时梦临，张 成，解习农

(中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430000)

0 引 言

近些年来，盆地流体研究成为了国际地学界的热点问题。流体作为控制盆地中物质演变和能量再分配的主导因素，与盆地中油气的生成、运移和成藏过程有着紧密联系，是油气勘探的重要手段之一。当前盆地流体分析成为油气勘探和某些层控型金属矿床勘探研究的重要手段之一。今后盆地流体的发展趋势在于对其进行物理化学模拟，致力于应用现代地质数学方法将流体发育过程中的众多影响因素在一个模型系统中表现出来，建立流体各阶段油气运聚、成藏的历史模型。渤海西部沙垒田凸起是一长期暴露并接受风化剥蚀的古潜山，早期走滑断层将沙垒田凸起分为东、西2段。目前，在沙垒田凸起的东侧已经发现数亿吨的石油地质储量。沙垒田凸起区是该区油气勘探的有利地区，也是盆地流体活动较复杂的地区。通过对沙垒田凸起盆地流体化学场和地层压力演化的分析，试图揭示该区盆地流体活动特征，进而为该区油气的运移及勘探提供技术支持。

1 区域地质概况

渤海海域位于中国辽东半岛和山东半岛之间，被天津市、辽宁省、河北省、山东省三面环绕包围，仅有东部区域与黄海相连[1]。沙垒田凸起位于渤海海域西部，EW走向并四面环洼，南北分别与沙南凹陷和南堡凹陷相接，东边与渤中凹陷以缓坡相连。沙垒田凸起是一个长期暴露并遭受风化剥蚀的古潜山，构造上有多个高点，从走滑强度看，分隔沙垒田凸起东、西2段的走滑断层的走滑作用最强，平面上具明显的西强东弱特点，从走滑断层展布方向上看，南段的断层主要为北东向[2-3](图1)。

图1 沙垒田凸起及周缘地区区域地质概况

2 地层流体特征

2.1 地层流体水型特征

根据苏林地层水分类方案，将地层水分为4类水型，分别为NaHCO3型、Na2SO4型、CaCl2型、MgCl2型。研究区不同层系的地层水水型有较大差别，明化镇组和东营组以NaHCO3水型为主，馆陶组和沙河街组以CaCl2水型为主，Na2SO4型和MgCl2型含量非常低。

2.2 地层流体主要化学组成

沙垒田凸起的地层水所含的离子类型十分丰富，阳离子主要有Fe2+、Fe3+、K++Na+、Mg2+、Ca2+，阴离子主要包括Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-。阳离子含量由高到低依次为K++Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+，Na+含量占据绝对优势，平均含量约为4 500 mg/L；阴离子含量由高到低依次为Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，Cl-的含量占据绝对优势，平均含量约为6 000 mg/L。研究区地层水总矿化度最小值不到1 g/L，最大值达160 g/L，平均值约为81 g/L。

2.3 地层流体主要离子参数

离子参数可直观地反映地层水的赋存状态、运移特征、变质程度、封闭性、离子交换程度以及水-岩相互作用强度等[4]。

钠氯系数r(Na+)/r(Cl-)反映地层水的变质程度[5]，其值越小，变质程度越深，地层水越浓缩，封闭性越好，越利于油气的保存；钠钙系数r(Na+)/r(Ca2+)反映阳离子交替吸附作用，地层水越封闭，矿化度越高越浓缩，其值越高；脱硫系数r(SO42-)×100/r(Cl-)反映流体的封闭程度，其值越小，还原环境越强烈，地层封闭性越好，油气的保存越有利[6]；碳酸盐平衡系数[r(HCO3-)+r(CO32-)]/r(Ca2+)反映油气性质和运移方向[7]，其值越小，越靠近油气藏，保存条件越好；氯镁系数r(Cl-)/r(Mg2+)反映地层水浓缩作用[8]，地层水封闭越好，时间越长，浓缩变质程度越深，氯镁系数就越大，随地层深度的增加，氯镁系数呈现下降趋势[9-10]。上述各系数中，r(i)代表i离子在地层水中物质的量浓度，单位为g/L。

3 地层流体压力特征

图2为研究区实测压力随深度的变化关系，其现今压力场在垂向上分为常压系统和超压系统。位于沙垒田凸起西段凸起中部的HZ5井和东段中部的CFD8-4-2井超压顶界面均处于较高位置，而位于凸起北部的CFD5-5-1井以及南部的CFD18-1-1井超压顶界面均不到2.6 km；渤中凹陷BZ13-1-1井和沙南凹陷CFD14-2-1井超压顶界面均处于较低位置。由此可推测，沙垒田凸起及周缘地区的超压系统顶界面深度是呈自凸起向凹陷方向逐渐增大。

图2 沙垒田凸起及其周缘区域典型实测地层压力与深度关系

研究区主要压力场结构类型为单超压型。一般超压带的顶部发育一套低渗透性的封闭岩层，有效防止超压释放，常压带与超压带之间往往发育由粗到细的岩性过渡带[9]。综合利用钻井和泥岩测井声波时差对泥岩孔隙流体压力状态进行分析，结果如图3所示。

图3中2口井压力特征均为超压型，但超压形成的机制不同，CFD18-1-1井为自源型超压，是在没有外界流体流入的状态下，系统内部的物理化学条件改变导致系统压力增加，快速沉降和充填是导致不均衡压实出现的主要原因，快速沉积使盆地流体失去了排出的时间，导致压实与排水作用不平衡[10]。CFD24-1-1井为传导型超压，传导型超压是指由于体系外部的水动力作用或应力条件改变致使体系内部流体超压，CFD24-1-1井中由于侧向上疏导体与更高超压流体囊连通，导致超压流体注入砂岩孔隙，致使流体压力增加[11]。

图3 沙垒田凸起CFD24-1-1、CFD18-1-1井压力特征分析

4 地层流体分带及其形成机制

4.1 地层流体垂向分带性

现今地层水化学特征可以揭示水文地质条件，反映水流演化特征，是地质信息的综合反映，受原始沉积环境和后期成岩改造影响，地层水化学特征在垂向上以及平面上均呈现不均一性[12]。

研究区主要离子参数表现出很强的垂向分带性，图4为5种主要离子参数随深度变化关系，根据离子参数的组合特点对于水文地质条件进行纵向分带。地层水交替自由带，钠氯系数、钠钙系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数出现高值，此深度地层水的封闭性较差，地层水受到大气降水影响较大。地层水交替阻滞带，此深度钠氯系数、钠钙系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数都相对于地层水交替自由带有所增加，该段地层的封闭性变好，受到大气降水的影响逐渐减小。氯镁系数减少主要是由于随着地层深度增加，氯化物的溶解作用加强，Cl-含量增加所致。地层水交替停滞带是一个封闭性好且超压的系统，钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数等数值持续下降整体上反映了该段地层封闭性好的水文地质条件。

图4 沙垒田凸起及其周缘地区离子参数特征

研究区影响盆地流体矿化度的因素主要表现为4个方面，导致了地层流体在垂向上的分带性(图5)[13-15]：①地层水自由交换带，矿化度及元素离子浓度呈升高趋势，是由于近地表的蒸发浓缩作用，随埋深增加，蒸发作用的强度明显减弱；②地层矿化度在泥岩压实排水作用下呈下降趋势，研究区沉积泥岩原始孔隙水含量高，较少受到蒸发浓缩作用的影响，孔隙水具有低矿化度、低离子浓度的特征；③随着埋藏继续加深，地层的封闭性越来越好，泥岩发生压滤浓缩作用，在具较高交换能力的沉积物渗出的溶液中，矿化度随压力增高而降低，残余孔隙水的矿化度则升高；④泥岩压滤浓缩作用和地层超压共同作用导致矿化度在2 000 m开始增加，3 000 m达最大值，在此之下地层中，高岭石等黏土矿物随埋深增加脱水导致地层水被淡化[16-18]。

4.2 地层流体超压系统与化学场成因关系

研究区地层流体压力场与矿化度垂向分带特征有一定的一致性，地层流体压力场垂向分带特征如图6所示，在相对封闭的超压系统中发育了高矿化度地层水，其地层水矿化度的变化受到超压系统外界环境影响较小。

研究区常压带盆地流体的矿化度整体处于较低水平，与海水相近，根据地层水矿化度分类属于盐水(10 g/L≤TDS<50 g/L)，主要离子质量浓度也低于平均值。过渡压力带盆地流体矿化度开始升高，但整体处于较低水平，同样为盐水。超压带盆地流体矿化度整体处于较高值，矿化度平均值较高，属于卤水(TDS≥50 g/L)，3 000 m出现峰值，约为90 g/L。可以看出，研究区盆地流体矿化度分布特征与超压发育特征具有一定耦合关系[19]。

4.3 水-岩相互作用

水-岩相互作用对地层水的性质产生较大影响，研究区断裂系统和不整合面发育，为流体的运移提供了通道，其输导网络具有较好连通性和较大孔隙度，有利于地层水与周围岩石充分接触，各种水-岩作用充分进行，对于研究区地层水矿化度以及主要元素离子浓度变化起着比较重要作用[20]。

图5 沙垒田凸起及其周缘区域矿化度及主要元素离子质量浓度垂向分布

图6 沙垒田凸起及其周缘地区盆地流体压力场与化学场关系

图7为沙垒田凸起及周缘地区不同层系Na+和Cl-浓度关系。由图7可以看出，Na+与Cl-的比值及关系分别为1∶1、Na+相对Cl-过剩和Na+相对Cl-匮乏3种情况。明化镇组等较浅层系Na+和Cl-元素物质的量浓度为1∶1，沙河街组等较深层系地层水数据显示Na+相对Cl-过剩或不足。将过剩的Na+和HCO3-物质的量浓度进行比较，部分过剩的Na+与HCO3-物质的量浓度为1∶1的关系，这种关系可以解释在该区黏土矿物中，高岭石占据的相当的比例，钠长石在水解的过程中生成等量的Na+和HCO3-，同时生成高岭石。

将过剩Ca2+与亏损Na+进行比较(图8)，在较浅地层中，盐岩溶解是导致矿化度变化的主要原因。随埋深增加，温度和压力条件变化，部分CO2成为游离状态从水中逸出，生成碳酸盐胶结物，发生脱碳酸作用。使地层水中HCO3-物质的量浓度降低，Na+物质的量浓度依然过剩；同时膏岩溶解，导致地层水Ca2+浓度升高，促进了脱碳酸作用正向进行，导致HCO3-含量降低。

图7 沙垒田凸起及周缘区域Na+与Cl-物质的量浓度及过剩Na+与HCO3-物质的量浓度关系

图8 沙垒田凸起及其周缘地区亏损Na+和过剩Ca2+的关系

由图8可以看出，当亏损Na+大于25 mmol/L时，数据点呈一定斜率增长，亏损Na+和过剩Ca2+主要以2∶1的比例发生阳离子交换作用，在研究区较深地层中，地层温度达到了斜长石的钠长石化的反应温度(100～150 ℃)。说明在研究区较深地层存在斜长石的钠长石化这种水-岩作用类型。膏岩的溶解对于这种亏损Na+和过剩Ca2+的趋势起增强作用[21]。

5 油气地质意义

盆地流体作为油气汇聚、运移的主要载体，水型、矿化度及主要离子含量、离子参数均与油气藏的形成分布密切相关。CaCl2型和NaHCO3型水是含油气的标志，研究区馆陶组和沙河街组地层水的水型均为CaCl2型，分布在地层环境交换能力差的交替阻滞带和交替停滞带，此层系发生浓缩和强烈的脱硫作用，Ca2+和Cl-较富集。这种水化学环境反映了油气圈闭的良好性质，对于油气藏的形成和保存是非常良好的条件。矿化度变化规律对于油气的运聚在垂向上也有指示意义，一般矿化度升高方向为油气的运移方向，中国发现的大部分油气藏均遵循此规律，矿化度升高也是导致水型由NaHCO3型向CaCl2型转变的原因，研究区的CaCl2水型与高矿化度油气藏密切相关。其次，盆地流体中离子参数也能反映油气保存条件，研究区沙河街组低钠氯系数，脱硫系数，碳酸盐平衡系数，高钠镁系数均指示地层水处于封闭的还原环境，对于油气保存十分有利。同时，研究区地层超压系统为油气运移提供了充足的动力，影响油气运移距离、方向及富集层系，在超压盆地中油气多富集于超压顶界面附近[22]。

综上所述，在研究区沙垒田凸起及其周缘区域地层水化学特征和压力特征均指示在馆陶组和沙河街组存在储层，馆陶组储层主要在凸起部位，沙河街组储层主要在凸起边缘及周围凹陷区域。该层位地层水地质环境稳定，封闭条件好，利于油气聚集保存。

6 结 论

(1) 在沙垒田凸起及周缘研究区，矿化度、水型及离子参数垂向上呈分带性，划分为地层水交替自由带、阻滞带和停滞带。根据地层水成因在垂向上分为蒸发浓缩带、泥岩压实排水带、泥岩压滤浓缩带和黏土矿物脱水淡化带。膏岩溶解、钠长石的高岭石化、斜长石的钠长石化、碳酸盐胶结物形成等水-岩作用是现今地层水这种特殊分带性的主要原因。

(2) 在沙垒田凸起及周缘研究区，压力随埋深增加而增大，研究区域超压带的压力场结构特征为单超压型。垂向上整个区域的超压顶界面出现在2 500～3 000 m深度的沙河街组层系范围内。平面上超压系统顶界面深度总体是呈自凸起向凹陷方向逐渐增大的趋势。

(3) 在沙垒田凸起及周缘研究区，地层水化学场与压力场具一定耦合关系，在垂向上超压顶界面上下，矿化度都有很大差别，超压带和矿化度普遍要高于常压带。常压带地表水渗入活跃，矿化度较低，过渡带以下地层水文地质环境封闭性较好，矿化度升高，3 000 m处出现峰值，对于油气的聚集该带也具有良好的保存条件。

(4) 在沙垒田凸起及周缘研究区，地层水化学和压力特征及其垂向分带性均指示凸起地区馆陶组和凸起边缘及周围凹陷区域的地层水地质环境稳定，利于油气聚集保存。