高邮凹陷南部真武地区地层水化学特征与油气运聚的关系

李梅，金爱民，楼章华，尚长健，关弛

（1.浙江大学水文与水资源工程研究所和浙江大学海洋研究中心，浙江杭州 310058; 2.浙江大学地球科学系，浙江杭州 310027）

高邮凹陷南部真武地区地层水化学特征与油气运聚的关系

李梅1，金爱民1，楼章华1，尚长健2，关弛1

（1.浙江大学水文与水资源工程研究所和浙江大学海洋研究中心，浙江杭州 310058; 2.浙江大学地球科学系，浙江杭州 310027）

在分析高邮凹陷许庄、真武和曹庄油田地层水化学垂向和平面分布特征的基础上，考察地层水成因及油田水化学特征与油气运聚的关系。结果表明:许庄油田大气水间断性下渗，下渗深度可能达到2.5～3.0 km;真武和曹庄油田地层水成因主要为沉积埋藏水，但越流模式不同;高邮凹陷南部真武地区地层水化学场由南向北可划分为大气水下渗淋滤淡化区、汇合越流浓缩区和泥岩压实排水淡化区;研究区南部真武大断裂长期活动，大气水下渗淡化地层水，矿化度较低，油气成藏—保存条件较差，而北部地层水明显受泥岩压实排水淡化作用的影响，矿化度较低;地层水在离心流运移过程中不断越流浓缩，矿化度逐渐增大，部分油气随地层水二次运移途中遇到合适的圈闭逐渐聚集起来形成油气藏;中部汇合越流浓缩区为北部泥岩压实排出水和南部下渗大气水的共同指向区，地层水矿化度较高，有利于油气聚集成藏，且富集程度较高。

高邮凹陷;地球化学;油田水;地层水化学;垂向分布;平面分布;油气运聚

沉积盆地地层水可分为溶滤渗入水、沉积埋藏水和内生水3种不同的基本类型［1］，与水文循环结合在一起，构成水循环的全过程，在油气生成、运移、聚集、保存和散失过程中地层水都起到了重要作用，是烃类运移、聚集的重要动力和载体［2］，其化学成分蕴含了许多与油气藏形成和保存相关的信息［3-4］。尽管油田地层水的化学成因、空间分布规律及石油地质意义都存在较大的争议［5-8］，但是长期以来，石油地质学家们一直广泛采用油田地层水化学参数分析评价油气田的形成、分布规律和保存条件等，并取得了显著成果［9-17］。高邮凹陷南部真武地区断裂系统发育，不同区块地层水化学性质差异显著，油水关系十分复杂，长期以来缺乏深入研究。笔者通过分析高邮凹陷南部真武地区油田水化学性质的垂向和平面分布规律，结合构造发育情况，深入分析地层水成因及油田水化学性质与油气分布的关系，从而加深对高邮凹陷复杂断块油气成藏特征的认识。

1 地质背景

高邮凹陷是苏北南黄海第三系断陷盆地陆上部分的主要富含油气凹陷之一，是苏北东台坳陷中部的一个次级构造单元，具有典型的南断北超的箕状凹陷结构。南为通扬隆起，北接柘垛低凸起，东接吴堡低凸起，西部是菱塘桥低凸起，面积为2 670 km2。凹陷内自下而上沉积了上白垩统泰州组（K2t1－2），古近系阜宁组（E1f1－4）、戴南组（E2d1－2）、三垛组（E2s1－2），新近系东台组（Nd）和第四系（Q）地层。高邮凹陷自南向北发育了真①、真②和汉留断层等，构成了凹陷的边界，据此凹陷可划分为南部断阶带、中部深凹带和北部斜坡带等二级构造单元（图1）。

图1 研究区位置Fig.1 Location of research area

真武地区跨越了深凹带和南断阶2个二级构造单元，其中许庄、真武和曹庄3个油田相互毗邻，但所属区带及构造特征却有很大差异（图1）。其中许庄油田位于高邮凹陷南部断阶带，由真①、真②两条同生断层所夹持，以真②同生断层为界将其分为浅层和深层2套含油层系。浅层油藏含油层系为E2s，E2d，是由真②断层遮挡而成的断背油藏，地层向北抬起，油气通道主要为真②断层;深层油藏含油层系为E1f2+1，内部小断层呈断阶式依次北掉，起主要的遮挡作用，形成了一系列断层油气藏［18-19］。真武油田是苏北盆地开发最早、储量最大的油田，位于高邮凹陷吴堡—博镇断裂带西部真②断层下降盘，西部为邵伯次凹，东北为樊川次凹，是一个在滚动背斜构造格局上被断层、岩性复杂化的断块油田（图1），含油层系为戴一段（E2d1）、戴二段（E2d2）、垛一段（E2s1）。曹庄油田位于吴堡—博镇断裂带中部真②断层下降盘，西以平缓鞍部与真武构造相接（图1），同样为一受断层切割和岩性影响的复杂小断块油田。

2 油田地下水化学特征分布规律

2.1 垂向分布

关于油田地层水化学特征在纵向上的变化规律，Collins［20］曾指出随着埋深的增加地层水矿化度并非简单的增加或者减小。张小莉等［21］将地层水化学纵向上划分为地层水交替流畅带、地层水交替阻滞带、地层水交替迟缓带及三者频繁交替带。楼章华等［22-24］认为由于影响地层水化学性质的主要影响因素及其影响能力在剖面上具有明显的阶段性，导致地层水化学特征从浅到深，通常可以划分为大气水下渗淡化带、近地表蒸发浓缩带、越流过程中的压滤浓缩带、泥岩压实排水淡化带（包括黏土矿物脱水淡化作用）和深部渗滤浓缩带5种典型的水化学剖面单元类型。

真武油田地层水化学垂向上具有明显的分带性，含油层系由深到浅为E1f1，E2d1，E2d2，E2s，埋深3.1～1.9 km，可划分为泥岩压实排水淡化带和越流过程中的压滤浓缩带，地层水矿化度呈逐渐增大的趋势。其中埋深3.0 km左右地层水矿化度、Cl－质量浓度和盐化系数（c（Cl－）/c（HCO3－+CO32－））最低，质量浓度和钠氯系数最高（图2）。埋深3.0～2.6 km，地层水在深部压实驱动下往浅部越流过程中压滤浓缩，矿化度、Cl－质量浓度和盐化系数逐渐增大，同时由于地层水对长石的溶解作用减弱，以及地层水浓缩过程中钠长石加大边的沉淀作用，导致Na+部分消耗，钠氯系数减小，HCO3－质量浓度则由于浅部地层压力降低导致方解石等自生矿物沉淀而逐渐降低［25］，许庄油田埋深1.0～3.0 km的地层水化学特性随深度变化较小，具有矿化度、Cl－质量浓度、盐化系数低和HCO3－质量浓度、钠氯系数相对高的特点。埋深3.5 km的白垩系地层水矿化度、Cl－质量浓度明显增大，HCO3－质量浓度明显减小（图2）。曹庄油田含油层系地层水矿化度、Cl－质量浓度和盐化系数明显比真武、许庄油田的高，而HCO3－质量浓度和钠氯系数却是最低（图2）。

图2 研究区地层水化学特征垂向分布Fig.2 Vertical distribution of formation water chem ical properties in research area

真武、许庄和曹庄油田地层水化学特征垂向上的差异原因与各个油田所属区带、构造特征密切相关。许庄油田位于高邮凹陷南部真①、真②两条大断层所夹持的断阶带，断裂发育，断块较破碎，地层剥蚀严重。在地质历史时期，大气水在重力作用下间断性下渗，导致地层水较为明显的淡化，使得许庄油田垂向上不同深度、各层系地层水化学性质差异较小，且总体具有低矿化度的特点，大气水下渗深度可能达到2.5～3.0 km。深3.5 km处的白垩系位于真①大断裂的下盘，地层封闭性较好，可能存在深部渗滤浓缩带。真武油田紧邻中部深凹带，凹陷内部湖相泥岩发育和砂泥比低，泥质沉积物在上覆地层压力作用下阶段性排出大量孔隙水、吸附水、层间水和结构水［26］，地层水明显受泥岩压实排水（包括黏土矿物脱水）淡化作用的影响。该区浅部地层封盖性较好，深部有直接沟通烃源岩—圈闭的真武断层充当油源断裂，凹陷内泥岩压实排出的淡水在断层沟通作用下快速上涌，为断层越流淡化地层水模式（图3（a）），越流过程中，地层水浓缩程度较低。其含油层系地层水主要成因类型为沉积埋藏水，受大气水下渗影响较弱。曹庄油田位于真武油田东部，邵伯、樊川两次凹间的构造高地，相对许庄、真武油田，可能缺乏圈闭与凹陷直接沟通的油源断裂，地层垂向连通性相对较差，凹陷深部泥岩压实排出水往南部和浅部流动过程中，沟通烃源岩—圈闭的输导体系由断层—砂岩储层复合而成，地层水的渗流浓缩路径较长，为泥岩压实排水离心流末端的越流—压滤浓缩运移模式（图3（b）），地层水的浓缩程度比真武油田的高。

图3 高邮凹陷第三系地层水越流模式Fig.3 Over flow model of tertiary formation water in Gaoyou sag

2.2 平面分布

油田水与周围介质（包括围岩和油气）相伴相生，它们之间存在经常性的物质与能量交换过程，油田水化学成分反映了沉积、成岩和成藏过程中流体—围岩作用的结果及油气藏和原油、天然气的某些特征。研究油田水文地球化学特征平面分布，对揭示沉积—成岩作用、油气运移和聚集成藏等具有重要意义。

总体而言，研究区各层系地层水矿化度、Cl－质量浓度在平面上呈南北低中间高的分布特征，HCO3－质量浓度则相反。南部断阶带许庄油田地层水矿化度均明显比真武—曹庄油田的低，表明南断阶带受大气水下渗淡化作用影响强烈。

图4 研究区地层水矿化度平面分布Fig.4 Ichnography ofm ineralization degree of groundwater in research area

研究区三垛组，地层水化学参数数据点比较少，且多数集中在北部真武油田。北部真武油田与南断阶许庄油田地层水矿化度相差较大，总体上由南向北逐渐增加（图4（a））。许庄油田三垛组地层水矿化度较低，介于6.27～10.48 mg/cm3之间，平均值仅为8.53 mg/cm3，明显受大气水下渗淡化影响。从原油物性来看，南部断阶带浅部地层矿化度较小的井点，如许3井和许浅1-1井地层水矿化度分别为6.27和9.01 mg/cm3，其原油密度较大，均超过0.89 mg/cm3，往深部，矿化度增大，原油密度变小，进一步证明南部断阶带受大气水下渗淋滤氧化作用的影响，且随着埋深的增加大气水下渗作用减弱。真武—曹庄油田，三垛组地层水矿化度明显比许庄地区的大，介于13.50～23.02 mg/cm3。只有真武油田北部临近真②断层的局部地区，存在相对低值区。因此，对于三垛组地层水，南部断阶带受大气水下渗作用影响较强，矿化度较低，由南向北矿化度逐渐增加，大气水下渗作用逐渐减弱。

戴南组二段地层（图4（b）），南部断阶带地层水矿化度为8.48～10.72 mg/cm3，北部深凹带为7.63～11.80 mg/cm3，位于中部的真武油田地层水矿化度为12.14～26.69 mg/cm3，曹庄油田为16.58～28.54 mg/cm3。戴南组一段，南部断阶带地层水矿化度为6.27～10.05 mg/cm3，北部深凹带为3.53～10.06 mg/cm3，而真武和曹庄油田所处的中部地区为10.78～25.93 mg/cm3，且真武油田地层水矿化度明显较曹庄油田的低（图4（c））。戴南组二段地层水矿化度总体较戴一段的稍高，平面上的分布规律与戴一段类似，均为南北低中间高。

阜宁组一段（图4（d））地层水化学参数数据点主要集中在南部断阶带许庄地区，由真①、真②断层往断块内部，地层水矿化度逐渐增加。其中，临近真②断层的真32井，矿化度最低，仅为7.75 mg/cm3，也可能是由于真②断层的沟通，受到大气水下渗淡化作用影响。

2.3 地下水化学场

根据许庄、真武和曹庄油田地层水化学特性垂向和平面分布特征可知，研究区地层水化学场由南向北可以划分为大气水下渗淋滤淡化区、汇合越流浓缩区和泥岩压实排水淡化区3个水化学分区（图5）。南部断阶带许庄油田，断层发育，断裂破碎作用强烈，地层开启性好，大气水下渗淡化作用导致地层水矿化度、Cl－质量浓度比较低，＇而HCO3－质量浓度较高;中部汇合越流浓缩区为泥岩压实排出水和大气水的共同指向区，地层水在越流过程中不断浓缩，矿化度、Cl－质量浓度相对较高，而HCO3－质量浓度较低;北部临近高邮凹陷中部深凹带的烃源岩中心，受泥岩压实排出水淡化作用影响，矿化度、Cl－质量浓度较低，HCO3－质量浓度较高。在由凹陷中心往南部的流动过程中，矿化度、Cl－质量浓度增加，HCO3－质量浓度降低，地层水逐渐浓缩。水动力场和局部水动力单元类型基本控制了地下水的成因和水化学场在空间上的分布规律，凹陷边缘（包括边界断裂带）主要受大气水下渗淡化影响，凹陷中心泥岩压实排水淡化［26］，在泥岩压实排水离心流和大气水下渗向心流的流动过程中，地下水不断浓缩，在越流泄水区形成地下水矿化度的相对高值区。

图5 研究区地下水化学特性与油气分布的关系Fig.5 Relationship of oilfield water chem istry characteristic and hydrocarbon distribution in research area

3 油田地下水化学特征与油气成藏——保存的关系

地下水与油气的运移、聚集、保存关系非常密切。其中，压实流是油气运移的良好动力和载体，其发育时是油气运聚成藏的主要阶段［27-28］，而大气水下渗则对油气的运聚有一定的调整、破坏作用，通常被认为是油气保存条件差的重要标志之一［6］。在泥岩压实排水离心流过程中，在弹性势能、浮力的共同作用下，部分油气在岩性、地层等圈闭中聚集成藏，油气聚集规模相对较小。汇合越流浓缩区，由于是主要的流体汇合区域和地下水泄水区域，有利于油气的大量聚集，是大油气田形成的有利水动力条件。大气水下渗淡化区，地层相对开启，油气保存条件较差，油气藏规模较小，且处于聚集—散失的动态变化过程中，总体上不利于油气的聚集和保存［6，29］。

高邮凹陷真武地区北部临近深凹带烃源岩中心，为泥岩压实排水淡化区，在压实作用驱动下，泥岩压实排出水沿断层—砂体输导体系由深部向浅部、由凹陷内部往凹陷边缘做离心状运动，侧向流动过程中同时伴随向上的越流作用。地层水在离心流状运动过程中不断越流浓缩，矿化度逐渐增大，油气随地层水进行二次运移的路途中遇到合适的圈闭，一部分油气逐渐聚集起来形成油气藏（图5）。位于南断阶带的许庄油田和深凹带的真武—曹庄油田南部边缘等地区断层发育，地层开启性强，大气水沿断裂带下渗，淡化地层水，为大气水下渗淡化区。由于真武断裂带的活动开启，以及压实流的减弱退缩，可能使得油气藏遭受间断性的大气水下渗淋滤，部分破坏，油气成藏—保存条件较差。如许5断块、许浅1断块油田，地层水矿化度、Cl－质量浓度较低，明显受下渗大气水的影响，油田规模较小（图5）。中部的真武曹庄越流浓缩区，为北部泥岩压实排水离心流和南部大气水下渗向心流的共同指向区，地层水在越流过程中不断浓缩，矿化度、Cl－质量浓度较高，油气随地层水运移过程中不断汇聚，有利于聚集成藏，且富集程度较高。研究区已探明油田多数位于该越流泄水区（图5）。真武和曹庄油田地层水运移模式不同，其油气成藏规模亦有差异。真武地区由深至浅，地层水矿化度、Cl－质量浓度逐渐增大，原因为该处有直接沟通烃源岩—圈闭的真武断层充当油源断裂，深部泥岩压实排出水在断层沟通作用下向浅部地层越流、浓缩，同时浅部地层封盖性又较好，具有优越的油气来源和保存条件，油气富集度较高，形成高邮凹陷最大的真武油田。曹庄油田缺乏圈闭与凹陷直接沟通的油源断裂，地层流体运移路径主要为断层—砂岩储层，相对处于泥岩压实排水离心流末端的越流—压滤浓缩水动力环境，油源条件相对真武油田较差，故油气成藏规模也较小（图5）。

4 结论

（1）许庄油田位于高邮凹陷南部断阶带，断层发育，地层破碎与剥蚀严重，大气水在重力作用下间断性下渗，导致地层水淡化，大气水下渗深度可能达到2.5～3.0 km。真武和曹庄油田地层水受大气水下渗作用影响较小，地层水成因主要为沉积埋藏水。

（2）真武和曹庄油田地层水越流模式不同。真武油田深部泥岩压实排出水在断层沟通作用下快速上涌，为断层越流淡化地层水模式，而曹庄油田缺乏圈闭与凹陷直接沟通的油源断裂，为泥岩压实排水离心流末端的越流—压滤浓缩运移模式。

（3）许庄、真武和曹庄油田地层水化学特性分布规律差异明显，差异原因与各个油田所属区带、构造特征密切相关。根据地层水化学性质南北低中间高的分布特征，研究区地层水化学场由南向北可划分为大气水下渗淋滤淡化区、越流浓缩区和泥岩压实排水淡化区。

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Hydrochem ical properties of form ation water and
its relationship w ith oil and gasm igration and accumulation in Zhenwu area of southern Gaoyou sag

LIMei1，JIN Ai-min1，LOU Zhang-hua1，SHANG Chang-jian2，GUAN Chi1
（1.Institute of Hydrology and Water Resources Engineering，and Research Center of Oceanology，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China; 2.Department of Earth Sciences，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Based upon the analysis of vertical and horizontal distribution properties of formation water chemistry in Xuzhuang，Zhenwu and Caozhuang oilfields of Gaoyou sag，the origin of formation water and the relationship between hydrochemistry and oil and gasmigration and accumulation were thoroughly studied.The results show thatmeteoric water infiltrated discontinuously in Xuzhuang oilfield，and the infiltration depth may reach 2 500-3 000 m.The origin of formation water in Zhenwu and Caozhuang oilfields is sedimentary burialwater，but their over flow patterns are different.The hydrochem istry field of Zhenwu areas in southern part of Gaoyou sag can be divided into three parts:①freshening zone due tometeoric water leaching downwards;②concentration zone due to cross-formational flow;③freshening zone due to compaction-released water.In the south，meteoric water infiltrated due to the long term activity of Zhenwu fault.Them ineralization of formation water is loweras the desalination of infiltratedmeteoricwater，and the hydrocarbon accumulation and preservation conditions are poor.The northern part，obviously affected by the desalting of compaction-released water，has low mineralization of formation water.However，the formation water concentrated and itsmineralization increased gradually during the process of centrifuge over flow.The part of the oil and gas could be preserved in appropriate trap in the path of secondarym igration along with the formation water.The concentration zone due to cross-formational flow in themiddle part，with high mineralization degree of

Gaoyou sag;globosity chemistry;oilfield water;hydrochemistry of formation water;vertical distribution;horizontal distribution;oil＆gasmigration and accumulation

TE 144

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.05.009

1673-5005（2010）05-0050-07formation water，is the common point area of northern partmudstone compaction-released water and southern partmeteoric water infiltration.It is favorable to oil and gas accumulation，and the degree of enrichment is higher.

2010－05－20

国家自然科学基金联合化工重点项目（40839902）;国家“973”重点基础研究发展规划项目（2005CB422107）

李梅（1983－），女（汉族），安徽宿州人，博士研究生，从事油田地层水研究。

（编辑 刘为清）