[科普中国]-盆地流体系统

简介

盆地分析在揭示盆地的结构特征基础上，需要进一步研究流体系统，这对油气成藏、成矿和水资源都是至关重要的。流体的运移和聚集都离不开输导系统。研究流体系统首先需要研究输导系统的类型、输导能力和空间组合关系。输导系统是由具渗透能力的输导层、古间断面和断裂组合而成的。在此基础上再研究盆地流体的成分、性质、循环样式和驱动机制。

内部流体包括沉积水、成岩水、烃类。沉积水系指沉积物堆积过程中保存于岩石孔隙或裂隙中的水；成岩水系指沉积物在成岩作用和烃类生成过程中，由于物理化学作用所产生的水，如：黏土矿物转化（蒙脱石向伊利石转化）脱出的层间水，有机质向烃类转化分解出的水。外部流体包括由大气降雨时渗入到地下岩层中的渗入水和从岩浆中游离出来的初生水和变质作用过程中所形成的变质流体。1

盆地流体成分盆地流体是一种溶液，溶液中有各种不同的离子、分子、化合物以及不同的气体。到目前为止，在盆地流体中已发现六十多种不同元素。这些元素含量取决于赋存方式及其溶解度。各种物质在水中的溶解度，除取决于它们本身的物理化学性质外，还与水温有关。大多数盐类的溶解度随温度增高而加大，而气体的溶解度则恰相反，它随着温度升高而减小。此外，某些物质的溶解度还与其他物质在水中的浓度有关。例如，当水中含有CO2气体时，水对碳酸盐的溶解能力可增加三倍。在油田水中由于有机酸的存在，流体对某些金属元素（如：金）具有萃取和富集作用。

主要无机组成盆地流体中溶解成分通常以下列几种形式存在，即离子状态、化合物分子状态以及游离气体状态。离子成分中常见阳离子有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe3+等;常见阴离子有：Cl-、SO2-4、OH-、NO2-、NO3-、HCO-3、CO2-3、SO2-3及PO3-4等。以未离解的化合物状态存在的有：Fe2O3、Al2O3和H2SiO3等。气体成分有N2、O2、CO2、CH4以及氡等。

微量元素盆地流 体 中 含 有 几 十种 微 量 元 素，常 见 的有 碘 (I)、溴 (Br)、硼(B)、钡(Ba)、锶(Sr)、氟(F)、铁(Fe)、锂(Li)、铝 (Al)、铜(Cu)、银(Ag)、锡(Sn)、钒(V)和硒(Se)等。其中有些微量元素组合特征、异常值或比值能较好地反应地层水的起源、沉积环境、水的浓缩程度及水文地质的封闭性(陈荣书，1994)。比如，氟化钙和高 Br值能指示封闭的沉积环境，硼(B)的富集与水文地质的封闭性有关，Ba和 Sr的含量和比值也可反映油田水来源于大陆淡水还是海水。

有机组成在含有机质沉积物的沉积盆地中，地层水通常含有许多可溶的有机组分。一般而言，盆地流体中有机组成含量及成分差异较大，与油气田伴生的地层水中常见的有机成分有有机酸、烷烃、苯和酚。这些组分含量变化常可作为油气寻找的重要的水化学标志。油田水中常含数量不等的环烷酸、脂肪酸和氨基酸等。松辽盆地北部葡萄花、扶余和杨大城子油层水中脂肪酸含量最高可达 2060mg/L(黄福堂，1999)。油层水的烃类有气态烃(C1-4 烃类)和液态烃。而非油层水中常只含少量甲烷。重烃含量可用甲烷系数(CH4 /总烃)或干燥系数(CH4/6C+2烃)表示之。

油层水中苯系化合物含量高，一般可达 0.01～1.58mg/L，最多可达 5～6mg/L，且甲苯/苯大于 1;非油层水中苯系化合物含量低，且甲苯/苯小于 1。酚在油层水含量较高，一般大于 0.1mg/L，最高达 10～15mg/L，且以邻甲酚和甲酚为主;非油层水中的含量低，且以苯酚为主(陈荣书，1994)。

盆地流体性质由于盆地流体的化学成分复杂，其物理和化学性质具有明显差异。了解盆地流体的性质，对盆地流体的成因和演化是十分重要的。

(一)物理性质

1.颜色

盆地流体的颜色取决于地层水中溶解物、胶质、有机烃类、矿物质。含有硫化氢的地层水，由于氧化时分解出游离硫磺胶体，故常呈翠绿色。含氧化亚铁的水呈浅蓝绿色，含氧化铁的水呈褐红色。

2.密度

流体密度是每单位体积内流体的质量，单位为 g/cm3 。由于盆地流体中含有大量溶解物及矿物质，其密度比纯水(1.0g/cm3 )大。

3.黏度

黏度代表流体流动时分子之间对运动所引起的内摩擦力的大小。黏度愈大则流动性愈差，反之，则流动性好。流体的黏度随温度的降低和含盐度的增加而增加。

4.导电性

盆地流体因其矿化度较高，所以且有良好的导电性。

（二）化学性质

1.矿化度

矿化度是指水中所含各种离子、分子及化合物的总量，或称为水的总矿化量(TDS)，以 g/L表示。其中包括所有溶解状态及胶体状态的成分，但不包括游离状态的气体成分。

2.水型

地层水的分类方法通常依赖于水中所发现的溶解组分及其化学性质。在含油气盆地的地层水分类中多数采用苏林分类法。(Sulin，1946)

3.酸碱度(pH)

pH值是氢离子浓度的反对数 (以 10为底)。纯水在 25℃时的 pH值为7.0，其含意是每升溶液中 H+为 10-7 克分子。当其他组分被水溶解时，由于新的离子与 H+或 OH- 相结合，导致 pH值的变化。1

驱动因素盆地流体流动的关键问题是动力和通道。一般而言，孔隙水在沉积盆地中的流动是由两种因素所致，一是压力驱动，形成压力流;二是热驱动，形成热对流。盆地流体的流动受控于盆地形成和演化，即受构造、沉积、地层压力和热演化等多方面因素的控制。

(一)压力驱动———压力

流盆地流体流动的基本原则是降低其能量，流体总是从高势区向低势区流动。盆地内孔隙水在压力驱动下形成压力流。压力流是指发生在高压与低压之间即沿压力梯度的流体流动。最重要的驱动力包括：沉积压实、浮力、重力和构造应力及地震。流动被看成是水力梯度的反映。

1.沉积压实

随着沉积物不断埋深，由于受上覆沉积物的重力作用而发生压实作用，沉积物孔隙空间减少，孔隙空间的流体被挤出，进而导致盆地内流体的流动。在细粒沉积物中，由于沉积物快速沉积使得孔隙空间中的水不能有效排出，逐渐形成超压带。反之，超压带的形成暗示了流体流动障碍的存在。Bethke等 (1991)对Illinois盆地模拟研究指出：沉积速率为 30m/Ma时，压实驱动的流动速率小于2km/Ma。根据体积和速率判断，即使在快速沉降的盆地中压实作用驱动流体流动也是微弱的。

2.浮力

沉积盆地中浮力主要由受温度和盐度控制的流体密度梯度产生，而温度和盐度常常随深 度而增加。流体 密度随温 度的增加而减少，England等 (1997，1993)认为非对流性浮力驱动流动是埋深 3km以内的烃类的二次运移的重要机理。

3.重力

由于重力和地形差产生的流动受控于降雨量、下渗水的百分含量、水压头及含水层的渗透性和连续性。进入盆地流体的流动在很大程度上受盆地地貌(也是成因)的控制，如低地势的克拉通盆地与具活跃的边缘抬升和含水层出露的前陆盆地之间有明显的差别。由重力和地形可导致盆地内流体沿盆地含水层进行较长范围内的流动，比如在前陆盆地可达数百公里的流动(Bethke，1989;De-ming等，1992)。

4.构造应力和地震

构造挤压应力对盆地流体流动的影响主要表现在两方面：一方面是通过骨架岩石的变形改变水文地质单元和流体输导网络的分布以及各输导体的输导能力;另一方面会改变地层压力系统，比如导致超压系统的形成或泄漏。

(二)热驱动———热对流

热对流是指由于温差所产生的热力而导致流体的流动。由于温度和含盐度的变化产生密度梯度而引起孔隙水的瑞利(Rayleigh)和非瑞利对流驱动。热对流一直被认为是穿过地下 岩层溶质运移的机理 之一(Wood和 Hewett，1982，1984;Davis等，1985)。

当流体流动方向与等温线相交时，侧向流体运动将导致热重新分布。热流体活动导致岩石成熟度异常和物质的迁移，根据这些热异常和成岩反应，反过来追踪热流体活动的流径和判断热流体的活动范围。

1.瑞利对流

瑞利对流需要非常厚的、均匀、多孔砂岩(109～300m)的存在，其中不能存在任何低渗层的夹层，如黏土层(Bjorlykke等，1988)。瑞利对流的数学模型已表明，砂岩层序中的相对薄层页岩(0.1m)或胶结层段，将会有效地把可能大的对流团分割成较小的对流圈，以致太小而不能超过临界瑞利值。因瑞利对流而引起的孔隙水流动非常之快，足以在 10Ma内溶解和沉淀 10%的石英(Palm，1990)。这表明，相对于成岩过程而言，如果发生瑞利对流，将对成岩产生积极、快速的影响，但这种情况可能相对罕见。

2.非瑞利对流

在具有非水平等温线的倾斜地层中，流体总是不稳定的，这时非瑞利对流将会产生(Gouze等，1994)。非瑞利对流的速度与等温线的倾斜度以及对流圈高度成正比关系。若对流只局限在几米厚、有页岩分隔的砂岩层里，就成岩时期物质运移而言，热对流所产生的层内流体流动速度将会很小(Bjorlykke，1988)。

循环样式Coustau(1977)根据盆地的水动力特征，将盆地流体活动划分为 “青年”、“中年”和“老年”三阶段，分别对应于压实驱动流、重力驱动流和滞流(无水流)三种水流循环样式。在盆地发育过程中，随着沉积物不断沉积，上覆沉积物厚度增大，由压实作用导致岩石孔隙中的流体被挤出，形成压实驱动流，使流体从盆地中心向盆地边缘或从深部向浅部流动。重力驱动流则是由地势高差引起的流体在重力作用下从高势区向低势区的流动。当盆地进入老年阶段，盆地四周被剥蚀夷平，盆地中岩石孔隙也不再发生变化，从而出现不存在任何流动的滞流现象。

然而，大量研究成果表明，盆地流体循环样式绝不是这样简单的样式。盆地流体系统可能是一个复杂的流体系统，包括多个互相关联而又各具特色的流体循环系统。盆地流体循环样式决定了盆地内流体区域流动的指向和趋势。它受盆地地球动力学背景、盆地构造、沉积充填、热史及水文体制的控制。在沉积盆地演化过程中，最常见的流体循环样式有压实和超压驱动型、重力和地形驱动型以及构造应力驱动型。大量研究成果表明，在不同盆地的不同演化阶段具有不同的盆地流体循环样式。1

输导要素及输导能力(一)输导体类型及输导能力盆地流体流动的通道由不同输导体在三维空间上组合而成。这些输导体包括骨架砂体、层序界面、断层及裂缝。输导体的输导能力取决于岩石的孔渗性及不整合界面、断裂和裂隙的渗透能力。

1.骨架沙体

沉积盆地不同岩性的输导能力的差异很大，一般而言随着地层埋深增大，孔隙度和渗透率逐渐降低。其输导能力也减弱。在相同深度条件下砂岩的输导能力大大好于泥岩。因此，骨架沙体构成盆地流体的良好输导通道。骨架沙体如河道骨架沙体、三角洲骨架沙体等具有良好的孔渗性能，是沉积盆地内发育的重要输导体系。当烃类从生油岩进入骨架沙体后，烃类流体就以两相流体的形式沿骨架砂岩输导体系向低势区的圈闭运移和聚集。

2.不整合界面

不整合界面的存在意味着一定时间的间断和暴露，所以，在不整合界面形成时期往往具有较强烈的风化氧化作用，这样大大改善了界面附近孔渗条件;另一方面不整合界面之上往往发育砂砾岩层，比如在层序界面上除存在冲刷不整合面以外，还有下切水道充填复合体，它们可以作为油气运移的输导体系。如下白垩统 Denver盆地北部 Muddy砂岩的压力资料和成岩资料研究表明：层序界面上发育的下切水道复合体作为沉积物开始埋藏以来流体流动的输导体系。发育于层序界面之上的低位扇体往往成为油气聚集的有利地区。烃类沿层序界面流动时当遇到断层或泥岩等的封堵时便可形成低位扇油气藏。

3.断层和裂缝

断层及裂缝是沉积盆地内最重要的流体输导体之一，也是油气运移聚集的最主要的输导体或封隔体。断层和裂隙的输导能力取决于：① 断层两侧的岩性;② 断层面上泥岩的涂抹和断层带角砾的胶结程度;③ 断层力学性质的转换;④ 地应力和流体压力的幕式变化等。1

输导网络及输导脊盆地内流体输导体的三维配置是十分复杂的，而且各种输导体的输导能力也随着盆地演化而发生变化。同样，油气运聚也很复杂，作为烃源岩和储集岩之间的输导通道常常是由于多种输导体组合形成的复合的输导网络。构造脊是指由于岩层产状发生改变而形成的正向构造的脊线，如背斜的脊线、鼻状构造的脊线等。当油从源岩进入储层，油气就在浮力、水动力和毛细管力的作用下，顺储层顶面沿地层的上倾方向向构造脊运移。因此，构造脊就成为油气的主要输导通道，或称油气运移的“高速公路”。并非所有构造脊都是油气或流体的输导通道，如构造脊部位主要由泥岩所组成则不能作为输导通道，因此，还需要有输导层的配合。为了更好地描述油气运移中主要输导通道，提出“输导脊”概念。即由岩性或构造与岩性配合形成正向构造的脊线，沿脊线具有良好的输导能力。1