盆地流體系統

盆地流體系統是指盆地流體的成分、性質、循環樣式和驅動機制。

盆地流體包括任何占據沉積物孔隙裂隙和在其中流動的流體，包括盆地內產生和流動的內部流體和產生於外部而流入盆地的外部流體。

基本介紹

• 中文名：盆地流體系統
• 外文名：Basin fluid system
• 學科：沉積學
• 內容：疏導類型、能力、空間組合
• 驅動因素：壓力、熱對流等
• 成分：無機物、有機物、微量元素

簡介

盆地分析在揭示盆地的結構特徵基礎上，需要進一步研究流體系統，這對油氣成藏、成礦和水資源都是至關重要的。流體的運移和聚集都離不開輸導系統。研究流體系統首先需要研究輸導系統的類型、輸導能力和空間組合關係。輸導系統是由具滲透能力的輸導層、古間斷面和斷裂組合而成的。在此基礎上再研究盆地流體的成分、性質、循環樣式和驅動機制。

內部流體包括沉積水、成岩水、烴類。沉積水系指沉積物堆積過程中保存於岩石孔隙或裂隙中的水；成岩水系指沉積物在成岩作用和烴類生成過程中，由於物理化學作用所產生的水，如：黏土礦物轉化（蒙脫石向伊利石轉化）脫出的層間水，有機質向烴類轉化分解出的水。外部流體包括由大氣降雨時滲入到地下岩層中的滲入水和從岩漿中游離出來的初生水和變質作用過程中所形成的變質流體。

盆地流體成分

盆地流體是一種溶液，溶液中有各種不同的離子、分子、化合物以及不同的氣體。到目前為止，在盆地流體中已發現六十多種不同元素。這些元素含量取決於賦存方式及其溶解度。各種物質在水中的溶解度，除取決於它們本身的物理化學性質外，還與水溫有關。大多數鹽類的溶解度隨溫度增高而加大，而氣體的溶解度則恰相反，它隨著溫度升高而減小。此外，某些物質的溶解度還與其他物質在水中的濃度有關。例如，當水中含有CO₂氣體時，水對碳酸鹽的溶解能力可增加三倍。在油田水中由於有機酸的存在，流體對某些金屬元素（如：金）具有萃取和富集作用。

主要無機組成

盆地流體中溶解成分通常以下列幾種形式存在，即離子狀態、化合物分子狀態以及游離氣體狀態。離子成分中常見陽離子有：H⁺、Na⁺、K⁺、NH₄⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Mn²⁺、Fe³⁺等;常見陰離子有：Cl^-、SO^2-₄、OH^-、NO₂^-、NO₃^-、HCO^-₃、CO^2-₃、SO^2-₃及PO^3-₄等。以未離解的化合物狀態存在的有：Fe₂O₃、Al₂O₃和H₂SiO₃等。氣體成分有N₂、O₂、CO₂、CH₄以及氡等。

微量元素

盆地流 體 中 含 有 幾 十種 微 量 元 素，常 見 的有 碘 (I)、溴 (Br)、硼(B)、鋇(Ba)、鍶(Sr)、氟(F)、鐵(Fe)、鋰(Li)、鋁 (Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、錫(Sn)、釩(V)和硒(Se)等。其中有些微量元素組合特徵、異常值或比值能較好地反應地層水的起源、沉積環境、水的濃縮程度及水文地質的封閉性(陳榮書，1994)。比如，氟化鈣和高 Br值能指示封閉的沉積環境，硼(B)的富集與水文地質的封閉性有關，Ba和 Sr的含量和比值也可反映油田水來源於大陸淡水還是海水。

有機組成

在含有機質沉積物的沉積盆地中，地層水通常含有許多可溶的有機組分。一般而言，盆地流體中有機組成含量及成分差異較大，與油氣田伴生的地層水中常見的有機成分有有機酸、烷烴、苯和酚。這些組分含量變化常可作為油氣尋找的重要的水化學標誌。油田水中常含數量不等的環烷酸、脂肪酸和胺基酸等。松遼盆地北部葡萄花、扶餘和楊大城子油層水中脂肪酸含量最高可達 2060mg/L(黃福堂，1999)。油層水的烴類有氣態烴(C_1-4 烴類)和液態烴。而非油層水中常只含少量甲烷。重烴含量可用甲烷係數(CH₄ /總烴)或乾燥係數(CH_4/6C⁺₂烴)表示之。

油層水中苯系化合物含量高，一般可達 0.01～1.58mg/L，最多可達 5～6mg/L，且甲苯/苯大於 1;非油層水中苯系化合物含量低，且甲苯/苯小於 1。酚在油層水含量較高，一般大於 0.1mg/L，最高達 10～15mg/L，且以鄰甲酚和甲酚為主;非油層水中的含量低，且以苯酚為主(陳榮書，1994)。

盆地流體性質

由於盆地流體的化學成分複雜，其物理和化學性質具有明顯差異。了解盆地流體的性質，對盆地流體的成因和演化是十分重要的。

(一)物理性質

1.顏色

盆地流體的顏色取決於地層水中溶解物、膠質、有機烴類、礦物質。含有硫化氫的地層水，由於氧化時分解出遊離硫磺膠體，故常呈翠綠色。含氧化亞鐵的水呈淺藍綠色，含氧化鐵的水呈褐紅色。

2.密度

流體密度是每單位體積內流體的質量，單位為 g/cm³ 。由於盆地流體中含有大量溶解物及礦物質，其密度比純水(1.0g/cm³ )大。

3.黏度

黏度代表流體流動時分子之間對運動所引起的內摩擦力的大小。黏度愈大則流動性愈差，反之，則流動性好。流體的黏度隨溫度的降低和含鹽度的增加而增加。

4.導電性

盆地流體因其礦化度較高，所以且有良好的導電性。

（二）化學性質

1.礦化度

礦化度是指水中所含各種離子、分子及化合物的總量，或稱為水的總礦化量(TDS)，以 g/L表示。其中包括所有溶解狀態及膠體狀態的成分，但不包括游離狀態的氣體成分。

2.水型

地層水的分類方法通常依賴於水中所發現的溶解組分及其化學性質。在含油氣盆地的地層水分類中多數採用蘇林分類法。(Sulin，1946)

3.酸鹼度(pH)

pH值是氫離子濃度的反對數 (以 10為底)。純水在 25℃時的 pH值為7.0，其含意是每升溶液中 H⁺為 10^-7 克分子。當其他組分被水溶解時，由於新的離子與 H⁺或 OH^- 相結合，導致 pH值的變化。

驅動因素

盆地流體流動的關鍵問題是動力和通道。一般而言，孔隙水在沉積盆地中的流動是由兩種因素所致，一是壓力驅動，形成壓力流;二是熱驅動，形成熱對流。盆地流體的流動受控於盆地形成和演化，即受構造、沉積、地層壓力和熱演化等多方面因素的控制。

(一)壓力驅動———壓力

流盆地流體流動的基本原則是降低其能量，流體總是從高勢區向低勢區流動。盆地內孔隙水在壓力驅動下形成壓力流。壓力流是指發生在高壓與低壓之間即沿壓力梯度的流體流動。最重要的驅動力包括：沉積壓實、浮力、重力和構造應力及地震。流動被看成是水力梯度的反映。

1.沉積壓實

隨著沉積物不斷埋深，由於受上覆沉積物的重力作用而發生壓實作用，沉積物孔隙空間減少，孔隙空間的流體被擠出，進而導致盆地內流體的流動。在細粒沉積物中，由於沉積物快速沉積使得孔隙空間中的水不能有效排出，逐漸形成超壓帶。反之，超壓帶的形成暗示了流體流動障礙的存在。Bethke等 (1991)對Illinois盆地模擬研究指出：沉積速率為 30m/Ma時，壓實驅動的流動速率小於2km/Ma。根據體積和速率判斷，即使在快速沉降的盆地中壓實作用驅動流體流動也是微弱的。

2.浮力

沉積盆地中浮力主要由受溫度和鹽度控制的流體密度梯度產生，而溫度和鹽度常常隨深 度而增加。流體 密度隨溫 度的增加而減少，England等 (1997，1993)認為非對流性浮力驅動流動是埋深 3km以內的烴類的二次運移的重要機理。

3.重力

由於重力和地形差產生的流動受控於降雨量、下滲水的百分含量、水壓頭及含水層的滲透性和連續性。進入盆地流體的流動在很大程度上受盆地地貌(也是成因)的控制，如低地勢的克拉通盆地與具活躍的邊緣抬升和含水層出露的前陸盆地之間有明顯的差別。由重力和地形可導致盆地內流體沿盆地含水層進行較長範圍內的流動，比如在前陸盆地可達數百公里的流動(Bethke，1989;De-ming等，1992)。

4.構造應力和地震

構造擠壓應力對盆地流體流動的影響主要表現在兩方面：一方面是通過骨架岩石的變形改變水文地質單元和流體輸導網路的分布以及各輸導體的輸導能力;另一方面會改變地層壓力系統，比如導致超壓系統的形成或泄漏。

(二)熱驅動———熱對流

熱對流是指由於溫差所產生的熱力而導致流體的流動。由於溫度和含鹽度的變化產生密度梯度而引起孔隙水的瑞利(Rayleigh)和非瑞利對流驅動。熱對流一直被認為是穿過地下 岩層溶質運移的機理 之一(Wood和 Hewett，1982，1984;Davis等，1985)。

當流體流動方向與等溫線相交時，側向流體運動將導致熱重新分布。熱流體活動導致岩石成熟度異常和物質的遷移，根據這些熱異常和成岩反應，反過來追蹤熱流體活動的流徑和判斷熱流體的活動範圍。

1.瑞利對流

瑞利對流需要非常厚的、均勻、多孔砂岩(109～300m)的存在，其中不能存在任何低滲層的夾層，如黏土層(Bjorlykke等，1988)。瑞利對流的數學模型已表明，砂岩層序中的相對薄層頁岩(0.1m)或膠結層段，將會有效地把可能大的對流團分割成較小的對流圈，以致太小而不能超過臨界瑞利值。因瑞利對流而引起的孔隙水流動非常之快，足以在 10Ma內溶解和沉澱 10%的石英(Palm，1990)。這表明，相對於成岩過程而言，如果發生瑞利對流，將對成岩產生積極、快速的影響，但這種情況可能相對罕見。

2.非瑞利對流

在具有非水平等溫線的傾斜地層中，流體總是不穩定的，這時非瑞利對流將會產生(Gouze等，1994)。非瑞利對流的速度與等溫線的傾斜度以及對流圈高度成正比關係。若對流只局限在幾米厚、有頁岩分隔的砂岩層里，就成岩時期物質運移而言，熱對流所產生的層內流體流動速度將會很小(Bjorlykke，1988)。

循環樣式

Coustau(1977)根據盆地的水動力特徵，將盆地流體活動劃分為 “青年”、“中年”和“老年”三階段，分別對應於壓實驅動流、重力驅動流和滯流(無水流)三種水流循環樣式。在盆地發育過程中，隨著沉積物不斷沉積，上覆沉積物厚度增大，由壓實作用導致岩石孔隙中的流體被擠出，形成壓實驅動流，使流體從盆地中心向盆地邊緣或從深部向淺部流動。重力驅動流則是由地勢高差引起的流體在重力作用下從高勢區向低勢區的流動。當盆地進入老年階段，盆地四周被剝蝕夷平，盆地中岩石孔隙也不再發生變化，從而出現不存在任何流動的滯流現象。

然而，大量研究成果表明，盆地流體循環樣式絕不是這樣簡單的樣式。盆地流體系統可能是一個複雜的流體系統，包括多個互相關聯而又各具特色的流體循環系統。盆地流體循環樣式決定了盆地內流體區域流動的指向和趨勢。它受盆地地球動力學背景、盆地構造、沉積充填、熱史及水文體制的控制。在沉積盆地演化過程中，最常見的流體循環樣式有壓實和超壓驅動型、重力和地形驅動型以及構造應力驅動型。大量研究成果表明，在不同盆地的不同演化階段具有不同的盆地流體循環樣式。

輸導要素及輸導能力

(一)輸導體類型及輸導能力盆地流體流動的通道由不同輸導體在三維空間上組合而成。這些輸導體包括骨架砂體、層序界面、斷層及裂縫。輸導體的輸導能力取決於岩石的孔滲性及不整合界面、斷裂和裂隙的滲透能力。

1.骨架沙體

沉積盆地不同岩性的輸導能力的差異很大，一般而言隨著地層埋深增大，孔隙度和滲透率逐漸降低。其輸導能力也減弱。在相同深度條件下砂岩的輸導能力大大好於泥岩。因此，骨架沙體構成盆地流體的良好輸導通道。骨架沙體如河道骨架沙體、三角洲骨架沙體等具有良好的孔滲性能，是沉積盆地內發育的重要輸導體系。當烴類從生油岩進入骨架沙體後，烴類流體就以兩相流體的形式沿骨架砂岩輸導體系向低勢區的圈閉運移和聚集。

2.不整合界面

不整合界面的存在意味著一定時間的間斷和暴露，所以，在不整合界面形成時期往往具有較強烈的風化氧化作用，這樣大大改善了界面附近孔滲條件;另一方面不整合界面之上往往發育砂礫岩層，比如在層序界面上除存在沖刷不整合面以外，還有下切水道充填複合體，它們可以作為油氣運移的輸導體系。如下白堊統 Denver盆地北部 Muddy砂岩的壓力資料和成岩資料研究表明：層序界面上發育的下切水道複合體作為沉積物開始埋藏以來流體流動的輸導體系。發育於層序界面之上的低位扇體往往成為油氣聚集的有利地區。烴類沿層序界面流動時當遇到斷層或泥岩等的封堵時便可形成低位扇油氣藏。

3.斷層和裂縫

斷層及裂縫是沉積盆地內最重要的流體輸導體之一，也是油氣運移聚集的最主要的輸導體或封隔體。斷層和裂隙的輸導能力取決於：① 斷層兩側的岩性;② 斷層面上泥岩的塗抹和斷層帶角礫的膠結程度;③ 斷層力學性質的轉換;④ 地應力和流體壓力的幕式變化等。

輸導網路及輸導脊

盆地內流體輸導體的三維配置是十分複雜的，而且各種輸導體的輸導能力也隨著盆地演化而發生變化。同樣，油氣運聚也很複雜，作為烴源岩和儲集岩之間的輸導通道常常是由於多種輸導體組合形成的複合的輸導網路。構造脊是指由於岩層產狀發生改變而形成的正向構造的脊線，如背斜的脊線、鼻狀構造的脊線等。當油從源岩進入儲層，油氣就在浮力、水動力和毛細管力的作用下，順儲層頂面沿地層的上傾方向向構造脊運移。因此，構造脊就成為油氣的主要輸導通道，或稱油氣運移的“高速公路”。並非所有構造脊都是油氣或流體的輸導通道，如構造脊部位主要由泥岩所組成則不能作為輸導通道，因此，還需要有輸導層的配合。為了更好地描述油氣運移中主要輸導通道，提出“輸導脊”概念。即由岩性或構造與岩性配合形成正向構造的脊線，沿脊線具有良好的輸導能力。