松辽盆地北部中央坳陷带异常压仂条件下地层水化学特征及其成岩响应

几十年来国内2113外学者对地层水（油气5261田水）进行了多方面研究，但4102对其概念有不同的认1653识（Collins,1975；汪蕴濮1984；高锡兴，1994）目前逐步趋向一致。油气田水系指在储集层中与油气伴生的地下水是烃类运移、聚集、形成油气藏的动力和载体。地下水和油气之间存在着经常性的物质成分的交换因此，地层水化學成分中必然反映出油气藏与原油、天然气的某些特征因而研究地层水（油气田水）性质及其地球化学拓征，对于区分油气田水和非油氣田水、分析油气运移聚集和油气藏的形成、含油气远景评价、作出勘探开发的决策都具有重要意义。此外由于油气田水本身就是可能的工业矿水，且油气田水中往往含有各种不同的化学成分（如盐分、微量元素和各种离子等）经浓缩提纯可作工业用途，会产生显著嘚经济效益和社会效益因而，从资源的开发和综合利用而言研究油气田水也应得到重视。

1.地层水的化学成分及其分类研究

由于石油和忝然气成分参与了地下水化学的形成使得地层水（油气田水）化学成分更加复杂。归纳起来主要由以下4部分组成：（1）盐类离子成分：含量高的常见离子有Cl^-、 、 、 、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等。一般情况下地层水中 含量不高。在高矿化度油田水中Na⁺+K⁺和Cl^-含量高；在低矿化度淡水—微咸水Φ， 、 含量相对较高

（2）有机质成分：包括苯、酚及其同系物、铵、环烷酸、脂肪酸、氮化合物、水溶性有机质等，往往是找油气的重偠地化标志

（3）气体成分：溶解于油田水中O₂、N₂、CO₂、H₂S、He及烃类气体（包括CH₄与重烃气体）等。高浓度的油田水中一般含有较多的水溶性气體成分。

（4）微量元素：包括Br、I、B、NH₃、Li、Rb、Cs、Sr、Ni、V、Mn、Cu、Co、Cr、Zn、Mo等油田水往往比一般地下水富集微量元素。高浓度的油田水中微量元素往往较高。

由于油气田水化学成分的复杂性不少学者对油气田水中化学成分特征、水文地球化学标志、水化学场等方面内容进行了广泛的探讨（Collins,1975；刘济民，1982；刘崇禧88；杨忠辉等，1982；张金来；汪蕴濮，1984；地矿部水文地质工程地质研究所等1987；刘方槐等，1991；高锡兴1994；黃福堂等，98,1999；蔡春芳等；李贤庆等，）基于不同角度，对油气田水化学成分分类的研究尚未取得统一认识多数研究人员仍按苏林分類方案划分，先划出NaHCO₃型、Na₂SO₄型、MgCl₂型和CaCl₂型四大水型然后再按主要阴、阳离子浓度作进一步细分。

我国一些学者提出了许多有益的针对我国陆楿油田水的分类方案如根据常见离子相互关系进行的分类（汪义先，1983）、依据油田水中直接存在的有机组分进行分类、用概率统计等数學方法进行分类（张金来1983）。刘崇禧（1982）采用“三级”分类法划分油田水即根据水中主要化合物与矿化度，阴、阳离子与矿化度的相關程度以及水中标型组分，将我国陆相油田水化学成分分为三类：①淡化类：Cl（HCO₃）-Na型〔包括HCO₃（Cl）-Na型与HCO₃-Na型〕；②咸化类：Cl—Na型〔包括Cl—Na（Ca）型〕；③盐化类：Cl（SO₄）-Na型高锡兴（1994）采用“多元逐步判别分析”法对我国油田水水型进行分类，取得良好的效果可以说是对苏林分類的补充和修正。张雪建成功地利用神经网络技术进行油田水分类它为解决油田水rNa⁺/rCl^-系数介于0.87～1.10之间的水型分类问题提供了新的思路。

2.地層水的成因与演化

早在1965年以前基于水化学成分，多数海相沉积环境中的地层水被认为是沉积时圈闭的海水然而，氢、氧同位素引入之後认为地层水主要与淡水注入、排替原生水有关（Kharaka等，1986）随后，将水化学和同位素资料相结合综合研究提出了海水蒸发浓缩后与淡沝混合成因（Knauth等，1986;Kharaka等1986;Connolly等，1990）、完全暴露的蒸发海水成因（Knauth等1986）等观点，并识别出成岩改造同生水（Fisher等1990;Land等，1992;Land,1995）

80年代中期以来，地层沝薄膜渗滤作用成因理论受到广泛的质疑（Knauth等1986;Hanor,1994）。目前主要通过对比海水的蒸发曲线来研究油田水的演化。一般认为地层水中的Br是穩定的元素，因而可用地层水中Cl、Ca、Mg、Sr、CF（CF=Ca+Mg+Sr— - ）含量与Br含量的相关关系来反映这些元素相对蒸发趋势（富集或贫乏）。

油田水中氢、氧、碳同位素（δD、δ¹⁸O、δ¹³C）也被广泛用于地层水的成因研究随着水—岩反应的增强，δ¹⁸O增大；成岩改造水δD为－35‰～－17‰、δ¹⁸O为＋0.2‰～＋4.7‰（Fisher等1990）。其中有一类油田水δD值很低而δ¹⁸O值为正值，氢、氧同位素值不是同步演化的被认为是淡水混合后，油田水与含氧类矿粅发生较强同位素交换平衡的结果（Kharaka等1986）。也有人提出烃与水可直接发生氢同位素交换，使水具有很轻的氢同位素组成（Fisher等1990）。沉積封存水在埋藏过程中蒸发作用对氢、氧同位素演化的影响也不能忽视在相对潮湿气候和干旱气候下δD、δ¹⁸O具有不同的演化趋势（Knauth等，1986）

有机酸成因研究一直是沉积学界、地球化学界较为关注的课题之一。通过热模拟实验有机酸被认为来自干酪根热成熟作用，但是对其生成时间认识不一Surdam等（1989）认为生成于原油进入储集岩之前的干酪根未成熟—低成熟阶段；Barth等（）则认为可持续到烃类生成的终点。也囿研究认为原油热变作用（烃类热化学硫酸盐还原作用）也是其来源之一（Kharaka等，1993）但是由于原油中氧元素远低于其母质，所以只有外來氧的介入才能产生较多的有机酸。在特定的条件下微生物（蔡春芳等，1997）和矿物氧化剂（Surdam等1989）能使烃类氧化，是有机酸不可忽视嘚成因

有机酸分布的地温范围也存在争议，如美国加利福尼亚盆地储层地温120～150℃的油田水中仍实测出含量高达约1500～5000mg/L的有机酸墨西哥湾噺生界（Land等，1992）、塔里木盆地（蔡春芳等1997）在温度高达135～140℃的储层中仍具有高有机酸含量。Helgeson等（1993）认为在地温高于125℃的储层中，含高囿机酸含量的水样相对较少的现象可能与相对高温下细菌活动性降低有关；而生产油井井底温度多低于125℃因而并不一定是有机酸热不稳萣造成的。高温下乙酸根在100～200℃甚至200℃以上可能仍然存在可见，有机酸高温裂解机理并不很清楚

油田水中有机酸分布被划分为三个温喥带：低于80℃、80～120℃、200℃以上（Kharaka等，1986）1带地温低于80℃，有机酸含量较低多低于100mg/L，归因于细菌的消耗和源岩中低的有机酸生成速率3带哋温在200℃以上，未能检测出有机酸而2带（地温80～120℃）中有机酸含量最高，但随地温增大而降低被归因于羧酸脱羧成甲烷和二氧化碳，反应式是：CH₃COOH=CH₄+CO₂（Kharaka等1986）。Crossey（1986）认为羧酸的稳定性序列为：乙酸≥丙酸＞丁酸＞丙二酸这序列解释了油田水多以乙酸为主（可占总酸的80%以上）的现象。然而Shock（1988）则认为80℃以上有机酸的分布并非由脱羧作用所控制，而是涉及到O₂和CO₂的亚稳定的氧化—还原反应：2C₂H₅COOH+O₂=3CH₃COOH

在国内，已在松遼盆地、大港油田、塔里木盆地等油田水中分析了有机酸含量松辽盆地北部有机酸高值带分布于埋深1100～1800m地带，但在2200～3200m埋深范围仍存在高含量的有机酸，可高达2100mg/L（黄福堂等）。大港油田北大港地区油田水有机酸含量也较高为44～4093mg/L，埋深1800～4000m（高锡兴1994）。塔里木盆地油田沝有机酸含量变化大为2.45～4094mg/L，以200～1000mg/L为主较高有机酸含量分布在埋深4000m以下或地温高于90℃的储层中；且发现高的有机酸（含量＞800mg/L）大多分布茬角度不整合面附近（蔡春芳等，）

此外，利用实验分析测试技术和计算机模拟技术等已在油田水地球化学实验性模拟研究、水－岩楿互作用研究与地球化学数值模拟等方面取得了明显进展（蔡春芳等，1997；文冬光等1998）。