爱华网第83卷 第8期2009年8月83 No.8
地 质 学 报 ACTAGEOLOGICASINICA Vol.
Aug. 2009
沉积盆地地下水与油气成藏2保存关系
楼章华
1,2)
,朱蓉
1,2)
,金爱民
1,2)
,李梅
1)
1)浙江大学水文与水资源工程研究所,2)内容提要::;②大气水下渗向心流;③(层间)越流、越流2蒸发泄水和④滞流4,发育向心流,中央凹陷,,,发育越流泄水。沉积盆。在离心流和向心流流动过程中,地下水浓缩、盐化,、高盐化地下水。泥岩压实离心流是沉积盆地油气运移的主要动力之一,在地,由于岩性、地层、断层等圈闭使得部分油气在运移过程中聚集;在地下水越流泄水过程—富集;在向心流推进过程中,早期聚集的油气可能部分被破坏,此外也可能在特定的地质条件下形成水动力和部分岩性、地层、断层油气藏。
关键词:油田地下水化学;油田地下水动力;油气成藏动力学;油气保存条件
含油气沉积盆地地下水动力学是涉及水文地质学和石油地质学的交叉学科。从水文地质角度分析,沉积体系中的烃源岩和油气总是与地下水伴生,地下水是油气生成、运移、聚集的动力和载体,油气成藏是
地下水在地史进程中循环活动的产物(汪藴璞等,1995)。Munn于1909年最先提出了“油气聚集的水(Munn,1909)。Rich(1921)认为,在泄水区,力学说”
自由水或结合水的排出,也是地下水流动的主要动力
之一(Chiarelli,1978;Magara,1978;Hunt,1990;Bredehoeftetal.,1994;Leeetal.,1994;Sorenson,2005)。杨绪充(1989)则初步总结了陆相含油气沉积
盆地地下水动力场的基本特征。楼章华等(1998)从盆地流体历史的角度分析了含油气沉积盆地地下水动力、水化学之间的成因联系。地下水动力场的演化决定了油气的运移、聚集、保存或破坏,是石油地质与工程重要的研究内容(Bachu,1995;楼章华等,1997,2001,2003,2005,2006a,2006b;金爱民等,2002,2003,2006;朱蓉等,2003,2006;Louetal.,2004)。但是,油
背斜或其他的构造可以成为来自各个方向地层流体(包括油气)汇集的中心,因而成为油气聚集的位置(Rich,1921)。Hubbert在1940年第一次出版了关于
地下水运动理论的经典著作,并用精确的数学术语论述了开阔盆地中地下水的流动(Hubbert,1940)。目前的研究表明,沉积盆地流体的驱动力主要为压实驱动、重力驱动和密度(热对流)驱动3种机制,其中以前两者为主。重力驱动流动亦称地形驱动流动,是以海拔以上,并以地下潜水面为基准面,由流体静压头驱动的大气水进入沉积盆地的流动。重力是大气水流动的主要动力。Tóth(1963,1978,1980,1999)在重力作用下的地下水流动模式方面做了大量的研究工作。压实驱动流动是在压实作用和剩余压力的作用下发生的流体流动,流动的实质是压实和成岩过程中
田水文地质学一直是石油地质学领域十分薄弱的环节,有关含油气沉积盆地地下水动力学及其与油气田形成、分布方面的研究也有待进一步深入。本文总结了含油气沉积盆地地下水动力、水化学场的基本特征,以及与油气成藏2保存的基本关系。
1 沉积盆地地下水动力场基本特征
1.1 理想沉积盆地地下水动力场模式与局部水动
力单元类型
含油气沉积盆地地下水动力场的理想模式可以
注:本文为国家自然科学基金重点项目(编号40839902)资助成果。收稿日期:2009202206;改回日期:2009206207;责任编辑:周健。
作者简介:楼章华,男,1963年生。教授,主要从事含油气沉积盆地地下流体化学2动力学、油气成藏2保存等方面研究。通讯作者:朱蓉,通讯地址:310058,杭州市浙江大学紫金港校区安中大楼水文所;Email:zhurong@zju.edu.cn。
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第8期楼章华等:沉积盆地地下水与油气成藏-保存关系1189
归纳为两种,即对称型和不对称型(图1)。松辽盆地属典型的不对称型,具有北部大气水下渗补给形成向心流,盆地中央凹陷区泥岩压实水形成离心流和南部越流2蒸发泄水的总体特征(楼章华等,2001)
。
小组合(楼章华等,2005)。水动力体系以盆地的凹陷为中心,以盆地边缘或相邻的隆起脊线为边界,从水动力体系的边缘往凹陷中心方向,依次发育大气水下渗向心流和(或)越流、离心流,并且两个凹陷之叠性(楼章华等,2005)。,发育了1、2两,,
。
图1 理想沉积盆地地下水动力场模式
(据楼章华等,2001)
Fig.1 Theoreticalmodelsofhydrodynamicsforsedimentarybasins(fromLouZhanghuaetal.,2001)
图2 沉积盆地局部水动力单元与水动力体系
关系示意图(据楼章华等,2005)
Fig.2 Sketchmapoftherelationshipbetweenlocalhydrodynamicunitsandhydrodynamicsystem
(fromLouZhanghuaetal.,2005)
含油气沉积盆地地下水动力场可以划分为:①泥
岩压实水离心流;②大气水下渗向心流(Tóth,1978;杨绪充,1989);③(层间)越流、越流2蒸发泄水(Tóth,1978)和④滞流(杨绪充,1989)4种局部水动力单元类型。离心流区以泥岩发育和砂泥比低为特征。离心流区的地层压力以高压为主,在离心流方向上,压力系数呈不规则环状降低。地下水被泥岩压实排出水交替。由于地形差,或地下地层内部能量降低,从盆地边缘和隆起剥蚀区,在重力势能作用下大气水下渗,发育大气水下渗向心流。越流泄水总体上由盆地深部流向浅部和地表,泄水方式包括越流泄水和蒸发泄水。随着埋深的增加,蒸发泄水作用减弱。越流泄水是埋藏较深层段的主要泄水方式。在地下水动力场的演化过程中,由于地层的埋深增加,泥岩压实排水枯竭,大气水下渗受阻,又处于相对封闭状态,可能会出现暂时性的滞流现象。1.2 沉积盆地地下水水动力体系
水动力体系与油气藏的形成、油气水组合是密
切相关的,它们是在同一系统中存在的两个方面,前者是烃类运移、聚集、形成油气藏的重要因素,而后者是水动力体系在地质历史过程中不断活动的结果,两者互为条件、依存。因此,划分水动力体系是十分必要的,这个问题直接关系到能否客观地揭示地下水动力史及其与油气藏形成、变迁以及两者之间规律性联系的问题(楼章华等,2005)。
2 沉积盆地水文地质旋回与幕式油气
运移
沉积盆地的构造2沉积史控制了古水文地质的旋回性(程汝楠,1991;楼章华等,2001)。一个水文地质旋回分为两个阶段,即沉积水文地质阶段,为泥岩压实水离心流发育阶段;渗入水文地质阶段,为大气水下渗向心流发育阶段。前者包括从区域沉降和
水动力体系是指具有完整独立的流体供、排系统在成因上有紧密联系的几个局部水动力单元的最
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1190地 质 学 报2009年
水侵开始,并发生沉积作用和埋藏沉积水的整个时期;后者是当区域隆起、水退、含水岩石遭受剥蚀并
发生大气水的渗入形成渗入水的整个时期。离心流是沉积盆地油气运移的主要动力之一,沉积埋藏离心流阶段是沉积盆地油气运移的主要阶段。通常含油气沉积盆地历经多个水文地质旋回,决定了油气的运移和聚集具有明显的阶段性和多期性(杨万里等,1985;王志武等,1993)。这种运移模式导致在一个独立的水动力体系中阶梯式—规律(楼章华等,2005)律;油气,如果盆地沉积盖层中,对天然气的封闭能力则较弱,加上天然气渗透能力强,使得天然气侧向运移距离大,通常在越流泄水区漏失,局部聚集成藏。从而导致油主要分布在离心流区、越流泄水区,气分布在越流泄水区,向心流区为水区的油环在内气环在外的“油心、气环、水盆边”的油气水总体分布规律。可以这样认为,油气的阶梯式—环带状分布应该以沉积凹陷控制的包括部分相邻三级构造单元的具有相对独立的水动力体系为基本单元。对于具有多个沉积凹陷的盆地,油气的分布是由多个环带复合而成,油气阶段式运移和环带状分布无论是在指导新区突破还是在老区挖潜中都具有重要的意义。
等,2001)。大气水下渗补给包括大气降水补给和河水渗漏补给。大气水的继承性下渗使得地下水的矿化度、Na+、Cl-浓度低,脱硫作用彻底。在流动过程中渗滤浓缩,矿化度、Na+、Cl-浓度和盐化系数增加。温度和地温梯度。,,处于越,地下水浓缩;在古,由于局部和间断性的大气水下渗作用,地下水被淡化,保留了相对低矿化度的化学特征。3.3 越流泄水区水化学特征
大气水下渗和泥岩压实排水都给渗透层提供了地下水,只有通过泄水才能保持物质平衡。地下水在越流过程中压滤—蒸发浓缩。与侧向流动相比较,在越流过程中,地层流体压力下降速度较快,地下水产生压滤浓缩作用。所谓压滤浓缩作用可以利用反渗透原理进行解释,即在越流过程中,由于地层流体压力的快速下降,盐类富集在压力高的层段,而经过压滤渗出的水,盐类的浓度降低。因此,在越流过程中,地下水发生了较强烈的浓缩作用,矿化度、Na+、Cl-浓度和盐化系数相对较高。
4 地下水动力场、水化学场及压力场
关系
压实离心流区以泥岩发育和砂泥比低为特征,沉积盆地的沉积中心泥岩厚度大,孔隙水含量高,随着埋藏、压实作用,发育局部异常高压。因此,压实离心流区的地层压力以高压为主,在离心流方向上,压力系统呈不规则环状降低。压实离心流呈放射状由凹陷中心的高势区指向凹陷边缘的低势区。盆地边缘重力诱导形成大气水下渗向心流区(Tóth,1978),连通性好,孔隙水供排基本平衡,除大气水下渗区有低压现象外,以正常地层压力为主。越流泄水区,地层压力系数以正常压力为主,介于向心流区和离心流区之间(表1)。
沉积盆地的水动力场具有明显的分割性———即存在局部水动力单元。不同的局部水动力单元具有不同的孔隙水来源和不同的孔隙水化学性质。另外,不同的局部水动力单元具有不同的孔隙流体供排系统,孔隙流体的供排系统决定了地层压力场的分布规律(Bredehoeftetal.,1994)。
地层压力场、水化学场是水动力场演化的结果,
3 不同水动力单元地下水化学特征
3.1 泥岩压实水离心流区水化学特征
压实离心流区以泥岩发育和砂泥比低为特征,
压实离心流呈放射状由凹陷中心的高势区指向凹陷边缘的低势区。地下水被泥岩压实排出水交替,矿化度、Na+、Cl-浓度相对较低,盐化系数较小,形成了矿化度、Na+、Cl-浓度和盐化系数盆心低值区;
--CO2+HCO3-、SO2浓度和变质系数、脱硫系数34
--大,形成了CO2+HCO3-、SO234浓度和变质系数、脱硫系数盆心高值区。在离心流方向上,地下水的-矿化度、Na+、Cl-浓度和盐化系数升高;CO2+3-HCO3-、SO2脱硫系数降低。4浓度和变质系数、
3.2 大气水下渗向心流区水化学特征
盆地边缘或盆内隆起剥蚀区,由于地形差,或地下地层内部能量降低,如松辽盆地十屋断陷的天然气漏失作用,促使大气水在重力作用下,从盆地边缘或隆起剥蚀区下渗,发育大气水下渗向心流(楼章华
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第8期楼章华等:沉积盆地地下水与油气成藏-保存关系表1 水动力场、水化学场、压力场与油气成藏2保存关系
Table1 Therelationshipbetweenhydrodynamicsandpressures,waterchemistry,accumulationandpreservation
局部水动力单元类型
1191
油气成藏2保存基本特征
压实水离心流由盆地沉降中心较深部位流向边缘或浅部
动力,促进油气运移,富有活力沉积水、成岩水(异常)高压、正常压力大气水下渗向心流由盆地边缘向盆地中心方向局部渗入
阻力,,减缓油气漏失大气水
,大气水下渗作用淡化,形成相对低值区,向心流方向上浓度增大
相对低值区,向心流方向上增大相对高值区水动力圈闭油气藏岩性油气藏
规模小,油气漏失严重缺乏侧向封堵
大气水下渗冲刷差-极差浮力
向心流过程中可能导致油气藏部分破坏,可能形成水动力圈闭
离心流叠合越流泄水
越流泄水区
向心流与离心流
汇合越流泄水区
方向
水动力
对油气运移的作用
水来源压力类型主控因素
,,,阻止油气运移,减
地层流体压力
缓油气漏失
沉积水、成岩水、大气水正常压力流体供排基本平衡
地下水化学指示意义
矿化-浓度
区,大
相对低值区,离心流方向上增大相对高值区岩性油藏断层油藏规模中等—小
异常高压,导致断层封闭性减弱中-较好弹性势能、浮力
离心流过程中由于岩性、地层等圈闭使部分油气聚集成藏
越流过程中浓缩,形成高值区,流动方向上浓度增大
高值区,流动方向上增大低值区背斜油气藏
断层油气藏
规模大,有利于油气大量富集
无直接破坏因素好-很好弹性势能、浮力
越流过程中浓缩,形成相对高值区,流动方向上浓度增大
相对高值区,流动方向上增大相对低值区地层油气藏
岩性油气藏
规模中等,油气藏部分遭受破坏
间断性大气水下渗破坏作用较好
盐化系数变质系数脱硫系数
成藏条件
主要油气藏类型油气富集程度破坏因素分级评价运移动力油气聚集机理
保存条件
油气运聚
越流泄水过程中有利于油气大量聚集、成藏
水动力场的形成、演化是控制水化学场、地层压力场形成、演化的关键因素,从而使得局部水动力单元的分区界线与水化学场、地层压力场的分区界线一致
(Bredehoeftetal.,1994)。
控制(楼章华等,1998)。沉积盆地地下水动力场的形成与演化也控制了油气的运移、聚集规律。在油气运移过程中,所受的力包括水动力、浮力和毛细管力(吴保祥等,2008)。其中毛细管力是一种阻力,不会促使油气运移。只有在克服了毛细管力和(成为阻力时的)浮力或水动力后,油气才能运移,否则就处于相对静止状态(李明诚,1994)。
从流体动力学的角度分析,油气可以在不同的局部水动力环境中聚集(Tóth,1978)。油气的运移、聚集与地下流体动力场的分布规律有密切联系。油气的运移、聚集与离心流及其末端越流泄水区紧密相关。离心流的强度、泄水区的位置、圈闭位置以及岩性、岩相和构造在空间上的组合关系决定了油气在离心流—越流泄水过程中的聚集位置。泥岩压实排水离心流是沉积盆地油气运移的主要动力之一。在泥岩压实排水离心流过程中,油气在弹性势能、浮力的共同作用下,由于岩性、地层等圈闭使部
5 地下水动力场、水化学场与油气成
藏2保存关系
从水文地质角度分析,沉积体系中的烃源岩和油气总是与地下水伴生,地下水是油气生成、运移、聚集的动力和载体,油气成藏是地下水在地史进程
中循环活动的产物(汪蕴璞等,1995)。地下水动力场、水化学场分布与油气成藏、保存关系密切。5.1 地下水动力场与油气成藏2保存关系
区域大地构造背景决定了沉积盆地的发展与演化。含油气沉积盆地水动力场的形成、演化是沉积盆地演化在孔隙流体中的综合反映,它直接受盆地地貌、水文网、沉积环境、构造性质及它们演化史的
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