济阳坳陷沙河街组地层水化学特征分析及与成藏关系探讨

刘瑞娟

(中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257001)

地层水是含油气盆地中的地层流体的重要组成部分,其变化特征可以反映油气的聚集规律,利用地层水的化学特征可以帮助地质勘探者“找油”,可为油气勘探提供指导,为生产服务。因此,济阳坳陷的地层水化学特征研究是一项很重要而且是不可缺少的工作。国内外许多学者对地层水的特征、成因、同位素特征、温压条件等开展了研究,并取得了很多重要的成果,但前人对济阳坳陷沙河街组的地层水特征的深入研究相对较少。因此,本文根据济阳坳陷的地层水分析数据,讨论济阳坳陷内地层水化学特征及探讨地层水化学特征与油气成藏的关系。

1 区域地质概况

济阳坳陷地处山东省北部,是渤海湾盆地中一个极其重要的次级构造单元(图1)。东部以郯庐断裂的中段与鲁东隆起相隔,西部和北部以埕宁隆起和渤南凸起与黄骅坳陷、渤中坳陷相邻,南部以齐广断裂与鲁西隆起分界,西南部与临清坳陷相连。由西向东撒开,西窄东宽,面积为2.65×104km2。早第三纪,坳陷内自南而北发育了东营凹陷、惠民凹陷、沾化凹陷、车镇凹陷等4个次级凹陷[1]。这4个凹陷之间有联系和具有共同点,相互之间也有很多差异,各自形成独立的生、储、盖、运、聚单元,就地层水特征来说,他们之间既有联系,又相互独立,本文从地层水化学特征方面浅析油气成藏之间的差异性。

2 地层水化学特征分析

地层水的化学特征是在相当长的地质历史时期内地层水与岩石、有机物等相互作用的结果[2]。地层水化学特征分析研究主要包括矿化度、酸碱度、水型、化学系数等。现今呈现的地层水化学特征是地层水在物理、化学等多种作用下,经过长期的演变至今的结果。研究地层水的化学特征,能够帮助我们还原一个地区的水文历史[3-6]。

矿化度是指地层水中含有的各种离子、分子与化合物的总量,包含各种钙、镁、铝和锰等金属的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐以及钠盐,它是地质环境变化导致地层水动力场和水化学场经历复杂演化的反映[7]。

图1 济阳坳陷区域概况图(以东营组边界为底图)

2.1 矿化度

笔者在济阳坳陷内应用了2 215口井的水分析资料,取样数据点具有代表性。济阳坳陷矿化度的范围跨度比较大,0～350 g/L都有分布。每个凹陷不同层位的矿化度存在区别,东营凹陷的矿化度最大,惠民凹陷次之,车镇和渤南更低一些,这种区别与当时的沉积环境等各方面的因素有很大的关系,反映了不同凹陷地质环境变化存在差异。其中,东营凹陷的矿化度整体较高,其值为0.2<ρ(TDS)<350 g/L,平均值为38.6 g/L;惠民凹陷矿化度范围为1.3<ρ(TDS)<178 g/L,平均值为33.1 g/L;沾化凹陷矿化度范围为0.3<ρ(TDS)<204 g/L,平均值为11.46 g/L;车镇凹陷矿化度范围为0.5<ρ(TDS)<98 g/L之间,平均值为13.7 g/L。因为海水的矿化度是35 g/L,从各凹陷的平均值上来看,东营凹陷的地层水属于咸水,其次是惠民凹陷,接近于咸水水平,沾化凹陷和车镇凹陷相对它们来讲淡一些。从层位上来看(表1),从沙一段到孔店组,矿化度是呈现增大的趋势,是典型的正向水化学剖面,底部层位的水相对较咸。

2.2 酸碱度

地层水的酸碱度显示的是地层流体演化至今的特征,统计分析(表1)济阳坳陷沙河街组地层水整体以碱性为主,说明地层水演化至今是以碱性为主。碱性水的来源初步猜想可能有两个来源:一是坳陷深部上涌的碱性地层水;二是受到了坳陷内部膏盐层的影响。

通过对济阳坳陷沙河街组地层水的酸碱度进行剖析,其中以东营凹陷为例来看,浅层断裂附近以酸性为主,深层洼陷带和边缘带以酸性为主,受沉积、成岩和成烃作用的控制,纵向上具有酸碱交替演化的特点。沙四下亚段指示碱性流体占主导地位,主要受沉积成岩作用的控制;沙四上亚段指示酸性流体占主导地位,主要受生烃作用的影响;沙三下主要是碱性流体占主导作用,受成岩作用的影响;沙三中-沙一段主要是酸性流体占主导,受淋滤作用的影响。

2.3 水 型

地层水的分类方法有很多种,常采用的是苏林的分类方法[8-9]。苏林分类将地层水的类型划分为4类,其中Na2SO4型是大陆冲刷环境下形成的水,一般来说,此水型反映环境封闭性差,不利于油气聚集和保存。NaHCO3型是大陆环境条件下形成的,该水型在油田中分布广泛,是含油性良好的标志;Mgcl2水型是海洋环境下形成的水,该水型一般多存在于油气田内部;CaCl2水型是深层封闭构造环境下形成的水,环境封闭性好,有利于油气聚集和保存,是含油性良好的标志。

经过统计分析(如表1所示),济阳坳陷主要阳离子顺序为Na++K+>Ca2+>Mg2+,主要阴离子顺序为Cl->HCO3->SO42-。如表1所示,东营凹陷和惠民凹陷沙河街组各层位中,水型主要以CaCl2为主;渤南洼陷和车镇凹陷沙河街组各层位中,水型主要以NaHCO3为主。造成济阳坳陷水型南北分区的原因分析如下:东营凹陷和惠民凹陷,整体矿化度较高,地层水中以Cl-和Na+占优势,由于CaCl2的溶解度更大,所以在矿化度高的地层水中以Cl-和Ca2+为主,水型以CaCl2型水为主。在相对较低的矿化度区HCO3-、SO42-占主导,Na+是主要的阳离子,因此沾化凹陷和车镇凹陷的水型主要以NaHCO3型为主。并且在同一地区的深层封闭环境中,更容易形成CaCl2型水。从济阳坳陷南北水型差异性来看,沾化凹陷和车镇凹陷在沙河街组沉积时期水体流动性大于东营凹陷和惠民凹陷,封闭性相对差一点。

表1 济阳坳陷不同层位地层水化学特征表 mg/L

2.4 主要化学系数

地层水的主要化学系数包括钠氯系数、脱硫酸系数等,它们是指地层水离子比值,可以反映地层水的地球化学环境和水岩作用强度。本文主要利用钠氯系数和脱硫酸系数,分析地层水的环境的开启与封闭性以及是氧化与还原性。

2.4.1 钠氯系数

钠氯系数是指单位体积地层水中钠离子与氯离子的当量比值,这反映了地层水中钠盐的富集程度,可以用来分析地层水的变质程度以及地层的封闭性能。从表1可以看出,济阳坳陷沙河街组的钠氯系数平均值为0.75～1.52,其中,东营凹陷沙河街组的钠氯系数平均值均小于1,说明东营凹陷该层位地层水的变质程度较小,地层的封闭保存条件较好。其中,沙四、沙三、沙一段钠氯系数小于0.85,具有沉积卤水的特征,接近于海水的钠氯系数是0.86,沙二段的钠氯系数平均值是0.99,接近于1,说明该层位具有溶滤卤水的特征,该段地层的封闭性相对减弱,造成其他溶滤水渗入。惠民凹陷的钠氯系数平均值与东营凹陷类似,在0.75～0.89之间,说明沙河街组地层水封闭性强。沾化凹陷的钠氯系数平均值为0.97～1.52,车镇凹陷的钠氯系数平均值为0.98～1.21,相对于东营凹陷和惠民凹陷来讲,钠氯系数值较大,反映了这两个凹陷的水体主要是陆相成因,并且受到渗入水的影响作用较大。总的来讲,钠氯系数值越大,地层的封闭性较弱,受溶滤渗入水的影响较大,对油气藏的保存不利;反之,如果钠氯系数值越小,地层封闭性较强,对油气藏的保存越有利。

2.4.2 脱硫酸系数

脱硫酸系数是地层水环境的氧化—还原的重要指标,是反映油气藏保存好坏的参数,表达式为(rSO42-×102)/rCl-,地层水中SO42-和Cl-离子的大小直接影响脱硫系数的变动。脱硫酸作用越彻底,脱硫酸系数越接近于0,还原环境越强,表明地层的封闭程度越好。济阳坳陷沙河街组的脱硫酸系数平均值为0.61～10.77,从表1中可以看出,东营凹陷和惠民凹陷的脱硫酸系数相对其他两个凹陷较低,东营凹陷的脱硫酸系数平均值为1.32～1.64,惠民凹陷的平均值为0.61～2.01,说明这两个凹陷是很好的“储油基地”,沙河街组的地层封闭程度好,还原环境强,未受到强烈氧化作用的影响。沾化凹陷和车镇凹陷的脱硫酸系数值相对较大,沾化凹陷的均值为3.59～10.77,车镇凹陷的均值为3.56～7.72,说明这两个凹陷的地层水在沙河街组时期处于弱氧化弱还原环境,几乎没有受到还原作用的影响,地层封闭性相对弱一些。

2.5 地层水化学特征影响因素

经过全面的分析,发现济阳坳陷沙河街组在不同凹陷、不同层位的化学特征存在明显差异,造成差异的原因[10-11]包括以下几个方面。

2.5.1 沉积环境与水-岩作用

沉积时,原始水体的矿化度影响了现今地层水矿化度的大小及变化规律;原始沉积水随着沉积物的持续埋藏或者剥蚀过程,会与周围岩石发生水岩反应或盐岩的溶解淋滤,或是与其他性质的地层水混合,导致本身水化学成分的改变。济阳坳陷的南北水型差异是地质历史时期内,不同的水-岩作用造成的,地层水中水化学特征也会为水-岩作用提供重要的信息。

2.5.2 生烃作用

生烃作用会产生大量的有机酸,在超压的驱动下,有机酸分阶段排出,使得地层水中的碳酸盐矿物溶蚀,储层中的铝硅酸盐矿物和碳酸盐胶结物溶蚀,导致地层水矿化度增加。

2.5.3 大气水渗入与蒸发浓缩作用

大气降水对总矿化度的影响很大,沾化和车镇凹陷的矿化度相对于东营凹陷和惠民凹陷相对较低,这两个凹陷曾经遭受过较强的大气降水淋滤作用。高温下的蒸发浓缩作用会使深层封闭地层中的水体不断矿化,朝含盐度增高的方向发展,矿化度升高。沉积时期若气候干燥、湖盆收缩,湖水的浓缩作用增强,地层水中盐岩的溶解是矿化度增大的主要方式。虽然地下岩盐的溶解会对矿化度产生近距离的影响,但通过地层水通过断裂带垂向运移也可以影响很大范围内的矿化度。

3 地层水化学特征与油气成藏关系探讨

研究表明,地层水矿化度、酸碱度、水型、化学系数的变化与油气运聚和保存有着密切的关系。[12]

3.1 地层水化学特征与成藏的关系

3.1.1 矿化度

矿化度值越高,地层的封闭性越强,越有利于油气的保存;济阳坳陷,矿化度高值区主要分布在洼陷区和构造转化带,这反映了流体的释放和运聚的过程,地层水的运移方向与油气的运移方向具有一致性。在中央隆起带或者断阶带,矿化度会发生明显的穿层,这些区带往往也是油气聚集的区带。因为高矿化度流体突破的区带,石英加大、碳酸盐类和铝硅酸盐类溶蚀的成岩作用相对强烈一些,相对应的储层物性较好,含油性较好。

3.1.2 酸碱度

酸性和碱性成岩环境会出现在成岩过程的不同阶段,对储集物性产生不同的影响。在酸性地层水中,石英比较稳定,碳酸盐、长石等矿物会处于溶蚀状态,较容易形成次孔隙,储集物性相对较好;而在碱性地层水中,碳酸盐、长石等矿物会发生沉淀,石英溶蚀会随着酸碱度的增加而增加,形成大量的孔隙,造成储集物性的变好。

3.1.3 水 型

水型的差异,在于同一离子含量的差异,会导致地层水中的酸碱度存在差异,影响成岩作用的类型,进而对储集性能产生差异。以东营凹陷的利页1井为例,在3 560 m的深度,地层水的类型为NaHCO3型,PH为10,呈碱性;在3 785 m,地层水类型为CaCl2型,PH值为5,呈酸性。即使是同一口井,由于水型不同,离子差异,势必会造成储集物性的差异。

3.2 地层水化学特征与油气保存的关系

地层水的特征对油气的保存有一定的影响,但是地层水总矿化度和水化学系数仅能反映地下油气的保存封闭条件,并不能直接决定油气藏的有无。在影响油气保存的地层水化学特征中,矿化度越高,反应的地层封闭性越强,越有利于油气的保存;钠氯系数、变质系数、脱硫酸系数越小,越有利于油气的保存。前人利用地层水的脱硫系数-钠氯系数投点判别图可直观地反映研究区不同地层所处的油气水文地质保存环境,将保存环境划分为保存区、过渡区、弱保存区和非保存等4个区域,这也可作为我们在油气勘探中借鉴的一个好方法。

4 结 论

(1)济阳坳陷中东营凹陷和惠民凹陷矿化度较高,沾化凹陷和车镇凹陷相对较低。整体的酸碱度以碱性为主,不同的层位各有差别,主要受成岩、生烃及淋滤作用的影响。济阳坳陷南部各凹陷水型以CaCl2为主,北部凹陷以NaHCO3为主,造成这一现象的主要原因是水—岩作用。

(2)济阳坳陷整体的钠氯系数和脱硫系数比较低,其中东营凹陷和惠民凹陷的值相对于沾化凹陷和车镇凹陷来讲更低一些,这表明东营凹陷和惠民凹陷的地层封闭性更强一些,油气保存条件相对较好。

(3)地层水化学特征仅能从地层水的角度反映油气的封闭、保存条件,并不能直接决定油气藏的有无。在油气勘探中,还要结合其他成藏要素匹配分析,才能确定成藏有利区。