鄂爾多斯盆地延長組下組合地層水特征及其油氣地質(zhì)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(fā)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(fā)研究院，西安 710018；3.中國石油長慶油田分公司勘探事業(yè)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(lián)系各種地質(zhì)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(gòu)造演化等研究提供了科學依據(jù)［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(zhì)和分布特征是揭示湖盆演化和盆地流體活動規(guī)律的重要依據(jù)。眾多學者對地層水性質(zhì)與油氣藏關(guān)系進行了研究，在地層水組成特征及其同位素構(gòu)成［2-6］、地層水區(qū)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(guān)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(shù)、同位素等地球化學指標可有效判識其成因和形成環(huán)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(shù)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(gòu)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(huán)境的淺層存在CaCl2型地層水，封閉環(huán)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(zhì)關(guān)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(huán)境古沉積水特征，其分布主要受生烴強度和儲層非均質(zhì)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(huán)境，存在孤立砂體封閉地層水、弱動力生烴氣水驅(qū)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(huán)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(qū)延長組油藏受構(gòu)造運動影響，地表水滲入并與油氣發(fā)生強烈的淋濾交換作用，導致早期油氣藏破壞［28］；姬塬地區(qū)長6 油層組地層水特征參數(shù)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(zhì)熱演化密切聯(lián)系，是經(jīng)過較強濃縮變質(zhì)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(wěn)定封閉環(huán)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(zhì)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(zhì)及其與油藏的關(guān)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(zhì)及分布研究，分析地層水礦化度、特征參數(shù)等與油藏的關(guān)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(tǒng)研究及復雜油水關(guān)系分布的測井精細識別提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，根據(jù)現(xiàn)今盆地構(gòu)造形態(tài)及演化歷史，劃分出西緣沖斷帶、天環(huán)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(gòu)造單元，目前已發(fā)現(xiàn)的油藏主要分布在伊陜斜坡和天環(huán)坳陷。中生界三疊系延長組為主要的含油層系，依據(jù)凝灰質(zhì)或炭質(zhì)泥巖等標志層，結(jié)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(jù)湖盆演化、沉積旋回、巖性特征、源儲組合以及區(qū)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(fā)育灰色厚層塊狀粗砂巖、中細砂巖，以麻斑結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)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(qū)；長9 油藏主要分布在姬塬地區(qū)，陜北、隴東地區(qū)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(qū)均有分布，是中生界延長組的主力產(chǎn)油層。

2 地層水性質(zhì)

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(yè)產(chǎn)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(jié)果來判斷地層情況必然會產(chǎn)生錯誤結(jié)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(qū)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(zhì)

基于地層水水樣篩選，通過1 萬余個地層水分析數(shù)據(jù)研究盆地延長組地層水性質(zhì)。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(shù)的83.6%，其次為Na2SO4型，占樣品數(shù)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(shù)［ρ（Na+）/ρ（Cl-）］、脫硫系數(shù)［100×ρ（SO42-）/ρ（Na+)］、變質(zhì)系數(shù)［（ρ（Cl-）-ρ（Na+)）/ρ（Mg2+）］等特征參數(shù)常用于表征地層水性質(zhì)［4-5，8，29］。鈉氯系數(shù)反映地層水濃縮和變質(zhì)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(shù)越小，保存條件也越有利；脫硫系數(shù)能較好反映保存條件，地層水還原越徹底，脫硫系數(shù)越小，封閉性越好，越有利于油氣保存；變質(zhì)系數(shù)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(zhì)系數(shù)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(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)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(shù)相近，長10 油層組地層水鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)平均值分別為0.49，0.12，23.33；長9油層組地層水鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)平均值分別為0.51，0.14，16.75；長8 油層組地層水鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)平均值分別為0.54，0.11，18.95。

地層水特征參數(shù)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(qū)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(shù)具有一定的相關(guān)性，鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)隨礦化度的增大而減小，西緣沖斷帶局部地區(qū)少數(shù)樣品點受地層抬升剝蝕、大氣淡水淋濾等因素影響，出現(xiàn)隨礦化度的增大而增大的現(xiàn)象。當?shù)V化度＜30 g/L 時，特征參數(shù)隨礦化度增大快速下降；當?shù)V化度＞30 g/L，特征參數(shù)隨礦化度增大趨于平穩(wěn)（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(zhì)垂向分布具有分帶性，地層水礦化度、水型、特征參數(shù)等并不隨埋深增加而單調(diào)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(shù)、同位素等也有所不同（圖6）。

根據(jù)鄂爾多斯盆地延長組地層水性質(zhì)，結(jié)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(tǒng)，延長組下組合長10、長9、長8 油層組屬于同一流體系統(tǒng)。該流體系統(tǒng)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(zhì)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(qū)延長組地層水礦化度，基本都表現(xiàn)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(guān)。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(qū)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(gòu)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(qū)同一油層組地層水礦化度不同，鹽池地區(qū)普遍較低，陜北地區(qū)延長組下組合及長3 以上淺層礦化度較低，姬塬地區(qū)、鎮(zhèn)北—合水地區(qū)、華池—慶陽地區(qū)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(shù)據(jù)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(qū)長10 油層組、姬塬地區(qū)長9 油層組、鎮(zhèn)北地區(qū)長8 油層組以及華池地區(qū)長8 油層組地層水礦化度進行分析。

陜北地區(qū)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(qū)少數(shù)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(qū)相對較高，一般分布在30～60 g/L；順寧地區(qū)地層水礦化度較低，一般＜20 g/L（圖8）。該區(qū)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(zhì)性的影響。

姬塬地區(qū)西部臨近西緣沖斷帶，斷裂系統(tǒng)發(fā)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(qū)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(huán)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(guān)［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(qū)＞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(huán)坳陷的影響，鹽池地區(qū)地層水礦化度最低，天環(huán)坳陷最高，斜坡帶相差不大，湖盆中部減小。隴東地區(qū)長8 油層組地層水礦化度相對較高，從天環(huán)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(huán)坳陷軸部的鎮(zhèn)北地區(qū)地層水礦化度一般＞50 g/L，環(huán)西西部地區(qū)少數(shù)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(qū)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(qū)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(guān)［7］。

4 地層水分析的油氣地質(zhì)意義

4.1 油藏保存條件

地層水特征參數(shù)、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(jù)特征參數(shù)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(shù)為0.51，說明地層水為高濃縮變質(zhì)水，油氣保存條件好；脫硫系數(shù)平均為0.07，?1，表明封閉條件較好，有利于油氣保存；變質(zhì)系數(shù)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(qū)裂縫發(fā)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(chǎn)儲層改造工藝，試油多數(shù)出水，少數(shù)為出油或油花，水量一般較大。該區(qū)低級序斷層發(fā)育，以逆斷層為主，主要切過延長組，少數(shù)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(qū)廣泛發(fā)育，平面分布具有分帶性，呈NWW 雁行式展布。與盆地、二級構(gòu)造帶等邊界大斷層對構(gòu)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(shù)顯示地層水較活躍（圖9，圖11）。儲層油氣包裹體豐度參數(shù)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(qū)中生界試油為出水層，GOI 為6.7%～10.1%，表明其發(fā)生過原油充注并形成古油藏。儲層定量顆粒熒光分析結(jié)果表明，早期原油充注形成了古油藏或古油層，但后期調(diào)整改造，孔隙中殘留的原油較少，形成了現(xiàn)今的水層［34］。晚侏羅世末早期原油優(yōu)先在緊鄰的相對高滲區(qū)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(huán)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(diào)整；早白堊世末期原油沿低級序斷層垂向輸導再側(cè)向運移，在西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷帶形成構(gòu)造、構(gòu)造-巖性油藏；喜山期部分油藏被破壞。

4.2 油水分布關(guān)系

鄂爾多斯盆地延長組下組合油水分布關(guān)系復雜，出油井集中分布區(qū)出現(xiàn)零星的出水井，出水井大量分布區(qū)也有出油井分布（參見圖8—10）。油藏的發(fā)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(guān)，姬塬地區(qū)長9 油層組部分油藏地層水礦化度僅為10 g/L，而環(huán)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(guān)系來看，地層水礦化度太高，流體流動可能受阻形成滯留區(qū)，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(qū)域，這些區(qū)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(jié)構(gòu)、潤濕性和地層水性質(zhì)等［36-39］。有關(guān)地層水性質(zhì)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(qū)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(fā)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(guī)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(qū)高阻水層的儲層物性、含油飽和度與常規(guī)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(zhì)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(zhèn)北地區(qū)天環(huán)坳陷軸部發(fā)育低阻油層，該區(qū)烴源巖相對不發(fā)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(huán)坳陷東側(cè)烴源巖主要分布范圍內(nèi)的常規(guī)油層電阻率一般＞30 Ω·m，低阻油層的電阻率遠低于常規(guī)油層，與水層電阻率相近。針對局部地區(qū)部分層位的低阻油層成因，謝青等［40］通過孔隙結(jié)構(gòu)、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(qū)低阻油層的主要原因。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地中生界延長組地層水性質(zhì)呈區(qū)帶性分布。延長組下組合地層水性質(zhì)明顯不同于其他油層組，屬于同一流體系統(tǒng)，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(huán)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(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)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(guān)，主要分布在地層水礦化度相對較高的區(qū)域。西緣沖斷帶部分油藏受構(gòu)造作用影響進行了調(diào)整改造。

（3）地層水礦化度低是湖盆中部高阻水層、天環(huán)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。