深层油气藏中油、气、水的伴生现象非常普遍(Kharaka and Hanor, 2003)，且在油气生产过程中产出的地层水性质不断变化(Andrew et al., 2000)。地层水特征广泛用于研究其来源及水文地质条件(Garven，1995; Kharaka and Hanor, 2003)，但其影响因素过多，结果也具有非常大的不确定性(Birkle et al., 2009)。古大气降水、古海水都有可能是地层水的来源，同时盐岩溶解水对于地层水特征的影响也非常明显(Knauth，1988; Pinti et al., 2011)。

氯、溴离子均为地层水中的稳定离子，主要来源于古海水及蒸发岩类(Stotler et al., 2010)，可用于地层水来源及水岩作用的研究。碘离子由于半径较大很难进入矿物，而表现出亲水(Osborn et al., 2012)和亲有机质(Muramatsu et al., 2004)，并可能在热成熟过程中从烃源岩中转移到水体(Fehn，2012)，而成为油气运移的示踪剂。而碘同位素中的¹²⁹I由于半衰期极长(t_1/2=15.7 Myr)，常用于不同类型流体的定年，如地表水和地下水(Schwehr et al., 2005)，热流体及深部地质流体(Fehn and Snyder, 2005)，盆地卤水(Osborn et al., 2012)。

利用地层水及组合参数可以指示地层水的成因、演化及水岩作用过程(Eagel and Blondes, 2014)及油气的运移方向(钱一雄等，2005)，其结果与利用原油中一些指标进行的运移研究结果(Wang et al., 2008)类似，说明地层水对于油气成藏研究具有重要意义。根据地层水的无机离子性质还可判断塔北奥陶系缝洞油气藏的连通性(Wang et al., 2008)。

轮南油田位于塔北隆起区，与其南部毗邻的塔河油田属于同一个含油气系统(梁狄刚，2008)，靠近西北大型天窗区。塔北地区在海西期经历了强烈抬升，造成志留系、泥盆系及上奥陶统的广泛缺失(吕修祥等，2007；严威等，2011)，石炭系直接覆盖在奥陶系潜山风化壳上。同时强烈的构造运动使断至基底的逆冲断裂开始发育，轮台断裂、轮南断裂、桑塔木断裂等都在这一时期发育。经过这次大的构造运动，轮南低凸起基本成形(张云鹏等，2011)。经历长期暴露剥蚀形成轮南奥陶系大型潜山岩溶缝洞型储集体，是轮南海相碳酸盐岩油气勘探主体(周新源等，2009；李阳和范智慧，2011)。

前人研究表明塔河油田及邻区处于一个水文地质环境相对活跃的地区，地表水渗流是主要的地层水来源，其中的高矿化度主要来源于地层水对含盐层系的溶解作用及变质作用(蔡立国等，2002；钱一雄等，2003)，且不同储集层中地层水性质差异明显(钱一雄等，2003)。

轮南油田构造高部位的轮古7、轮古2井区中奥陶统碳酸盐岩油气藏盖层多为石炭系碎屑岩。自轮西断裂向东南方向鹰山组顶面逐渐变深，与沉积古地貌相似。在横向上，轮古7、轮古2井区储集层物性受古地貌及古岩溶作用的控制，轮古7井区鹰山组储集层多以洞穴、孔洞型储集层为主，而东南部的轮古2井区鹰山组储集层物性相对偏向于孔洞裂缝型，甚至裂缝型。在轮南-塔河地区，平面上烃类流体具有明显的不均质性(陈志海等，2007；苗忠英等，2011)，如轮古7井区原油多为稠油，而轮古2井区则以正常油为主。同时，轮南油田开采井普遍受地层水的影响(蔡立国等，2002；钱一雄等，2003；赵文革等，2006；朱蓉等，2008)。

本研究所采集的样品来自轮南油田轮古7、轮古2井区开采井。轮南奥陶系海相碳酸盐岩油气田为典型的天窗型古潜山油气藏，并经历了海西期的强烈风化作用。古隆起潜山部位由东南向西北依次为石炭系中泥岩段、标准灰岩段和上泥岩段乃至三叠系所覆盖(图 1、图 2)。奥陶系顶界埋深越大，上覆石炭系的残留厚度越大，且相关性很好(图 3)。其中除轮古东井区鹰山组以上发育了较完整的上奥陶统，为埋藏型油气藏外，轮古7、轮古2井区鹰山组与石炭系碎屑岩，甚至在部分区域与三叠系碎屑岩直接接触，为典型的风化壳油气藏。同轮古2井区相比，轮古7井区奥陶系储集层具有以下特征：(1)上覆石炭系盖层更薄或尖灭；(2)抬升剥蚀经历的时间更长，表生岩溶作用更为强烈；(3)距天窗区较近，从而受上部流体的影响更为明显。这些差异在地层水特征上都有响应。

图 1

图 1 轮南油田奥陶系顶面盖层地质图及采样点分布 Figure 1 Distribution of cap rock on Ordovician reservoir and sampling boreholes in the Lunnan Oilfield

图 2

图 2 轮南油田研究区地层埋深剖面示意图 Figure 2 Stratigraphic profile of study area in the Lunnan Oilfield

图 3

图 3 轮南油田轮古7、轮古2井区钻井石炭系残留厚度与奥陶系顶界埋深的关系 Figure 3 Correlation between thickness of Carboniferous strata and buried depth of Ordovician top in LG7 and LG2 wellblocks

轮南油田中奥陶统鹰山组的采样井分布如图所示(图 1)。

在2009年7月至2010年9月之间，在轮古7、轮古2井区共进行了6次地层水采样。所采地层水样品均来自鹰山组一段(O₂y)碳酸盐岩风化壳油气藏，并选取一个轮古7井区三叠系地层水样品(LN101C)进行对比。实验所采用的地层水均来源于自喷试采井，或电泵抽油井，并通过采油曲线及相关记录剔除了可能受酸化作用及注水影响的样品数据。可确保地层水不受钻井液等其他流体影响。

地层水过滤后再过Waters Oasis HLB SPE柱，以除去有机物。稀释后的样品过H型前处理柱，以避免重金属阳离子对离子色谱柱的破坏。地层水阴、阳离子浓度检测仪分别为Dionex ICS900离子色谱和全直谱ICP发射光谱仪。

研究区地层水均为弱酸性至中性的氯化钙型高矿化度地层水(表 1)，轮古7、轮古2井区样品矿化度分别为19.15×10⁴~22.47×10⁴mg/L和15.99×10⁴~21.75×10⁴mg/L。自轮古7至轮古2井区，自西向东，地层水特征呈有规律的变化：随中奥陶统鹰山组油气藏风化作用逐渐变弱，埋深增加，上覆盖层增多变厚，地层水的矿化度、氯溴比、锶同位素值降低，而氢、氧同位素比值变重(刘大永等，2012)。

表 1

表 1 研究区鹰山组地层水基础数据 Table 1 Based data of Ordovician formation water in research area 井区 井号 O2y顶界埋深/m pH 无机离子浓度/(mg/L) Cl-×104 Br- Ca2+ Na+ Sr2+ 轮古7井区 LN1 5977 6.26 13.5~14.7 170~229 11195~11792 72716~74846 531~546 LG701 6065 6.32~6.59 13.2~15.1 197~268 11086~11685 71385~77655 513~556 LG7-8 6019 6.16~6.98 13.5~16.3 158~237 11111~12373 68904~80720 593~645 LN11-H2 6181 6.15~6.65 13.8~13.9 189~197 11373~11989 74788~75075 552~603 LG7-H6 6139 6.09~6.10 13.5~14.3 171~229 11245~12003 70541~75669 587~626 LG7-5 6094 6.14~6.63 12.5~14.0 219~283 11129~11963 70503~76084 483~508 LN11C 6259 6.26 13.3~14.5 253~299 11824~12016 76767~79467 496~527 轮古2井区 LN8 6117 5.89~5.90 11.8~12.6 306~336 11069~12367 60550~65787 478~532 LG1-5 6024 5.90~6.42 13.0~14.5 191~256 10694~11437 69619~75838 466~498 LG1 6135 5.92~6.63 10.2~13.7 274~341 11865~12000 64447~67228 477~541 LG801 6119 6.39~6.46 11.9~13.4 309~335 11603~12233 61686~67027 525~530 LG1-4C 6200 6.45~6.72 9.8~11.6 245~326 12864~13721 46988~53995 594~643 LG111 6376 6.27~6.54 11.7~13.8 272~352 11498~12305 63915~68158 482~534 LG201 6289 5.85~6.39 11.8~14.8 66~337 8298~12933 55738~79118 359~568

表 1 研究区鹰山组地层水基础数据 Table 1 Based data of Ordovician formation water in research area

从地层水的氢、氧同位素比值及碘同位素特征来看，轮南风化壳油气藏地层水来源的主体为古大气降水，其年龄约为10 Ma(Chen et al., 2016)。

氯离子是地层水中最主要的无机阴离子，正常地层水中氯离子浓度与总矿化度呈明显的正相关关系，是地层水中最稳定的离子，可以代表总矿化度的变化。短期内轮南油田奥陶系地层水氯离子浓度随时间的变化没有规律可循。但轮古7井区大多数开采井地层水氯离子浓度随时间的变化规律非常相似，离散系数较低。轮古2井区各钻井地层水随时间的变化规律总体相似，但相似程度明显不如轮古7井区，且轮古2井区不同钻井地层水氯离子浓度在同一时间的不均质性更为明显，除第六次采样井过少，地层水氯离子浓度差异较小外，其他采样时间各开采井地层水氯离子浓度的差异均在3×10⁴mg/L以上(图 4)。

图 4

图 4 轮古7、轮古2井区6批地层水样品氯离子浓度的变化曲线 Figure 4 Variation of Cl-concentrations of formation waters in time scale in LG7 and LG2 wellblocks

离散系数是统计学中常用的参数，其计算公式为：离散系数=(标准偏差/平均值)×100%，其中标准偏差可由EXCEL表格直接给出。地层水的连通性越强，则同一时间采样的地层水混合越均匀，离散系数越小，反之亦然。

轮古7井区地层水在同一时间氯离子浓度变化不大，离散系数相对较小，随时间的变化规律非常相似。可见各钻井之间地层水的连通性较好，不同钻井之间地层水有物质交换并逐渐达到平衡状态。同构造高部位的轮古7井区相比，轮古2井区各钻井地层水氯离子浓度明显更为离散(图 5)，表明轮古2井区各钻井之间虽然可能连通，但总体上连通性明显不如轮古7井区。

图 5

图 5 轮古7、轮古2井区6批地层水样品氯离子浓度的离散系数 Figure 5 Coefficient of dispersion of Cl-concentrations of 6 batch formation waters in LG7 and LG2 well blocks

储集层封闭性主要受盖层的影响(吕修祥等，2014)。轮南1井所处的区域为构造高部位，鹰山组风化壳储集层与第三系地层直接接触。形成构造天窗，有利于奥陶系储集层与上部三叠系流体之间的交换，储集层的封闭性相对较差。自北向南(剖面A-A’)，随着石炭系地层逐渐增厚，鹰山组储集层顶面逐渐变深(图 2，表 1)，同时距离天窗区逐渐变远，储集层封闭性逐渐变好。

地层水中氯溴比的差异是由于水岩作用过程中对氯、溴离子的溶解存在差异造成的(Leybourne and Goodfellow, 2007)。从轮南油田地层水的氢氧同位素来看，地层水的主体为古大气降水(刘大永等，2012)，甚至可能与现今的大气降水有关(蔡立国等，2002)。由此可见，轮南油田地层水中氯溴比主要体现古大气降水在运移及演化变化过程中对岩石中氯、溴离子溶解的差异性。而下第三系盐岩最有可能是盐岩溶解的来源(Chen et al., 2016)。

除轮古1-5以外，总体上轮古7井区氯溴比大于轮古2井区，且两者几乎没有重叠(图 6a)。从井位上看，轮古1-5井位于轮古2井区的北部，其氯溴比随时间的变化也与轮古7井区各开采井相似，说明轮古1-5井在相对较高的构造部位，其储集空间与轮古7井区的地层水体系相通。而与轮古2井区其他井不连通。轮古7井区不同时期出水氯溴比值与埋深之间具有粗略的正相关关系，表明埋深越大，上覆石炭系砂泥岩层越厚，受天窗区渗入的盐岩溶解水的影响越小。而轮古2井区地层水氯溴比相对稳定，不受储集层埋深的影响，说明轮古2井区并未直接受盐岩溶解水的影响。从轮古7、轮古2井区地层水氯溴比的差异，也可以看出构造高部位的轮古7井区的储集层开放性强，受上部天窗区(缺失石炭系砂泥岩盖层)的影响明显，而轮古2井区的储集层相对更为封闭。

图 6

图 6 轮南油田轮古7、轮古2井区地层水脱硫系数及氯溴比与奥陶系顶界埋深的关系 Figure 6 Correlation of Cl/Br ratio (a) and coefficient of desulfurization (b) with buried depth of Ordovician top

脱硫系数(SO₄^2-/Cl^-*100)反映高价硫含量，可指示氧化还原环境。前人研究表明不整合面附近及高孔高渗带较氧化，低孔渗带较还原，因此也可以反映储集层封闭性，脱硫系数越小，储集层的封闭性越强。由图 6b可见，同轮古2井区相比，轮古7井区具有相对较高的脱硫系数，反映储集层封闭性相对较差。总体来讲，随奥陶系顶界埋深越深，石炭系地层厚度越大，储集层的封闭性越强。这一结论与地质条件相吻合。而在埋深相似的条件下，轮古7井区相对较弱的封闭性则主要是由于轮古7井区钻井距离天窗区比轮古2井区钻井距离更近造成的。

不同时期、不同来源的流体混合作用是地层水演化的普遍规律(Birkle et al., 2009; Varsányi and Kovács，2009；Chen et al., 2014; Bagheri et al., 2014；Eagle et al., 2016; Chen et al., 2016)。自构造高部位向东南，奥陶系顶界由浅到深的方向，古蒸发海水所占的比例逐渐变大，而古大气降水所占的比例逐渐降低(Chen et al., 2013; Chen et al., 2016)，可见石炭系砂泥层缺失的天窗是古大气降水为主的流体混合的主要通道。

将Chen等(2016)年发表的碘同位素数据投射到图版(Tomaru et al., 2007)，可得出地层水的视年龄。虽然碘同位素视年龄的影响因素较为复杂，但在相似的地层水系统中，仍可用于不同钻井地层水的相对期次研究。由图 7可见，三叠系地层水视年龄最小，其次为轮古7井区奥陶系地层水，轮古2井区奥陶系地层水的视年龄最大。

图 7

图 7 轮南油田轮古7、轮古2井区地层水的碘同位素及视年龄分布与碘离子浓度的关系 Figure 7 Correlation of I-concentration with129I/I and apparent age of the formation water

地层水的视年龄表明轮南风化壳储集层流体存在不同期次流体的混合，构造高部位的轮古7井区与上覆三叠系地层水的混合比例明显大于埋深更大、上覆石炭系砂泥层更厚的轮古2井区。同时，储集层的开放性越强，地层水受上覆三叠系地层水的影响越强烈，地层水的视年龄越小(图 8)。

图 8

图 8 地层水碘同位素值与脱硫系数之间的关系 Figure 8 Relationship between the129I/I ratio and coefficient of desulfurization of the formation water

(1)构造高部位的轮古7井区地层水特征随时间的变化规律表明奥陶系储集层的连通性好，地层水相对均一；随埋深增加，上覆石炭系砂泥层增厚，轮古2井区地层水特征随时间的变化规律明显更为离散，表明轮古2井区奥陶系储集层连通性明显变差，地层水非均质性更为明显。

(2)地层水氯溴比及脱硫系数均表明构造高部位的轮古7井区奥陶系储集层受石炭系缺失所形成的天窗区的影响明显，储集层开放性更好，受上覆三叠系盐岩溶解水的影响明显；随埋深增加、储集层开放性逐渐减弱。

(3)轮南风化壳储集层存在上覆三叠系地层流体与奥陶系储集层流体的混合作用。构造高部位的轮古7井区奥陶系储集层中的地层水与上覆三叠系盐岩溶解水的混合作用更为明显，地层水的视年龄更为年轻。随埋深增加，二叠系砂泥岩盖层增厚，开放性减弱，地层水视年龄更老。