鄂尔多斯盆地天环坳陷北部山1-盒8段地层水地球化学特征及成因

杨 振, 朱世发, 贾 业, 高 阳

(1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室， 2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249； 3.中国石油勘探开发研究院，廊坊 065007)

地层水是沉积盆地流体的重要成分，存在于储层孔隙空间中，长期与油气相伴生[1]。沉积盆地中地层水可能来源于大气降水、沉积水、海水和深成水(一般占比较小)，以及上述几种类型水的混合物[2]。其与围岩长期复杂的化学反应及能量交换，注定了彼此间紧密的物质联系[3-4]。地层水中必定存有油气等流体成因和运聚散失的相关信息[5-6]，地层水的来源及其运动规律始终与油气运聚和油气藏的保存环境有着密切的联系[7]。对其地球化学特征的研究，可以为研究地层水的成因和演化提供有价值的线索，成为评价气水分布及其保存条件的重要手段和方法。

鄂尔多斯盆地资源分布广、资源潜力和储量规模巨大，其油气产量更是取得了举世闻名的成就。盆地北部上古生界作为重要的产气层位，随着苏里格勘探程度的深入，寻找盆地上古生界的勘探接替领域尤为迫切，特别是近年来，随着对盆地西部勘探潜力的评估，综合分析后认为天环坳陷具有优越的油气地质条件，近几年的钻探也进一步证实了天环地区的勘探潜力，在该区上古生界的不同层位均钻遇了工业气流。然而随着勘探的深入，在该区部署的探井试气出水现象普遍，产水层位不一，在盒8段、山西组均有出水现象，且出水量差异很大，最多日产水量甚至高达168方(苏337井)，极大地减缓了勘探开发进程。目前对天环地区上古生界地层水方面的研究程度较低，远不能满足下一阶段勘探任务需求。

鉴于此，通过系统收集由中国石油长庆油田所提供的地层水资料，运用统计分析、离子比值法、离子相关性分析等多种研究方法，结合前人对天环地区储层等方面的研究成果，针对该区试气出水较为严重的现象，对地层水地球化学特征和成因进行分析，以期为下一阶段气水分布研究和天然气勘探开发提供基本地质依据。

1 区域地质概况

研究区天环北部地区位于盆地西北部，构造单元隶属于天环坳陷北段[图1(a)]，该区东临苏里格大气田，西与冲断带相接，面积约1.1×104km2。天环北段上古生界为一套海陆过渡相的碎屑岩沉积体系，地层自下而上依次为石炭系本溪组、二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组和石千峰组，总沉积厚度约700 m[8]。烃源岩主要来源于本溪组、太原组和山西组的煤层及暗色泥岩，为广覆式生烃。上古生界主力产气层为山西组山1段和下石盒子组盒8段，是此次研究的目的层位，二者为整合接触[图1(b)]。天环北部山1段发育浅水曲流河三角洲沉积，盒8段发育浅水辫状河三角洲沉积。进入新生代以来，盆地西缘开始隆升，受西缘逆冲带的影响，研究区最终过渡为现今西倾的单斜构造形态[图1(c)]。

图1 研究区取样点、地层沉积特征及现今构造特征Fig.1 Sampling site， stratigraphic sedimentary characteristics and persent tectonic characteristics in the study area

近几年天环坳陷有多口井在上古生界的不同层位获得工业油气流，如李4井在盒8段测试获得20.24×104m3/d的无阻流量，李10井在太原组测试获得4.78×104m3/d的无阻流量，苏399井在山1段测试获得4.35×104m3/d的无阻流量。近期天环坳陷新增钻探井20口，其中位于苏402井-李8井以西区域的李22、李23、李30等井均获得1.0×104m3/d以上的工业气流，基本不产水或者低产水，预示着天环坳陷具有很大的勘探潜力和前景。截至2018年底共计钻井170余口，30余口井产工业气流，70余口井见水[9]。勘探实践显示，天环地区山1段产水井较少，盒8段多数井产水，砂体多期叠置，气水关系复杂(图2)。

尽管如此，天环地区相较于盆地内其他区块而言，部署的勘探开采井较少，勘探开发程度仍较低。因此，考虑到钻井、试气过程中所使用的钻井液等对正常地层水化学数据的干扰，在剔除非正常地层水数据的前提下，最终选取该区45口出水最为严重且分析化验资料较为齐全的试气井为研究对象[图1(a)]，选取其山1-盒8层段共计102份地层水样进行统计分析，以达到覆盖全区、预测未探明区块地层水特征的目的。

2 地层水地球化学特征

2.1 地层水主要化学组成

图2 天环坳陷北部A32-A31井山1-盒8段气藏剖面图[连井线位置见图1(a)]Fig.2 Gas reservoir profile of Shan 1st to He 8th member from well A32 to well A31 in the northern Tianhuan Depression [well tie location in Fig.1(a)]

表1 天环坳陷北部山1-盒8段地层水主要化学离子含量统计Table 1 Chemical ion contents statistics of formation water of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

图3 地层水主要阴、阳离子组成三角图Fig.3 Triangular chart of main anion and cation component of formation water

2.2 地层水矿化度

天环北部山1-盒8段45口井102份水样数据统计分析表明，地层水的化学成分变化较大，总矿化度(TDS)为1.72～76.43 g·L-1，主要分布范围是25.45～68.14 g·L-1，平均40.27 g·L-1。对比显示，地层水总矿化度要明显高于地表水(通常约为0.1 g·L-1)，70%的样品数据点也高于海水矿化度(35 g·L-1)。地层水的矿化度可以体现储层封闭性及蒸发浓缩的程度。储层封闭条件好，地层水蒸发浓缩程度大，导致矿化度相对较高[10]。天环地区山1-盒8段地层水所处环境封闭条件较好。

图4 天环坳陷北部山1-盒8段地层水主要离子浓度与总矿化度(TDS)的关系Fig.4 Relationship between main ion concentration and total dissolved solid(TDS)of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

2.3 地层水pH

天环北部山1-盒8段地层水样品统计结果表明，其pH介于5.5～7.0(样品数98)，平均为6.0，偏酸性。油气生成过程中伴生的有机酸流体使地层水多显酸性，这在油气层中较常见。

2.4 地层水水型

表2 自然界地下水水型分类标准Table 2 Classification standard of groundwater type in nature

此外，根据实际需要，博雅尔斯基又将氯化钙型水进一步划分为五类[12](表3)，天环地区以氯化钙Ⅳ型和Ⅴ型水为主。整体来看，天环地区山1-盒8段地层水水型特征反映地层水所处环境封闭性较好，是较理想的烃类聚集地。

表3 博雅尔斯基对氯化钙型水的分类Table 3 Category of the calcium chloride type water of Burson Marsteller Chhabra

3 地层水化学特征参数

除上文提到的矿化度、水型等基本参数外，地层水的化学特征参数也常用来反映地层水特性，通常包括钠氯系数、脱硫系数、镁钙系数和变质系数等，其值大小能够体现特定水体环境，指示油气运移及保存信息(表4)。

3.1 钠氯系数

钠氯系数[c(Na+)/c(Cl-)]是反映地层水变质程度的基本参数，用于评价地层封闭性。在陆相沉积层中，若高矿化度地层水中钠氯系数大于0.85，多数来源于沉积水或变质型渗透水；而钠氯系数小于0.85，则沉积水或渗透水必然发生了高度变质[13]。一般认为有利于油气保存的钠氯系数上限为0.75。钠氯系数值越大，指示地层水受渗入水的影响越大，对烃类的保存越不利；反之钠氯系数值越小，代表水体环境越还原，对烃类的保存越有利[14]。天环北部地区山1-盒8段地层水的钠氯系数较低，介于0.21～0.63，平均0.42，反映受渗入水的影响较小，地层水更浓缩，所处水体环境封闭性较好。

表4 天环坳陷北部山1-盒8段地层水离子比例系数Table 4 The ion proportional coefficient of formation water in Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

3.2 脱硫系数

图5 天环坳陷北部山1-盒8段地层水成因分类Fig.5 Genetic classification of Surin formation water of Shan 1st to He 8th member in the northern Tianhuan Depression

3.3 镁钙系数

地层水中Mg2+、Ca2+属于消耗性离子，Mg2+的消耗与自生绿泥石及蒙脱石的沉淀有关，Ca2+的消耗多与自生方解石和浊沸石的沉淀有关，在Mg2+、Ca2+两者被大量消耗的背景下，方解石、浊沸石等含钙矿物的溶解会增加Ca2+含量，使得地层水中Ca2+相对Mg2+富集，溶解作用也会在一定程度上改善储层内部空间结构。因此，镁钙系数[c(Mg2+)/c(Ca2+)]可用来表征次生孔隙发育程度[16,17]，此值越小说明次生孔隙越发育。山1-盒8段地层水的镁钙系数在0.01～0.55，平均0. 13，镁钙系数值偏低，是天然气储集的有利场所。

3.4 变质系数

变质系数反映了矿物溶解沉淀过程中阳离子交换的程度，此值越大，地层水变质作用越强，地层封闭性越好，对油气藏的聚集和保存越有利[18]。山1-盒8段地层水的变质系数[c(Cl-)-c(Na+)]/c(Mg2+)=0.09～159.6，平均25.36，水-岩作用强烈，气藏封闭条件良好。

实验表明，钠氯系数小于0.75，镁钙系数小于0.3和较大的变质系数，反映地层水变质和蒸发浓缩作用较强，地层封闭环境良好，地层水属于原始沉积成因水，有利于烃类聚集成藏。以上分析可以看出天环北部山1-盒8段地层水正是处于此种封闭环境下，属于高度变质的原始沉积地层水。

4 地层水成因分析

地层水的地球化学特征能够提供其演化过程的信息，例如水-岩相互作用的程度和溶质的来源。因此，本次通过分析离子间相对含量的变化来分析研究区的地层水成因。

4.1 分析方法

除盐岩溶解沉淀外，Br-是大多数水-岩相互作用的保守元素。比较海水蒸发轨迹和地层水Br-与不同离子之间的差异，进而圈定离子的富集或损耗，为矿物溶解沉淀、地层水演化乃至油气运移提供依据[19-20]。但研究区山1-盒8层段阴离子组成中Br-只有少量显示，远远低于其他阴离子含量，此外，目的层段紧邻下覆山2段煤系烃源岩，烃源岩中Br-的释放扩散也可能造成地层水中Br-的富集，使分析结果误差较大，因此不宜采用Br-相对含量变化来分析地层水成因。

天环北部上古生界从山西组到下石盒子组发育浅水三角洲沉积，采用海-河水混合线及海水蒸发线的联合线(以下统称联合线)来示踪地层水的演化过程就显得十分有用。海水蒸发实验数据显示[21]，Cl-作为稳定的化学元素，几乎不参与其他矿物的成岩反应，当Cl-的浓度小于100 g·L-1时，lg(Cl-浓度)与lg(Br-浓度)呈斜率为1的线性关系，且在此区间内不会形成沉淀。若实际数据点偏离这一直线，则表示除了水分的增加或减少外，还受到其他作用的影响。天环北部目的层位地层水中Cl-的浓度均低于60 g·L-1，且Cl-与总矿化度呈较好的正相关性，此外，上古生界暂未发现任何盐岩层，基本能够判定在地层水演化始末，Cl-始终未形成沉淀，其值变化完全取决于地层水蒸发浓缩的程度。因而，可以对比地层水中各离子组分含量与Cl-含量之间的差异，指示其他离子的富集或损耗情况，最大可能地还原水化学演化过程。

4.2 离子间关系特征

通过分析研究区地层水中Cl--Ca2+、Cl--Mg2+、Cl--Na+关系(图6)，得到了下述规律：①Ca2+在联合线的右侧，呈富集状态；②Mg2+位于联合线的左上方，呈亏损状态；Na+半数以上数据位于联合线上方，部分数据贴合联合线，呈略亏损状态；③Ca2+、Mg2+、Na+分别与Cl-在对数坐标上表现为线性相关，且与联合线基本平行，目的层位数据点之间重叠度较高。

海水蒸发线、海水及河水数据来自文献[21]图6 地层水中Cl-与各种离子浓度关系图Fig.6 The relations of Cl-with various ion concentration in formation water

4.3 Ca2+富集成因

天环北部上古生界地层水中富含Ca2+，而在整体封闭的条件下，Ca2+的含量主要受水-岩作用的控制，即钙离子的富集程度和含钙矿物的溶蚀密切相关[22]。下伏太原组发育部分灰岩层，山1-盒8段砂岩储层填隙物中见铁方解石充填[23]，有研究表明，钙质胶结物形成所需要的Ca2+含量，仅靠钙长石溶解来提供是远远不够的[24]。因此地层水中溶解的Ca2+必然有其他来源，这可能与太原组灰岩被地层水溶蚀从而释放Ca2+有关。与此同时，天然气充注过程中伴生的有机酸流体也会使碳酸盐矿物溶解，从而增加Ca2+的富集。理论上，在高温阶段的岩浆结晶中，锶离子能轻易将钙离子置换出[24]，研究区山西组和下石盒子组也发现了部分火山物质，且目的层位火山物质中CaO的含量明显低于其他层位，这可能是由于火山物质中Ca2+已大量溶解于地层水中，造成Ca2+的富集。山1段地层水中的Ca2+含量高于盒8段，是由于其紧邻下伏煤层及炭质泥岩，有机质成熟所产生的有机酸流体对近源储层中的钾长石和含钙矿物的溶蚀程度高于盒8段，因而使更多的Ca2+释放于地层水中。

4.4 Mg2+与Na+亏损成因

水-岩相互作用能显著地改变地层水中阳离子的含量，天环北部上古生界山1-盒8段致密砂岩填隙物中高岭石、绿泥石等黏土矿物相对含量较高[23]，约占30%，山西组镜下矿片也观察到铁白云石胶结物及菱铁矿，相对含量10%，且泥晶菱铁矿中富含镁，而黏土矿物中常含MgO等杂质，因而认为研究区目的层位Mg2+亏损和高岭石、绿泥石化有密切关联，成岩过程中碳酸盐岩的白云岩化作用也被认为是Mg2+亏损的重要机制，这会使地层水中的Ca2+含量增多而Mg2+减少，铁方解石与铁白云石的存在证实了这一点。另外，天环北部目的层位地层水中Na+呈略亏损状态。在沉积盆地中，与钠有关的水岩反应要么是斜长石的钠长石化，要么是钾长石或盐岩的溶解沉淀。在4.1节的讨论中，已经排除了盐岩的溶解或沉淀。因此，最有可能是斜长石或钾长石发生了钠长石化作用。此外，黏土矿物多带负电荷，对阳离子有吸附作用，在地层水渗流过程中，部分Na+也会被层状黏土矿物吸附，呈现出Na+略亏损的现象。

4.5 各层系地层水特征相似性原因

天环北部山1-盒8段各层位地层水中Ca2+、Mg2+、Na+与Cl-在对数坐标上表现为线性相关，而且这些呈线性关系的数据点与联合线基本平行，反映地层水发生了一定程度的蒸发浓缩或流体混合作用。目的层位数据点在各离子对数坐标上重叠程度较高，推测原因如下：①天环北部目的层位物源均来自于盆地北部阴山地区及西北缘阿拉善古陆[25]，砂岩物质组分受相同物源区控制，且埋深程度相当，地温差别不大，因而地层水中Ca2+、Mg2+、Na+发生的水-岩反应程度大致相当；②盒8段和山1段地层水一定尺度上发生了流体混合，地层水跨层流动，表现出较好的相似性。

由以上分析可以得到，研究区山1-盒8段地层水成因与蒸发浓缩作用、水-岩相互作用和流体混合作用等密切相关，属于原始沉积地层水且经历了较强浓缩变质作用。

5 结论

(1)天环坳陷北部地区山1-盒8段地层水矿化度较高，主要分布范围是25.45～68.14 g·L-1，平均40.27 g·L-1。其pH=5.5～7.0，平均为6.0，偏酸性。离子组成以Cl-、K++Na+和Ca2+为主。水型为氯化钙Ⅳ型和Ⅴ型水，反映其良好的天然气保存环境。

(2)天环北部地区山1-盒8段地层水的钠氯系数较低，在0.21～0.63，平均0.42，脱硫系数和钙镁系数也较低，平均分别为2.24和0.13，变质系数较大，为0.09～159.6，平均25.36，这表明水-岩作用较强烈，水体封闭环境较好，有利于天然气聚集成藏。

(3)通过对比地层水中各离子组分含量与Cl-含量之间的差异特征，分析得出天环地区山1-盒8段地层水成因与蒸发浓缩作用、水-岩相互作用和流体混合作用等有密切关联，属于原始沉积成因水且经历了较强浓缩变质作用。