準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水化學(xué)特征及與油氣保存關(guān)系

李天宇，靳 軍，田 英，朱 蓉，劉一鋒

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021；2.中國石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

準(zhǔn)噶爾盆地發(fā)育多套烴源巖層系，油氣資源豐富，是中國西部最重要的含油氣盆地之一，截至2019年底，已發(fā)現(xiàn)油氣田33個(gè)，其中油田28個(gè)，氣田5個(gè)，主要分布于盆地西北緣和腹部的陸梁隆起、盆地東部和南緣，資源前景十分可觀。準(zhǔn)噶爾盆地為經(jīng)歷過海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的大型壓扭性疊合盆地，成藏過程及油氣分布規(guī)律十分復(fù)雜[1-3]。在油氣生成、運(yùn)移、聚集、保存和散失過程中，地層水與圍巖、油氣之間存在物質(zhì)與能量的交換過程，因此地下水中蘊(yùn)含了很多和油氣相關(guān)的信息。地層水是油氣運(yùn)移、聚集的動(dòng)力和載體[4-16]，對(duì)油氣運(yùn)移、成藏和保存具有重要的指示意義。地質(zhì)學(xué)家多年來一直利用油田地層水地球化學(xué)特征參數(shù)分析評(píng)價(jià)油氣田的形成、分布規(guī)律和保存條件[17-19]。準(zhǔn)噶爾盆地含油氣層系多，不同區(qū)塊、不同層系地層水化學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征差異大，地層水與油氣關(guān)系復(fù)雜。前人在這方面的研究多局限于某個(gè)油氣田或某套地層[4,20-21]，缺乏對(duì)整套含油氣層系的綜合研究。本文以準(zhǔn)噶爾盆地油氣最為富集的西北緣地區(qū)為研究對(duì)象，基于從中國石油新疆油田分公司收集到的大量地層水化學(xué)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了石炭系—白堊系地層水化學(xué)特征的變化規(guī)律，探討了地層水化學(xué)特征與油氣成藏、保存之間的關(guān)系，從地層水角度為油氣勘探選區(qū)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣位于西準(zhǔn)噶爾褶皺山系與準(zhǔn)噶爾地塊之間，以扎伊爾山和哈拉阿拉特山為界，西至奎屯，東至夏子街，屬于西伯利亞板塊、東歐板塊和塔里木板塊的交會(huì)部位[22]，是中亞地區(qū)唯一一條呈北東向展布的大型逆沖構(gòu)造帶[23]。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣受晚古生代西準(zhǔn)噶爾造山帶活動(dòng)的明顯影響[22]，包括西部隆起一級(jí)構(gòu)造單元下屬的烏夏斷裂帶、克百斷裂帶、紅車斷裂帶、中拐凸起、車排子凸起及中央凹陷的瑪湖西斜坡和沙灣西斜坡等幾個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，其中紅車斷裂帶、克百斷裂帶、烏夏斷裂帶總稱為西北緣斷裂帶[24](圖1)。

早二疊世之前，準(zhǔn)噶爾盆地為海相深水沉積[25]。早二疊世末，海水全面退出，西部隆起主體抬升，遭受風(fēng)化剝蝕；中—晚二疊世擠壓應(yīng)力不斷增大，盆山構(gòu)造開始形成，沉積范圍不斷擴(kuò)大，二疊紀(jì)末期形成逆沖推覆構(gòu)造[22]。三疊紀(jì)，印支運(yùn)動(dòng)使西北緣地區(qū)形成逆沖斷裂以及一系列褶皺，構(gòu)造高部位繼續(xù)遭受風(fēng)化剝蝕。侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)，構(gòu)造作用減弱，沉積范圍擴(kuò)大[26]。燕山運(yùn)動(dòng)使得西北緣遭受強(qiáng)烈剝蝕；新生代，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致盆地基底南傾，西北緣整體抬升[26]，進(jìn)一步遭受風(fēng)化剝蝕。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地質(zhì)簡(jiǎn)圖1.風(fēng)城油田；2.烏爾禾油田；3．夏子街油田；4.瑪北油田；5.百口泉油田；6.艾湖油田；7.克拉瑪依油田；8.石南油氣田；9.紅山嘴油田；10.金龍油田；11.小拐油田；12.莫北油氣田；13.莫索灣油氣田；14.車排子油田；15.卡因迪克油田Fig.1 Geological sketch map of northwestern margin of Junggar Basin

2 地層水化學(xué)分布特征

本次研究收集了準(zhǔn)噶爾盆地西北緣1 000多口井共計(jì)約4 000個(gè)地層水樣品的化學(xué)數(shù)據(jù)，并根據(jù)井史對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了甄別篩選，對(duì)明顯受到工程措施影響的數(shù)據(jù)進(jìn)行了剔除，為后續(xù)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 地層水化學(xué)特征垂向分布

表1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水化學(xué)特征統(tǒng)計(jì)Table 1 Formation water chemical characteristics on northwestern margin of Junggar Basin

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水化學(xué)垂向典型分布特征Fig.2 Vertical distribution of formation water chemistry on the northwestern margin of Junggar Basin

石炭系—白堊系，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水水型由CaCl2型為主(大于50%)逐漸變?yōu)橐訬aHCO3型為主(圖3)。石炭系、二疊系地層水主要為CaCl2型，其次為NaHCO3型，從三疊系開始，變?yōu)镹aHCO3型水為主，且所占比例逐漸增大，白堊系NaHCO3型水占比高達(dá)80%以上，Na2SO4型水在白堊系所占比例超過CaCl2型水，接近10%。反映從石炭系到白堊系，地層封閉性逐漸變差，水文地質(zhì)開啟程度逐漸增強(qiáng)[28]。

2.2 地層水化學(xué)特征平面分布

晚三疊世末的印支運(yùn)動(dòng)在準(zhǔn)噶爾盆地表現(xiàn)為東強(qiáng)西弱、北強(qiáng)南弱。該時(shí)期內(nèi)盆地整體抬升，形成了三疊系和侏羅系之間的區(qū)域性不整合，地層水也廣泛受到大氣水下滲淋濾的影響。三疊系地層水礦化度平均為10.83 g/L，整體比石炭系和二疊系低。高值區(qū)從盆地邊緣向盆地內(nèi)部遷移(圖4c)，這是因?yàn)榇髿馑聺B淡化作用在盆緣地帶更強(qiáng)、向盆內(nèi)方向逐漸減弱。克(百)—烏(夏)斷裂帶主要斷層在石炭紀(jì)末期伸展環(huán)境下已經(jīng)產(chǎn)生，二疊紀(jì)主斷裂持續(xù)發(fā)展，三疊紀(jì)斷裂基本定型，早侏羅世仍有活動(dòng)但較微弱，白堊紀(jì)斷裂帶繼承性活動(dòng)切割白堊系底界[32]。位于盆緣地區(qū)的克拉瑪依油田的三區(qū)處于克—烏斷裂上盤，三疊系埋藏淺，受地表水下滲淡化影響，礦化度普遍小于5 g/L，全部是NaHCO3型水。同樣位于上盤的六區(qū)三疊系埋深較淺，地層水礦化度也相對(duì)較低。克—烏斷裂下盤的五區(qū)、七區(qū)和八區(qū)，地層水礦化度相對(duì)上盤高(圖5a)，說明斷裂可能起到了一定的封閉作用，斷層下盤封閉性較好，大氣降水下滲影響程度相對(duì)較弱。

侏羅系和白堊系地層水礦化度進(jìn)一步減小(圖4d, e)。盆地邊緣受到強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升，白堊系地層剝蝕殆盡，殘余厚度不足200 m，地層封閉性較差，導(dǎo)致大氣水下滲淡化影響范圍繼續(xù)擴(kuò)大，礦化度高值區(qū)繼續(xù)向盆地內(nèi)部遷移。地層水因受地表水的滲入影響而成為低礦化度的混合型水，其中侏羅系地層水主要為NaHCO3型，其次為CaCl2型；白堊系主要為NaHCO3型水，其次為Na2SO4型水。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水水型分布特征Fig.3 Distribution of formation water types on the northwestern margin of Junggar Basin

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地層水礦化度平面分布特征Fig.4 Lateral distribution of formation water salinity on the northwestern margin of Junggar Basin

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣一至九區(qū)地層水礦化度和原油密度統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistical histogram of formation water salinity and crude oil densityof regions 1-9 on the northwestern margin of Junggar Basin

3 紅山嘴油田解剖

紅山嘴油田位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣西部，紅車斷裂帶北部，距離克拉瑪依市東南方向20～30 km(圖1)，原油主要產(chǎn)自二疊系風(fēng)城組和烏爾禾組源巖，三疊系是較好的儲(chǔ)層。紅山嘴油田整體上是由北西往南東傾斜的被眾多斷層復(fù)雜化的單斜，油水分布規(guī)律異常復(fù)雜[10]。本文對(duì)紅山嘴油田的地層水化學(xué)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并繪制了地層水礦化度和氯離子濃度、原油密度的散點(diǎn)圖。

總的來說，紅山嘴油田地層水礦化度、氯離子濃度均呈現(xiàn)從深到淺、從老到新逐漸減小的特征，而重碳酸根離子濃度則相反(圖4，圖6)，表明從深到淺、從老到新地層封閉性逐漸變差，水文地質(zhì)開啟程度逐漸增強(qiáng)。局部地區(qū)的石炭系地層水礦化度和氯離子濃度較小，如位于紅山嘴西部的紅54井，二疊系缺失，石炭系地層水礦化度和氯離子濃度較低，三疊系達(dá)到最高，往上至白堊系逐漸降低。原因可能是二疊系抬升剝蝕嚴(yán)重，只在東南部有小范圍殘余，其他地區(qū)三疊系直接覆蓋在石炭系上，因此石炭系地層水受地表淡水影響較大，礦化度和氯離子濃度較低；三疊紀(jì)構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度降低，沉積范圍變大，而侏羅系和白堊系地層埋深較淺，地層封閉性較差，因此三疊系—白堊系地層水礦化度和氯離子濃度逐漸降低。紅山嘴油田靠近西北方向地層水礦化度都較低，大都低于14 g/L，而這些區(qū)域水型主要以NaHCO3型為主，往東南方向礦化度逐漸增大。紅山嘴油田內(nèi)的斷裂多形成于晚石炭世，結(jié)束于侏羅紀(jì)，經(jīng)歷了海西、印支、燕山期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[33]，主要活動(dòng)期在海西—印支期。燕山運(yùn)動(dòng)后形成的南北向斷裂帶處于開啟狀態(tài)，大氣水沿?cái)嗔褞聺B，紅車斷裂帶北段三疊系白堿灘組泥巖厚度最小，地層封閉性差，容易受地表淡水影響；紅車斷裂帶南段白堿灘組泥巖厚度較大，封閉性較好。因此，靠近西北方向地層水礦化度較低，早期形成的原油經(jīng)過水洗及生物降解后原油密度增大，多為稠油，往東南方向地層水礦化度增大，原油密度減小[10]。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地紅山嘴油田地層水礦化度及原油密度垂向分布特征Fig.6 Vertical distribution of formation water salinity and crude oil density in Hongshanzui oilfield

4 地層水化學(xué)特征與油氣保存的關(guān)系

油田水化學(xué)特征對(duì)研究油氣藏的形成與分布具有重要的指示意義[29,34-37]。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣原油密度從深到淺、從老到新大致是逐漸增大的趨勢(shì)，重質(zhì)油大多分布在1 000 m以淺的范圍，與低礦化度水的分布范圍一致。原油密度與地層水氯離子濃度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)，原油密度大于0.90 g/cm3的區(qū)域，地層水氯離子濃度普遍低于8 g/L；氯離子濃度大于10 g/L的區(qū)域，原油以中輕質(zhì)為主。氯離子是地層水中最穩(wěn)定的離子，它的含量通常隨礦化度的增大而增加，氯離子濃度高往往表示受大氣降水等影響較小，地層較為封閉，油氣保存條件較好，因此原油密度較小。石炭系、二疊系地層水礦化度較高，以CaCl2型地層水為主，反映地層封閉性整體較好，有利于油氣的保存。三疊系—白堊系地層水礦化度明顯減小，水型也變?yōu)橐訬aHCO3型為主，表明地層封閉性逐漸變差，大氣水下滲影響逐漸增強(qiáng)，油氣保存條件相對(duì)較差；早期形成的油氣藏受淋濾作用，發(fā)生氧化降解，油質(zhì)變稠(圖5b)。紅山嘴油田石炭系—三疊系礦化度和氯離子高值區(qū)地層水水型多為CaCl2型，表明這些區(qū)域地層封閉性較好，水文地質(zhì)開啟程度差，油氣保存條件較好，因此原油密度較?。毁_系和白堊系地層水礦化度和氯離子濃度較低，水型多為NaHCO3型，說明地層封閉性較差，受大氣降水淡化作用影響較大，不利于油氣的保存，因此原油密度較大。在深大斷裂發(fā)育地區(qū)，大氣水可沿?cái)嗔褞聺B影響到深部地層。克—烏斷裂上盤三疊系地層水的礦化度比下盤三疊系地層水的低(圖5a)，而上盤原油密度相對(duì)較高，尤其是三區(qū)和六區(qū)三疊系鄰近露頭區(qū)，埋深較淺，受地表水的氧化及生物降解作用影響，出現(xiàn)密度大于0.90 g/cm3的重質(zhì)油(圖5b)。受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，克—烏斷裂上下盤的侏羅系地層水礦化度都較低，原油密度整體較高，九個(gè)區(qū)的平均值都超過0.87 g/cm3，大部分地區(qū)包括上盤的一區(qū)、二區(qū)、四區(qū)、六區(qū)、九區(qū)以及下盤的七區(qū)，都出現(xiàn)了密度大于0.90 g/cm3的重質(zhì)油，且上盤出現(xiàn)重質(zhì)油比下盤更多。白堊紀(jì)車排子地區(qū)受紅車斷裂帶控制，斷裂以西隆起區(qū)受到地表水的沖刷、淡化，礦化度低，車28井礦化度只有4.04 g/L，原油密度為0.91 g/cm3；斷裂東邊由于斷裂的遮擋，地層封閉性較好，地層水礦化度高，車27井達(dá)50.10 g/L，有利于油氣保存。

與西北緣其他地區(qū)特征類似，紅山嘴油田的原油密度與礦化度和氯離子濃度均呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)(圖6)。重質(zhì)油多分布在1 000 m以淺的深度范圍，與低礦化度、低氯離子濃度地層水分布范圍基本一致。原油密度大于0.9 g/cm3的區(qū)域，礦化度普遍小于10 g/L，氯離子濃度普遍小于6 g/L。礦化度大于12 g/L、氯離子大于7 g/L的區(qū)域大多為輕質(zhì)油。高礦化度CaCl2型水分布區(qū)反映了地層水處于交替停滯帶或阻滯帶，地層水濃縮程度高，地層封閉性好，有利于油氣的保存。目前的油氣勘探結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層水化學(xué)特征復(fù)雜，整體來看，從深到淺，從老到新，地層水礦化度逐漸減小；從石炭系到白堊系，地層水礦化度高值區(qū)由西北緣往東南盆地內(nèi)部方向遷移。

(2)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣原油密度與礦化度、氯離子濃度均呈一定的負(fù)相關(guān)，低礦化度、低氯離子濃度、水型為NaHCO3型的地區(qū)通常原油密度較大，地層封閉性較差。

(3)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、斷裂等影響了地層封閉性，使得不同區(qū)域大氣降水下滲程度等不同，從而影響了地層水化學(xué)特征及原油保存條件。

致謝：本文在研究中得到了中國石油新疆油田分公司的大力支持，他們提供了大量數(shù)據(jù)，在此致以衷心的感謝。