地层水是地下流体的重要组成部分，在含油气盆地中，地层水是油气藏流体系统中不可或缺的组成部分^[1-4]，在油气生成、运移和聚集的过程中，以不同形式与油气共存于地下岩石孔隙中，其化学特征及分布规律是盆地演化过程中多种地质作用的综合反映^[5]。利用微量元素和稳定同位素分析地层水来源及其地球化学演化趋势，以及应用地层水地球化学指标来推断储层的水—岩作用类型是地层水研究的一个方面^[6-8]。地层水的化学组成及特征可直接或间接指示沉积盆地流体系统的开放性和封闭性，以及不同程度地反映油气聚集、保存条件^[9-13]。本次研究系统收集了鄂尔多斯盆地姬塬地区319个预探井和评价井长6油层组的地层水测试分析资料，研究了地层水特征及成因，探讨了地层水与油藏聚集保存的关系。

姬塬地区位于鄂尔多斯盆地西北部，横跨伊陕斜坡和天环坳陷两个构造单元（图 1），中生界主要发育三叠系延长组和侏罗系延安组两套含油层系^[14-16]。姬塬地区成藏条件优越，纵向上多层系复合含油^[17]，截至2016年底，在延安组和延长组长9、长8、长7、长4+5等油层组已探明石油地质储量达16×10⁸t，发现了多层系复合含油的姬塬大油田。近年来，关于姬塬地区多层系复合成藏地质条件开展了众多研究^[17-20]，认为该区不但在已探明地质储量的油层组具有较大勘探潜力，同时研究认为长6油层组也具备形成规模油藏富集的地质条件，勘探证实在长6油层组也发现了多个油藏富集区。

图 1

图 1 鄂尔多斯盆地构造区划及研究区位置图

姬塬地区长6油层组厚度为120~130m^[17]，为进一步细化对该层的研究，依据沉积旋回将长6油层组自下而上划分为长6₃、长6₂和长6₁共3段，其地层厚度分别主要为40~45m、35~40m和40~45m。受西北阿拉善古陆和北部阴山古陆的控制，长6油层组主要发育三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相沉积，分流河道砂体和水下分流河道砂体是主要的储集体。岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩，填隙物以高岭石、绿泥石和铁方解石为主，填隙物含量西部和中部较东部稍高，纵向上自长6₃段到上部的长6₁段，填隙物含量呈降低的趋势。长6油层组3段中均有多口井获得了工业油流，其中以上部的长6₁段工业油流井最多，在姬塬西部和东部地区均落实了规模油藏富集，但也有多口井试油产水，未获得油流，出水井呈带状或与油流井间互分布，平面油水关系复杂。为了更加细致地对比分析，根据研究区长6₁段沉积期主要受西北和东北两大物源体系控制，西部区域和东部区域的沉积砂体分别受西北和东北沉积体系控制，中部区域砂体受两大体系的共同控制，为混源沉积区，并结合出油井和出水井的总体分布趋势及特征，将研究区自西向东依次划分为西部、中部和东部区域（图 2），其中西部区域试油以出纯油井为主，少量为油水同出井和出水井；中部区域试油主要以出水井为主，出油井较少；东部区域试油以油水同出井为主，部分为纯油井和出水井。

图 2

图 2 姬塬地区长61段勘探成果图

地层水类型是反映油气运聚与保存条件的重要因素^[21]。苏林在对比和分析了现代大陆水和海水化学成分特性的基础上，根据水中主要阴离子、阳离子彼此间化学亲和力的强弱顺序将地层水划分为CaCl₂、MgCl₂、NaHCO₃和Na₂SO₄等4种类型^[22-24]。地表水或浅层地下水矿化度比较低，主要是Na₂SO₄型地层水，表示裸露或严重破坏的地质构造；深层地层水矿化度最高，主要是CaCl₂型地层水，表示与地表隔绝良好的封闭构造；两者之间一般是MgCl₂型地层水，矿化度在两者之间；而过渡性的构造条件，常有硫酸盐还原菌存在，硫酸盐与石油烃类作用而脱硫形成NaHCO₃型地层水^[11]，在浅层和深层均可存在该水型，一般浅层矿化度低，深层矿化度则较高^[25]。

通过对姬塬地区长6油层组319个地层水资料进行分析，CaCl₂型地层水占分析样品总数的92.16%，其次有少量的MgCl₂型和Na₂SO₄型地层水，所占比例分别为5.33%和1.88%（图 3），地层水类型主要为CaCl₂型。按长6₃段（样品数43个）、长6₂段（样品数80个）和长6₁段（样品数196个）分别对地层水类型进行统计分析，CaCl₂型地层水所占比例分别为86.05%、95.00%和92.35%，MgCl₂型地层水所占比例分别为11.63%、3.75%和4.59%，Na₂SO₄型地层水所占比例分别为2.33%、1.25%和2.55%，NaHCO₃型地层水含量最少，所占比例分别为0、0和0.51%。长6油层组中上部的长6₁段和长6₂段，稳定的CaCl₂型地层水所占比例高于下部的长6₃段，不够稳定的MgCl₂型和Na₂SO₄型地层水所占比例低于长6₃段，表明长6₁段和长6₂段保存条件要好于下部的长6₃段。

图 3

图 3 姬塬地区长6油层组地层水类型分布直方图（左）和氯化钙型地层水类型分布直方图（右）

博雅尔斯基等通过钠氯系数研究^[23]，将CaCl₂型地层水进一步划分为5类。其中，钠氯系数大于0.85的为Ⅰ型，0.75~0.85的为Ⅱ型，0.65~0.75的为Ⅲ型，0.50~0.65的为Ⅳ型，小于0.50的为Ⅴ型，钠氯系数越小，保存条件越好^[10]。依据此分类，长6油层组主要为CaCl₂Ⅴ型和Ⅳ型地层水，所占比例分别为45.73%和50.85%，说明研究区长6油层组封闭条件总体非常好，地层条件有利于油藏的保存。

姬塬地区长6油层组地层水主要离子组成为Ca²⁺、K⁺+Na⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2-和HCO₃^-等（表 1）。主要阴离子中，Cl^-含量最高，一般为海水的2倍多，长6₃段到长6₁段呈增高的趋势；SO₄^2-含量次之，主要分布于2954~3521mg/L，平均值为3101mg/L，是现今海水的1.15倍；HCO₃^-含量最低，主要分布在332~502mg/L，平均值为402mg/L（表 1）。主要阳离子中，K⁺+Na⁺含量最高，长6₃段、长6₂段和长6₁段K⁺+Na⁺平均含量分别为22161mg/L、22255mg/L和24336mg/L，呈逐渐增高的趋势，整个长6油层组K⁺+Na⁺含量平均值为23520mg/L，一般为海水的2倍；Ca²⁺含量次之，为海水的12倍之多；而Mg²⁺含量低于海水。长6油层组地层水主要阴离子、阳离子含量变化范围相对较小，反映了地层水的水—岩相互作用强度以及受后期改造程度差别不大。

表 1

表 1 姬塬地区长6油层组地层水主要化学成分表 层位 长61段 长62段 长63段 长6油层组 现今海水 Cl-/(mg·L-1) $\frac{4892\tilde{\ }90881}{48174\left( 195 \right)}$ $\frac{10087\tilde{\ }104039}{44992\left( 80 \right)}$ $\frac{6041\tilde{\ }81535}{42438\left( 43 \right)}$ $\frac{4892\tilde{\ }104039}{46598\left( 318 \right)}$ 19324 HCO3-/(mg·L-1) $\frac{54\tilde{\ }5236}{384\left( 144 \right)}$ $\frac{122\tilde{\ }5934}{502\left( 45 \right)}$ $\frac{59\tilde{\ }1345}{332\left( 27 \right)}$ $\frac{54\tilde{\ }5934}{402\left( 216 \right)}$ 150 SO42-/(mg·L-1) $\frac{3\tilde{\ }70856}{2954\left( 172 \right)}$ $\frac{6\tilde{\ }32915}{3220\left( 72 \right)}$ $\frac{10\tilde{\ }50706}{3521\left( 40 \right)}$ $\frac{3\tilde{\ }70856}{3101\left( 284 \right)}$ 2686 Ca2+/(mg·L-1) $\frac{95\tilde{\ }25587}{5586\left( 196 \right)}$ $\frac{124\tilde{\ }13287}{5264\left( 80 \right)}$ $\frac{413\tilde{\ }13059}{4392\left( 43 \right)}$ $\frac{95\tilde{\ }25587}{5344\left( 319 \right)}$ 420 Mg2+/(mg·L-1) $\frac{25\tilde{\ }6020}{841\left( 196 \right)}$ $\frac{75\tilde{\ }5848}{1049\left( 77 \right)}$ $\frac{4\tilde{\ }13892}{1237\left( 43 \right)}$ $\frac{4\tilde{\ }13892}{946\left( 316 \right)}$ 1317 K++Na+/(mg·L-1) $\frac{1600\tilde{\ }64242}{24336\left( 196 \right)}$ $\frac{4851\tilde{\ }54736}{22255\left( 80 \right)}$ $\frac{4416\tilde{\ }53172}{22161\left( 43 \right)}$ $\frac{1600\tilde{\ }64242}{23520\left( 319 \right)}$ 11044 矿化度/(g·L-1) $\frac{3\tilde{\ }151}{80\left( 151 \right)}$ $\frac{17\tilde{\ }180}{75\left( 79 \right)}$ $\frac{16\tilde{\ }170}{73\left( 43 \right)}$ $\frac{3\tilde{\ }180}{78\left( 317 \right)}$ 35 表中数据:$\frac{最小值\tilde{\ }最大值}{平均值\left( 样品个数 \right)}$。

表 1 姬塬地区长6油层组地层水主要化学成分表

地层水主要离子比例系数可以反映其所处的水文地球化学环境和水—岩相互作用强度^{[5, 10]}。一般常用的离子比例系数有钠氯系数（r_Na⁺/r_Cl^-）、脱硫酸系数（r_SO4^2-×100/r_Cl^-）和变质系数（r_Cl^--Na⁺/r_Mg²⁺）。现代海水的钠氯系数值大约为0.85，一般认为钠氯系数越小，地层水所处环境的还原性越强，越有利于油气的保存^[26-27]。脱硫酸系数表征脱硫酸作用的程度，作用完全时此系数为0，表明封闭程度好，水—岩作用强; 该系数为负值时，表明可能受到大气降水的影响^[28]。变质系数反映地层水的变质浓缩程度，如果该数值较小（一般小于0），说明地层水的封闭保存条件被破坏; 相反，该参数越大，表明变质作用和阳离子吸附交换作用越强，地层封闭程度越好，水—岩作用越强，油气保存条件越好^[29-31]。通过对姬塬地区长6油层组310余个地层水样品的离子比例系数统计，地层水钠氯系数平均值分布在0.49~0.53，远低于海水；脱硫酸系数平均值分布在5.8~7.2，均小于海水；变质系数平均值分布在40~51，均远高于海水（表 2），表明长6油层组现今地层水总体处于封闭环境，有利于油藏的保存。但各离子比例系数的分布范围相对较大，反映了不同地区地层水的水—岩相互作用强度以及受后期改造程度存在一定的差异，即油藏的保存环境和保存条件存在不同。

表 2

表 2 姬塬地区长6油层组地层水主要离子比例系数表 层位 长61段 长62段 长63段 长6油层组 现今海水 钠氯系数 $\frac{0.20\tilde{\ }0.99}{0.51\left( 194 \right)} $ $\frac{0.21\tilde{\ }0.85}{0.49\left( 80 \right)} $ $\frac{0.18\tilde{\ }0.93}{0.53\left( 43 \right)} $ $\frac{0.18\tilde{\ }0.99}{0.51\left( 317 \right)} $ 0.85 脱硫酸系数 $\frac{0.1\tilde{\ }35.5}{5.8\left( 160 \right)} $ $\frac{0.02\tilde{\ }30.7}{7.2\left( 71 \right)} $ $\frac{0.02\tilde{\ }30.0}{7.1\left( 38 \right)} $ $\frac{0.02\tilde{\ }35.5}{6.4\left( 269 \right)} $ 10.2 变质系数 $\frac{-0.17\tilde{\ }576}{51\left( 195 \right)} $ $\frac{4.3\tilde{\ }370}{40\left( 77 \right)} $ $\frac{2.3\tilde{\ }247}{41\left( 42 \right)} $ $\frac{-0.17\tilde{\ }576}{47\left( 314 \right)} $ 0.75 表中数据:$\frac{最小值\tilde{\ }最大值}{平均值\left( 样品个数 \right)}$。

表 2 姬塬地区长6油层组地层水主要离子比例系数表

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^[32]。在地层水常量组分保持相对不变的情况下，矿化度越高，表明其保存条件越好^[33]。

姬塬地区中生界地层水矿化度特征存在一定的差异，为了明确长6油层组矿化度与其上下部地层水矿化度数值间的相互作用，共收集整理了该区中生界1287个地层水样品的分析数据，统计分析后得出该区中生界地层水平均矿化度为58g/L，其中延安组平均矿化度为41g/L（172个样品），延长组平均矿化度为61g/L（1096个样品），延长组地层水矿化度高于延安组。延长组长1—长9油层组地层水平均矿化度分别为56gL、74g/L、78g/L、78g/L、78g/L、50g/L、30g/L、32g/L（图 4），矿化度整体较高。其中，长2油层组、长3油层组、长4+5油层组和长6油层组平均矿化度较高，分布在74~78g/L；长8油层组和长9油层组平均矿化度较低，分布在30g/L左右。长6₃段、长6₂段和长6₁段平均矿化度在延长组中均较高，分别为73g/L、75g/L和80g/L，表明其保存条件较好，且从长6₃段到长6₁段保存条件越来越好。

图 4

图 4 姬塬地区中生界地层水矿化度分布直方图

地层水化学特征反映了地层状况下成藏条件的优劣，其化学特征的变化反映了油气成藏环境的变化^[34]。在对油藏成藏保存条件的研究中，地层水矿化度、钠氯系数、脱硫酸系数、变质系数是常用的地层水化学系数^[35]。这些系数的变化，可指示油气的生成、运移及聚集成藏。

姬塬地区长6油层组地层水矿化度整体较高，但在纵向上和平面上仍存在一定的差异。为了更好地研究地层水矿化度与油藏之间的关系，在西部、中部和东部分区的基础上，对长6油层组的3个小段进行统计分析。自长6₃段到长6₁段，地层水矿化度呈升高趋势，勘探已发现的油藏富集程度也是自下而上越来越高，两者有一定的相关性。本文以平均矿化度最高、油藏最为富集的长6₁段为例对其进行研究。

长6₁段地层水平均矿化度为80g/L，其中西部区域、中部区域和东部区域的地层水平均矿化度分别为80g/L、74g/L和81g/L，平面上具有西部和东部高、中部稍低的特征（图 5）。对这3个区域的地层水矿化度分布进行统计（图 6a）可以看出：西部区域地层水矿化度分布频率高值区为70~90g/L和大于110g/L区间，其所占比例分别为28.26%和23.91%；中部区域地层水矿化度分布频率高值区为50~70g/L，所占比例为29.17%，在大于70g/L的区间中，其所占比例低于西部区域和东部区域；东部区域地层水矿化度分布频率高值区为70~110g/L，所占比例为60.40%，但大于110g/L的高值区所占比例最低，为13.86%。从已发现的油藏分布与地层水矿化度关系可看出，油藏主要分布在地层水平均矿化度较高、且高矿化度区间比例较大的西部区域和东部区域，而中部区域地层水矿化度相对较低，保存条件较差，出水井较多，油藏较少。但在中部地层水矿化度稍低的区域也会有一些出油井，在西部和东部高矿化度区域也有因成藏圈闭等因素未有效聚集油气而出水的井。这是因为总体的保存条件较好，在中部区域钻井过程中普遍可以见到含油显示，但中部区域砂体有可能是油气由西部向东部运移的通道，由于砂岩未有效遮挡而缺少有效圈闭，成藏圈闭条件相对较差，使得中部区域出水井居多。也正是基于这样的条件，通过对地层水矿化度在东部区域、中部区域和西部区域的微弱差别进行研究，发现中部区域的地层水矿化度总体略低于东部区域和西部区域，可见地层水矿化度越高的区域，越有利于油藏的保存和聚集。

图 5

图 5 姬塬地区长61段地层水矿化度与油藏分布关系图

图 6

图 6 姬塬地区长61段地层水矿化度及离子系数分布直方图

长6油层组地层水钠氯系数平均值为0.51，其中长6₃段、长6₂段和长6₁段的地层水钠氯系数平均值分别为0.53、0.49和0.51，整体差异性较小。同样以长6₁段为例，说明地层水钠氯系数与油藏之间的关系。西部区域、中部区域和东部区域长6₁段地层水钠氯系数平均值分别为0.49、0.52和0.51，具有西部和东部低、中部稍高的特点（图 7）。从地层水钠氯系数分区统计图中可以看出（图 6b），3个区域地层水钠氯系数主要分布区间均小于0.65，其中小于0.50的区间中，西部、中部和东部所占比例分别为48.94%、36.96%和40.59%；0.50~0.65分布区间中，东部区域所占比例最高，为54.46%，其次为中部区域，西部区域所占比例最低，为48.94%。地层水钠氯系数分布规律反映了西部区域保存条件好于东部区域，中部区域稍差，这与平面上西部区域出油井最多、东部区域次之、中部区域主要以出水井为主有很好的吻合性（图 7）。长6₁段地层水钠氯系数最小值为0.20，最大值为0.99（表 2），分布范围较大，反映了不同井点间其保存条件存在较为明显的差异，地层水钠氯系数较大的区域，表明其保存条件差。

图 7

图 7 姬塬地区长61段地层水钠氯系数与油藏分布关系图

长6油层组地层水脱硫酸系数分布在0.02~35.5，分布范围较大，平均值为6.4，长6₃段、长6₂段和长6₁段的地层水脱硫酸系数平均值分别为7.1、7.2和5.8（表 2），长6₃段和长6₂段地层水脱硫酸系数相对较高，长6₁段相对较小，其纵向具有一定的差异性。西部区域、中部区域和东部区域长6₁段地层水脱硫酸系数平均值分别为5.2、7.0和6.2，具有西部和东部低、中部较高的特征（图 8）。分区间对地层水脱硫酸系数分布频率进行统计，地层水脱硫酸系数主要分布在5以下，其中西部区域、中部区域和东部区域所占比例分别为64.86%、62.16%和68.60%（图 6c）；地层水脱硫酸系数大于10的区间中，中部区域所占比例最高，达到24.32%，其次为西部区域，为21.62%，东部区域最低，为12.79%。该系数反映了东部区域保存条件好于西部区域，最差的为中部区域。从长6₁段已出油井点与地层水脱硫酸系数的关系可以看出，出油井点一般分布在保存条件有利的低值区，出水井往往分布在高值区或紧邻高值区，地层水脱硫酸系数与油藏的分布具有一定的相关性，地层水脱硫酸系数的低值区往往有利于油藏的保存。

图 8

图 8 姬塬地区长61段地层水脱硫酸系数与油藏分布关系图

长6油层组地层水变质系数分布在-0.17~576，分布范围大，平均值为47。其中长6₁段地层水变质系数平均值为51，西部区域、中部区域和东部区域分别为55、56和47，差别不大，但平面展布中具有高值区局部分布、且与低值区间互分布的特点（图 9）。分区间对地层水变质系数分布特征进行分析，地层水变质系数主要分布在20~40和大于60的两个区间，大于60的区间中，西部区域、中部区域和东部区域所占比例分别为27.66%、25.53%和19.80%；20~40区间中，中部区域所占比例最大，为51.06%，东部区域次之，为40.59%，西部区域最低，为36.17%（图 6d）。长6₁段地层水变质系数平面展布与油井分布具有一定的规律性，地层水变质系数较高的区域为油井的主要分布区，水井主要分布在地层水变质系数相对较低的区域。地层水变质系数的高低可判识油藏的保存条件，它与油藏的保存程度有紧密的关系。

图 9

图 9 姬塬地区长61段地层水变质系数与油藏分布关系图

（1）姬塬地区长6油层组地层水矿化度平均值为78g/L，主要分布频率区间为50~110g/L，远高于现今海水的35g/L，在中生界延长组和延安组中为平均矿化度最高的地层，且自底部长6₃段到顶部长6₁段呈升高的趋势，主要发育CaCl₂Ⅴ型和Ⅳ型地层水。主要阴离子中，Cl^-含量最高，SO₄^2-次之，HCO₃^-最低; 主要阳离子中，K⁺+Na⁺含量最高，Ca²⁺次之，Mg²⁺最低。地层水钠氯系数平均值为0.49~0.53，远低于现今海水的0.85；地层水脱硫酸系数平均值为5.8~7.2，低于现今海水的10.2；地层水变质系数平均值为40~51，远远高于现今海水的0.75，表明长6油层组地层水总体的封闭环境很好。

（2）姬塬地区长6油层组现今地层水总体处于封闭的流体动力环境，但在纵向上和平面上不同地区的流体动力环境存在差别，以长6₁段西部、中部和东部3个区域地层水特征的差异，说明其与油藏聚集保存之间的关系。西部区域和东部区域地层水平均矿化度分别为81g/L和83g/L，主要分布在70g/L以上的区间，高于中部区域的73g/L及主峰频率区间50~70g/L；西部区域和东部区域地层水钠氯系数平均值分别为0.49和0.51，小于中部区域的0.52，且在小于0.5的反映保存条件最好的分布区间中，中部区域所占比例最低；西部区域和东部区域地层水脱硫酸系数平均值分别为6.2和5.2，低于中部区域的7，且大于10的分布区间中，中部区域所占比例最高；西部区域、中部区域和东部区域地层水平均变质系数分别为55、56和47，平均值差别不大，但在20~40的低值分布区间中，中部区域所占比例最高达到了51.06%，表明中部区域变质系数主要分布在保存条件较差的低值区。以上地层水区域性特征表明了西部区域和东部区域保存条件好于中部区域，这与长6₁段在西部区域和东部区域已发现的油藏要较中部区域多，在平面上有很好的吻合性。在烃类供给相似的地层条件中，地层水所反映的保存条件较好地代表了油藏的富集和保存程度，在勘探实践中，保存条件更好的区域为下一步勘探的方向和有利目标区。