松遼盆地北部中央坳陷帶異常壓力條件下地層水化學(xué)特征及其成巖響應(yīng)

雷振宇，解習(xí)農(nóng)，孟元林，黃 衛(wèi)，杜學(xué)斌，肖麗華，孟凡晉，焦金鶴，魏 巍

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074;2.東北石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

沉積盆地超壓體系在油氣勘探與開(kāi)發(fā)中一直是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，它不僅影響了地質(zhì)流體的運(yùn)移和聚集，更會(huì)為勘探過(guò)程帶來(lái)安全隱患。地層水是沉積盆地的重要組成部分，并參與了盆地整個(gè)形成演化過(guò)程，因此地層水的化學(xué)特征受到盆地演化中一系列化學(xué)作用和水動(dòng)力系統(tǒng)的影響[1］。前人研究表明，地層水可能有多種形成機(jī)理，比如鹽巖或硅酸鹽的溶解、非海相流體或海水的蒸發(fā)、大氣水淋濾、濾膜作用和水巖相互作用[2－4］。但是對(duì)異常壓力條件下地層水地球化學(xué)特征的研究仍顯得不足。松遼盆地地層廣泛發(fā)育異常壓力，其中青山口組和嫩江組一、二段泥巖主要發(fā)育超壓，姚家組地層屬于常壓、超壓和低壓并存的多壓力體系。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，地質(zhì)學(xué)家們對(duì)于該區(qū)的地質(zhì)流體(特別是油氣)的生成、運(yùn)移和聚集進(jìn)行了大量研究[5－11］。Cheng等[12］在整個(gè)盆地尺度下研究了松遼盆地深部含油氣系統(tǒng)(姚家組以下)地層水來(lái)源以及不同壓力條件下的水動(dòng)力系統(tǒng)和成巖作用。但是對(duì)松遼盆地中央坳陷帶(即齊家古龍—三肇凹陷)上白堊統(tǒng)地層地質(zhì)流體動(dòng)力條件和異常壓力的關(guān)系研究仍不夠深入。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，收集大量研究資料，針對(duì)松遼盆地發(fā)育明顯異常壓力的2個(gè)富油凹陷——齊家古龍—三肇凹陷進(jìn)行研究，試圖探討該區(qū)上白堊統(tǒng)地層中不同壓力體系地層水化學(xué)組合變化對(duì)成巖作用的響應(yīng)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 松遼盆地齊家古龍凹陷—三肇凹陷地理位置及地層剖面Fig.1 Location and profile of Qijiagulong－Sanzhao Sag，Songliao Basin

松遼盆地位于中國(guó)東北部，是我國(guó)最大的中生代非海相含油氣盆地，面積約為26×104km2，基底為古生代和前寒武紀(jì)的變質(zhì)巖系及火成巖系，自下而上依次發(fā)育白堊系、古近系、新近系和第四系地層(圖1)。其中上白堊統(tǒng)包括青山口組(K2qn)、姚家組(K2y)、嫩江組(K2n)、四方臺(tái)組和明水組。研究區(qū)齊家古龍—三肇凹陷位于松遼盆地中央坳陷帶，是主要富生烴凹陷，面積約為6×104km2。多年的勘探和地質(zhì)研究證實(shí)，白堊系泉頭組二段以上的青山口組、姚家組和嫩江組是松遼盆地主要勘探目的層[13］，也是本次研究的重點(diǎn)。

晚白堊世時(shí)期，松遼盆地沉積環(huán)境主要為湖相，形成深湖—半深湖相泥巖，三角洲相砂泥巖與泥巖互層。青山口組和嫩江組一、二段為2套區(qū)域性發(fā)育的深湖—半深湖相泥巖，這2套泥巖形成時(shí)期分別對(duì)應(yīng)了2次大型湖侵事件，沉積厚度大，是該區(qū)的優(yōu)質(zhì)烴源巖與蓋層，而姚家組二、三段以及嫩江組三、四、五段沉積的河流相砂體則為油氣提供了良好的儲(chǔ)存空間。

松遼盆地存在異常高壓和異常低壓并存的情況[14］。筆者對(duì)盆地中央坳陷帶(齊家古龍凹陷—三肇凹陷)千余口井建立了聲波時(shí)差與深度的關(guān)系，通過(guò)等效深度法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)上白堊統(tǒng)存在明顯超壓，主要分布在青山口組和嫩江組一、二段。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，姚家組出現(xiàn)弱超壓、常壓和低壓并存的情況，這說(shuō)明姚家組既發(fā)育獨(dú)立的超壓和低壓體系，又存在壓力過(guò)渡帶的特征?？傮w上來(lái)看，壓力體系呈現(xiàn)出“兩超夾一混”的漢堡式形態(tài)。位于不同構(gòu)造帶內(nèi)的超壓頂界面深度不同?？偟膩?lái)說(shuō)，在齊家古龍和三肇凹陷中央，超壓頂界面較深，而在大慶長(zhǎng)垣地區(qū)，超壓頂界面較淺。嫩江組超壓頂界面位于1 300 m左右，而青山口組超壓頂界面位于2 000 m左右。

2 地層水化學(xué)特征

本次研究共收集到3 000余個(gè)分析數(shù)據(jù)，主要分布在地下3 000 m以內(nèi)的范圍。根據(jù)前人提出的篩選原則，剔除了明顯非地層水樣品、試采結(jié)論為“干層”的水樣品、試采結(jié)論為“未產(chǎn)水”的水樣品以及壓裂液返排率較低的水樣品分析數(shù)據(jù)，最終獲得化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定的900余份分析數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)水型主要為NaHCO3型水，部分層位(姚家組)含有少量CaCl2和Na2SO4型水，極少發(fā)現(xiàn)MgCl2型水，根據(jù)蘇林分類法，可以判斷研究區(qū)地層水以大陸成因水為主?？偟V化度(TDS)從0.1 ～21.68 g/L 均有分布(圖2)，大部分值低于10 g/L，屬于中氯水范圍[15］，高氯水(亦稱鹽水，TDS＞10 g/L)主要出現(xiàn)在1 300 m深度以下，最高可達(dá)21.68 g/L。研究區(qū)嫩江組地層水總礦化度介于0.1～13 g/L，普遍低于10 g/L，且礦化度隨深度增加逐漸增大。姚家組地層水總礦化度為0.1～21 g/L，凹陷中央低壓帶出現(xiàn)CaCl2型高鹽度水。青山口組地層水總礦化度為0.1～19 g/L，普遍大于5 g/L，三肇凹陷中央的樣品顯示該層礦化度甚至高于18 g/L，達(dá)到18.92 g/L。整體上看，礦化度在縱向上呈現(xiàn)出“低—高—低”的分布特征，高氯水發(fā)育深度與異常壓力分布深度近似相同。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，礦化度在縱向上的變化規(guī)律與有機(jī)酸分布基本一致(圖3)。有機(jī)酸生成、Ro、地層壓力以及礦化度之間具有良好的相關(guān)性。

總的來(lái)說(shuō)，地層水礦化度的變化與諸多因素有關(guān)，例如巖性、壓實(shí)作用、地層封閉性以及地層壓力[16］。當(dāng)?shù)貙勇裆钶^淺時(shí)，封閉性較差，地層水容易受大氣淋濾的影響，被大氣水“稀釋”，因此，淺埋藏地層水礦化度較低，一般低于10 g/L。隨著深度增加，有機(jī)質(zhì)成熟，生烴同時(shí)產(chǎn)生超壓與大量有機(jī)酸，在超壓的驅(qū)動(dòng)下有機(jī)酸幕式排出，與地層水混合后形成酸性流體，溶蝕巖石中的鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物，使得礦化度逐漸增加到20 g/L。同時(shí)，埋深增加使得地層具有更好的封閉性，與外界的水交換減弱也是造成礦化度升高的原因之一。當(dāng)深度進(jìn)一步加深時(shí)，有機(jī)質(zhì)進(jìn)入高成熟階段，有機(jī)酸生成量減少，溶蝕作用減弱，膠結(jié)作用增強(qiáng)，此時(shí)沉淀出的碳酸鹽及石英膠結(jié)物使得地層水礦化度降低。

圖3 松遼盆地齊家古龍凹陷古204井鏡質(zhì)組反射率、壓力和總有機(jī)酸含量對(duì)比Fig.3 Profile of vitrinite reflectance，pressure and total organic acid content of well Gu 204，Qijiagulong Sag，Songliao Basin

在超壓作用下，有機(jī)酸的排出不僅改變了成巖環(huán)境，同時(shí)也溶解了大量鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物，產(chǎn)生大量的陰陽(yáng)離子并促進(jìn)了一系列的成巖反應(yīng)，例如蒙皂石的伊利石化、石英次生加大等[17－18］。因此超壓通過(guò)對(duì)有機(jī)酸的控制，間接影響了研究區(qū)水巖相互作用。

本次研究收集的水樣中含量較多的離子是Na+、Cl－、，其次是a2+和。對(duì)主要陰陽(yáng)離子含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子中最多的是 Na+(圖4)，含量一般在0.1 ～3.5 g/L;Ca2+分布面積大，但是含量普遍較低，一般低于0.15 g/L，只有在低壓發(fā)育的姚家組含量升高，接近1.0 g/L。陰離子中分布最廣、最多的是Cl－，含量隨深度增加有較為明顯的增加趨勢(shì)，其次是HCO－3。

3 地層水來(lái)源

筆者總結(jié)了前人對(duì)于地層水的研究，將地層水的來(lái)源歸納為巖鹽溶解[19］、海水蒸發(fā)和水巖相互作用改造[20］等。松遼盆地為非海相含油氣盆地，接受陸源碎屑沉積，因此該區(qū)不存在巖鹽溶解和海水蒸發(fā)。該區(qū)礦化度和鹽度較高的地層水主要是由于地層水的蒸發(fā)和水巖相互作用的改造，后者在異常壓力地區(qū)尤其明顯。

3.1 地層水蒸發(fā)

研究區(qū)地層水礦化度普遍小于10 g/L，而海水的礦化度一般大于 30 g/L[21］，Na+/Cl－比也明顯低于標(biāo)準(zhǔn)海水[22－23］。因此，該區(qū)較高礦化度和鹽度的地層水是由地表地層水蒸發(fā)造成的。

3.2 水巖相互作用

沉積盆地演化各個(gè)階段的變化幾乎都是在地質(zhì)流體的參與下發(fā)生的，純粹的固相對(duì)固相的反應(yīng)可以忽略[24］。水巖相互作用參與了盆地演化的各個(gè)階段，因此地層水的化學(xué)組分能在一定程度上指示水巖相互作用。利用物質(zhì)平衡原理(mass balance)，對(duì)研究區(qū)陰陽(yáng)離子組合進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如下(圖5):

(1)圖5a 為 Na+－Cl－含量對(duì)比。直線Na+/Cl－=1∶1表示的是單純由于巖鹽溶解產(chǎn)生的Na+和Cl－的關(guān)系，如果投點(diǎn)偏離該直線，則表示存在其他的成巖作用。我們可以看到圖中有2種類型的偏離，分別表示Na+富余和Na+虧損。超壓層位嫩江組(K2n)和青山口組(K2qn)樣品表現(xiàn)為Na+富余，而超壓、常壓和低壓并存的姚家組(K2y)則同時(shí)出現(xiàn)Na+富余和Na+虧損的情況。

(2)假設(shè)Na+虧損是由于離子交換引起的[25］，產(chǎn)生離子交換的原因?yàn)殁}長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化:

式(1)顯示，當(dāng)鈣長(zhǎng)石發(fā)生鈉長(zhǎng)石化時(shí)，由于離子守恒，溶液中2個(gè)Na+替換了1個(gè)Ca2+，因此Na+虧損和Ca2+含量比應(yīng)該為2∶1。圖5b中水樣數(shù)據(jù)也證明這一觀點(diǎn)。表明鈣長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化是造成Na+虧損和Ca2+增加的主要原因。

(3)假設(shè)Na+富余是由鈉長(zhǎng)石溶解引起的[25］，我們得到如下關(guān)系式:

圖4 松遼盆地齊家古龍—三肇凹陷主要陰陽(yáng)離子含量隨深度變化Fig.4 Variation of main ions content versus depth of Qijiagulong－Sanzhao Sag，Songliao Basin

圖5 松遼盆地齊家古龍—三肇凹陷陰陽(yáng)離子組合對(duì)比Fig.5 Comparison of main ions of Qijiagulong－Sanzhao Sag，Songliao Basin

式(2)顯示，當(dāng)鈉長(zhǎng)石溶解時(shí)，生成了等量的Na+和，從圖5c可以看出，大量數(shù)據(jù)符合這種變化規(guī)律。

4 討論

松遼盆地中央坳陷帶上白堊統(tǒng)地層發(fā)育明顯異常壓力，其中嫩江組和青山口組為明顯超壓，姚家組則超壓、低壓和常壓共同發(fā)育。研究表明，異常壓力以地質(zhì)流體為媒介影響成巖作用。超壓條件下(K2n，K2qn)，如果該超壓是油氣生成而形成的，由于超壓促進(jìn)了有機(jī)酸的排出，促進(jìn)了圍巖的溶解作用，產(chǎn)生大量離子，地層水礦化度升高，此時(shí)成巖作用以鈉長(zhǎng)石的溶解作用為主，Na+含量增加，富余的Na+與以1∶1的趨勢(shì)增加，主要水型為NaHCO3和NaCl型。對(duì)于異常低壓系統(tǒng)(K2y)而言，低壓的保存較超壓更加苛刻，必須存在良好的封閉系統(tǒng)。良好的封閉性使得低壓系統(tǒng)內(nèi)部與外界幾乎沒(méi)有溝通，從而導(dǎo)致內(nèi)部地層水礦化度增加，通常低壓越顯著，礦化度越高[26］。同時(shí)，低壓系統(tǒng)內(nèi)部成巖作用以鈣長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化為主，Na+含量降低，Ca2+含量升高，由于物質(zhì)平衡，Na+的虧損與Ca2+的增加以2∶1的趨勢(shì)發(fā)生變化，地層水為CaCl2型。

5 結(jié)論

異常地層壓力對(duì)地質(zhì)流體和成巖作用產(chǎn)生不可忽視的影響。通過(guò)以上分析，本次研究得到如下結(jié)論:

1)異常壓力影響地層水演化。超壓和低壓都會(huì)使地層水總礦化度升高，壓力越顯著，礦化度越高。但是超壓和低壓對(duì)礦化度控制的機(jī)理不同。

2)不同壓力條件下地層水水型不同。超壓體系和常壓體系一樣，主要為NaHCO3和NaCl型水，低壓體系主要發(fā)育CaCl2型水。

3)異常壓力體系影響了成巖作用。從地層水離子變化情況來(lái)看，超壓促進(jìn)了礦物溶解，而低壓體系中主要成巖作用為鈣長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化。

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