地层水是指与油气相伴生的、以不同形式与油气共存于地下岩石孔隙空间中的地下水，是油气运聚的重要动力和载体.由于地层水与油气之间会发生物质和能量的交换，地层水的地球化学特征会反映出油气藏的某些特征^[1-4]，利用地层水的地球化学特征研究，可以分析油气生成、运聚规律以及油气藏的形成、保存条件^[5-8]，进而揭示油气成藏规律，为寻找有利的油气勘探区提供可靠的依据.在地层水化学研究中，常用地层水化学和同位素组分及比值来分析地层水的起源和演化^[9-12].利用地层水的总矿化度、变质系数[(r_Cl^--r_Na⁺)/r_Mg²⁺](r为离子浓度)、钠氯系数(r_Na⁺/r_Cl^-)、脱硫系数(100×r_SO4^2-/r_Cl^-)、碳酸岩平衡系数[(r_HCO3^-+r_CO3²⁺)/r_Ca²⁺]等地球化学参数^[13-16]来指示地层封闭性情况.

前人对杭锦旗地区地层水的研究主要集中在地层水性质及成因方面，并试图寻找其与油气之间的关系^[17-18]，鲜有涉及对地层水化学组成特征及其与天然气气藏关系的研究.本文在前人的研究基础之上，利用杭锦旗地区钻井中的太原组、山西组、下石盒子组和上石盒子组地层水测试资料，分析地层水的地球化学特征及其在纵向上、平面上的变化规律，推测地层水成因，探讨其与油气运移、聚集和保存条件的关系，并结合近年来天然气勘探成果，探讨该区地层水地球化学特征及其与天然气藏之间的关系，为下一步的油气勘探开发提供可靠的依据.

1 区域地质背景

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部，横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个一级构造单元，勘探面积9825km².根据基底顶面起伏、盖层发育情况以及构造形态特征，可进一步划分为乌兰格尔凸起、公卡汉凸起、杭锦旗断阶、伊陕斜坡以及天环向斜等5个次一级构造单元.研究区整体呈现出北高南低、东高西低的特征，内部为向西倾斜的大单斜构造，是鄂北长期继承性的古隆起区，也是天然气运移的有利指向区^[19-21].受区域构造应力作用的控制，本区断裂较为发育，自东向西分别为泊尓江海子断裂、乌兰吉林庙断裂以及三眼井断裂，还有一些走向近NE、NW向的小型断裂(图 1).

晚古生代沉积之前，杭锦旗地区一直处于隆起状态，直到晚石炭世才下降接受沉积，上古生界以不同层位由南向北依次超覆于奥陶系以及太古界-元古界变质基底之上，先后沉积了石炭系太原组、二叠系山西组、上下石盒子组以及石千峰组.中生代相继沉积了三叠系、侏罗系以及白垩系，缺失新生界沉积.

太原组和山西组沉积于滨浅海海陆交互相沉积环境，其沉积的煤层、炭质泥岩以及暗色泥岩构成本区上古生界天然气藏的主要的烃源岩；而石盒子组和石千峰组形成于陆相沉积环境，其沉积的砂岩和泥岩分别构成主要的储集层和盖层.断裂带南侧的圈闭类型主要以岩性圈闭为主，而断裂带北侧的圈闭类型以构造-岩性圈闭为主.含气层位是下石盒子-石千峰组，各地层具有独立的气水界面，气水分布复杂^[23].下石盒子组以辫状河和三角洲相沉积体系为主^[24-25]，砂体为分流河道砂体，呈南北向展布，侧向上不连续^[26-27].平均孔隙度和渗透率分别为13%和1.5×10^-3μm²，表明杭锦旗地区上古生界为一套中孔隙度、低渗透储集层^[28-29].

2 地层水化学特征 2.1 地层水矿化度与水型

杭锦旗地区50余口钻井地层水测试资料的统计结果表明，本区地层水pH介于5.0～7.0之间，多数集中在5.3～6.5之间，平均值为6.1，总体上表现为偏酸性水.地层水总矿化度为10.7～105.0g/L，多数集中在20.0～80.0g/L，平均值为42.5g/L，明显高于地表水的矿化度(一般为0.1g/L)，多数也大于现今海水的总矿化度35g/L，为咸水-卤水型地层水.太原组和山西组地层原始沉积水为海水；下石盒子组地层水则是起源于陆相沉积环境的淡水，随着沉积物不断埋藏，沉积水经历蒸发、与地表水或是其他地层水混合，或与岩石发生流体-水岩相互作用等变化过程，导致地层水矿化度明显升高^[30-32]，形成现今高矿化度的特征.

按照苏林分类^{[8, 33]}，杭锦旗地区地层水类型大多为有利于油气保存的CaCl₂型水，且r_Na⁺/r_Cl^-<0.65，属于博雅尔斯基分类中的Ⅳ和Ⅴ类CaCl₂型水，同时也存在少量的MgCl₂型水，说明本区的地层封闭条件总体良好，利于油气藏的后期保存.

2.2 地层水离子组成特征

杭锦旗地区地层水主要离子组成为Ca²⁺、K⁺+Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-以及HCO₃和CO₃^2-等，其中阳离子中K⁺+Na⁺和Ca²⁺离子占优势，Mg²⁺含量最低(图 2(a))；阴离子中Cl^-离子含量最高，占阴离子总量的95.99%，其次是SO₄^2-和HCO₃^-离子(图 2(b)).

地层水主要离子浓度与总矿化度的关系密切，其中K⁺+Na⁺、Ca²⁺、Cl^-离子浓度控制了矿化度.Cl^-离子浓度随着矿化度的增加呈现出明显的升高趋势，相关系数达0.97(图 3(a))，高的Cl^-离子浓度与蒸发浓缩或盐类矿物的溶解作用有关；K⁺+Na⁺、Ca²⁺离子浓度与矿化度正相关性次之(图 3(b)和图 3(d))；而Mg²⁺、SO₄^2-、HCO₃^-和CO₃^2-离子浓度与矿化度呈散点关系，正相关关系较差，可能与Mg²⁺相对于Ca²⁺、K⁺+Na⁺离子易被黏土吸附有关^[34].

总的来说，本区地层水主要由Ca²⁺、K⁺+Na⁺、Mg²⁺和Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-离子组成，矿化度主要受控于K⁺+Na⁺、Ca²⁺和Cl^-离子浓度.

3 地层水化学参数分布特征

在地层水化学研究中，除地层水矿化度和水型的研究，常用的参数有钠氯系数(r_Na⁺/r_Cl^-)、变质系数[(r_Cl^--r_Na⁺)/r_Mg²⁺]、脱硫系数(100×r_SO4^2-/r_Cl^-)、碳酸岩平衡系数[(r_HCO3^-+r_CO3^2-)/r_Ca²⁺]等.这些指标通常用来研究地层水的运移、变化及其赋存状态，进而对油气的运移、聚集以及保存环境条件进行分析^[35].但由于地层水化学参数受各种地质作用的影响，需综合考虑各参数变化规律和相互对应关系，合理利用水化学参数.

3.1 平面分布特征 3.1.1 矿化度

地层水矿化度是地下水动力场和水化学场长期演化的结果，与古沉积环境、蒸发浓缩程度、地层水来源等因素有关.在地层水的常量组分保持相对不变的情况下，保存条件越好的地层水，其矿化度越高^[36].

受区域构造和沉积相带的共同作用，杭锦旗地区地层水总矿化度呈现出东西分区、南北分带的特征.杭锦旗地区河道砂体呈南北向展布，侧向上存在明显的不连续性，自西向东依次表现为高值区—低值区—高值区—低值区，且在东部低值区内出现局部高值区(图 4(a)).西部主要是辫状河沉积，锦29—锦63—锦30—锦25—锦31井区分流河道中心砂体发育，地层水矿化度普遍较高，尤其是锦63、锦31井区，矿化度大于60g/L，为高值区；从河道主体部位到河道间沉积，矿化度呈现出降低的趋势，如锦8—锦3井区，矿化度不足35g/L，为矿化度的低值区.东部主要是以锦7—锦21井—锦44—锦41—锦28井为界，以西地区主要是三角洲分流河道砂体发育，锦10—锦72井区地层水矿化度明显升高，出现矿化度的高值区；以东地区矿化度普遍较低、处于低值区范围，且受泊尔江海子断裂影响较为明显，由断裂带南侧锦6—锦54井向断裂带附近的锦36—锦35—锦50井矿化度明显升高，认为是由于断裂带热液活动导致深部高矿化度水与上古生界地层水混合所致^[15].在远离断裂带的北部什股壕伊深1—锦33—锦38井区，矿化度明显高于35g/L，发育一个局部高值区，可能与处于辫状河河道，砂体较为发育有关.

3.1.2 钠氯系数

钠氯系数(r_Na⁺/r_Cl^-)是表征地层水浓缩变质程度的重要参数^[15]，由于Na⁺化学稳定性相对于Cl^-较差，在地层水埋藏过程中Na⁺受到吸附、沉淀等化学反应导致其含量减少，而Cl^-含量变化不大，因此在埋藏过程中钠氯系数趋于降低.r_Na⁺/r_Cl^-值越高，说明受渗入水的影响越明显，对烃类的保存越不利；r_Na⁺/r_Cl^-值越低，说明受渗入水的影响较小，对烃类的保存越有利^[37].

杭锦旗地区地层水r_Na⁺/r_Cl^-较低，为0.11～0.62，平均值为0.31，反映渗入水的影响较小，整体为较封闭的水体环境.平面上，杭锦旗地区地层水钠氯系数受构造和河道砂体的控制，呈现出东西分区、南北分带的特征.河道砂体侧向不连续性导致研究区钠氯系数分布不均，自西向东分别为相对低值区、高值区、低值区和高值区，并在东部相对高值区范围出现局部低值区(图 4(b))：西部靠近辫状河河道主体部位钠氯系数普遍不足0.3，如锦29—锦63—锦25—锦31井区.由河道主体向东至河道间，钠氯系数有增大的趋势，例如锦8井区钠氯系数升高至0.4.向东至锦32—锦48—锦46—锦45井一线以西，该地区三角洲水下分流河道砂体发育，钠氯系数普遍小于0.3，为相对低值区；以东地区，在断裂带南侧的锦53—锦54—锦6井区钠氯系数明显升高，可能与大气降水通过泊尔江海子断裂向下盘渗入有关.但在断裂带以北的伊深1—锦评1—锦33—锦38井和锦17—锦12—锦35—锦52井区钠氯系数相对较低，为局部低值区.

3.1.3 变质系数

地层水变质系数[(r_Cl^--r_Na⁺)/r_Mg²⁺]的大小指示地层水变质作用的强弱，水岩相互作用的强度和离子交换置换的程度.水岩相互作用时间越长，离子交换相对越彻底，水的变质系数越大、变质程度越高，则指示地层封闭性条件越好，油气保存条件也就越好^[38].

杭锦旗地区地层水变质系数为13.51～210.27，平均值为89.85.变质系数在平面上具有东西分区、南北分带的特征(图 4(c)).除了锦8井区附近，锦7—锦21—锦54—锦44—锦28井一线以西地区，靠近河道主体部位，砂体较厚，变质系数较高、在120以上，尤其是在锦63井更是高达160.锦8井区处于河道间沉积环境，砂体厚度较薄，变质系数不足80，出现局部低值区.此线以东的地区，整体变质系数相对较低，普遍在70左右，且受泊尔江海子断裂影响较为明显，断裂带锦34—锦52井附近变质系数明显升高，认为是由于断裂带热液活动导致深部高变质水与上古生界地层水混合所致.在断裂带北侧什股壕地区的伊深1—锦评1—锦33—锦38井附近，为局部高值区，变质系数在70以上，认为与沉积砂体厚度较厚有关.

3.1.4 脱硫系数

地层水脱硫系数(100×r_SO4^2-/r_Cl^-)表征地层水脱硫作用的强弱，作用完全时系数为0，脱硫系数就越小，说明地层封闭程度越好，反之，则认为还原作用不彻底，可能受浅层氧化作用的影响^[39].采用脱硫系数作为还原环境的指示，对判别油气保存条件具有一定的指示意义.

杭锦旗地区地层水脱硫系数为0～44.19，平均值为3.19.受区域构造和沉积相带的共同作用的影响，平面上地层水脱硫系数表现出东西分区、南北分带的特点(图 4(d)).锦72—锦53—锦48—锦44—锦28井一线以西，大部分处于河道砂体发育区，脱硫系数小于5、为低值区，在锦29—锦63—锦30—锦31井和锦57—锦78—锦10井区脱硫系数不足2.除此之外，锦9—锦47井井区也为脱硫系数的低值区；东部靠近泊尔江海子断裂带附近，锦53—锦54—锦48井区，脱硫系数明显升高，可能与地表水通过断层向下渗入有关.锦20井区脱硫系数增大至44.19.但在断裂带北侧什股壕伊深1—锦评1—锦33—锦38井局部地区和锦12—锦35—锦36—锦38钻井区域，脱硫系数都不足2，为局部低值区.

3.1.5 碳酸岩平衡系数

地层水碳酸盐平衡系数[(r_HCO3^-+r_CO3^2-)/r_Ca²⁺]是指示油气保存条件好坏的参数^[4].地层水中碳酸岩平衡系数越小，说明地层越靠近油气藏，且油气藏的保存条件越好.

杭锦旗地区地层水碳酸岩平衡系数介于0～1.51之间，平均值为0.13.受构造和沉积相带控制，该区地层水碳酸岩平衡系数平面上呈现出东西分区、南北分带的特征(图 4(e)).锦72—锦53—锦48—锦44—锦28井一线以西地区，除个别钻井地层水碳酸岩平衡系数达0.4外，其余钻井中地层水都不足0.1，为低值区，在锦29—锦63—锦30—锦25井井区，碳酸盐平衡系数不足0.45.而锦78—锦57—锦10井井区、锦4—锦9井井区以及锦45—锦46井区为碳酸岩平衡系数低值区，其值都不足0.1.东部地区，碳酸岩平衡系数大于0.4，为高值区，但局部也存在相对低值区.在泊尔江海子断裂带附近锦53—锦48井区，碳酸岩平衡系数相对较高，普遍大于1.0，为高值区，推测为大气降水通过断层向下渗入使得CO₃^2-+HCO₃^-的浓度降低.断裂带南侧的锦7—锦72—锦32井和断裂带北侧的伊深1—锦深1—锦33—锦38井以及锦12—锦35—锦36—锦38井井区碳酸岩平衡系数不足0.2，为局部低值区.

3.2 纵向分带特征

根据地层水化学成分与矿化度纵向变化，可划分为正向型、反向型以及多向型水化学剖面3种类型.各个剖面都具有特有的离子组合特征，反映出不同的油气保存条件^{[15, 37]}.由于受构造运动特征以及沉积环境的影响，杭锦旗地区断裂带南北两侧及其附近地层水在纵向上表现出明显的正向型和反向型水化学剖面特征(图 5).

1) 正向型：主要表现为随着地层埋藏深度的增加，地层水中总矿化度各阳离子与Cl^-离子浓度增高，而SO₄^2-离子含量、r_Na⁺/r_Cl^-和100×r_SO4^2-/r_Cl^-减小(图 5(a-f)和(m-r)).正向型水化学剖面反映了地层水正常的埋藏变质过程以及地层纵向上连通性较差.从图 5中可以看出，断裂带南北两侧总矿化度、Ca²⁺、Na⁺+K⁺和Cl^-离子浓度表现出随着深度增加而增大的特征，而r_Na⁺/r_Cl^-和100×r_SO4^2-/r_Cl^-则表现出随深度增加而降低的特征，指示断裂带南北两侧的地层水正常埋深蒸发浓缩变质，地层纵向连通性相对较差，封闭性相对较好.总体来说，断裂带南北两侧地层水处于相对封闭的流体动力环境，有利于油气的聚集和保存.

2) 反向型：主要是表现为随埋藏深度增加，矿化度、各离子含量会逐渐减小，而r_Na⁺/r_Cl^-和100×r_SO4^2-/r_Cl^-则会相对增大(图 5(g-i)).在断裂带附近，地层水化学表现为矿化度、Na⁺+K⁺、Ca²⁺、Cl^-离子含量等由浅至深逐渐减小，而r_Na⁺/r_Cl^-和100×r_SO4^2-/r_Cl^-则会逐渐增大的特征，可能是由于断裂构造将深部的高矿化度、高离子浓度的地层水与地表水或浅层水沟通混合形成的.同时，也指示断裂为油气水垂向运移提供了良好的通道，地层纵向连通性相对较好，处于相对较为开放的流体动力环境，对油气保存不利.

4 地层水与油气藏的关系

地层水的各种地球化学参数可以用来指示油气藏的保存条件的好坏.一般而言，地层水的矿化度、变质系数值越高，而钠氯系数和脱硫系数、碳酸岩平衡系数越小的地层封闭条件越好，越利于气藏的保存.

杭锦旗地区地层水类型主要是Ⅳ类和Ⅴ类CaCl₂型水，同时含有少量的MgCl₂型水，说明地层封闭条件总体良好，利于油气藏的保存.纵向上，泊尔江海子断裂带附近以及南北两侧局部地区表现出明显的反向型和正向型水化学剖面特征，表明断裂为地表水渗入提供通道，地层水处于相对较为开放的流体动力环境，对油气保存不利.而在其南北两侧，地层纵向连通性相对较差，封闭性相对较好.可用来解释在实际勘探中什股壕和十里加汗区带均发现良好的气藏，而在断裂带附近未发现气藏的这一现象.

地层水地球化学参数平面分布特征与天然气产气量的对比分析结果表明，杭锦旗地区西部辫状河河道砂体发育，因此在乌兰吉林庙断裂和三眼井断裂带附近锦30井和锦63井井区，地层水的矿化度和变质系数相对较高，而钠氯系数、脱硫系数、碳酸岩平衡系数相对较低，指示地层封闭条件良好、利于油气藏的保存，锦30和锦63井平均稳定日产气量分别为17140.3m³和6720m³，是主要的产气区.向东由河道主体部位到河道间，砂体厚度减薄，地层水的钠氯系数明显增大，而矿化度和变质系数降低，指示地层封闭条件变差.实际勘探中发现锦8井是干井，认为应该与该区保存条件较差有关.在锦57—锦78—锦10井区附近靠近三角洲水下分流河道砂体发育区，地层水的矿化度和变质系数明显增大，而钠氯系数、脱硫系数、碳酸岩平衡系数非常低，指示地层封闭条件良好，油气藏保存条件良好，锦78井日均稳定产气量32970m³，也证实了这一认识.再向东由于受泊尔江海子断裂的影响，断裂带附近表现为矿化度和变质系数低值区、钠氯系数、脱硫系数、碳酸岩平衡系数高值区，表明地层封闭性条件较差，不利于油气藏保存.但在断裂带南北侧局部地区锦53—锦72和伊深1—锦评1—33井区附近为矿化度和变质系数相对较高，而钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数相对较低，指示断裂带南北侧局部地区地层封闭性条件较好，天然气保存条件良好，利于油气藏的保存，该区的伊深1井日均产气量为11400m³与该区的保存条件良好关系密切(图 6).

5 结论

1) 杭锦旗地区地层水总矿化度为10.7～105g/L，多数集中在20～80g/L之间，为高矿化度的地层水.水型主要为Ⅳ型和Ⅴ型CaCl₂型水，也含有少量的MgCl₂型水.

2) 受区域构造和沉积相带的影响，平面上具有东西分区、南北分带的特征，与油气保存条件呈正相关关系矿化度和(r_Cl^--r_Na⁺)/r_Mg²⁺由西向到东呈现出高—低—高—低值，而与油气保存条件呈负相关r_Na⁺/r_Cl^-和100×r_SO4^2-/r_Cl^-、(r_HCO3^－+r_CO3^2－)/r_Ca²⁺则呈现出低—高—低—高值的趋势，且在泊尔江海子断裂带南北两侧出现局部低值区，指示西部和中部大部分地区以及断裂带南北两侧局部地区地层水封闭性较好，利于油气藏的保存.纵向上断裂带附近以及南北两侧局部地区表现出明显的反向型和正向型水化学剖面特征，表明断裂带南北两侧局部地区相对于断裂带附近地层封闭性条件较好，利于油气藏的保存.

3) 地层水保存条件较好的地区，均有良好的气藏发现，说明地层水特征参数组合和气藏分布之间存在着一定的相关性.因此，具有高总矿化度和(r_Cl^--r_Na⁺/r_Mg²⁺)、低r_Na⁺/r_Cl^-、100×r_SO4^2-/r_Cl^-和(r_HCO3^－+r_CO3^2－)/r_Ca²⁺等地球化学参数特征的三眼井断裂带北侧公卡汗区带具有较大的天然气勘探前景.