天环坳陷南北部盒8段地层水地化特征差异性分析.pdf

引文格式：吴颖，孙磊，冯敏，等.天环坳陷南北部盒 8 段地层水地化特征差异性分析J.西北地质，2024，57（2）：244253.DOI：10.12401/j.nwg.2023112Citation：WU Ying，SUN Lei，FENG Min，et al.Analysis on Geochemical Characteristics and Difference of Formation Wa-ter in He 8th Member in Northern and Southern Tianhuan DepressionJ.Northwestern Geology，2024，57（2）：244253.DOI：10.12401/j.nwg.2023112天环坳陷南北部盒 8 段地层水地化特征差异性分析吴颖1,2，孙磊3，冯敏3，李爱荣1,2，卢达1,2（1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安710065；2.西安石油大学 陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安710065；3.长庆油田公司勘探开发研究院，陕西 西安710018）摘要：通过对鄂尔多斯盆地天环坳陷中二叠统下石盒子组盒 8 段地层水样品测试结果的统计分析，分别对区内南北部的地球化学特征进行研究，对比其差异性，分析天然气运聚和保存条件，为勘探部署提供支持。研究显示，天环坳陷中二叠统下石盒子组盒 8 段为偏酸性、氯化钙型地层水，区内矿化度、Cl含量和浓度都显示为北高南低，反映了北部铁克苏庙地区地层水封闭条件优于南部青石峁李庄子区域，更有利于气藏的聚集和保存。南北部地层水地化特征参数与气藏形成条件有较好的对应性。北部地区为型、型原始地层水，地层水的钠氯系数低、脱硫系数低、钠钙系数低、变质系数高，具有油气伴生水的特征，地层封闭性较好，利于气藏的聚集和保存；而南部地区为型、型、型地层水，显示较差的封闭条件，地层水与外界有沟通，不利于气藏的运聚和保存。关键词：地层水；地化特征；差异性；盒 8 段；天环坳陷中图分类号：P618.130文献标志码：A文章编号：1009-6248（2024）02-0244-10Analysis on Geochemical Characteristics and Difference of Formation Water inHe 8th Member in Northern and Southern Tianhuan DepressionWU Ying1,2，SUN Lei3，FENG Min3，LI Airong1,2，LU Da1,2（1.School of Earth Sciences and Engineering Xian Shiyou University,Xian 710065,Shaanxi,China；2.Shaanxi Key Laboratory ofPetroleum Accumulation Geology,Xian Shiyou University,Xian 710065,Shaanxi,China；3.Exploration and DevelopmentResearch Institute of Petrochina Changqing Oilfield Company,Xian 710018,Shaanxi,China）Abstract：Based on the statistics and analysis of the test results of formation water samples of He 8th Memberof Tianhuan depression,Ordos basin,the geochemical characteristics of the northern and southern parts of thearea are studied,and the differences were compared.The results show that the formation water of He 8th mem-ber of Tianhuan Depression is acidic and CaCl2 water type,and the mineralization degree,Cl content and con-centration in the area are higher in the north than in the south.It reflects that the sealing condition of formationwater in the Tiekesumiao area in the north is better than that in Qingshimao-Lizhuangzi area in the south,收稿日期：2022-04-12；修回日期：2023-11-02；责任编辑：贾晓丹基金项目：国家自然科学基金项目“鄂尔多斯盆地南部长 6 油层组地层水特征与油气富集规律研究”（41772140）。作者简介：吴颖（1984），女，博士，副教授，从事石油天然气勘探与开发研究。Email：。第 57 卷 第 2 期西 北 地 质Vol.57No.22024 年（总 234 期）NORTHWESTERN GEOLOGY2024（Sum234）which is more conducive to the accumulation and preservation of gas reservoirs.The Geo-chemical characteris-tic parameters of formation water in the north and south have good correspondence with the formation condi-tions of the gas reservoir.The formation water in the northern area is characterized by low sodium-chloride coef-ficient,low desulfurization coefficient,low sodium-calcium coefficient and high metamorphic coefficient.Theformation water is of-type and-type original formation water,which is favorable for the accumulation andpreservation of gas reservoirs.In the southern area,the formation water of-type,-type and-type showspoor sealing conditions,and the formation water communicates with the outside world,which is not conduciveto the accumulation and preservation of gas reservoirs.Keywords：formation water；geochemical characteristics；difference；He 8th Member；Tianhuan depres-sion地层水是沉积盆地中流体的重要组成部分（杨振等，2020；张帆等，2023），参与了油气成藏的全过程。地层水既是油气运移的动力，也是油气运移的载体，其来源及运动规律与油气藏的聚集和保存环境有着密切的联系（柳广弟，2009）。因此，在一定程度上，地层水的化学成分及其分布特征反映了油气形成和分布的特征（梁积伟等，2013）。通过研究地层水性质和地球化学特征，可以推断地层水的成因和演化，指示地层流体的封闭性和演化过程，分析气水分布规律及其保存条件（窦伟坦等，2010）。高矿化度水、CaCl2型地层水有利于天然气的保存，能够阻止天然气的扩散，为天然气提供暂时存储空间（杨振，2020）。随着鄂尔多斯盆地天然气勘探的不断深入，勘探区域逐步向盆地西侧延伸，其中天环坳陷（图 1）显示了优越的油气地质条件和巨大的勘探潜力，是上古生界天然气接替的重要勘探开发区域，其主力含气层段中二叠统下石盒子组（P2x）盒 8 段试气显示具有很好的勘探开发前景。但是，南北两侧勘探效果差异悬殊，不同区域试气出水程度各异，且出水量变化明显，总体上天环坳陷区内南北部出水差异较大，地层水化学特征分区明显，气水关系复杂，目前仅在北部铁克苏庙区域取得勘探开发突破。部分学者对该区含气层系下石盒子组（P2x）盒 8 段储层孔隙特征、地层水化学特征和气水控制因素做了部分分析（王怀长等，2018），认为该区地层水为来源于经过了强烈水岩作用和蒸发浓缩作用的陆相沉积成因的常规地层水，主要是弱动力成藏过程中的残余地层水，整体水环境未与外界沟通，地层水在平面上仍保留了原始成藏滞留水的特征，形成具有边底水的构造岩性气藏，叠置拼接的分流河道砂体与良好的侧向泥岩封堵配置是有利的聚集场所（王建麾等，2009），勘探实践亦证实地层水地球化学特征与天然气聚集保存具有明显关系（朱剑兵等，2006）。而对于气水关系更为复杂的坳陷南部青石峁-李庄子区域仅有少数学者对天然气局部富集规律进行初步探讨，对区域地层水地化特征差异性对比及与天然气运聚保存条件分析鲜有相关研究，从而极大地制约了区内天然气勘探开发整体进程。笔者通过对主力含气层段中二叠统下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水地球化学分析测试，结合天环坳陷铁克苏庙青石峁李庄子区域试气成果，运用统计分析、离子相关性分析等多种研究方法，以鄂托克前旗为南北界限，对主力层位中二叠统下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水地球化学特征和成因进行分析，对比并揭示南北部的差异性，分析天然气运聚保存条件，为整 个 研 究 区 的 天 然 气 勘 探 开 发 部 署 提 供 建 议（雷易璇，2018）。1地质概况鄂尔多斯盆地位于华北地台西缘，是一个发育于稳定克拉通盆地上的大型叠合盆地（郑萌等，2023）。天环坳陷是鄂尔多斯盆地的二级构造单元，位于盆地西部，南北长条形展布，其东部为陕北斜坡，是构造平缓的西倾单斜，西部为西缘断褶带，发育断层。天环坳陷古生界先后经历了陆表海内陆湖泊的沉积转化，其中上古生界太原组和山西组为滨浅海海陆交互相含煤沉积，中、上二叠统下石盒子组、上石盒子组和石千峰组为陆相碎屑岩沉积，上古生界以陆相碎屑岩沉积为主，纵向含气层位多、储层分布广，主要含气层段中二叠统下石盒子组（P2x），自上而下依次可划分为盒 5、盒 6、盒 7、盒 8 气层段，其中盒 8 段是最主要产层，盒 8 段发育浅水辫状河三角洲沉积，含气水岩第 2 期吴颖等：天环坳陷南北部盒 8 段地层水地化特征差异性分析245 性主要为中厚层岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，储层致密且气水关系复杂，气藏主要为构造岩性气藏，气层埋藏浅，规模相对较小，具有边底水，地层水以高矿化度的常规地层水为主，多层系产水，形成“多层含气、普遍低产、气水同产”的格局（陈朝兵等，2019）。地层水以层内水平侵入为主，但整体水环境未与外界沟通，未发生地表水补给，地层水在平面上仍保留了原始成藏滞留水的特征（张志升等，2020）。天环坳陷铁克苏庙青石峁李庄子区域主力含气层段下石盒子组（P2x）盒 8 段在勘探过程中虽展现了较好的勘探潜力，部分井试气获得了较高的工业气流，但区域上产能差异较大，也出现了低产气流井、气水同出井和纯水井，气藏内无统一气水界面，气水分布十分复杂。截至 2021 年 12 月底，区内获工业气流井为完钻天然气探井的 9%，51%天然气探井有不同程度的产水，探井试气出水率高达 50%，其中 11%为 堑渭河地渭北隆起晋西挠褶带天环坳馅西缘逆冲带隆起伊盟堑地河套伊陕斜坡N040 km断层省界研究区地名构造分界线图1研究区构造位置图Fig.1Tectonic location map of the study area246西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年纯出水井，产水量为 362 m3/d 不等，反映了区内复杂的气水关系。此外，出水特征也表现出明显的南北地区差异性。北部铁克苏庙砂带探井试气产水率较高，几乎每口井均有试气出水的现象，纯出水井占比大，单井产水量大（如鄂 22 井试气产水为 72 m3/d），出水范围广、面积大。南部青石峁李庄子砂带，试气情况相对复杂，在构造高部位试气产量较高，不出水，在构造低部位气水同出，出水量大小不一。因此，南部青石峁李庄子区域既有局部高产气流井，也有气水同出井，纯出水井的比例相对较小。研究区勘探现状表明，天环坳陷古生界主力含气层系石盒子组盒 8 段试气出水南北差异较大，气水关系复杂，控制因素不明确，严重阻碍了该区天然气勘探进展。2地层水地球化学特征及差异地层水化学特征和水型的变化显示了地层沉积、埋藏与变质过程的演化，其离子组成和浓度等特征记录了油气层流体运移过程与分布特征（李贤庆等，2002），反映了油气藏封堵条件好坏及油气保存条件的优劣（钱诗友等，2009）。笔者从地层水离子特征、矿化度、化学参数特征和地层水类型等 4 个方面进行研究，总结研究区地层水地球化学差异性特征。2.1地层水 pH 值和总矿化度天环坳陷铁克苏庙青石峁李庄子区域下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水 29 个样品统计结果显示，其 pH 值为 6.07.4，以 6.0 最为普遍，偏酸性。这是因为油气生产过程中伴生的有机酸流体影响地层水显酸性（杨振等，2020）。天环坳陷铁克苏庙青石峁李庄子区域下石盒子组（P2x）盒 8 段 29 口井的地层水水样数据统计表明，地层水总矿化度在平面上的分布范围为 18.7875.69 g/L，平均为 41.42 g/L，纵向上整体低于下伏的马家沟组地层水矿化度（130356 g/L），高于地表水（一般约为 0.1 g/L）。对南北部数据分析发现，北部的铁克苏庙砂带地层水矿化度为 38.2675.69 g/L，平均为56.37 g/L，所有数据点均高于海水矿化度（35 g/L），南部青石峁李庄子区域地层水矿化度为 18.7850.80g/L，平均为 31.46 g/L。平面上从北部铁克苏庙区域到南部青石峁李庄子区域，地层水矿化度有逐渐降低的趋势，表现出明显的南北区带差异性。由于地层水矿化度与储层封闭性有良好的对应关系，地层水的矿化度可以反映出储层封闭条件的好坏（王运所等，2010）。封闭条件好的储层，其地层水的矿化度相对较高（楼章华等，2011）。研究区下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水矿化度基本以鄂托克前旗为界，北部铁克苏庙砂带地层水矿化度数值较高（图 2），以 5070 g/L 为主要分布区间，以苏 359、鄂 14 井为中心存在两个高值区且相互贯通连片分布；矿化度高值区与盒 8 段砂体厚度分布趋势一致，即砂体中心部位储层厚度大，地层水的总矿化度值也越高，反映了由砂体边缘向储层中心地层水逐渐浓缩的特点。说明北部铁克苏庙砂带矿化度高值区的地层水，属于储层内部的原生地层水，气藏封闭条件好；南部青石峁李庄子区域地层水矿化度在平面上较为分散，相互独立不连续，且矿化度较低，主值区间小于 40 g/L，表明地层水可能与外界有沟通，气藏封闭条件一般。2.2地层水阴、阳离子组成天环坳陷铁克苏庙青石峁李庄子区域下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水阴离子主要为 Cl、SO42和HCO3，阳离子主要为 K+、Na+、Ca2+和 Mg2+。这些离子的组成和浓度，受控于地球化学成因，是盆地演化的结果。通过统计分析研究区下石盒子组（P2x）盒 8 段 20口井的水样数据，结果表明，整个研究区地层水中 Cl含量为 9 79746 300 mg/L，其含量占阴离子总量最大为 95.89%（鄂 50 井）（表 1），最小为 81.97%（李 18 井），平均为 91.34%；SO42离子含量为 5132 813 mg/L，平均为 1 645 mg/L，占阴离子总量的 3.15%14.40%，平均为 6.86%；HCO3离子含量为 136782 mg/L，平均为 363 mg/L，占阴离子总量的 0.47%6.54%，平均为1.79%。显示水体为封闭缺氧环境。阳离子中，K+Na+离子总量在 5 24810 033 mg/L，平均为 7 538 mg/L，占 阳 离 子 总 量的 35.61%78.15%，平 均 为 55.95%；Ca2+离子含量在 1 14516 375 mg/L，平均为 6 889 mg/L，占 阳 离 子 总 量的 16.77%59.75%，平 均 为 41.28%；Mg2+离子含量偏低，平均为 569 mg/L。此外，对研究区南北部数据对比发现，南北部地层水主要化学组成及浓度存在一定的差异性。北部铁克苏庙区域下石盒子组（P2x）盒 8 地层水阴离子以Cl离子为主，Cl离子含量为 22 20046 300 mg/L，平均含量为 34033 mg/L，在阴离子总量中的最大占比为95.9%，最小为 87.8%，平均为 93.5%，而 SO42、HCO3含量很低，SO42离子含量平均占阴离子总量的 5.7%，HCO3离子含量为 189463 mg/L，平均为 277 mg/L，第 2 期吴颖等：天环坳陷南北部盒 8 段地层水地化特征差异性分析247 占阴离子总量的 0.55%1.21%（平均为 0.78%）；阳离子以 Ca2+为主，平均含量为 54.04%；北部地层水较高的矿化度和 Cl离子含量，说明地层水处于封闭、缺氧的还原环境。南部青石峁李庄子区域盒 8 地层水阴离子也以 Cl离子为主，Cl离子含量为 8 11630 435mg/L，平均含量为 17 214 mg/L，在阴离子总量中的平均占比为 90.2%；SO42离子含量在阴离子总量中平均占比为 7.4%；HCO3离子平均含量为 636 mg/L，占阴离子总量的 2.3%；阳离子中含量最高的是 K+Na+离子，平均含量为 66.90%；南部 Cl离子浓度和相对含量都 鄂托克旗鄂托克前旗盐池定边平罗乌达吴起铁克苏庙察汗淖尔毛脑海庙苏米图哈不哈乌素苏里格毛盖图查汗特洛亥格召皇庙马家滩惠安堡城川沙尔利大方山李庄子青石峁甜水堡山城堵后滩王盘山庙沟铁边城周家湾纸坊三岔梁砖井姬塬史家湾新召砂岩厚度 2025 m砂岩厚度 2530 m砂岩厚度 3035 m砂岩厚度 3540 m砂岩厚度 40 m砂岩厚度 1015 m砂岩厚度 1mg/L；溴化物300 mg/L；Cl/Br350；SO42100/Cl1 3地层水化学特征参数及天然气成藏差异性地层水的化学特征一般有钠氯系数、脱硫系数、镁钙系数和变质系数等，其形成原因与变化规律都指示着油气的运移与保存情况（徐轩等，2017；吴浩等，2019）。3.1钠氯系数 r（Na+）/r（Cl）钠氯系数是地层水变质作用发生程度的反映，其值越小表明地层水封闭环境为越好的还原环境，指示烃类保存越好（楼章华等，2006）。天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段 地 层 水 的 钠 氯 系 数 主 要 为 0.320.84，平均为 0.57。平面上由北向南钠氯系数逐渐增高，北部铁克苏庙区域钠氯系数绝大多数小于 0.50，整体偏低，反映地层水浓缩性好，水体环境较封闭，有利于烃类的保存；南部青石峁李庄子区域钠氯系数最大值为 0.84，多数值大于 0.50，相对高于北部，反映其水体环境不如北部区域。从钠氯系数与矿化度关系图（图 4）也可以看出，整个研究区的钠氯系数与矿化度成反比。其中，北部铁克苏庙区域矿化度高而钠氯系数低，钠氯系数随矿化度的增加有减小的趋势。南部青石峁李庄子区域钠氯系数与矿化度相关性则更好。3.2钠钙系数 r（Na+）/r（Ca2+）天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水钠钙系数为 0.524.05，平均为 1.64，其中北部铁克苏庙区域平均为 0.72，南部青石峁李庄子区域平均为 1.99。研究区盒 8 段地层水钠钙系数的分布继承了钠氯系数的分布规律，也表现出北低南高的差异特征。进一步说明北部铁克苏庙区域的地层水封闭性较好，更有利于气藏的聚集与保存。表 2 研究区下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水地球化学参数及分类Tab.2Formation water geochemical parameters and classification of He 8th member of Xiashihezi formation in the study area地区钠氯系数r（Na+）/r（Cl）脱硫系数2100r（SO42）/r（Cl）钠钙系数r（Na+）/r（Ca2+）变质系数1/2r（Cl）-r（Na+）/r（Mg2+）水型铁克苏庙0.320.520.38（8）2.439.374.57（8）0.521.490.72（8）3.5136.4315.17（8）CaCl2青石峁-李庄子0.400.840.65（21）1.4415.276.27（21）0.674.051.99（21）1.5413.265.77（21）CaCl2最小值最大值平均值（样品数）注：表中数据格式为。250西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年 3.3脱硫系数 2100r（SO42）/r（Cl）脱硫系数表现了脱硫酸作用的强弱，与地层的封闭性呈负相关关系。越小的脱硫系数值反映出越强的脱硫酸作用和越封闭的地层条件，更利于气藏的运聚和保存。天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水的脱硫系数为 1.4415.27，平均为 5.80。其中北部铁克苏庙地区平均 4.57，南部青石峁李庄子区域平均为 6.27。因此，相较南部青石峁李庄子区域，区内北部铁克苏庙的地层水有更好的封闭性，且更有利于气藏聚集与保存。3.4变质系数 r（Cl）-r（Na+）/2r（Mg2+）变质系数是指在矿物溶解、沉淀过程中阳离子交换程度的强弱。变质系数的值越大，地层水水岩作用越强，离子交换程度越大，变质程度越强，则地层封闭越好，越有利于气藏封闭和保存。天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水变质系数为 1.5436.43，平均为 8.37。其中，北部平均为 15.17，南部平均为 5.77，高值区主要集中在北部铁克苏庙区域，最高值为 36.43（鄂 16 井）。研究区北部铁克苏庙区域相对于南部青石峁李庄子区域具有较低钠氯系数、脱硫系数、钠钙系数和相对较高的变质系数，表明北部铁克苏庙区域地层水的水岩作用强烈，离子交换程度越强，反映出气藏封闭和保存条件明显优于南部青石峁李庄子区域。4结论（1）天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水类型南北存在明显差异，北部铁克苏庙区域为 CaCl2型地层水，细分为型、型较封闭的原始地层水，反映了地层封闭性较好，利于气藏的聚集和保存。而南部青石峁李庄子区域地层水虽同为 CaCl2型地层水，但以型、型、型为主，显示地层封闭条件较差，地层水与外界有沟通，不利于气藏的运聚和保存。可见研究区内北部区域地层水封闭条件优于南部区域。（2）天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水南北部阴、阳离子含量存在明显差异性。北部铁克苏庙区域 Cl含量和浓度明显高于南部青石峁李庄子区域，北部铁克苏庙区域以 Ca2+为主，南部青石峁李庄子区域以 K+Na+为主。表明北部铁克苏庙区域地层水处于较封闭、缺氧的还原环境，而南部青石峁李庄子区域地层水较活跃，显示地层水封闭条件较差。（3）天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水化学特征参数具有明显的南北部差异性，相比较南部青石峁李庄子区域，北部铁克苏庙区域地层水钠氯系数低、脱硫系数低、钠钙系数低、变质系数高，具有油气伴生水的特征，反映了地层封闭性较好，利于气藏的聚集和保存，气藏形成条件相对较优。而南部青石峁李庄子区域地层水化学特征参数显示地层封闭条件较差，地层水与外界有沟通，不利于气藏的运聚和保存。（4）天环坳陷下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水主要是弱动力成藏过程中的残余地层水，研究区地层水类型及其地球化学参数存在巨大差异，源于低生烃强度和低构造位置背景下储层强非均质性和微构造的共同作用。参考文献（References）：陈朝兵，杨友运，邵金辉，等.鄂尔多斯东北部致密砂岩气藏地 0.20.40.60.81.002040ab6080青石峁-李庄子铁克苏庙020406080r(Na+)/r(Cl)0.21.22.23.24.2r(Na+)/r(Ca2+)TDS(g/L)TDS(g/L)图4研究区下石盒子组（P2x）盒 8 段地层水地化参数特征与矿化度相关性Fig.4Relationship between geochemical parameter characteristics and salinity formationwater in He 8th member of Xiashihezi formation(P2x)in the study area第 2 期吴颖等：天环坳陷南北部盒 8 段地层水地化特征差异性分析251 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