地层水是储层中与油气伴生的地下水^[1]。在含油气盆地中, 地层水作为盆地流体的重要组成部分与周围介质(包括围岩和油气)之间不断发生物质和能量的交换, 同时也积极参与了油气的成藏过程, 是油气生成、运移、聚集的动力和载体^[2-4]。地层水的活动及其性质是盆地演化过程中水文地质、流体-岩石相互作用、流体流动及其混合作用等的综合反映, 油气藏作为地下流体在地史进程中循环活动的产物, 其聚集和保存与这些作用过程紧密相关^[5-6]。因此, 研究地层水的化学性质与分布特征, 对于分析油气分布规律, 明确油气成藏过程以及进一步寻找油气都具有重要意义^[7-8]。

鄂尔多斯盆地是中国内陆大型沉积盆地及重要的能源基地, 拥有丰富的石油、天然气、煤炭和铀矿等资源^[9-11]。其上古生界地层分布广、含气层位多, 具有丰富的天然气资源和巨大的勘探开发潜力。“九五”以来, 盆地北部(北纬38度以北)上古生界天然气勘探取得突破性进展, 先后发现榆林、乌审旗、苏里格和大牛地等多个探明储量超1 000×10⁸ m³的大型气田；而盆地南部勘探程度较低, 天然气勘探进展缓慢, 从而形成“南油北气”的固有认识^[12-13], 很大程度上制约了盆地南部油气资源的有效利用。2003年，延气1井在上古生界取得突破, 初步揭示了东南部天然气的勘探潜力。截止2012年底, 位于盆地南部的延长探区上古生界探明地质储量超过3 000×10⁸ m³, 表明盆地南部天然气资源丰富, 具有十分广阔的勘探前景^[14]。石炭系本溪组是覆盖于华北地台奥陶系侵蚀风化地貌基础上的初期沉积物, 为盆地东南部的主力产气层之一。自延长石油集团对该区本溪组天然气勘探以来, 多口井获得工业气流, 最高无阻流量达150×10⁴ m³/d, 展现出良好的勘探前景。此前有关盆地东南部上古生界的研究多集中于山西组和下石盒子组, 而针对石炭系本溪组的研究相对薄弱, 有关本溪组地层水赋存特征与天然气成藏关系的研究工作仍属空白。鉴于此，本研究系统地分析了盆地东南部主力产气层本溪组正常气田的水测试数据, 并结合近年来天然气勘探的成果, 探讨了研究区地层水特征与天然气运聚、保存关系, 从而进一步加深了对本溪组致密气成藏规律的认识, 为盆地东南部上古生界本溪组天然气的勘探提供了依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地东南部大致是指位于绥德以南、志丹以东、黄河以西、洛川以北的区域, 面积约为6.2×10⁴ m²。研究区横跨伊陕斜坡、渭北隆起、晋西挠褶带3个二级构造单元, 主体位于伊陕斜坡东南部(见图 1)；在整体宽缓斜坡背景下, 发育石炭—二叠系海陆交互沉积, 为典型的致密砂岩气藏广布区^[15]。区内上古生界主要发育石炭系本溪组(C₂b)、二叠系太原组(P₁t)、山西组(P₁s)、下石盒子组(P₂x)、上石盒子组(P₂sh)、石千峰组(P₃sh), 其中本溪组可进一步划分为本2段与本1段, 整体为一套障壁岛海岸—泻湖—潮坪沉积体系, 发育由障壁坝、潮汐水道、涨潮三角洲、冲溢扇等相互连通而统一的多成因复合储集砂体；其厚度一般介于2~11 m, 岩性以灰色、灰白色粉砂岩、细—粗砂岩为主, 局部可见冲刷砾岩沉积, 垂向上常与深灰色—黑色的泻湖泥岩、煤层及少量灰岩不等厚互层叠置。

2 地层水基本地化特征 2.1 矿化度与主要化学成分

研究区本溪组地层水多呈无色透明, 水质较清。借鉴邻区上古生界致密砂岩储层正常地层水的判识指标^[16], 对研究区本溪组地层水的样品进行筛选与统计分析, 结果表明:①本溪组地层水pH值在4.02~6.69, 偏酸性。②地层水矿化度(TDS)整体较高, 其值介于50.68~391.74 g/L, 平均为180.49 g/L, 是现今海水平均值的5.2倍, 现代河流平均值的1 842倍(见表 1); 从本1段到本2段, 矿化度呈现降低的趋势。③主要阴离子中, Cl^-含量最高, HCO₃^-次之, 普遍缺乏SO₄^2-(见图 2A); Cl^-质量含量在14 290~250 486 mg/L, 平均为118 271 mg/L, 明显高于现今海水平均值; 本1段Cl^-平均质量含量约是现代海水的7.6倍, 本2段Cl^-平均质量含量约是现代海水的5.6倍; 本溪组SO₄^2-质量含量整体低于现今海水值, 其中本2段SO₄^2-质量含量略高于本1段; HCO^3-质量含量相对较高, 整体高于现今海水与现代河流。④主要阳离子中，Ca²⁺含量最高，K⁺+Na⁺次之，Mg²⁺最小(见图 2B), 但都高于现今海水平均值, 且远超现代河流的平均值; 本1段地层水Ca²⁺，K⁺+Na⁺平均质量含量约是本2段值的和1.3与1.5倍, Mg²⁺平均质量含量本1段略高于本2段(见表 1)。

2.2 水的类型

水型是反映影响油气运聚与保存条件的重要水化学指标。按苏林分类^[19], 研究区本溪组地层水为单一氯化钙型(CaCl₂), 但其内部不同层段略有差异。本1段较本2段地层水样品点的r_Na-r_Cl，r_Mg数值变动范围较小, r_Na-r_Cl/r_Mg相对稳定, 显示出更强的均一性。氯化钙型水是区域水动力相对阻滞区的标志, 地下水强烈地浓缩, 并发生脱硫作用, 使SO₄^2-离子含量急剧减少, 而Cl^-和Ca²⁺离子相对富集, 反映了储层封闭条件良好, 地层水处于停滞状态, 有利于天然气聚集和保存。

2.3 离子比例系数

在地层水形成与演化的过程中, 其与周围介质不断地进行物质与能量的交换, 水中溶解的离子成分与比例随着时间的推移而不断变化。地层水特征离子组合作为其所经历的物理-化学-生物作用的“记录者”, 不仅可以反映地层水所处的水文地球化学环境和水-岩相互作用强度, 而且能够提供与其紧密相关的天然气成藏信息, 真实地反映地层水的运移、变化及其赋存状态^[20-22]。本研究采用的离子比例系数有钠氯系数(r_Na/r_Cl)、脱硫酸系数(r_SO4×100/r_Cl)和钙镁系数(r_Ca/r_Mg)。

1) 钠氯系数(r_Na/r_Cl):钠氯系数为水中Na⁺，Cl^-离子的当量数比值, 是反映地层水的浓缩变质作用程度和储层水文地球化学环境的重要参数^[23]。由于Cl^-离子化学性质稳定, 很少产生吸附、沉淀及交换反应, Na⁺离子则由于吸附、沉淀等化学反应而逐渐减少, 因此在埋藏沉积后, 随着地层封闭程度的增加, 地层水不断浓缩、变质, r_Na/r_Cl系数一般都趋于降低。盆地东南部本溪组地层水r_Na/r_Cl在0.18~0.49, 整体低于现今海水的平均值, 而高于现代河水均值。本1段r_Na/r_Cl平均为0.3, 低于本2段r_Na/r_Cl的平均值(见表 2), 这表明研究区本溪组地层水整体封闭程度高, 浓缩变质程度深, 且本1段较本2段具有更强的封闭性。

2) 脱硫酸系数(r_SO4×100/r_Cl):当地下水处于还原环境时, 脱硫酸作用盛行, 有机酸可与硫酸根离子发生化学反应(CHCOOH+SO₄^2-→H₂S+2HCO₃^-), 将水溶液中的硫酸根离子还原, 从而使其含量降低；同时反应产物之一的H₂S分子可以与水中金属阳离子, 如Fe²⁺相结合形成硫化物的沉淀^[24](Fe²⁺+H₂S→FeS↓+2H⁺)。当脱硫酸作用强烈时，H₂S以游离气态形式局部富集。故脱硫酸作用为一种环境指标, 其程度可以用脱硫酸系数来表征, 其值越小, 地层水中脱硫酸作用越强烈, 地层水还原程度越高, 作用完全时此系数为0^{[21, 25]}。研究区本溪组地层水的脱硫酸系数介于0~0.53, 平均值为0.1, 其中本1段脱硫酸系数低于本2段(见表 2)；扫描电镜下可见黄铁矿富集, 多以草莓状集合体形式出现^[26](见图 4)。综合研究表明，本溪组地层水整体处于还原环境, 且本1段相对于本2段具有更强的还原性。

3) 钙镁系数(r_Ca/r_Mg):地层水中Mg²⁺，Ca²⁺始终积极地参与了储层岩石中不稳定组分的水化水解作用与自生矿物的沉淀作用, 二者被大量消耗, 因而浓度相对较低。但是，在整体被消耗的背景下, 方解石的白云石化与溶解作用的综合效应会使得地层水中Ca²⁺相对Mg²⁺富集^[27], 同时在一定程度上改善了储层的物性, 即钙镁系数的高低可以间接指示次生孔隙发育的相对强弱^[28-29]。研究区本溪组地层水钙镁系数在1.98~29.34, 平均为10.71；本1段钙镁系数平均为9.34, 本2段钙镁系数平均值略高于本1段, 但本2段钙镁系数最高可达29.34, 接近于本溪组平均值的3.1倍, 这在一定程度上表明, 本2段储层次生孔隙相对本1段更发育, 更有利于天然气的储集。

3 地层水化学剖面特征

地层水化学特征可以从侧面揭示水流系统演化的性质和水文地质条件^[30]。研究区本溪组地层水化学场垂向上具有一定的变化规律, 其特征参数(阴、阳离子以及其比例系数)随着深度的增加主要呈现出3种变化类型。

1) 先增后减型:随着深度的增加, 地层水样本TDS，K⁺+Na⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Cl^-，r_Na/r_Cl，r_Ca/r_Mg的包络线所对应的值呈现出先增加后减少的趋势。具体表现为，在2 000~2 450 m, TDS的包络线的值由240 g/L增加到400 g/L左右, 在2 450~3 500 m，则由400 g/L降低至180 g/L左右(见图 6A); 地层水样本K⁺+Na⁺，Ca²⁺，Mg²⁺，Cl^-的包络线在相同的深度区间范围内具有相似的变化规律(见图 5A，B，C，D，图 6C), 而r_Na/r_Cl与r_Ca/r_Mg的包络线的增减转换点的深度略向下偏移(见图 6C，E)。

2) 增减交替型:随着深度的增加, 地层水样本SO₄^2-，HCO₃^-及r_SO4×100/r_Cl的包络线总体表现为，当埋深增加至2 600 m左右时, 其值达到最大, 随着深度的进一步增加则下降, 至3 000 m左右又呈增加的趋势, 总体呈现出增加→减少→增加的变化样式(见图 5E，F，图 6D)。

3) 波状递增型:随着深度的增加, 地层水样本pH值的包络线所对应的值在5~6.5的范围内呈波状小幅度递增(见图 6B)。

4 地层水与天然气成藏

地层水作为沉积盆地形成与演化的重要介质, 在积极参与天然气生成、运移、聚集以及保存的整个过程中, 不断地与其进行物质与能量的交换, 并蕴含了许多与气藏形成和保存相关的信息^[31]。因而, 在明确盆地沉积构造演化背景的基础上, 通过研究地层水的化学成分及其变化可以反演天然气的生成、运移、聚集和保存的相关过程^{[21, 23]}。鄂尔多斯盆地东南部本溪组地层水化学特征很好地反映了该区的天然气成藏流体动力环境。

4.1 地层水动力场与天然气运聚

鄂尔多斯盆地水动力场为典型的不对称型, 盆地北部和东部上倾区大气水下渗形成向心流, 盆地西南部下倾区以低砂泥比为特征, 为泥岩压实离心流发育区, 压实离心流呈放射状由盆地内烃源岩富集的高势区指向其边缘的低势区；研究区位于两者之间的过渡带, 整体处于天然气离心流与大气水下渗向心流汇合而形成的越流-压滤浓缩水动力环境^[32-33]。在区域构造背景与水动力场的作用下, 不同性质的流体(气、水)沿不整合面、砂体及裂缝所组成的输导体系作平面离心或向心运动。不整合面作为运移的优势通道, 使得与其紧邻的本2段较其上覆的本1段具有更强的开放性与流动性, 在水化学剖面上表现为纵向上本2段地层水TDS平均值整体低于本1段, 而本2段的r_Na/r_Cl，r_Ca/r_Mg，r_SO4×100/r_Cl整体均高于本1段(见表 2，图 5，图 6)。此外，本2段CaCl₂型地层水还表现出更强的非均一性(见图 3)。天然气在整体西南向东、北向运移路径上^[34], 其组分中CH₄质量百分含量逐渐增加(“甲烷化”), 而N₂质量百分含量则呈现出相反的变化趋势, 总体表现出较强的水溶气特征^[35-37](见图 7)。当水溶气达到过饱和状态时, 天然气则主要以游离态存在, 在运移的过程中被圈闭所捕获而形成气藏; 不饱和状态的水溶气若被圈闭捕获则可形成水溶气气藏^[38]。

4.2 地层水化学特征与天然气保存

研究区本溪组为海相障壁岛—泻湖环境, 地层原始沉积水与海水的成分相近^[39]。随着地层整体的埋深, 岩石中矿物成分的溶解、置换等流体-岩石相互作用^[40-41], 使得K⁺+Na⁺，Cl^-等离子相对富集, TDS增加, 形成单一CaCl₂型地层水。在本溪组海相沉积水不断演化的过程中，总体上地层水封闭程度增高, 钠氯系数由初始平均值降低至0.35；同时地层还原性增强, 发生强烈的脱硫酸作用, 使得地层水中SO₄^2-含量减少(脱硫酸系数介于0~0.53，平均为0.1), 广泛进行的脱硫酸作用不仅大量减少水中硫酸盐含量, 而且还使部分硫化氢从水中析出, 并富集于天然气中^[42]。盆地东南部本溪组的地层水化学环境显示其储气圈闭封闭条件良好, 对气藏的形成和保存十分有利, 是天然气聚集的有利区域, 具有良好的勘探前景。

5 结论

1) 研究区石炭系本溪组地层水TDS整体较高, 水型为单一CaCl₂型; r_Na/r_Cl在0.18~0.49, 平均为0.35, r_SO4×100/r_Cl在0~0.53, 平均为0.1。综合研究表明，本溪组地层水整体封闭程度高, 浓缩变质程度深, 还原性较强, 对气藏保存十分有利。

2) 地层水各特征参数随着深度的增加呈现3种变化类型:先增后减型、增减交替型、波状递增型; 而单一层段内则整体表现为TDS(本2)＜TDS(本1)，r_Na/r_Cl(本2)>r_Na/r_Cl(本1)，r_SO4× 100/r_Cl(本2)>r_SO4×100/r_Cl(本1)，r_Ca/r_Mg(本2)> r_Ca/r_Mg(本1), 指示着紧邻不整合面的本2段相对其上部的本1段具有相对较强开放性和流动性, 且储层砂岩次生孔隙更为发育。

3) 在天然气自西南向东、北方向运移的过程中, 随着运移距离的增加, 其组分中CH₄质量含量不断增加, 而N₂质量含量整体降低, 总体表现出较强的水溶气特征。天然气在运移的过程中遇到合适的圈闭, 逐渐聚集起来形成气藏并保持至今。