松遼盆地中央坳陷帶水離子組合特征及其對成巖作用的響應

松遼盆地中央坳陷帶水離子組合特征及其對成巖作用的響應

沉積盆地超壓系統(tǒng)是油氣勘探和開發(fā)中不容忽視的問題。它不僅影響到地質(zhì)流量的運輸和聚集，而且給勘探過程帶來了潛在的安全風險。地層水是沉積盆地的重要組成部分,并參與了盆地整個形成演化過程,因此地層水的化學特征受到盆地演化中一系列化學作用和水動力系統(tǒng)的影響。前人研究表明,地層水可能有多種形成機理,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。但是對異常壓力條件下地層水地球化學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。近半個世紀以來,地質(zhì)學家們對于該區(qū)的地質(zhì)流體(特別是油氣)的生成、運移和聚集進行了大量研究。Cheng等在整個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)地層水來源以及不同壓力條件下的水動力系統(tǒng)和成巖作用。但是對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上,收集大量研究資料,針對松遼盆地發(fā)育明顯異常壓力的2個富油凹陷——齊家古龍—三肇凹陷進行研究,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組合變化對成巖作用的響應。1松遼盆地上白堊統(tǒng)松遼盆地位于中國東北部,是我國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,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,也是本次研究的重點。晚白堊世時期,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套泥巖形成時期分別對應了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存空間。松遼盆地存在異常高壓和異常低壓并存的情況。筆者對盆地中央坳陷帶(齊家古龍凹陷—三肇凹陷)千余口井建立了聲波時差與深度的關(guān)系,通過等效深度法計算發(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)實測數(shù)據(jù)進一步研究發(fā)現(xiàn),姚家組出現(xiàn)弱超壓、常壓和低壓并存的情況,這說明姚家組既發(fā)育獨立的超壓和低壓體系,又存在壓力過渡帶的特征?？傮w上來看,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。總的來說,在齊家古龍和三肇凹陷中央,超壓頂界面較深,而在大慶長垣地區(qū),超壓頂界面較淺。嫩江組超壓頂界面位于1300m左右,而青山口組超壓頂界面位于2000m左右。2地層水礦化度本次研究共收集到3000余個分析數(shù)據(jù),主要分布在地下3000m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),最終獲得化學性質(zhì)較穩(wěn)定的900余份分析數(shù)據(jù),并進行統(tǒng)計分析。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0.1～21.68g/L均有分布(圖2),大部分值低于10g/L,屬于中氯水范圍,高氯水(亦稱鹽水,TDS>10g/L)主要出現(xiàn)在1300m深度以下,最高可達21.68g/L。研究區(qū)嫩江組地層水總礦化度介于0.1～13g/L,普遍低于10g/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0.1～21g/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0.1～19g/L,普遍大于5g/L,三肇凹陷中央的樣品顯示該層礦化度甚至高于18g/L,達到18.92g/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。通過對比發(fā)現(xiàn),礦化度在縱向上的變化規(guī)律與有機酸分布基本一致(圖3)。有機酸生成、Ro、地層壓力以及礦化度之間具有良好的相關(guān)性?？偟膩碚f,地層水礦化度的變化與諸多因素有關(guān),例如巖性、壓實作用、地層封閉性以及地層壓力。當?shù)貙勇裆钶^淺時,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10g/L。隨著深度增加,有機質(zhì)成熟,生烴同時產(chǎn)生超壓與大量有機酸,在超壓的驅(qū)動下有機酸幕式排出,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20g/L。同時,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。當深度進一步加深時,有機質(zhì)進入高成熟階段,有機酸生成量減少,溶蝕作用減弱,膠結(jié)作用增強,此時沉淀出的碳酸鹽及石英膠結(jié)物使得地層水礦化度降低。在超壓作用下,有機酸的排出不僅改變了成巖環(huán)境,同時也溶解了大量鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽膠結(jié)物,產(chǎn)生大量的陰陽離子并促進了一系列的成巖反應,例如蒙皂石的伊利石化、石英次生加大等。因此超壓通過對有機酸的控制,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-、HCO-3,其次是SO2-4、Ca2+和CO2?332-。對主要陰陽離子含量進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)陽離子中最多的是Na+(圖4),含量一般在0.1～3.5g/L;Ca2+分布面積大,但是含量普遍較低,一般低于0.15g/L,只有在低壓發(fā)育的姚家組含量升高,接近1.0g/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,其次是HCO-3。3巖鹽溶解盆地筆者總結(jié)了前人對于地層水的研究,將地層水的來源歸納為巖鹽溶解、海水蒸發(fā)和水巖相互作用改造等。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礦化度和na+/cl-比研究區(qū)地層水礦化度普遍小于10g/L,而海水的礦化度一般大于30g/L,Na+/Cl-比也明顯低于標準海水。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巖鹽結(jié)晶形成的投點是na+盈虧和ca2+沉積盆地演化各個階段的變化幾乎都是在地質(zhì)流體的參與下發(fā)生的,純粹的固相對固相的反應可以忽略。水巖相互作用參與了盆地演化的各個階段,因此地層水的化學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(massbalance),對研究區(qū)陰陽離子組合進行對比分析,結(jié)果如下(圖5):(1)圖5a為Na+-Cl-含量對比。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)則同時出現(xiàn)Na+富余和Na+虧損的情況。(2)假設Na+虧損是由于離子交換引起的,產(chǎn)生離子交換的原因為鈣長石的鈉長石化:CaAl2Si2O8(鈣長石)+4SiO2+2Na+→2NaAlSi3O8(鈉長石)+Ca2+(1)式(1)顯示,當鈣長石發(fā)生鈉長石化時,由于離子守恒,溶液中2個Na+替換了1個Ca2+,因此Na+虧損和Ca2+含量比應該為2∶1。圖5b中水樣數(shù)據(jù)也證明這一觀點。表明鈣長石的鈉長石化是造成Na+虧損和Ca2+增加的主要原因。(3)假設Na+富余是由鈉長石溶解引起的,我們得到如下關(guān)系式:2NaAlSi3O8(鈉長石)+2H2CO3+9H2O→2Na++2HCO-3+4H4SiO4+Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)(2)式(2)顯示,當鈉長石溶解時,生成了等量的Na+和HCO-3,從圖5c可以看出,大量數(shù)據(jù)符合這種變化規(guī)律。4儲層壓封閉系統(tǒng)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,由于超壓促進了有機酸的排出,促進了圍巖的溶解作用,產(chǎn)生大量離子,地層水礦化度升高,此時成巖作用以鈉長石的溶解作用為主,Na+含量增加,富余的Na+與HCO-3以1∶1的趨勢增加,主要水型為NaHCO3和NaCl型。對于異常低壓系統(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)部與外界幾乎沒有溝通,從而導致內(nèi)部地層水礦化度增加,通常低壓越顯著,礦化度越高。同時,低壓系統(tǒng)內(nèi)部成巖作用以鈣長石的鈉長石化為主,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的趨勢發(fā)生變化,地層水為CaCl2型。5壓力和壓力對地層水礦化度的控制機理異常地層壓力對地質(zhì)流體和成巖作用產(chǎn)生不可忽視的