油田水的埋藏与径流条件 岩溶水的埋藏条件分类
含油气盆地内是否能储层地下水并形成油田水，除决定于含水层外，还必须要有相对不透水的隔水层以及由它们共同组成的各种含水构造(圈闭)。蓄水构造的类型繁多，就水文地质角度单式蓄水构造主要有：水平岩层蓄水构造、褶皱(向斜与背斜)型蓄水构造、单斜蓄水构造、断裂型蓄水构造、接触(侵入体、不整合面)型蓄水构造及风化壳蓄水构造等。
岩石之所以透水或含水，因为存在有各种相连通的空隙，如孔隙、裂隙、溶隙等。油田水按其储水空间特征分为三种基本类型，即孔隙型、裂隙型及溶蚀型。
1.孔隙型油田水
孔隙型油田水是埋藏在孔隙含水层中颗粒空间的地下水，常呈层状，多以层流形式运动，服从达西定律。
孔隙型油田水主要储集在碎屑岩中，各种砂体，如冲积锥砂砾岩体，河床砂岩体、三角洲砂岩体、沿岸堤坝砂岩体及浊流砂岩体等是该类型油田水的主要含水层。在我国陆相含油气盆地中，孔隙油田水占有较大的比重。
准噶尔盆地克拉玛依油田是由冲积锥砂砾岩体形成的，在五区、八区和百口泉区的冲积锥体腰部是油、水聚集的有利地区，如图3-1所示。
图3-1 克拉玛依冲积锥与油气高产区
(据石油部规划院，1977)
1—高产区；2—冲积锥体；3—老山边界；4—供给物方向；5—断层
鄂尔多斯盆地侏罗系底部的延安砂岩是河床砂岩体，它充填在三叠纪末形成的沟谷中，其中浅滩沉积的中—细砂岩物性好，底水丰富，有利于油水储集，日产水量达82.8～744.7m3。
大庆长垣北部油气多分布于分流河道砂岩体中，具有统一的油水边界，如表3-1所示。
沉积物在成岩过程中，由于孔隙被充填、胶结，使粒度孔隙发生变化，影响地下水流速和储量。当地下水循环交替条件较差时，在矿化作用下，水中溶解盐类达到饱和状态，则会沉淀出部分盐类，使孔隙变小，如鄂尔多斯盆地上三叠统延长组砂岩，由于胶结物充填，使孔隙度和渗透率大大降低，只有n×10-3μm2，富水程度较差。反之，如果地下水循环交替条件良好，则地下水不断溶滤岩石成分，使孔隙增大，富水程度增加，如松辽盆地下白垩统各组砂岩。
表3-1 油气水聚集与沉积环境关系对照表
2.裂隙型油田水
以岩石裂缝(隙)或不整合面为储集空间和运动通道。主要赋存在成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙、卸荷裂隙及不整合面上的裂隙空间中。贮藏在裂隙中的油田水，其埋藏、分布和运动规律主要受岩石裂隙发育特点的制约，水动力性质极不均一。如柴达木盆地的油泉子油田，背斜轴部节理、裂隙发育，贮集层为中新统—渐新统钙质泥岩和砂质泥岩，石油高产井多集中在断裂和节理发育的轴部高点上，油气底部为裂隙型油田水所充填。
鄂尔多斯盆地东部的延长油田，贮集层为上三叠统延长组第三段粉、细砂岩，岩性横向变化大，渗透率很低，裂隙储油。裂隙发育的地区，有利于油气和地下水聚集(图3-2)。
图3-2 延长油田岩性横向变化图
(据延长油田，1960)
1—泥质岩类；2—油层；3—砂岩；4—钻孔
含油气盆地中，孔隙型油田水和裂隙油田水，常常组合在一起，形成复合型孔隙-裂隙型油田水，或裂隙-孔隙型油田水。
3.溶蚀型油田水
贮存在碳酸盐岩中的孔、洞、缝中，水量一般比较丰富，但分布均匀度较差。此类型的油田水既有相对统一的自由水面，又有相对隔离的孤立水体。储存于溶洞与裂隙中的水对围岩不断地进行改造，它的发展总趋势是使可溶岩体的透水性能变好，使细微裂隙网逐渐变成大大小小的管道，使具有层流运动的裂隙逐渐变为具有紊流运动的渠流，水的动态变化很大，使储集空间复杂化。如任丘古潜山油田，不同时代的碳酸盐岩经构造和溶蚀等作用，孔、洞、缝极为发育，其上又为古近系泥岩所覆，形成良好的圈闭条件，油水界面分异清楚，油层底水发育，具有统一的油水界面和统一的水动力系统。
不同类型油田水的产状比较复杂，主要有以下几种：
1)层状油田水：在油藏中呈层状分布，在水平方向上延伸较远，与区域含水岩系或含水层相通，在垂直方向上可多层叠加，水量一般较丰富，压力递减慢，水化学成分相对稳定，有统一的油水边界，在区域上形成统一的水动力系统。在油藏中以底水和边水的形式存在，多为孔隙型油田水，分布较广。
2)席状油田水：埋藏于砂泥岩交互层或单斜构造带上，一般单层厚度较薄，似席状，与区域含水层联系较弱，主要是沉积成因水。在油田开发中压力递减快，水量变化大，水化学成分变化程度较高。
3)不规则油田水：多发育在不规则的砂岩透镜体和岩石裂隙中，由于孔隙度和裂隙发育不均，连通性较差，或因断层(相变)分割，导致油田水在空间上呈不规则分布。无统一的油田水界面，水量较小，且不稳定，在油田开发中油、气、水的动态变化较大。
4)混合状油田水：在油气藏圈闭的范围里，具有不同产状的油田水埋藏在一起。
古水化学条件~
古水化学是恢复和重建含油气沉积盆地内地下水的原始水化学成分和演变趋势及其与油气藏关系的一种方法，从水文地质角度为研究油气生成环境(海相、陆相、深成烃源等)与成藏规律等提供水文地球化学依据。这是一个比较复杂，难度比较大的课题。一般应用下述方法推断古水化学条件。
1.岩相古地理法
古湖(海)盆沉积水包括沉积作用水(软泥水)和沉积成因水两种。正如前述，在地质历史长河中，随着沉积盆地的成生和发展，水底沉积物被压实，其中一部分水被挤压进入空隙(孔隙、裂隙等)相对较大的岩石中成为沉积成因水，即埋藏的层状水；另一部分软泥水仍然保留在泥质沉积物中或重返回地表水体。通过编制含水岩系的岩相古地理图(内容包括：盆地周边与内部古地形的起伏变化、水源与物源的搬运方向、沉积物岩性-粒度、颜色和岩溶特征、沉积环境与沉积建造类型、古陆、古湖、古海的分布范围及火山活动与岩浆侵入情况等)，可以恢复和推断沉积水的水理性质，了解含水岩系及不同成因水的空间分布。一般从盆地周边到盆地内部沿着水源径流方向，沉积物由粗变细，颜色由浅(红)变深(暗)，水中离子由 为主，转变为 增高，最后以Cl-占优势，矿化度有序的增高。综合考虑上述变化特点，可恢复原始沉积水(同生水)的性质属于哪一种类型。如大陆型的淡水、半咸水、咸水，潟湖型或海洋型的咸水、卤水等。现今油田水化学成分特征与沉积盆地原始水的性质有密切的关系(表2-5)。
表2-5 油田水的性质与地球化学环境的关系
含油气盆地从边缘到内部有不同的沉积结构，一般边缘为水下冲积扇叠加接连组成的山前倾斜地带，具有类似于山前倾斜平原的水文地质特征。沿冲积扇延伸方向，可分为地下水深埋带(径流带、溶滤带)，以低矿化度淡水为主→溢出带(浅埋带、盐分过渡带)，矿化度开始增高，水化学成分向浓缩方向发展→垂直交替带(盐分堆积带)，矿化度进一步升高，水化学成分趋向变质。在湖盆中部演变为河湖冲积-淤积平原带(为河床相、漫滩相、牛轭湖相、湖沼相等)，构成面积较大的、以湖相沉积为主的河湖平原，地下水径流滞缓，形成高矿化度的浓缩变质水(图2-11)。在横向上，即平行周边物源供给区的山脉方向，上述各带构成封闭或自成体系的环状与半环状带，不同类型的冲积扇由中间的粗粒沉积相到边缘的细粒沉积相，相互交叉连接在一起构成形式繁多的含水岩系。在垂向上，随着时代的延续、构造的频繁活动及气候条件变迁等因素，形成粗细交替的沉积韵律，埋藏了层次多、富水程度差异较大的含水岩系。
图2-11 泌阳凹陷核桃园组(三段)沉积岩相图
图2-12是塔里木盆地轮南地区以石炭系双峰灰岩的顶至奥陶系顶的地层厚度为依据恢复的地形及古水动力图，从中看出，岩溶古地形起伏很大，正负地形高差达250m，北高南低，形成自北而南倾状的格局。北部是主要的岩溶淡水供水区，使古水流由北向南径流。古水流梯度明显，北部的岩溶高地地层厚度薄是供水区，地下水以垂向运动为主，渗流带厚度大。岩溶斜坡区(地层厚度在80m以内)及谷地上游区，地下水以垂向渗入及水平运动为主，地下径流发育，渗流带厚度小，潜流带发育。岩溶谷地(地层厚度80～300m)下游区是地下水排泄区，以地表径流和停滞水为主，沿上述径流方向矿化度逐步增高，水中溶解盐分增多。
根据岩相古地理与沉积岩相特征同水文地球化学之间对应关系，应用比拟的方法，将今论古，可以推断研究区的水化学成分在平面上分带及其大致的范围，恢复古水化学成分演变的基本阶段。
2.水浓缩阶段与盐类聚集特点
含油气盆地中地下水化学成分面貌，主要决定于原始水的性质和沉积埋藏后的演变阶段。水浓缩阶段常与岩石中所含矿物或胶结物成分相对应，即不同浓缩阶段有不同的盐类聚集或结晶矿物析出，利用它们之间匹配关系，可以恢复当时沉积成因水的化学成分和矿化度。这种方法尽管推断的色彩比较浓一些，成果也比较粗糙，但对于认识古区域水文地质特征却有一定的帮助。
沉积盆地原始水化学成分变化很大，随着成岩和后生的水-岩-油相互作用(封闭、浓缩、溶解、溶滤、弥散、混合、交换等)而变化，在空间分布上一般从盆地边缘向内部由低矿化度的重碳酸盐过渡为高矿化度的氯化物盐(图2-13)。在复杂的物理化学变化中，沉积成因水始终保持着成油环境所固有的演变阶段和按地球化学规律而聚集的某些盐类。综观我国与油气有关的古盆地水体有趋向碳酸盐，硫酸盐及氯化物三种类型及其相应的盐类结晶特征(详见第三章)。结合岩石中Cl-分析资料，可以恢复古水化学条件。
图2-12 轮南地区奥陶系岩溶古地形及古水动力图
(据王振宇等，1996，修编)
现代海水蒸发的大量资料证明，当海水浓度达到70～80g/L时，开始沉积原生白云岩；130～170g/L时，沉积石膏；250～275g/L时，沉积石盐；320～330g/L时，沉积钾盐；345～350g/L时，沉积光卤石。汪蕴璞等(1982)据此对川西南三叠系储集层盐类物质沉积带的盐化程度进行了研究，推断原始沉积水的矿化度由西南至东北方向，应从40g/L增加到270g/L，离子组合为Cl--Na+，进入了氯化物演变阶段。
总之，在沉积作用水文地质阶段，水化学成分变化的总趋势是向不断浓缩盐化的正变质方向演化，水中盐类成分趋向纯化的过程，其规律是：水中稳定组分聚集，不稳定组分贫化，氧化环境的组分减少，还原环境的组分增加，水的同位素密度增高。该阶段导致水盐化的主要原因，一是水对岩石的溶解、溶滤作用，使其可溶盐分转向水中；二是随温度增高，加速溶解、蒸发及浓缩作用的进程，使水不断盐化；其他与生物地球化学作用、阳离交替作用等，也促使水中盐分发生分异和纯化。而在渗入作用水文地质阶段，水化学成分的变化恰与上述相反，不再赘述。
3.微量元素法
柯林斯利用海水蒸发试验资料证明，离子在盐分不同浓缩阶段，其含量变化各异，其中Cl-、Mg2+同属富集离子，含量始终持续增加。Br从海水中的65mg/L开始，到CaSO4沉积阶段增加为600mg/L；NaCl沉积阶段上升为4000mg/L；MgSO4沉积阶段为4300mg/L；KCl沉积阶段增加至8600mg/L；MgSO4沉积阶段高达10000mg/L。溴是基本上不参与成岩作用的极少数离子，而且当海水蒸发时，溴不可能形成自身矿物发生沉淀，只有在石盐沉淀时，与氯一起构成类质同象的混合物才在水中有少量降低。在水中是为数不多的相对恒定的离子，与氯离子相比，溴的浓度多呈指数增加，被视为反映海水浓缩程度的良好标志，常用来作为恢复海相古水化学成分的重要依据。在知道现代地下水矿化度和Br的含量后，可求取盆地沉积水的原始矿化度，可按以下方法推算：
M原=C×B/D
式中：M原为地下水原始矿化度；C为正常海水的矿化度(一般为33～36g/L)；D为正常海水中Br的含量(一般为60mg/L)；B为已知地下水中Br的含量。
计算出的原始矿化度与现在已知地下水矿化度(A)相比较，若AM原大于1，表明有外来盐水补给；若小于1，表明有淡水渗入。据AM原的绝对值，可求出混入水的水量。
图2-13 思茅盆地古新世水文地球化学略图
(据孙世雄，1991)
在实际工作中，根据表2-6的微量元素及其比值，可用来区分和综合判断原始水来源于海相还是陆相。有时也用铁等微量元素的硫化物(FeS2)和氧化物(Fe2O3)判别原始水处于还原环境还是氧化环境。结合微量元素的物质来源，不仅可以区分陆源和海源，而且可进一步判断所处的酸、碱性环境，如：反映陆源酸性环境的Li、Be、B组合；陆源中性环境的Zr、Sr组合；海域基性环境的Cu、Fe、V、Ti、Mo组合；海域碱性环境的Y、La、Nb组合；海域超基性环境的Co、Ni、Cr组合等。
表2-6 区分海相水和陆相水的微量元素
一些地区的实际资料表明，Cu、Pb、Zn组合的高含量是高矿化度Cl-Na·Ca型水的反映(表2-7)。
表2-7 Cu、Pb、Zn组合与矿化度、水型关系
(据孙世雄等，1991)
4.地球化学形迹法
地球化学形迹系指在地层中形成与古地下水化学成分活动有关的沉积矿物与岩脉。它们往往形成于古减压区、水文地球化学环境急剧变化带及破碎带(断裂、裂隙、孔隙、溶洞等)。地层中各种矿脉与充填物的出现，说明这些地区曾是古地下水活动的场所，是反映古水化学成分特征的依据，例如：方解石、菱铁矿、菱镁矿、白云岩等是与淡水中 和 的活动有关；而金属硫化物或硫酸盐的析出，是水中硫酸盐还原作用的结果；岩盐、膏盐等的析出，表明当时水化学成分向浓缩变质的方向发展，矿化度很高，以氯化物主；方解石脉与石英脉的存在，反映当时水化学的矿化度较低；天青石脉说明原始水含有较高的Sr2+、Ba2+等微量元素。图2-14是古渗入水与围岩作用留下的地球化学形迹，其中硅质岩(排除了结晶石英)、高岭石和玉髓的存在，反映当时的古水化学成分以含有较多的SiO2和喜氧细菌的淡水为主。
5.岩石溶液法
根据水-岩平衡的理论，从岩石溶滤液中提取盐分总量和离子组合是恢复古水化学成分的有效途径。提取的方法有：离心法(主要提取重力水、毛细水)、压实法(主要提取吸着水、薄膜水)、置换法(主要提取矿物内部结晶水)及岩石溶液法(多种类型水)。本文着重介绍经常应用的溶液法，该方法比较简单，主要工艺设备见图2-15。
实验条件：称取一定量(500g)岩石、粉碎至80目，放置于浸泡装置中，加入1L蒸馏水，放于密封的加热炉，低温(60℃左右)加热24h，在振荡器上振荡5min(150次/分)，静放10d，放出溶滤液，测试可溶总盐量和常量离子含量(K++Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-， ， )。然后，根据矿化度、离子顺序和组合关系，恢复古水化学成分特征与演变方向。
图2-14 古渗入水的地球化学形迹
图2-15 岩石溶液法主要设备
6.流体包裹体法
Burruss(1987)认为：沉积盆地中流体物质的生成、运移、聚集过程中，只要沉积物发生结晶作用，就能在矿化晶体中形成包裹体。流体包裹体是盆地流体演化过程中直接产物，其原理是建立在原生包裹体中的盐水溶液从一开始就封闭在矿物晶格中，其性质反映着原始沉积水的性质。次生包裹体中的水体是成岩过程中形成的，在一定程度上反映了沉积水经受的演变与改造。流体包裹体不与外界物质发生交换或化学反应，因此，是判断古水化学特性的一个标志。
楼章华等(2001)根据成岩组构，胶结作用序次及孔洞缝充填矿物的产出关系，将东营凹陷沙河街组流体包裹体分为六期，其中1～3期为原生包裹体，分布于成岩矿物中，4～6期为次生包裹体，分布于矿物系列中。从均一温度与含盐度关系图2-16中看出1～2期矿物均一温度低(70～85℃)，含盐度也低(0.5%～2.5%)属于淡水范畴；3～4期矿物均一温度和含盐度均明显增高，进入咸水阶段；5～6期矿物的含盐量增加速率加快，普遍为5%～8%，最高超过10%，属于盐(卤)水阶段。根据流体包裹体与含盐度的线性关系，可以推断古水化学的性质。
图2-16 东营坳陷流体包裹体均一温度与含盐度关系图
(据楼章华等，2001)
1—淡水自生方解石；2—第一世代方解石；3—粒间粒状方解石；4—粒间粒状方解石；5—微脉状方解石；6—微脉状方解石
7.古生物法
在地史上，水域中的古生物种属同水介质环境密切相关，所以它们是反映古水介质盐度比较敏感的指标，例如：在淡水中常发育有褶皱藻属、盘星藻属、毛球藻属及真星介形虫、玻璃介形虫等；而渤海藻属、锥藻属和湖花介形虫等，多生存于半咸水中；在咸水中发育有德弗兰藻属、沟鞭藻属、薄球藻属、棒球藻属及南星介形虫等。
8.推断法
在查清水文地质发育历史的基础上，应用rNa/rCl和Cl/Br系数推算古水化学成分特征与演变方向。利用上述系数是建立在海水化学成分在时间和空间上比较稳定的基础上。研究成果表明，现代海水的含盐量平均值是35g/L，常量离子的数量关系是：阴离子是 ；阳离子是Na+＞Mg2+＞Ca2+。显然海水中Na+与Cl-是主要组分。鉴于Cl-具有不易被氧化和吸附的特点，且又较难形成盐类沉积物，是海水中最为稳定的组分。因此，rNa/rCl和Cl/Br系数相对恒定的，可用来表示海水的特性。
现代海水的化学成分被视为地球上海水特有的一个常数，可以作为研究古代海水化学成分或海相沉积层有关的天然水特征及其变质程度的标志。现代海水的rNa/rCl和Cl/Br系数分别为：0.85和293。当现代水化学成分中rNa/rCl＜0.85，Cl/Br较高及rSO4/rCl较低时，反映了水化学成分或水文地质环境向变质的咸水化方向发展，多与古沉积水或古渗入变质水有关。
9.同位素法
应用同位素组成不仅能阐明地下水起源与形成机制，而且可以溯源地下水化学成分变异历史及运动规律。目前，水文地质界主要应用水中稳定的δD，δ18O，δ13C1，87Sr/86Sr及δ34S作为示踪物质去追索地下水的活动(水化学与水动力)特征。通常现代渗入成因水同位素密度低，沉积成因水同位素密度高；地质时代老的地层比新地层中水的同位素密度高；随着水中含盐度增高，δ13C1值增大，δD和δ18O偏离克雷格大气降水曲线右侧而靠近海水的δD值，而淡水的δD，δ18O和δ13C1值相对偏低，数值的范围和弥散度明显增大。因此，根据地下水时空分布上同位素密度的变化，可以判别古地下水化学成分及可能发生的变化。
根据岩溶水的出露和埋藏条件不同，岩溶水可以被划分为下列三种类型。
1.裸露型岩溶水
岩溶化地层广泛出露于地表，其特点是以潜水为主。岩溶水主要接受大气降水入渗补给，地下水循环交替快，常以泉和地下河形式排泄。动态变化大，化学成分简单，矿化度低。
2.覆盖型岩溶水
岩溶含水层之上有松散岩层覆盖，根据覆盖层厚度不同，可分为两个亚型。
浅覆盖亚型:上覆第四系松散沉积物，厚度一般不超过30m。其特点是:赋存潜水，但有承压现象。埋藏受基岩面形态及地貌控制。接受降水、地表水及浅部地下水补给。有类似裸露型岩溶水的径流、排泄及动态特征，但变化幅度较小。
深覆盖亚型:上覆第四系松散沉积物的厚度大于30m。这类水的特点是:分布范围较大，赋存承压水或部分自流水。补给来源较广泛，径流条件复杂，天然排泄点少。地下水动态对降水反映常滞后一个时期，水化学成分稍复杂，矿化度仍很低。
3.埋藏型岩溶水
岩溶含水层被基岩所覆盖。常以向斜、单斜等蓄水构造形式出现，这类水的特点是:岩溶水的埋藏、径流主要受构造控制，赋存承压水或自流水。补给来源以地下水为主。径流缓慢，极少见有天然排泄点，动态变化幅度小，相应降水有一个较长的滞后期，水化学成分复杂。
复习思考题
1.岩溶发育的基本条件有哪些?
2.岩溶水的分布为什么不均匀?其不均匀特征主要表现在哪些方面?
3.岩溶水的富集规律有哪些?你认为在岩溶水富集的地区开展地下工程建设要注意哪些问题?
原苏联研究现状
答：即确定出露地表或潜伏的分水岭位置,根据地下水补给条件,径流特征(方向、快慢、大小、影响因素、水交替类型和程度等)、排泄(方式、途径)条件等,在盆地范围内划分出地下水主要承压含水层及其补给区、径流区、排泄区(包括古代与现代),为石...
流域水资源系统
答：在北盆地,天然条件下河水与地下水之间的关系基本上是一个随河川径流河水逐渐渗入转化为地下水的过程,在河流量大的时期将有少量河水流入居延海,河流量小的时候则全部渗失于径流途中,河水总入渗量 6. 49×108m3/ a; 盆地内地下水没...
土壤对人类生活与生态有哪些作用?
答：据观测,在等雨量条件下,植被覆盖度为95%的农地径流系数为0.23,而覆盖度为15%的农地径流系数为0.59。通常发育良好的森林(具有林、灌、草、枯枝落叶层)水土流失量仅为农地的0.1%,甚至更低。按1 hm2计算,在森林土壤中,30 cm厚的地被...
土壤侵蚀会对人类带来什么灾害?
答：2.土壤肥力和质量下降 土壤侵蚀使大量肥沃表土流失，土壤肥力和植物产量迅速降低。如吉林省黑土地区，每年流失的土层厚达0.5-3cm，肥沃的黑土层不断变薄，有的地方甚至全部侵蚀，使黄土或乱石遍露地表。四川盆地中部土石丘...
