子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水特征研究

王志超，陳勝利

（中海油信息科技有限公司 海洋信息化中心項(xiàng)目組，北京100027）

地層水是含油氣盆地地層流體的重要組成部分，在油氣生成、運(yùn)移、聚集的過程中，與油氣共存于地下巖石孔隙中。其化學(xué)特征及分布規(guī)律是盆地演化過程中多種地質(zhì)現(xiàn)象綜合作用的結(jié)果[1]。地層水的化學(xué)組成不但反映了沉積期古流體的性質(zhì)，而且直接或間接顯示沉積盆地流體系統(tǒng)的開放性或封閉性[2]，以及不同程度地反映油氣的聚集和保存條件，對(duì)油氣的勘探開發(fā)具有指向性意義。

1 地質(zhì)背景

子北-子長(zhǎng)探區(qū)位于陜北地區(qū)子長(zhǎng)縣境內(nèi)，主要包括子北油田、澗峪岔油田和子長(zhǎng)油田，構(gòu)造位置位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部（見圖1），區(qū)域構(gòu)造為一向西傾斜的平緩單斜，坡度一般為7～10 m/km，地層傾角小于1°[3]。研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，由差異壓實(shí)作用形成的一系列小型鼻狀構(gòu)造，僅在區(qū)域單斜背景上發(fā)育。上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組沉積時(shí)期是鄂爾多斯盆地沉積演化史上的重要階段，該階段湖盆面積大、物源充沛，經(jīng)歷了完整的三角洲沉積旋回演化。長(zhǎng)7 沉積期，湖盆面積達(dá)到最大，為子北-子長(zhǎng)探區(qū)乃至整個(gè)盆地油氣的生成提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。長(zhǎng)6 沉積期，湖盆開始收縮，沉積補(bǔ)償大于沉降速率，是湖泊三角洲建設(shè)的高峰期，為油氣運(yùn)移、聚集提供了較好的地質(zhì)條件。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造劃分及研究區(qū)地理位置Fig.1 Structural division and geographic location of research area,Ordos Basin

2 地層水化學(xué)組成類型及其特征

2.1 地層水類型

地層水類型是反映油氣運(yùn)聚與保存條件的重要因素。目前對(duì)于油田地層水的分類方法主要采用蘇林分類法，按照自然條件的不同，主要分為Na2SO4、NaHCO3、MgCl2、CaCl24 種 類 型[4-5]。其 中地表和淺層地下水主要為Na2SO4型；NaHCO3型地層水為在陸地環(huán)境形成的地層水，在淺層和深層均可存在該水型，是環(huán)境封閉性較差的反映；MgCl2型地層水為海洋環(huán)境形成的水；深層地層水主要為CaCl2型，其特點(diǎn)為礦化度高，地層環(huán)境封閉性好，有利于油氣的聚集和保存[6]，研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 油層組地層水類型主要為CaCl2型。

通過對(duì)子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 油層組90個(gè)地層水資料進(jìn)行分析，研究區(qū)地層水類型主要為CaCl2型，個(gè)別為Na2SO4型。根據(jù)國(guó)外學(xué)者對(duì)地層水鈉氯系數(shù)的研究，進(jìn)一步將CaCl2型地層水分為5類。其中鈉氯系數(shù)大于0.85 為Ⅰ型，0.75～0.85 為Ⅱ型，0.65～0.75 為Ⅲ型，0.50～0.65 為Ⅳ型，小于0.5 為Ⅴ型，鈉氯系數(shù)越小，保存條件越好[7-8]。據(jù)此分類，研究區(qū)CaCl2型地層水占樣品總數(shù)的98.9%，主要為Ⅴ型和Ⅳ型地層水，所占比例分別為69.7%和30.3%。表明研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 油層組水文地質(zhì)條件較為穩(wěn)定，油藏封閉性較好。

2.2 地層水化學(xué)成分

2.2.1 礦化度特征 常規(guī)地層水是指現(xiàn)存于地層中的原始沉積水，在地層漫長(zhǎng)的埋藏成巖過程中，地層水既繼承了原始沉積水的礦化度特征，又經(jīng)歷了各種溶解、溶蝕作用，并且吸收了礦物轉(zhuǎn)化過程中的析出水[9]。子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水礦化度分布范圍較廣，礦化度高達(dá)12 500～133 700 mg/L?？v向上，長(zhǎng)4+5 地層水礦化度整體低于長(zhǎng)6 儲(chǔ)層，從90 個(gè)樣品分析數(shù)據(jù)來看，長(zhǎng)4+5 地層水礦化度平均為48 095.69 mg/L，長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水礦化度平均為82 631.90 mg/L，高于海水鹽度35 000 mg/L，根據(jù)礦化度劃分標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水屬于鹽水和鹵水范疇，為中高濃度地層水。垂向上，長(zhǎng)4+5 地層水礦化度低于長(zhǎng)6 油層組，符合沉積盆地中地層水礦化度隨深度增加而增大的特征。平面上，長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水礦化度總體上具有西南部礦化度較高，東北部較低的特征（見圖2），其主要原因?yàn)檠芯繀^(qū)位于鄂爾多斯盆地生烴中心的東北部（見圖3），符合沉積盆地內(nèi)地層水礦化度以盆地中心區(qū)含鹽量最高，向盆地邊緣逐漸降低的一般規(guī)律[7,9]。

圖2 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水礦化度分布Fig.2 Salinity distribution of formation water in Chang 6 pay zone of Zibei?Zichang area

2.2.2 酸堿度特征 根據(jù)對(duì)研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6地層水90 個(gè)樣品酸堿度分析，pH 主要分布在5～8，以偏中性為主，個(gè)別呈酸性或堿性（見表1）。該區(qū)pH 與礦化度相關(guān)性較差。

2.2.3 陰陽離子特征 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水離子成分主要以K++Na+、Ca2+、Mg2+、Ba2++Sr2+和Cl-、SO24-、HCO-3為主（見表1）。主要陰離子中，Cl-占絕對(duì)主導(dǎo)地位，SO24-、HCO-3、CO23-較少；主要陽離子中，長(zhǎng)4+5 儲(chǔ)層以Ca2+含量最高，其離子平均質(zhì)量濃度為9 844.8 mg/L，其次為K++Na+，平均質(zhì)量濃度為7 648.8 mg/L；在長(zhǎng)6 油層組中，K++Na+含量最高，平均質(zhì)量濃度為18 457.4 mg/L，Ca2+次之，平均質(zhì)量濃度為12 579.8 mg/L。各油層組地層水離子含量與海水相比差別較大，反映由于成巖作用的影響，地層水與巖石發(fā)生相互作用，導(dǎo)致地層水性質(zhì)發(fā)生改變，從而引起地層水中離子質(zhì)量濃度發(fā)生變化。

2.2.4 離子質(zhì)量濃度與礦化度關(guān)系特征 地層水中主導(dǎo)陽離子組分的問題與圍巖沉積礦物之間處于一種亞穩(wěn)定熱動(dòng)力平衡狀態(tài)。地層水中主要陽離子組分的質(zhì)量濃度隨主導(dǎo)陰離子質(zhì)量濃度的增加而增大[10]。研究區(qū)主導(dǎo)陽離子為K++Na+和Ca2+，主導(dǎo)陰離子為Cl-[11-13]。分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水基本符合這一規(guī)律（見圖4）。主要陰離子與礦化度之間存在線性關(guān)系，但主要陽離子K++Na+、Ca2+與礦化度之間卻存在“門限濃度”。當(dāng)K++Na+質(zhì)量濃度低于17 000 mg/L、Ca2+質(zhì)量濃度低于5 000 mg/L 時(shí)，相應(yīng)離子質(zhì)量濃度與地層水總礦化度無明顯相關(guān)性。另外，在溶液中，Ba2++Sr2+與SO24-發(fā)生如下反應(yīng)[14]：

式中，Ksp為溶度積。

圖3 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 優(yōu)質(zhì)烴源巖分布Fig.3 High quality source rock distribution in Chang 7 pay zone,Ordos Basin

表1 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of formation water in Chang 4+5 & Chang 6 pay zone of Zibei?Zichang area

圖4 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水離子質(zhì)量濃度相關(guān)圖Fig.4 Ion concentration correlation of formation water in Chang 4+5 & Chang 6 pay zone of Zibei?Zichang area

在研究中發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水中既能檢測(cè)出Ba2++Sr2+，又能檢測(cè)出SO24-，這種現(xiàn)象存在的主要原因可能是地層水溶液中鹽效應(yīng)的影響，鹽效應(yīng)的存在增大了地層水中BaSO4和SrSO4的溶解度，導(dǎo)致Ba2++Sr2+與SO24-共存[15]。非主導(dǎo)陽離子Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度與總礦化度存在一定的相關(guān)性證明了這一論述的準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度低于1 000 mg/L 時(shí)，其離子質(zhì)量濃度與總礦化度之間無明顯相關(guān)性，當(dāng)Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度高于1 000 mg/L 時(shí)，其離子質(zhì)量濃度與總礦化度呈不太明顯的正相關(guān)，即隨著總礦化度的增加，BaSO4和SrSO4的溶解度明顯增大（見圖5）。

圖5 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度與礦化度關(guān)系Fig.5 Relationship between Ba2++Sr2+ concentration and salinity of formation water in Chang 4+5 & Chang 6 pay zone of Zibei-Zichang area

2.2.5 密度與礦化度關(guān)系特征 通過對(duì)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水密度與礦化度分析可知，地層水密度與總礦化度之間對(duì)數(shù)相關(guān)性最好，地層水密度隨總礦化度的增加而增大（見圖6）。

圖6 子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水密度與礦化度關(guān)系Fig.6 Relationship between density and salinity of formation water in Chang 4+5 & Chang 6 pay zone of Zibei?Zichang area

2.3 地層水特征系數(shù)

地層水化學(xué)各種參數(shù)的組合特征，可在一定程度上反映油氣聚集于保存的特征，目前常用參數(shù)主要有鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、氯鎂系數(shù)、鎂鈣系數(shù)等。這些參數(shù)通?？捎糜谂袛嗟貙铀囊苿?dòng)方向、活動(dòng)強(qiáng)度和封閉性等特征，與油氣的生成、運(yùn)移及聚集成藏密切相關(guān)[16-18]。一般而言，地層的封閉程度越好，油氣的保存條件也相應(yīng)越好，用于反映保存條件的鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)也相應(yīng)比較小，而氯鎂系數(shù)則比較大[19]。

研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水鈉氯系數(shù)主要分布范圍小于0.65，平均0.34，表明地層封閉性較好；脫硫系數(shù)主要分布于0.02～8.64，平均2.93，表明研究區(qū)油藏保存具有一定的差異性；結(jié)合油田生產(chǎn)信息，產(chǎn)油井一般分布在脫硫系數(shù)的低值區(qū)，產(chǎn)水井脫硫系數(shù)則相對(duì)較高。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水的氯鎂系數(shù)均遠(yuǎn)大于6.7，平均5 556.2，反映地層水封閉性好，封閉時(shí)間長(zhǎng)，濃縮變質(zhì)作用深，有利于油氣的聚集和保存。低的鎂鈣系數(shù)常與次生孔隙的發(fā)育密切相關(guān)，一般而言鎂鈣系數(shù)越低，表明儲(chǔ)層受后期成巖改造作用越強(qiáng)，次生溶孔發(fā)育，反之，次生孔隙發(fā)育較差，原生孔隙發(fā)育較好。研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水鎂鈣系數(shù)主要分布在0.001～0.019，鎂鈣系數(shù)很低，反映研究區(qū)儲(chǔ)層受到較強(qiáng)的成巖改造作用，次生孔隙極為發(fā)育，有利于油氣的保存。

3 結(jié) 論

（1）子北-子長(zhǎng)地區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水主要為CaCl2型，總體上礦化度較高，屬于鹽水和鹵水范疇，為中高質(zhì)量濃度地層水。

（2）縱向上長(zhǎng)4+5 地層水礦化度整體低于長(zhǎng)6儲(chǔ)層，符合沉積盆地中地層水礦化度隨深度增加而增大的特征。平面上，長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層水礦化度總體上具有西南部礦化度較高、東北部較低的特征，符合沉積盆地內(nèi)地層水礦化度以盆地中心區(qū)含鹽量最高，向盆地邊緣逐漸降低的一般規(guī)律。

（3）研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水以偏中性為主，個(gè)別呈酸性或堿性，pH 與礦化度相關(guān)性較差。

（4）主要陰離子與礦化度之間存在線性關(guān)系，但主要陽離子K++Na+與礦化度、Ca2+與礦化度之間卻存在“門限濃度”。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K++Na+質(zhì)量濃度低于17 000 mg/L、Ca2+質(zhì)量濃度低于5 000 mg/L 時(shí)，相應(yīng)離子質(zhì)量濃度與地層水總礦化度無明顯相關(guān)性。

（5）研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 地層水Ba2++Sr2+與SO24-可共存，其原因?yàn)榈貙铀芤褐宣}效應(yīng)的影響，當(dāng)Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度低于1 000 mg/L 時(shí)，其離子質(zhì)量濃度與總礦化度之間無明顯相關(guān)性，當(dāng)Ba2++Sr2+質(zhì)量濃度高于1 000 mg/L 時(shí)，其離子質(zhì)量濃度與總礦化度呈不太明顯的正相關(guān)。

（6）地層水密度與總礦化度之間對(duì)數(shù)相關(guān)性最好，地層水密度隨總礦化度的增加而增大。

（7）鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)等地層水參數(shù)分析表明，研究區(qū)長(zhǎng)4+5、長(zhǎng)6 儲(chǔ)層地層封閉性好，次生孔隙極為發(fā)育，有利于油氣的保存。