水文地质区带的划分及其与油气的关系

1.分期的依据
划分水文地质期应把握两个要点。其一，应以研究目的层的沉积背景、沉积作用及其以后地史进程中的沉积、构造演化为依据论证期的划分。其二，针对主要含水系统进行分期。分期的依据是:
(1)中三叠世末发生的印支运动导致川盆中、东部露出水面，以中三叠世末不整合面绘制的古地质图显示，以泸州为中心朝向北西方向由老到新呈环状分布，直至乐山、仁寿一带中三叠统保存完整(图8-3)，中三叠世浅海显著向西萎缩，在川盆西外侧龙门山前山带和盆内川中前隆之间形成了川西晚三叠世残留海盆。
晚三叠世龙门山后山带及其以西地区松潘-甘孜地区大规模的拉张裂陷，沉积了巨厚的海相层和大陆斜坡的浊流沉积。特提斯海通过康滇古陆与龙门山半岛、抑或与新生的乐山—龙女寺陆地之间的海峡与残留海盆连通，发展成为以川西为沉降中心西断东超的箕状川西拗陷，沉积了上三叠统须家河组须一段海湾泥岩相、须二段三角洲砂岩相、须三段泥岩沼泽相，其后由于龙门山前山带强烈活动和隆升，露出水面，导致残留海盆转化为须四段至须六段的陆相沉积，之后又连续沉积了侏罗系、白垩系(2000～5000m)陆相红层，晚三叠世箕状断陷盆地发展成为沉降的大型拗陷盆地。
白垩纪末发生了规模巨大的对四川盆地构造形态起决定性的正向构造运动———燕山运动(又名四川运动)，结束了川盆中东部的沉积历史。川盆周围地层褶皱隆升为高山，川盆西缘伴随着岩浆喷发和形成花岗岩等深成岩类，盆内中生代地层发生首次断褶，川盆现代轮廓基本定型。第三纪沉积除在江河两岸零星分布外，主要沉积于川西拗陷。

图8-3 四川盆地西南地区中三叠世末地质图

晚第三纪喜马拉雅运动川盆进一步遭受挤压褶皱和断裂，盆内不同性质的三大块构造最终定型。川西拗陷内堆积了厚度甚薄的第四系沉积层。
(2)依据川西拗陷的沉积演化、构造演化的进程和笔者的分期理念，可将上三叠统须二、四、六段三个主要含水系统经历的水文地质期划分为沉积作用、沉压埋藏作用和构造热液作用三个型式的水文地质期。
必须指出，各含水系统“期”的起始时间、持续时间和作用的强度及效应均是不同的。
(3)川西拗陷是个中、新生代继承性拗陷，晚三叠世沉积后继而连续沉积了侏罗系、白垩系，上三叠统最大埋深在5000m之下，最浅的也有2000m，晚三叠世沉积结束后未裸露地表，即未经受过淋滤作用的改造。但根据钻井地层分层数据编制的各层厚度分布图上发现，须六段分布在拗陷的南部，约占拗陷总面积的一半多，北部大面积缺失;须四段在拗陷内大面积分布，但在拗陷北部西边界内侧的江油一带和北边界内侧的苍溪以北一带缺失，其上为须五段沉积层覆盖。出现缺失的原因可能是:其一，上三叠统由海相转化为陆相沉积时，由于龙门山前山带强烈活动和隆升，不仅切断了残留海盆与外海的联系转变为陆相沉积，而且引发拗陷北部的抬升，导致湖盆沉积范围有所变化，须六段沉积时湖盆萎缩到拗陷南部。其二，须四、须六的沉积结束后露出水面，经剥蚀作用形成的，但上三叠统是个连续沉积的过程，不存在沉积间断，且这些被剥蚀的沉积物搬运至拗陷外，还是在拗陷内搬运，按现掌握的资料难以佐证。按第一种状况而论，须六段未经历淋滤作用，而须四段裸露面甚小，时间又短，主要以内循环型压挤式沉积水交替为主要动力特征。
(4)难以取得川西拗陷在油气和卤水开发过程中的水动力、水化学动态测试资料，人类技术经济活动作用缺乏支撑讨论的条件。
2.期的定位
按照上述分期依据的分析，可将各含水系统深层水历经的水文地质期概括于表8-1。
表8-1 上三叠统各含水系统“期”的演化


注:I—沉积作用;II—沉压埋藏作用;Ⅲ—构造热液作用。
须二段含水系统深层水在地史进程中依次经历了沉积作用、沉压埋藏作用和构造热液作用三个水文地质期。沉积作用水文地质期自须二段沉积开始至沉积结束的持续时间;沉压埋藏作用水文地质期自须三段沉积开始至白垩纪沉积结束的持续时间;构造热液作用水文地质期自白垩纪末发生的燕山运动(四川运动)至第三纪末发生的喜马拉雅运动幕面之间的持续时间。
须四段含水系统深层水在地史进程中经历了与须二段期序相同的三个水文地质期。沉积作用水文地质期自须四段沉积开始至沉积结束的持续时间;沉压埋藏作用水文地质期自须五段沉积开始至白垩纪沉积结束的持续时间;构造热液作用水文地质期的持续时间与须二段的相同。
须六段含水系统深层水在地史进程中经历了与须二段期序相同的三个水文地质期。沉积作用水文地质期自须六段沉积开始至沉积结束的持续时间;沉压埋藏作用水文地质期自须六段沉积结束至白垩纪沉积结束的持续时间;构造热液作用水文地质期的持续时间与须二段的相同。

地下水对油气藏的影响与水文地球化学作用紧密相关。在漫长的地质历史时期中，导致储层发生变化的基本作用包括溶解作用、沉淀作用、重结晶作用、交代置换作用及压溶作用等。这些作用是在各自特殊的水文地质条件下进行的，最终结果导致现今地层水的特征和储层剖面中的水化学残余形迹的形成。通过研究现代水文地球化学特征和形迹，有助于判明油气藏所处的地球化学环境并指明有利的油气聚集区带。
2001年在合肥盆地的舒城断坳进行了水文地球化学勘探的尝试，依据水文地质条件探讨了舒城断坳的油气生、运、聚、散、保的基本规律。
（一）含水系统的划分
根据合肥盆地的构造发育历史（赵宗举，2001），并结合舒城断坳不同时代地层的沉积特征和水文地质作用，将舒城地区中—新生界划分出5个含水系统，即侏罗系碎届岩含水系统，下白垩统碎屑岩含水系统，上白垩统碎屑岩含水系统，下第三系碎屑岩含水系统，第四系松散岩类含水系统。
舒城断坳仅有一口探井，利用有限的岩心和岩屑进行了分析测试，重点研究了下第三系碎屑岩含水系统和第四系松散岩类含水系统。
（二）水文地质旋回及其划分
水文地质旋回是从构造下沉和海侵开始，到后期的隆起和海退，在新的下一次沉积和海侵来临之前为一个水文地质旋回。一个旋回分为沉积作用水文地质和渗入作用水文地质等两个阶段（A.A.卡尔采夫）（图3-35）。

图3-35　A.A.卡尔采夫水文地质旋回划分示意图

根据对舒城断坳古水文地质条件的研究，自侏罗纪开始经历了三个水文地质旋回（图3-36）。

图3-36　合肥盆地舒城断坳水文地质旋回划分图

（三）水化学场特征
水文地质研究表明，舒城断坳是一个独立的自流水盆地，下第三系定远组（Ed）是一套区域性含水岩系，其含水岩系地下水为自流层，自流水的最大水头高度为3.39m（图3-37）。

图3-37　肥盆地舒城断坳地貌素描图

舒城断坳地下水中含有铼（Re）、锑（Sb）等来自地球深部的元素（图3-38）。深层地下水的盐分与浅部地下水一样，普遍含有Mg（HCO3）2和Ca（HCO3）2，但在舒城断坳南部出现NaCl和Na2SO4的高值带（图3-39a、b）。

图3-38　合肥盆地舒城断坳下第三系地下水深源元素含量分区图


图3-39　盆地舒城断坳NaCl（上图）和Na2SO4（下图）变质盐分等值线图

经计算，舒城断坳深层地下水中存在Ca2+、Mg2+络合物，其中一价的CaHCO3、零价的CaSO4占钙总量的7.26%和2.50%；一价的MgHCO3、零价的MgSO4分别占镁总量的6.16%和2.28%。
（四）水文地球化学模型
水岩平衡实验证明，舒城断坳地下水的矿物组分还没有达到饱和程度，水与岩石的作用仍然处于盐分相互更替阶段的溶解和平衡状态。根据水样分析资料，利用Piter模型求得舒城断坳地下水离子活度系数与离子力的关系（图3-40），发现只有二价离子的硫酸钙、镁盐有趋向于饱和的可能性。利用非线性方程组的数学求解，尚未发现达到饱和状态的矿物。

图3-40　合肥盆地舒城断坳地下水离子活度系数与离子力的关系曲线图

（五）古水文地球化学场特征
我国含油气盆地油田水中微量元素形迹组合有：①Li、Rb、Cs组合；②Be、Sr、Ba组合；③Fe、Mn组合；④Cu、Pb、Zn组合；⑤F、Cl、Br、I组合。
舒城断坳以Fe、Mn组合为主，F、Cl、Br、I组合不完整，F、Cl、Br、I组合残缺不全，表明其古水文地球化学环境以大陆淡水为主，开放程度较强，地下水循环和交替作用比较活跃。
岩石矿物种类较少，组合简单，以弱还原-弱氧化型硫化物、碳酸盐矿物组合为主，如方解石、方氟石、含铁白云石、黄铁矿及黄铜矿等。
地下水、岩石及岩溶中微量元素趋向于平衡（表3-20），开始向浓缩变质阶段方向发展。

表3-20　合肥盆地舒城断坳地下水、岩石及岩溶水中微量元素均值统计表

（六）古水动力场特征
根据托斯重力穿层流动理论，编绘了舒城断坳地下水径流示意图（图3-41）。从图中可以看出，在周边获得补给的同时，在中部相对较高地区形成穿层补给的现象。同时，舒城地区不同水文地质时期的水介质的性质也存在差异（表3-21）。如定远组4（Ed4）段同其下地层成岩流体化学成分的差异表现为前者处于Na2CO3阶段，后者处于NaCl阶段，它们是不同水文地质时期作用的结果。

图3-41　合肥盆地舒城断坳地下水径流示意图


表3-21　不同水文地质时期水介质性质

（七）水文地质期与油气运移的关系
根据对舒城断坳不同地质时期水文地质条件的研究，认为Ed1～Ed3属于沉积期，压实作用所挤出的水由中心的高压带向边缘的低压带流动（图3-42），而渗入作用水文地质期的流体运动方向恰好相反，表明油气在沉积水和渗入水的“峰面”上富集。
流体运移与占水文地质期之间的关系研究表明，舒城断坳具备了油气藏形成、保存所需的沉积作用水文地质期和渗入作用水文地质期及其两者之间的有利结合，前者表明油气形成的地球化学环境十分优越，后者表明油气运移的动力或能量较强。因此，舒城断坳，尤其在断坳东部是寻找油气藏的有利地区。

图3-42　合肥盆地舒城断坳Ed1-Ed3沉积期压实水流示意图

前述讨论了我国不同构造类型、不同自然地理环境下，几个有代表性含油气盆地的区域水文地质条件，从中可以看出，不论是几十万平方千米的大盆地、还是千余平方千米的小盆地(凹陷)；不论是多含油气层系的叠合盆地，还是单一含油气层的盆地；不论是海相沉积，还是陆相沉积；不论是地下水由周边向内部运动的闭流型盆地，还是地下水由内部向四周径流的敞开型盆地，它们都有相同或类似的水文地质规律，即地下水循环系统中，水动力与水化学是两个有联系的统一体。在区域水动力条件的背景上，水化学成分发生相应的变化，换句话说，地下水循环条件的变更，必然伴随着水化学成分的变化，并且具有空间上分区，纵向上分带的特点。水动力与水化学的相互关联或时空场的一致性，为研究油(气)水之间的关系，揭示油气聚集、分布的有利区带奠定了基础。

根据上述认识与成果，进一步研究分析、归纳总结含油气盆地的区域水动力场与水化学场的统一性及其规律是非常必要的。水文地质区带是概括水动力场与水化学场区域规律的一种方法。区域规律是认识(或解决)具体地质问题的前提，尤其是作为认识性的石油地质科学而言。如果区域规律不清楚，必然导致对局部或具体事件认识上的混乱。

我国石油水文地质工作者在研究水文地质区带时，都力图结合具体含油气盆地的实际资料，从不同的角度，以各自的依据提出许多有意义的方案(表5-5)。

从上述实例可知，含油气盆地内地下水，从盆地边缘向内部随着埋藏深度的增加，都存在着水动力条件与水化学环境相匹配的水文地质分区、分带现象。我国水文地质区带应用与研究，在划分依据、具体命名、涵盖内容等方面存着一定差异与分歧，有待进一步完善与规范。水文地质区带同油气聚集、保存有密切的关系，深入研究是十分必要的。

表5-5 我国主要盆地油田水文地质区带划分统计表

作者认为，在研究盆的构造条件，沉积特征的基础上，根据水动力条件和水化学环境两个方面建立统一的水文地质区带，在油气勘探开发中具有较高的意义。水文地质区带的建立，要考虑地下水流动速度，水化学成分(矿化度、水型、离子组合、

含量、rSO₄/rCl、rNa/rCl)，地下水温度及水交替强度等因素。

地下水的流动速度，一般通过计算求得。根据等水位线图(或等折算水位线图)先确定地下水流向，即从高水位(或高折算压力)向低水位(或低折算压力)方向流动。沿地下水流向确定计算流速的地段与距离(长度)。

含油气盆地内地下水通常多为层流运动，其运动规律一般符合达西渗透定律，根据达西公式可以算出地下水的流速。

达西渗透定律的表示式如下：

含油气盆地水文地质研究

式中：Q为水流量，即单位时间内通过地层的水量；F为水通过地层的横截面积；K为渗透系数，相当于渗透率；H为地下水上、下断面的水位差，相当于水流动方向任意两点的折算水位(压力)差用P₁，P₂代替；L为水流径地层长度。

达西渗透定律是在实验室用装满砂的金属圆筒让水通过试验求得的。在实际应用中，尤其是计算油田水或含油气盆地地下水流速时，还应考虑液体黏度(μ)较高这个因素的影响，故上述计算公式可变为

含油气盆地水文地质研究

因为渗透速度

V=Q/F (5-3)

所以

含油气盆地水文地质研究

渗透速度V并不代表水在地层中运动的真正速度，而是一个引用数值，是通过断面F的平均流速，相当于在整个断面内不存在颗粒骨架的条件下所产生的流速。而实际速度(u)是与整个岩石断面中的孔隙和裂隙的面积有关，即与孔隙度φ有关。所以，实际速度(u)可用下式表示：

含油气盆地水文地质研究

比较公式(5-3)和公式(5-5)，则得

含油气盆地水文地质研究

从公式中不难看出，由于岩石孔隙度φ永远小于1，故渗透速度V总是小于实际流速u。已知V和φ便可求得实际速度u。

以刘方槐先生在川东南阳新统的实际探例，说明现代地下水实际流动速度的计算过程。

首先，在等折算水位线图上，查得最高折算水位为3000m(P₁)、最低水位为420m(P₂)，水位差值为2580m，近似等于258atm，(按10米淡水水柱重等于1atm计算)。高、低水位之间流径的距离为95km(L)。

其次，将实用单位换算为法定单位：1atm=101325 Pa；1泊=0.1 Pa·S。

经实验测定，阳新统地层的渗透率K=0.01×10^-13cm²。孔隙度φ=0.01。地层水的黏度μ=0.001 Pa·S。

将上面求得的K，P₁，P₂，μ，L法定单位值代入(5-4)式，就得到所求方向上地层水引用渗透速度。

含油气盆地水文地质研究

将φ值代入(5-6)式求得实际流速。

含油气盆地水文地质研究

川东南阳新统地层地下水流动速度平均大约为0.01m/a或1cm/a。

不同含油气盆地地下水流动速度差别较大(表5-6)。同一盆地的不同地区也有一定的差异，因此，在划分水文地质区带时，要做大量、细致的计算工作。

表5-6 原苏联不同地区地层水运动速度

(据古列维奇，1972)

前已述及，我国油田水化学成复杂多变，在不同盆地各指标含量变化幅度较大，在划分水文地质区带时，用具体数值界线，难以建立通用的含量标准。作者主张用数理统计和地质统计方法，分别确定不同盆地水化学参数的分带值。例如，矿化度可分为相对的：极低值(地表水的均值)、低值(低于盆地内地下水均值)、中等值(地下水均值)、高值(大于地下水均值)。以这四个值域相对应的矿化度含量作为水文地质区带的分带值时，在不同盆地其绝对含量是不相同的。如松辽盆地地下水(K₁)矿化度的极低值小于1g/L，低值1～4g/L、中等值为4～6g/L，高值大于6g/L。准噶尔盆地地下水(C)的矿化度值域分别是：小于4g/L、20～30g/L、35～50g/L，大于50g/L。

地下水的温度可通过实测求得。冀中坳陷古潜山地下水温度(2000m深)从供水区的29.3～43℃，到泄水区增高至91.8～101℃，在不同的水文地质区带内有特定的温度范围值。许多含油气盆地地温梯度都比较高(表5-7)。地温是划分水文地质区带及其研究与油气关系的重要参数。

表5-7 我国某些含油气盆地地温梯度对比表

根据上述依据，作者主张在含油气盆地内可分为四个水文地质区带。

1.水交替活跃-氧化环境区带(简称活跃-氧化带)

该带是盆地内研究目的层地下水的供水区，水量大，水交替作用最活跃，地下水与大气降水或地表水联系密切，多处于开启的氧化环境。矿化度低，水中离子含量变化较大，Cl^-含量普遍低，形成以

H

C

O

₃

-

为

主

的

顺序，水化学成分显示冲刷、淡化作用的特点(表5-8)。地温梯度一般接近或低于正常值。该带内可偶见油气苗外，大部分地区不利于油气聚集和保存，属于无油气勘探远景的地区。

表5-8 活跃-氧化带水化学特征 单位：g/L

2.交替滞缓-氧化、弱还原区带(简称滞缓-弱氧化带)

此带地下水交替作用减弱，比较缓慢，大气降水与地表水的直接补给已结束，转而变为以渗入成因水入渗作用为主，在区域上形成比较完整统一的地下水流线。矿化度沿主流线方向开始有序增高，离子组成发生变化，其中Cl^-增高速率较快，rSO₄/rCl开始变小，离子组合在以

—Na⁺为主的前提下，出现

·Cl^-—Na⁺型(表5-9)。由于储水层的孔隙结构(孔隙度和渗透率等)较好，有利于地下水流动，地下水连通性较好，径流畅通。地下水化学成分趋向富集作用，处于半开启的氧化与还原过渡的水文地球化学环境。地温梯度普遍大于正常值。总体来讲，水动力条件和水化学环境对油气聚集与保存条件尚好。在圈闭较好的前提下，可发现一定储量的油气藏。该带是寻找重质油(稠油)的有利区带，也是水压驱动作用下天然气赋存的有利地带。如松辽盆地中部组合含水岩系的西部斜坡区、下部组合含水岩系朝阳沟阶地区；东营凹陷古近系含水岩系的周边地区；泌阳凹陷核三段含水岩系的北部斜坡区；辽河坳陷的西部凹陷；二连盆地次级构造的凹陷边缘地区及吐哈盆地巴喀—丘陵西等地区。

表5-9 滞缓-弱氧化带水化学特征 单位：g/L

3.交替阻滞-弱还原区带(简称阻滞-弱还原带)

此带处于渗入成因水与沉积成因水交界面的内侧，交替作用进一步减弱，地下水径流条件变差，流速变缓。水化学成分向浓缩变质方向发展，矿化度增高速率较快，离子含量与组合发生变异，其中氯离子和钠离子明显增高，

降低，

相对稳定或减少rSO₄/rCl和rNa/rCl比值变小，趋向稳定的还原环境(表5-10)，地温梯度较高，有利于油气的储集与保存。我国许多盆地油气产量和储量大都分布在该带中。如松辽盆地大庆油田周边的外围油田、吉林油田、二连盆地已发现的油气田；渤海湾盆地的诸多油气田；塔里木盆地许多油气田(柯克亚等)均位于该带内；吐哈盆地的丘陵东区块及鄯善构造带上等油气田。汪义先(1983)高级工程师统计了泌阳凹陷不同水文地质区带内的油气储量，认为该带内石油储量最大，占核三段已探明储量的65.9%(表5-11)。

表5-10 阻滞-弱还原带水化学特征 单位：g/L

表5-11 泌阳凹陷各水文地质区带内探明的油气储量

4.交替停滞带-还原区带(简称停滞-还原带)

该带水交替极其微弱，地下水径流极慢，基本处于停止状态，以沉积成因水为主。矿化度增高很快，多达到各自盆地的最高值，Cl^-，Na⁺进一步富集浓缩，基本上不含

或很低，

明显降低，rNa/rCl朝着趋向于1或小于1的方向发展，水化学成分进入浓缩变质阶段(表5-12)。处于还原程度较高的封闭环境，地温梯度一般达到最高阶段。有利于油气成藏。如松辽盆地的主力油田；二连盆地的主要油田；渤海湾盆地的诸多油田；我国西部大型盆地的多数油田等均位于此带内。地下水的主要富集离子、矿化度等同原油相对密度、黏度、含蜡量等多呈相反的消长关系，原油性质好，多为原生型的常规原油。

表5-12 停滞-还原带水化学特征 单位：g/L

上述四个水文地质区带，在我国含油气盆地均见及，它们在横向和纵向上的分布及其同油气藏的良好配置关系如图5-28，29，30，31，32所示。

沉积盆地在形成过程中的阶段性发育特征，为有成生联系的水动力条件和水化学成分形成一致性的水文地质区带奠定了地质基础，切合实际而科学地划分水文地质区带，在油气勘探开发中具有一定的理论意义和应用价值。在不同的水文地质区带内，分布着原油成分和性质有差异的油气藏。在含油盆地内，一旦发现某种性质的原油，可以依据所处的水文地质区带推测和预测进一步勘探的方向和有利靶区(纵向上与横向)例如，如果在滞缓—弱氧化带发现重质油，则向盆地内与深部的阻滞—弱还原带或停滞—还原带继续进行勘探，是找到正常原油或大型油气藏的有利场所。从水文地质观点，根据水文地质区带特点，可为部署油气勘探工作提供一方面的证据。

图5-28 松辽盆地北部水文地质区带平面图

图5-29 泌阳凹陷核三段水文地质区带平面图

(据汪义先等，1982～1988)

Ⅰ—活跃-氧化带；Ⅱ—滞缓-弱氧化带；Ⅲ—阻滞-弱还原带；Ⅳ—停滞-还原带

图5-30 吐哈盆地台北凹陷中侏罗统水文地质区带剖面图

图5-31 塔里木盆地水文地质区带剖面图

图5-32 冀中坳陷古潜山水文地质区带剖面图

(据汪蕴璞，1987，改编)