东营凹陷位于济阳坳陷南部, 为三级负向构造单元, 具有北断南超的开阔型箕状凹陷特征, 面积5700 km²。在馆陶组下段沉积时期, 盆地边缘为洪积锥和冲积扇群沉积区, 冲积扇前端漫流在湖盆中心汇集, 形成泛滥湖盆。至馆陶组上段下部沉积时期, 发展为泛滥平原, 地势逐渐变缓; 馆陶组上段上部的沉积时期, 整个湖盆大部分为河流相沉积发育区。明化镇组下段为浅棕色、黄棕色、灰绿色、灰色泥岩和泥质粉砂岩互层, 夹中、细砂岩, 底部具深灰色细砂岩; 明化镇组上段下部为浅棕色、浅灰黄色泥岩、砂质泥岩, 夹薄层灰色、浅灰色、浅棕色粉砂岩和泥质粉砂岩; 明化镇组上段上部为棕红色、棕黄色、浅灰色泥岩和粉砂岩互层, 夹薄层泥质粉砂岩(徐道一等, 2008)。明化镇组与下伏馆陶组及与上覆平原组之间均为区域整合接触(王秉海和钱凯, 1992)。断裂活动对新近系沉积地层影响不大, 以披覆构造发育为特点。东营凹陷新近系没有生油岩系, 均为次生油气藏, 主要产出次生蚀变原油(潘元林, 2004)。图1所示为样品点、来源及其所在构造带。

图1

Fig.1

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	图1 东营凹陷区域构造地质概况及样品点分布Fig.1 Structural characteristics of Dongying Sag and distribution of samples

东营凹陷新近系馆陶组地层水矿化度和氯离子平均含量分别为9.961 g/L和4.535 g/L, 具有变化范围大的特点, 矿化度最小值0.718 g/L, 最大值33.825 g/L(表 1)。尚店— 平方王潜山披覆构造带的滨541井显示为矿化度高值中心, 发育CaCl₂型地层水。广饶超覆鼻状构造带的草5井和鲁西隆起的金浅2井馆陶组地层水矿化度显示为全区最低值, 分别为0.816 g/L、0.718 g/L, 氯离子含量分别为0.198 g/L、0.227 g/L, 发育NaHCO₃型地层水, 均反映其为地层水交替能力强的开放型水文地质环境, 对油气保存不利。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 东营凹陷新近系地层水化学总体统计特征 Table1 Statistics of salinity, contents of each ion and every hydrochemical parameters of ions composition in the Neogene in Dongying Sag 离子及离子参数 Ng/g· L-1 Nm/g· L-1 现今海水平均 组成/g· L-1 现代河水平均 组成/g· L-1 最大 最小 平均 最大 最小 平均 Na++K+ 7.751 0.211 2.943 0.648 0.117 0.648 11.04 0.006 Mg2+ 0.262 0.004 0.075 0.081 0.003 0.028 1.32 0.004 Ca2+ 0.646 0.017 0.242 0.058 0.005 0.031 0.42 0.015 Cl- 13.292 0.227 4.535 2.282 0.057 0.850 19.32 0.003 S O42- 5.578 0.000 0.657 0.634 0.000 0.197 2.69 0.011 HC O3-(C O32-) 5.156 0.060 0.751 0.628 0.196 0.345 0.15 0.059 TDS 46.165 0.718 9.961 10.288 0.430 3.152 35.00 0.098 rNa/rCl 2.500 0.500 0.860 2.350 0.610 1.420 0.85 0.077 rS O42-× 100/rCl- 364.340 0.000 39.540 266.670 0.000 95.190 10.20 296.000 r(HC O3-+C O32-)/rCl- 34.150 0.330 7.010 65.600 4.840 24.340 0.35 3.930 rCl-/rMg2+ 292.000 8.060 96.750 66.970 2.480 37.010 14.63 0.750

表1 东营凹陷新近系地层水化学总体统计特征 Table1 Statistics of salinity, contents of each ion and every hydrochemical parameters of ions composition in the Neogene in Dongying Sag

明化镇组地层水矿化度和氯离子平均含量分别为3.152 g/L和0.850 g/L, 最小值0.430 g/L, 最大值10.288 g/L。矿化度基本小于10 g/L, 只有草桥鼻状构造带的草25井的矿化度大于10 g/L, 发育CaCl₂型地层水。高青— 平南断裂构造带花3井、广饶凸起边缘广气1井和金家鼻状构造带金24井矿化度为全区最低值, 分别为0.831 g/L、0.430 g/L、0.643 g/L, 氯离子含量分别为0.567.5 g/L、0.398 g/L、0.308 g/L, 发育NaHCO₃型地层水, 地层水交替能力强, 不利于油气保存。

从馆陶组到明化镇组, 随地层变浅, 受地表水影响增强, 地层水流体量上升, 地层水中离子和矿化度等物质的浓度下降。但从离子参数比较, 相对馆陶组而言, 明化镇组除氯镁比r(Cl^-)/r(Mg²⁺)参数总体显著下降外, 其他3个与地层的封闭程度有关的离子参数如变质系数r(Na⁺/rCl^-)、硫酸盐平衡系数r(S O42-× 100)/r(Cl^-)和碳酸盐平衡系数r(HC O3-+C O32-)/r(Cl^-)均呈上升状态, 显示明化镇组封闭性能增强, 这与沉积环境和地层岩性的变化有关:从馆陶组到明化镇组, 河流作用逐渐减弱, 湖泊沉积作用逐渐增强, 泥岩等细粒沉积物增多, 地层的封闭性增强。与现今海水平均组成和现代河水平均组成比较(周晓芬, 2000; 雍自权等, 2006), 除HC O3-(C O32-)浓度大于现今海水平均值和现代河水值外, 其他的离子及离子参数Na⁺+K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、S O42-和总的矿化度TDS均远小于海水相应值, 而又远大于河水相应值, 可以推测样品点所代表的东营凹陷新近系未受到高浓度海水的影响, 同时其沉积环境是河流、湖泊等, 加上埋藏后期地层流体的浓缩, 使得地层水中离子及矿化度等要显著高于现代河水的平均组成。

根据各种水化学参数在剖面的分布, 研究区新近系水化学剖面具有一定的分带性, 大致可以划分为3种水文环境:水文流畅带、水文阻滞过渡带和水文相对迟缓带。在水文流畅带内, 由于地表水的大量渗入, 成为活跃并开启的氧化环境, 油气藏往往受渗入水的冲刷、破坏而难以保存; 水文迟缓带因地表水难以渗入, 从而成为有利油气藏保存的封闭环境; 水文阻滞过渡带介于水文流畅带和水文迟缓带之间, 在该带的下部具备一定的油气保存条件。该分带性与该凹陷下部的古近系地层水化学的分带性相比较, 可以体现出同一凹陷不同层系水文地质系统中水化学剖面分带性的差异(陈中红等, 2008)。

东营凹陷水文流畅带分布于地表到0.7, km, 该带的矿化度及氯离子、钙离子、镁离子、钠离子含量总体随深度增加呈上升的正向型演化趋势, 物质的量相对较低(图 2, 图3)。图2-b还显示该带主要发育低矿化度的NaHCO₃水型, CaCl₂水型次之, 反映了该带强烈的水文交替活动。变质系数、脱硫系数能较好地反映沉积环境的变化:封闭性较好的沉积环境, 变质系数和脱硫系数低。有研究认为变质系数为1.0是相对封闭和相对开放环境的良好分界线(刘方槐和颜婉荪, 1991; 孙向阳和刘方槐, 2001)。从图4看, 在水文流畅带, 变质系数大于1.0, 脱硫系数大于10, 与该带环境的开放性密切相关(图 4)。该带处于盆地的重力流作用带, 大量地表浅层的淡水随重力流注入该带, 使得地层水中离子的浓度降低, 并产生其他相应的地层水化学反应。

图2

Fig.2

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	图2 东营凹陷新近系不同构造带(a)和不同类型地层水(b)矿化度参数剖面分布Fig.2 Sectional distribution of total salinity in tectonic zones(a)and different types of formation water(b)from the Neogene in Dongying Sag

图3

Fig.3

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	图3 东营凹陷新近系地层水中离子含量剖面分布Fig.3 Sectional distribution of ions contents from the Neogene in Dongying Sag

图4

Fig.4

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	图4 东营凹陷新近系离子组合比例参数剖面分布Fig.4 Sectional distribution of parameters of ion ratios from the Neogene in Dongying Sag

水文阻滞过渡带分布于0.7~1.1 km。相对浅层的水文流畅带, 该带矿化度和离子含量随埋深增加而增大, 并呈相对高值。以发育低矿化度的NaHCO₃水型为主, CaCl₂水型所占比例增加, 同时还发育少量MgCl₂和Na₂SO₄水型, 体现出该带流体活动和水岩作用的相对复杂性。有少量数据点显示变质系数和脱硫系数相对浅层水文流畅带增加而呈现高值状态, 但多数数据点显示变质系数小于1.0, 脱硫系数小于10, 表明该带总体上封闭性增强, 地层水交替活动减弱, 是由上覆的开放性较强的水文流畅带向下面的开放性相对较弱的水文沉积环境变化的阻滞过渡带。

水文相对迟缓带分布于1.1, km以下, 在该带变质系数小于1.0, 脱硫系数小于10, 以CaCl₂水型为主, 发育部分NaHCO₃ 水型, NaHCO₃水型基本分布于低值的矿化度地层水中, 反映了该带地层水交替活动进一步减弱, 水文活动相对迟缓, 物质在该区得到聚集, 是相对封闭的水文地质环境。但也可以看出, 在该带随着埋藏深度增加, 矿化度及离子含量等从高值逐渐降低, 表明有较多的流体注入, 使得地层水中离子受到稀释而下降。根据地质条件的分析, 该带处于盆底边缘重力流渗水和盆地深部压实流泄水的结合部位, 同时该带又处于早成岩晚期, 随着地层埋深的增加, 地层中泥岩发生压实排水淡化作用, 一些压实流泄水随着较强的埋藏压实可穿越层面, 垂直于等势面由较深位置的相对高势区流向较浅位置的相对低势区流动。并且, 在馆陶组与东营组之间存在不整合面, 由于长期遭受雨水冲刷淋滤, 形成一个地层水自由运动面, 在上覆地层沉积后, 低矿化度地层水向上渗入, 致使矿化度自下而上呈逐步升高的趋势。另外, 黏土矿物蒙脱石向伊利石的成岩转化也可以释放出大量矿物层间水, 其结果使得渗透层主要离子质量浓度及矿化度降低, 脱硫系数、钠氯变质系数变大。

流体化学特征是流体在输导体系中运移时流体— 岩石相互作用(氧化还原反应、矿物的水解、流体间的交换及酸碱反应)的结果(Land, 1995; Davisson and Criss, 1996; Varsanyi and Kovacs, 1997)。阴离子Cl^-、HC O3-与阳离子Ca²⁺和Na⁺、K⁺的相关性体现了岩石中矿物成分的溶解、置换等流体— 岩石相互作用信息(Spencer, 1987; Davisson and Criss, 1996)。从钠离子、氯离子含量关系上看, 与NaHCO₃型地层水有所不同, CaCl₂型地层水中钠离子含量基本在1.0 g/L以上, 随着钠离子的增加, 氯离子含量具有更大的增加幅度, 两者所代表的蒸发线要高于正常的蒸发线, Na⁺含量不足突出(图 5); 而从Ca²⁺和Mg²⁺含量关系中看, 在CaCl₂型地层水中, Ca²⁺含量要远大于Mg²⁺含量, 因此剩余的Cl^-优先与Ca²⁺结合形成CaCl₂型地层水(图 6)。CaCl₂型地层水具有相对较高的 r(Cl^-)/r(HC O3-)值(> 10), 并且随矿化度增加, r(Cl^-)/r(HC O3-)比值也呈现增大趋势, 表明以氯化物溶解的水岩作用方式增强。r(Cl^-)/r(HC O3-)随矿化度增加而增长, 其最大值y≤ -0.0385x²+2.7187x-1.9125(式中y是 r(Cl^-)/r(HC O3-)值, x是矿化度)(图 7)。NaHCO₃型地层水基本是低矿化度(< 10 g/L)的, 具有相对较低的r(Cl^-)/r(HC O3-)值(< 10)和相对较高的镁离子含量, 代表了新近系盆地边缘地带及靠近古潜山附近地层的地层水特征, 由于长期受地表水的淋滤, 这种水文环境不利于油气保存。

图5

Fig.5

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	图5 东营凹陷新近系钠离子与氯离子含量关系Fig.5 Relation between contents of Na+and Cl-in the Neogene of Dongying Sag

图6

Fig.6

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	图6 东营凹陷新近系钙离子与镁离子含量关系Fig.6 Relation between contents of Ca2+ and Mg2+in the Neogene in Dongying Sag

图7

Fig.7

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	图7 东营凹陷新近系r(Cl-)/r(HC O3-)值与矿化度关系Fig.7 Relation between total salinity and rCl-/rHC O3-in the Neogene in Dongying Sag

从Davission和Criss(1996)所建立的代表世界盆地流体线的Ca相对海水富集(Ca_excess)和Na相对海水亏损(Na_deficeent)的定量关系, 可计算出研究区的Na⁺与Ca²⁺关系。新近系不同类型地层水中的Ca_excess与 Na_deficeent分布特征差异明显, 其投影点主要被分散到Ⅰ 、Ⅳ 两个象限区域(图 8)。Ⅰ 象限区代表 Na_deficient> 0, 并且Ca_excess> 0, 为典型的Davission(1996)定义的Na相对亏损、Ca相对富集区域, 投影点均显示CaCl₂型水型。该区Ca_excess与 Na_deficeent不具有Davission和Criss(1996)所建立的明显线性关系, 但可建立CaCl₂型地层水的边界流体线:Ca_excess=0.2367Na_deficeent-0.6261, 该流体线所约束的钙富集的量远低于Davission和Criss(1996)所建立的世界平均盆地流体线的钙富集量, 显示出远离盆地中心的流体线关系。NaHCO₃型地层水主要分布于Ⅳ 象限区, 表现为Na、Ca均相对亏损特征, 其他NaHCO₃型数据点也显示非常有限的Na、Ca富集特征。NaHCO₃型地层水的流体线为:Ca_excess=0.0623Na_deficeent-0.0726, 这与Davission和Criss(1996)所建立的世界平均盆地流体线有很大差异, 反映出含低矿化度NaHCO₃型水的地层中水岩作用的特殊性。

图8

Fig.8

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	图8 东营凹陷新近系Ca相对海水富集(Caexcess)和Na相对海水亏损(Nadeficient)特征Fig.8 Distribution of Caexcess and Nadeficientin the Neogene in Dongying Sag

该凹陷古近系沙三段、沙四段是一个封闭性较强的咸化了的水文地质系统(陈中红和查明, 2010), 形成了流体压力封存箱(陈中红和查明, 2008)。该封闭性水文地质系统中的CaCl₂型地层水和部分NaHCO₃型地层水Ca_excess与 Na_deficeent关系多分布于象限Ⅱ (图 9), 体现出了Na、Ca均富集的特征; 部分NaHCO₃型地层水投影点分布于象限Ⅲ , 反映出钠相对富集、钙相对亏损的特征, 这些特征反映了封闭性湖盆中与地表淡水交替活动弱、蒸发浓缩作用强的水文地质特征。

图9

Fig.9

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	图9 东营凹陷古近系沙三、沙四段典型封闭湖盆的Ca相对海水富集(Caexcess)和Na相对海水亏损(Nadeficient)特征Fig.9 Distribution of Caexcess and Nadeficient in closing basin of the Members of 3 and 4 of Paleogene Shahejie Formation in Dongying Sag

将图8和图9相比较, 可以看出研究区新近系与古近系中Ca_excess与 Na_deficient关系的分布有显著差异, 表现为新近系具有明显的钠亏损特征, 反映其地层水蒸发浓缩作用弱及与地表水交替活动强烈的水文地质作用特征。

研究区新近系发育的油藏均为次生油气藏, 原油稠化现象明显, 原油密度均大于0.9 g/mL, 表明新近系普遍埋藏较浅, 受到了开放性水化学场影响。再加上在原生油气藏破坏、运移、再次聚集成藏的过程中, 发生了水洗、氧化和生物降解等作用, 使得产出原油形成次生蚀变原油。

原油密度与天然气相对密度的分布与地层水分带性有良好的一致性(图 10)。原油和天然气样品的分布显示东营凹陷新近系浅层油气基本分布于700, m以下的水文过渡阻滞带和水文迟缓带, 并且发现的油气藏多显示CaCl₂型地层水, 显示了水文地质环境对油气分布的影响。原油密度在水文相对迟缓带的分布规律显示出相对封闭体系里的原油运移分馏效应:随着地层变浅, 油气运移距离增加, 油气分馏效应增强, 原油密度变轻; 而在水文阻滞过渡带原油密度的分布显示出开放体系里的油气运移规律:随着原油向浅层运移, 氧化、水洗等次生作用增强, 导致原油密度逐渐增加。

图10

Fig.10

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	图10 东营凹陷新近系原油密度与天然气相对密度随深度剖面分布Fig.10 Distribution of density of crude oil and gas in depth profile of the Neogene in Dongying Sag

天然气相对密度为0.6 kg/m³左右, 在水文相对迟缓带, 有少数样品天然气相对密度值显示为0.75 kg/m³左右的高值响应, 这些样品来自于郑家— 王庄潜山披覆构造带和滨县陡坡构造带。相对其他天然气样品而言, 这些高密度的天然气一般具有较高的地层水矿化度响应和相对较低的甲烷含量, 以郑气3井馆陶组样品为例, 该天然气样品相对密度为0.7532 kg/m³, 其气体组成中甲烷含量仅为76.21%, 明显低于大多数其他天然气样品的甲烷含量(背景值为95%以上), 含有相对较多的二氧化碳气和氮气, 两者分别达到18.25%和5.32%; 对应地层水矿化度为10.99 g/L, 明显高于大多数样品的背景值, 显示为CaCl₂型地层水。在水文阻滞过渡带, 花沟气田显示非常高的天然气相对密度(接近1.5 kg/m^-3), 这与该区无机二氧化碳气成因有关(车燕等, 2001; 彭晓波等, 2003)。

从不同构造带的地层水性质分布看(图 2-b), 总体上北部的陈家庄凸起、坨— 胜— 永断裂构造带部分样品显示较高的矿化度和CaCl₂水型, 处于埋藏相对较深的水文迟缓带和水文阻滞过渡带下部, 因而具有相对较好的油气保存条件; 而南部的广饶凸起— 金家— 柳桥缓坡构造带及乐安— 纯化断裂鼻状构造带, 处于埋藏相对较浅的水文流畅带和水文过渡阻滞带上部, 对油气保存不利。

东营凹陷新近系以低矿化度的NaHCO₃型地层水为主, 其水化学剖面大致可以划分为强开放性水文流畅带(0~0.7, km)、弱开放性水文阻滞过渡带(0.7~1.1, km)和相对封闭性水文迟缓带(> 1.1 km)。在不同的水化学作用带, 水岩作用和地层水矿化度、离子和离子参数具有不同的特征。

东营凹陷新近系Ca相对海水富集(Ca_excess)和Na相对海水亏损(Na_deficient)的定量关系显示出明显的钠亏损特征, 钙富集量也远低于世界盆地流体线所代表的富集量, 与同凹陷中层古近系沙三、沙四段封闭性水文地质系统中钠相对富集特征也明显不同, 反映了地层水蒸发浓缩作用弱及与地表水交替活动强烈的水文地质作用特征。

东营凹陷新近系原油、天然气相对密度的分布与地层水分带性有良好的一致性, 表明地层水化学场的分布影响了原油密度和天然气相对密度的分布; 地层水化学特征显示东营凹陷北部的陈家庄凸起、坨— 胜— 永断裂构造带的新近系具有相对较好的油气保存条件。