jié)果討論

對(duì)比運(yùn)用Adams公式和Couch公式兩種方法定量計(jì)算出的長(zhǎng)9油層組古鹽度值，不難發(fā)現(xiàn)二者無論是鹽度變化范圍還是鹽度平均值均存在較大差異(表2和表3)，產(chǎn)生這一差異的原因，部分緣于公式的適用條件的差異，更主要?dú)w咎于黏土礦物成巖后生作用的影響。

隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組泥巖黏土礦物中伊/蒙混層含量較高，一般＞50%，平均值可達(dá)65%(表3)，而伊/蒙混層在成巖過程中蒙皂石層將逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致“校正硼”“B*”含量比原始沉積物換算值偏小，從而導(dǎo)致計(jì)算的古鹽度低于真實(shí)值。同時(shí)，研究區(qū)長(zhǎng)9油層組泥巖黏土礦物中伊利石的校正含量一般＞53%，平均為61%，屬于以伊利石為主的黏土巖，滿足Adams公式的運(yùn)用條件，其定量計(jì)算古鹽度跨越了微咸水、半咸水和咸水3個(gè)鹽度帶，符合河流入湖后對(duì)湖水鹽度的稀釋規(guī)律，因此，認(rèn)為利用Adams公式對(duì)隴東長(zhǎng)9油層組古鹽度的恢復(fù)更為可靠。

2 古鹽度平面分布與變化規(guī)律

運(yùn)用Adams公式和運(yùn)用Couch公式恢復(fù)的古鹽度平面分布與變化規(guī)律極為相似，有如下幾個(gè)特點(diǎn):①研究區(qū)北西、北東和西南部均為鹽度相對(duì)低值區(qū)，而環(huán)縣—太白梁—華池所在的三角形區(qū)域及馬家砭—太白一帶為高鹽度區(qū)域(圖4);②古鹽度分別自西南、北西和北東3個(gè)方向往湖盆中央呈逐漸升高的趨勢(shì)，分別代表了3個(gè)河流入湖的方向(或者三角洲的延伸方向)，其中西南部湖泊水體鹽度最低，應(yīng)該代表了河流/淡水作用最強(qiáng)的方向(圖4)，亦即主物源方向;③可以確定，長(zhǎng)9沉積時(shí)期，研究區(qū)湖泊水體至少具有半咸水的性質(zhì)，這一水體性質(zhì)有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

通過對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度恢復(fù)發(fā)現(xiàn)鹽度高值區(qū)域與巖芯觀察所確定的前三角洲或湖灣區(qū)分布位置高度一致。本次研究共計(jì)觀察隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組取芯井37口，其中16口井巖芯中發(fā)育典型的浪成交錯(cuò)層理(圖5)，指示主要受波浪作用控制的河口壩或遠(yuǎn)砂壩等水下沉積環(huán)境。浪成交錯(cuò)層理分布的浪控帶位置與Couch公式恢復(fù)得出的古鹽度≥4‰?yún)^(qū)域(或Adams公式恢復(fù)得出的古鹽度≥5‰?yún)^(qū)域)吻合(圖5)，說明河流作用急劇減弱的前三角洲或湖灣區(qū)已經(jīng)具有半咸水性質(zhì)。

表3 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組B和黏土礦物分析數(shù)據(jù)及“相當(dāng)硼”含量和古鹽度計(jì)算數(shù)據(jù)Table 3 The data of B and clay minerals and the calculated data of“equivalent boron”content and paleosalinity in Chang9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area

圖2 不同古鹽度恢復(fù)方法結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of different method of paleosalinity recovery

圖3 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組暗色泥巖GC-MS質(zhì)量色譜圖Fig.3 GC-MS chromatogram of mudstone of Chang 9 oil-bearing，Longdong area

圖4 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度平面分布與變化圖(A.根據(jù)Couch公式恢復(fù);B.根據(jù)Adams公式恢復(fù))Fig.4 The paleosalinity zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdong area(A.calculated by Couch formula;B.calculated by Adams formula)

圖5 隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組浪控帶與等鹽度關(guān)系Fig.5 The relationship between paleosalinity zone and wave active zone of the Chang 9 oil-bearing of Yanchang Formation in Longdon

3 研究意義

對(duì)隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度平面分布和變化規(guī)律分析，對(duì)恢復(fù)沉積期巖相古地理和成巖期流體性質(zhì)具有如下幾個(gè)重要意義:①確定主、次物源方向以及湖盆中心位置;②定量確定湖岸線位置;③長(zhǎng)91油層平均鹽度較長(zhǎng)92油層降低，反映了長(zhǎng)92→長(zhǎng)91沉積期具有湖平面上升演化趨勢(shì);④長(zhǎng)9沉積期湖盆的半咸水—咸水性質(zhì)，決定了成巖期流體具有鹽水(或鹵水)性質(zhì)，不僅為砂巖早成巖階段提供了富鈉、偏堿性的孔隙水，有利于早期綠泥石環(huán)邊和濁沸石的膠結(jié)作用的形成而有利原生粒間孔隙保存［16］，而且濁沸石容易在中成巖階段被有機(jī)酸溶蝕，形成大量次生孔隙而提高儲(chǔ)層的質(zhì)量［17，18］，因此，較高古鹽度沉積和成巖環(huán)境更有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育，如:元428井古鹽度高達(dá)11.9‰(Adams公式，圖4)，早期綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用明顯，大量原生粒間孔隙得以保存，次生溶孔也較為發(fā)育，并以中—大孔為主(圖6a);而莊81井古鹽度僅為3.6‰(Adams公式，圖4)，幾乎不發(fā)育綠泥石環(huán)邊膠結(jié)物，原生粒間孔隙保存少，溶蝕作用也較弱，僅發(fā)育少量次生溶孔，以發(fā)育小孔和微孔為主(圖6b)，鹽度高值區(qū)域可作為尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的首選區(qū);長(zhǎng)9油層組沉積—成巖期較高—高鹽度流體性質(zhì)所決定的長(zhǎng)9油層高鹽度油田水化學(xué)特征，非常有利油藏保存。

圖6 典型成巖相組合及其孔隙結(jié)構(gòu)特征Fig.6 Typical diagenetic facies assemblage of sandbody and its pore structure features

同時(shí)，通過對(duì)Adams公式和Couch公式分別計(jì)算出的古鹽度進(jìn)行分析，對(duì)Couch法的適用條件有了新認(rèn)識(shí)，即:該方法不適用于伊/蒙混層特別發(fā)育的陸相地層，隨著成巖階段的加深會(huì)導(dǎo)致伊蒙混層逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致Couch公式計(jì)算的古鹽度失效。

4 結(jié)論

(1)利用不同研究方法對(duì)隴東地區(qū)長(zhǎng)9油層組古鹽度進(jìn)行恢復(fù)，結(jié)果表明:長(zhǎng)9沉積期研究區(qū)湖泊水體具有微—半咸水性質(zhì);

(2)隴東地區(qū)湖泊水體鹽度具有自北東、北西及西南方向往中央逐漸增大的趨勢(shì)，鹽度平面上的變化規(guī)律反映了河流的注入方向或三角洲的延伸范圍，鹽度縱向上的變化則反映了湖平面的演化;

(3)高鹽度區(qū)域有利于早期綠泥石環(huán)邊膠結(jié)作用的進(jìn)行，從而有利于原生粒間孔隙的保存，為有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的地區(qū)。

References)

1 李鳳杰，王多云，張慶龍，等.鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)延長(zhǎng)組沉積相特征與層序地層分析［J］.沉積學(xué)報(bào)，2006，24(4):549-554［Li Fengjie，Wang Duoyun，Zhang Qinglong，et al.Sedimentary facies characteristic and sequence stratigraphy analysis of Yanchang Formation in Longdong area，Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2006，24(4):549-554］

2 李文厚，龐軍剛，曹紅霞，等.鄂爾多斯盆地晚三疊世延長(zhǎng)期沉積體系及巖相古地理演化［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，39(3):501-506［Li Wenhou，Pang Jungang，Cao Hongxia，et al.Depositional system and paleogeographic evolution of the Late Triassic Yanchang Stage in Ordos Basin［J］.Journal of Northwest University:Natural Science Edition，2009，39(3):501-506］

3 Muller G.Sedimentary phosphate method for estimating paleosalinities:Limited applicability［J］.Science，1969，163:812

4 劉寶珺，曾允孚.巖相古地理基礎(chǔ)和工作方法［M］.北京:地質(zhì)出版社，1985:321-323［Liu Baojun，Zeng Yunfu.Geographical Basis and Methods of Lithofacies［M］.Beijing:Geological Publishing House，1985:321-323］

5 Matthew C.Peros，Eduard G.Reinhardt，Henry P.Schwarcz，et al.High-resolution paleosalinity reconstruction from Laguna dela Leche，north coastal Cuba，using Sr，O，and C isotopes［J］.Science Direct，2007，245:535-550

6 鄭榮才，柳梅青.鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6油層組古鹽度研究［J］.石油與天然氣地質(zhì)，1999，20(1):20-25［Zheng Rongcai，Liu Meiqing.Study on palaeosalinity of Chang-6 oil reservoir set in Ordos Basin［J］.Oil＆ Gas Geology，1999，20(1):20-25］

7 周仰康，何錦文，王子玉.硼作為古鹽度指標(biāo)的應(yīng)用［C］∥沉積學(xué)和有機(jī)地球化學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文選集.北京:科學(xué)出版社，1984:55-57［Zhou Yangkang，He Jinwen，Wang Ziyu.Application of B as an index for palaeosalinity［C］∥Collected Papers of Sedimentology and Organic Geochemistry Academic Conference.Beijing:Science Press，1984:55-57］

8 Walker C T，Price N B.Departure curves for computing paleosalinity from boron in illites and shales［J］.AAPG Bulletin，1963，47(5):833-841

9 Adams T D，Haynes J R，Walker C T.Boron in Holocene illites of the dovey estuary，wales，and its relationship to paleosalinity in cyclothems［J］.Sedimentology，1965，4:189-195

10 Walker C T.Evaluation of boron as a paleosalinity indicator and its application to offshore prospects［J］.AAPG Bulletin，1968，52:751-766

11 Couch E L.Calculation of paleosalinities from boron and clay mineral data［J］.AAPG Bulletin，1971，55(10):1829-1837

12 殷科華，葉德書，沈大興，等.息烽—遵義早石炭世大塘期巖相古地理特征［J］.沉積學(xué)報(bào)，2009，27(4):606-613［Yin Kehua，Ye Deshu，Shen Daxing，et al.Characteristics of lithofacies paleogeography during Datangian Age(Early Carboniferous)in Xifeng and Zunyi，Guizhou［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2009，27(4):606-613］

13 Hill I R，Whithead E V.An optically active triterpane，gammacerane in Green River，Colorado，oil shale bitumen［J］.Chemical Communications，1966，20:752-754

14 Peters K E，Moldowan J M.The Biomarker Guide-interpreting Molecular Fossils in Petroleum and Ancient Sediments［M］.New Jersey:Prentice Hall，1993:363

15 李任偉.伽馬蠟烷的地質(zhì)產(chǎn)狀及古環(huán)境意義［J］.科學(xué)通報(bào)，1988，33(20):1574-1576［Li Renwei.Geological occurrence and its paleoenvironment significance of Gammacerane［J］.Chinese Science Bulletin，1989，34(14):1208-1211］

16 王昌勇，王成玉，梁曉偉，等.鄂爾多斯盆地姬塬地區(qū)上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)8油層組成巖相［J］.石油學(xué)報(bào)，2011，32(4):597-604［Wang Changyong，Wang Chengyu，Liang Xiaowei，et al.Diagenetic facies of the Chang 8 oil-bearing layer of the Upper Triassic Yanchang Formation in the Jiyuan area，Ordos Basin［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32(4):597-604］

17 楊曉萍，裘懌楠.鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組濁沸石的形成機(jī)理、分布規(guī)律與油氣關(guān)系［J］.沉積學(xué)報(bào)，2002，20(4):628-632［Yang Xiaoping，Qiu Yinan.Formation process and distribution of laumontite cements in Yanchang Formation(Upper Triassic)of Ordos Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20(4):628-632］

18 梁浩，羅權(quán)生，孔宏偉，等.三塘湖盆地火山巖中沸石的成因及其儲(chǔ)層意義［J］.沉積學(xué)報(bào)，2011，29(3):537-543［Liang Hao，Luo Quansheng，Kong Hongwei，et al.Formation and distribution of zeolite in volcanic rock and its effect on reserviors in Santanhu Basin［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2011，29(3):537-543］