油田水的成因与水化学
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油田水的成因与水化学
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- 2024-08-22 18:32
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- 2024-08-22 18:36
一、薄膜渗滤作用
60年代～80年代早期，泥页岩薄膜渗滤作用被提出，用来解释贫蒸发岩地层中卤水的成因。如伊利诺斯盆地缺乏蒸发岩，而卤水矿化度却高达10000mg/L以上，这被认为是薄膜渗滤作用的结果（Graf等，1966）。通过薄膜渗滤形成卤水的过程，被认为是在压实作用诱发的压力驱动下，地层水通过半渗透的泥页岩水膜的过程（Graf等，1982）。不带电荷的组分及半径小的、一价的离子比半径大的、双价离子优先通过，而导致残余卤水富Ca、富Br、富Cl（Kharaka和Berry,1973）。尽管在盆地压实过程中，沉积水会部分散失，但是海水和盐溶组分因薄膜过滤而残留下来。可以预计，随薄膜渗滤作用的进行，在泥页岩薄膜一侧的孔隙流体由于穿层流动和阴阳离子选择性的渗滤作用，而部分浓缩或改变了水组分。正因此密执根盆地卤水才具有高达200000～400000mg/L以上的总矿化度（Clayton等，1966；Graf等，1966）。
大量的实验已证实，泥页岩可表现出半渗透薄膜性质（Demir,1988）。其他证据也显示半渗透泥页岩可导致水的渗流，即从淡水流向盐水层（Marine和Fritz,1981）。但是，问题是在哪种特别的盆地中薄膜渗滤作用产生了高矿化度的卤水。路易斯安娜南部海湾沿岸从静水压力带向超压带过渡之处，存在最大的天然的流体压力梯度。由于该过渡带通常出现在泥页岩层内，这应该是薄膜渗滤产生卤水的最佳环境（Hanor,1994），实际上已被认为是薄膜过滤形成卤水的典型实例（Graf,1982）。但是，80年代中期以来，卤水形成于泥页岩薄膜过滤作用的理论已受到广泛质疑（Hanor,1982；Hanor,1984；Knauth和Beeunas,1986）。如果薄膜渗滤作用是路易斯安娜南部海湾沿岸水盐度的主要控制因素的话，那么通过深部超压层序，盐度应该降低（图4-7）。但事实上，盐度最大的水出现在高水压梯度和块状泥岩的上部。在压力过渡带和地静压力带，孔隙流体盐度随浓度增加而降低。尽管泥岩具有薄膜性质，但是，流体穿过超压带向上流动可通过裂缝孔隙和断层，而不是沉积物的基质孔隙，于是薄膜作用失效了（Hanor,1994）。密执根盆地泥盆系卤水也已被重新认定为蒸发成因（Wilson和Long,1993）。
图4-7 路易斯安娜南部海湾沿岸水头和盐度的垂向变化
（据Hanor,1994）
a.水头；b.若存在薄膜渗滤作用，盐度相应变化；c.实际盐度变化
如果存在薄膜渗滤作用，那么水化学还具有以下特点：残余卤水Ca、Sr、Ba浓度应同时增大，Mg降低，即Ba/Mg比值升高；Br/Cl比值随Cl浓度的增高而增大；Rb/Li比值与Ca/Na正相关；低pH值条件下，B应易于通过薄膜；重同位素D、18O、11B相对各自轻组分残留下来。得克萨斯南部渐新统Frio组富Ca地层水不具有以上特征，被认为不是薄膜渗滤作用的结果（Land,1995）。迄今还未发现形成于薄膜过滤作用的卤水实例（Hanor,1994）。
塔里木盆地石炭系地层水δD随Cl浓度增大而略有增大，与薄膜渗滤效应吻合。但是，其他相关图中均无类似的效应存在。δ18O、Br均不随Cl浓度或盐度的升高而增大。相反，1000Br/Cl大体上却随1000/Cl的增大而升高，即随Cl增高而降低。Sr/Li比值也并不随Ca/Na比值的增大而增大（图4-8）。而1000Br/Cl比值小于2时，Cl浓度多高于50000mg/L，多为成岩改造成因；1000Br/Cl大于2时，1000Br/Cl反而大体上随1000/Cl的增大而升高。高的Br/Cl比值、低Cl含量被认为与淡水混合作用有关（Egeberg和Aagaard,1989）。盆地中油田水pH值多为5～7，为弱酸性—中性。由于气体逸散等原因，地表实测的pH值与地下相差甚远；而利用国际上著名的水-岩相互作用软件SOLMINEQ.88模拟计算的地下储层温度下地层水的pH值多为3～6（蔡春芳等，1997c），B以中性的HBO3产出。较低的原子半径、且呈中性的B应优先通过水膜，B浓度应随Cl含量的降低而降低（Land,1995）。图4-7中B-Cl关系未能显示明显的这种相关关系。油田水主要阳离子三角图所显示的低镁含量是由白云石和绿泥石的沉淀引起的。
图4-8 石炭系地层水Sr/Li与Ca/Na比值，δD、δ18O、B、Br/Cl与Cl浓度的关系
综上所述，塔里木盆地油田水Sr/Li不随Ca/Na比值的增大而增高，δ18O、B含量、Br/Cl比值也未显示与Cl的浓度存在相关关系。这些特征显示薄膜渗滤作用可能不是控制塔里木盆地油田水成因的主要因素。δD总体上随Cl浓度的升高而增大，可能还受其他因素控制。
二、水-岩反应
溴含量主要受沉积环境和蒸发浓缩作用的控制。在海水蒸发过程中耗溴仅发生在钾盐与镁盐沉淀以后（Hoister,1979）。目前尚未发现卤水的任何耗溴机制。尽管Kozin（1960）和Krejci-Graf（1963）提出溴和氯可因离子交换而吸附到粘土表面的理论，然而，较多的溴因离子交换而消耗似乎不太可能（Wilson等，1993），这意味着溴浓度反映了蒸发浓缩作用的程度。那么溴与各种离子相对于海水蒸发曲线的位置可用于反映各种离子的富集或贫乏，进而就可提供矿物溶解-沉淀及油田水化学演化信息。
图4-9 塔里木盆地油田水Br浓度与5种离子浓度的关系
塔里木盆地石炭系、三叠系和第三系油田水中Br浓度与5种离子浓度的关系见图4-9。CF/Br（CF=Ca+Mg+Sr-SO4-HCO3）（meq/L）关系图（图4-9E）显示油田水比蒸发海水富双价阳离子而贫
、
反映双价阳离子参与了较强的成岩改造作用。具体的水-岩反应类型如下。
1.盐类矿物的溶解
Cl-Br关系图（图4-9A）表明，除TZ4井以外，所有油田水点都在海水蒸发曲线上方，比蒸发海水富Cl。一般认为，富氯油田水主要应是由岩盐矿物溶解造成的。在距盐丘100m以上（Bjφrlyke和Gran,1994）至3km（Hanor,1994）的距离内，溶解的Cl-通过扩散或平流作用仍可使油田水氯离子浓度上升，并随距离增大而减少。盆地内石炭系乡1井打到盐拱，满参1井钻遇膏盐层，说明盐类的溶解应是富氯油田水的主要成因。
在Cl-Br关系图蒸发曲线下方，贫氯油田水可因岩盐重结晶（Land等，1981；Stoessell和Carpenter,1986）而形成，但只有在水/岩体积比高于5的条件下，岩盐重结晶才产生较多的溴（Stoessell和Carpenter,1986），而这些条件在储集岩中很难得到满足。贫氯油田水应主要是受淡水混合改造后的结果。塔中4号构造TZ4井石炭系油田水具有明显的贫氯特征，反映受到过淡水的混合改造。这与氢、氧同位素分析结果一致。
2.铝硅酸盐矿物的溶解与沉淀
Ca-Br关系图（图4-9B）表明，所有油田水均比蒸发海水富钙。碳酸盐胶结物、石膏、沸石溶解、长石酸性淋滤和方解石白云化，都可引起油田水中Ca的富集。石炭系储集砂岩岩石学观察表明，除未见沸石溶解外，其他成岩现象均可见到。但是，以长石酸性淋滤最常见，被认为是Ca的主要来源。
Sr-Br关系图（图4-9D）显示油田水具有相对富Sr的特征。富Sr可由文石（Sr含量较高）转化为方解石（Sr含量低）所致，也可由天青石（SrSO4）溶解造成。但是在岩石薄片观察中，尚未见到较多的天青石矿物，更没有其溶解证据。Land和Macpherson（1992）研究墨西哥湾沉积盆地新生界储层时，发现溶解200cm3斜长石可提供500mgSr。斜长石溶解被认为是油田水中Sr的一种主要来源。
3.白云石化作用与方解石溶解作用
Mg-Br关系图（图4-9C）显示绝大多数油田水具有贫Mg的特征，与阳离子三角图所示一致。贫Mg、富Ca油田水应是方解石的白云石化造成的。
2CaCO3+Mg2+=CaMg（CO3）2+Ca2+
此外，包壳状、充填状含镁绿泥石的形成也可使油田水中镁浓度降低。
总之，沉积水的蒸发浓缩作用、膏盐类矿物的溶解作用、白云石化作用、特别是长石与碳酸盐胶结物的溶解-沉淀反应，对塔里木盆地油田水的化学演化有重要影响。
60年代～80年代早期，泥页岩薄膜渗滤作用被提出，用来解释贫蒸发岩地层中卤水的成因。如伊利诺斯盆地缺乏蒸发岩，而卤水矿化度却高达10000mg/L以上，这被认为是薄膜渗滤作用的结果（Graf等，1966）。通过薄膜渗滤形成卤水的过程，被认为是在压实作用诱发的压力驱动下，地层水通过半渗透的泥页岩水膜的过程（Graf等，1982）。不带电荷的组分及半径小的、一价的离子比半径大的、双价离子优先通过，而导致残余卤水富Ca、富Br、富Cl（Kharaka和Berry,1973）。尽管在盆地压实过程中，沉积水会部分散失，但是海水和盐溶组分因薄膜过滤而残留下来。可以预计，随薄膜渗滤作用的进行，在泥页岩薄膜一侧的孔隙流体由于穿层流动和阴阳离子选择性的渗滤作用，而部分浓缩或改变了水组分。正因此密执根盆地卤水才具有高达200000～400000mg/L以上的总矿化度（Clayton等，1966；Graf等，1966）。
大量的实验已证实，泥页岩可表现出半渗透薄膜性质（Demir,1988）。其他证据也显示半渗透泥页岩可导致水的渗流，即从淡水流向盐水层（Marine和Fritz,1981）。但是，问题是在哪种特别的盆地中薄膜渗滤作用产生了高矿化度的卤水。路易斯安娜南部海湾沿岸从静水压力带向超压带过渡之处，存在最大的天然的流体压力梯度。由于该过渡带通常出现在泥页岩层内，这应该是薄膜渗滤产生卤水的最佳环境（Hanor,1994），实际上已被认为是薄膜过滤形成卤水的典型实例（Graf,1982）。但是，80年代中期以来，卤水形成于泥页岩薄膜过滤作用的理论已受到广泛质疑（Hanor,1982；Hanor,1984；Knauth和Beeunas,1986）。如果薄膜渗滤作用是路易斯安娜南部海湾沿岸水盐度的主要控制因素的话，那么通过深部超压层序，盐度应该降低（图4-7）。但事实上，盐度最大的水出现在高水压梯度和块状泥岩的上部。在压力过渡带和地静压力带，孔隙流体盐度随浓度增加而降低。尽管泥岩具有薄膜性质，但是，流体穿过超压带向上流动可通过裂缝孔隙和断层，而不是沉积物的基质孔隙，于是薄膜作用失效了（Hanor,1994）。密执根盆地泥盆系卤水也已被重新认定为蒸发成因（Wilson和Long,1993）。
图4-7 路易斯安娜南部海湾沿岸水头和盐度的垂向变化
（据Hanor,1994）
a.水头；b.若存在薄膜渗滤作用，盐度相应变化；c.实际盐度变化
如果存在薄膜渗滤作用，那么水化学还具有以下特点：残余卤水Ca、Sr、Ba浓度应同时增大，Mg降低，即Ba/Mg比值升高；Br/Cl比值随Cl浓度的增高而增大；Rb/Li比值与Ca/Na正相关；低pH值条件下，B应易于通过薄膜；重同位素D、18O、11B相对各自轻组分残留下来。得克萨斯南部渐新统Frio组富Ca地层水不具有以上特征，被认为不是薄膜渗滤作用的结果（Land,1995）。迄今还未发现形成于薄膜过滤作用的卤水实例（Hanor,1994）。
塔里木盆地石炭系地层水δD随Cl浓度增大而略有增大，与薄膜渗滤效应吻合。但是，其他相关图中均无类似的效应存在。δ18O、Br均不随Cl浓度或盐度的升高而增大。相反，1000Br/Cl大体上却随1000/Cl的增大而升高，即随Cl增高而降低。Sr/Li比值也并不随Ca/Na比值的增大而增大（图4-8）。而1000Br/Cl比值小于2时，Cl浓度多高于50000mg/L，多为成岩改造成因；1000Br/Cl大于2时，1000Br/Cl反而大体上随1000/Cl的增大而升高。高的Br/Cl比值、低Cl含量被认为与淡水混合作用有关（Egeberg和Aagaard,1989）。盆地中油田水pH值多为5～7，为弱酸性—中性。由于气体逸散等原因，地表实测的pH值与地下相差甚远；而利用国际上著名的水-岩相互作用软件SOLMINEQ.88模拟计算的地下储层温度下地层水的pH值多为3～6（蔡春芳等，1997c），B以中性的HBO3产出。较低的原子半径、且呈中性的B应优先通过水膜，B浓度应随Cl含量的降低而降低（Land,1995）。图4-7中B-Cl关系未能显示明显的这种相关关系。油田水主要阳离子三角图所显示的低镁含量是由白云石和绿泥石的沉淀引起的。
图4-8 石炭系地层水Sr/Li与Ca/Na比值，δD、δ18O、B、Br/Cl与Cl浓度的关系
综上所述，塔里木盆地油田水Sr/Li不随Ca/Na比值的增大而增高，δ18O、B含量、Br/Cl比值也未显示与Cl的浓度存在相关关系。这些特征显示薄膜渗滤作用可能不是控制塔里木盆地油田水成因的主要因素。δD总体上随Cl浓度的升高而增大，可能还受其他因素控制。
二、水-岩反应
溴含量主要受沉积环境和蒸发浓缩作用的控制。在海水蒸发过程中耗溴仅发生在钾盐与镁盐沉淀以后（Hoister,1979）。目前尚未发现卤水的任何耗溴机制。尽管Kozin（1960）和Krejci-Graf（1963）提出溴和氯可因离子交换而吸附到粘土表面的理论，然而，较多的溴因离子交换而消耗似乎不太可能（Wilson等，1993），这意味着溴浓度反映了蒸发浓缩作用的程度。那么溴与各种离子相对于海水蒸发曲线的位置可用于反映各种离子的富集或贫乏，进而就可提供矿物溶解-沉淀及油田水化学演化信息。
图4-9 塔里木盆地油田水Br浓度与5种离子浓度的关系
塔里木盆地石炭系、三叠系和第三系油田水中Br浓度与5种离子浓度的关系见图4-9。CF/Br（CF=Ca+Mg+Sr-SO4-HCO3）（meq/L）关系图（图4-9E）显示油田水比蒸发海水富双价阳离子而贫
、
反映双价阳离子参与了较强的成岩改造作用。具体的水-岩反应类型如下。
1.盐类矿物的溶解
Cl-Br关系图（图4-9A）表明，除TZ4井以外，所有油田水点都在海水蒸发曲线上方，比蒸发海水富Cl。一般认为，富氯油田水主要应是由岩盐矿物溶解造成的。在距盐丘100m以上（Bjφrlyke和Gran,1994）至3km（Hanor,1994）的距离内，溶解的Cl-通过扩散或平流作用仍可使油田水氯离子浓度上升，并随距离增大而减少。盆地内石炭系乡1井打到盐拱，满参1井钻遇膏盐层，说明盐类的溶解应是富氯油田水的主要成因。
在Cl-Br关系图蒸发曲线下方，贫氯油田水可因岩盐重结晶（Land等，1981；Stoessell和Carpenter,1986）而形成，但只有在水/岩体积比高于5的条件下，岩盐重结晶才产生较多的溴（Stoessell和Carpenter,1986），而这些条件在储集岩中很难得到满足。贫氯油田水应主要是受淡水混合改造后的结果。塔中4号构造TZ4井石炭系油田水具有明显的贫氯特征，反映受到过淡水的混合改造。这与氢、氧同位素分析结果一致。
2.铝硅酸盐矿物的溶解与沉淀
Ca-Br关系图（图4-9B）表明，所有油田水均比蒸发海水富钙。碳酸盐胶结物、石膏、沸石溶解、长石酸性淋滤和方解石白云化，都可引起油田水中Ca的富集。石炭系储集砂岩岩石学观察表明，除未见沸石溶解外，其他成岩现象均可见到。但是，以长石酸性淋滤最常见，被认为是Ca的主要来源。
Sr-Br关系图（图4-9D）显示油田水具有相对富Sr的特征。富Sr可由文石（Sr含量较高）转化为方解石（Sr含量低）所致，也可由天青石（SrSO4）溶解造成。但是在岩石薄片观察中，尚未见到较多的天青石矿物，更没有其溶解证据。Land和Macpherson（1992）研究墨西哥湾沉积盆地新生界储层时，发现溶解200cm3斜长石可提供500mgSr。斜长石溶解被认为是油田水中Sr的一种主要来源。
3.白云石化作用与方解石溶解作用
Mg-Br关系图（图4-9C）显示绝大多数油田水具有贫Mg的特征，与阳离子三角图所示一致。贫Mg、富Ca油田水应是方解石的白云石化造成的。
2CaCO3+Mg2+=CaMg（CO3）2+Ca2+
此外，包壳状、充填状含镁绿泥石的形成也可使油田水中镁浓度降低。
总之，沉积水的蒸发浓缩作用、膏盐类矿物的溶解作用、白云石化作用、特别是长石与碳酸盐胶结物的溶解-沉淀反应，对塔里木盆地油田水的化学演化有重要影响。
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