CN106680446A - 一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，该方法包括：取水样；检测水样中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^‑、SO₄ ^2‑、HCO₃ ^‑、CO₃ ^2‑的离子矿化度(S·C_i，单位mg/L)及离子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量)；根据获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^‑、SO₄ ^2‑、HCO₃ ^‑、CO₃ ^2‑的离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、综合判断系数六类数据，从而确定水样对应的成因环境。本发明的方法适用于确定地层水和地面水水型盐类地质环境特点，解决了地层水水型与地质环境之间的客观对应关系，为判断油气藏地层水地质环境提供了一条新途径。

Description

一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法

技术领域

本发明是关于一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，特别是一种用于地表水和油气藏条件下的地层水成因环境的分析方法，属于石油天然气勘探开发地质分析技术。

背景技术

在油气藏勘探开发过程中客观准确地判断地层水及地表水水型对确定储集岩在油气藏形成过程经历的地质环境具有指导作用。

地层水是指储存在地下岩石中的可动水和束缚水，包括油气层中的边水、底水、层间水及水层水和温泉水。地层水主要有四种来源：一是沉积水，指沉积物堆积过程中保存于其中的水，其含盐量和化学成分受控于原环境；二是渗入水，指大气降水等渗入岩层中的地表水，渗入水可淡化地下高矿化度水；三是深层水，指来源于地壳深部的高矿化度高温水；四是转化水，指沉积成岩和烃类形成过程中，粘土转化脱出的层间水及有机质向烃类转化时分解出的水。目前的地层水是上述四种来源水的混合水，甚至是与地表水的再混合水。

地表水是天然汇集形成的水资源，包括自然降水、雪山和冰川融水、沼泽水、江水、河水、湖水和海水。实际上有很大比例的地表水与埋藏较浅的地层水以露头或泉眼等形式相互沟通，因此严格意义上的地表水与部分浅层地层水是很难区分的。为了避免概念上的混淆，本发明在之后所提的地层水在没有特别说明时均指广义地层水，即天然水，并涵盖了狭义地表水和狭义地层水。

地层水分类主要源于前苏联化学家苏林(1946年，苏林撰写的《天然水系中的油田水》一书，由石油工业出版社出版)，苏林分类是2016年石油行业实施的地层水水型划分标准(中华人民共和国石油行业标准《油田水分析方法》SY/T 5523-2016)。苏林根据Na⁺+K⁺离子与Cl^-离子的当量浓度比(等于单位电荷毫摩尔浓度比)，结合成因系数将地层水划分为NaHCO₃、Na₂SO₄、MgCl₂和CaCl₂四种水型(表1)。

表1苏林地层水分类

地层水无论按矿化度、含盐量、硬度或是氯离子浓度进行分类，都只是对总离子或指定离子含量高低的简单分类，没有与地层水的具体形成环境建立关联，对油气田的勘探开发缺乏指向性。苏林分类虽然在不同程度上规避了其他分类中存在的主要不足，但其自身依然存在诸多缺陷，主要表现在以下几个方面：

一是苏林分类中不含自然界中极为普遍的NaCl和Ca(HCO₃)₂等水型。比如，苏林分类忽略了Na⁺+K⁺和Cl^-离子单位电荷毫摩尔浓度近乎对等或NaCl+KCl在水中的配伍离子单位电荷毫摩尔分数占绝对优势(如大于等于80％)时特定的极具代表性的NaCl形成环境；

二是苏林分类忽略了部分优势离子在地质环境中的指向作用，比如，当地层水中Na⁺+K⁺离子单位电荷毫摩尔浓度远大于Cl^-离子，HCO₃ ^-+CO₃ ^2-和Ca²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度也都明显高于SO₄ ^2-离子以及Mg²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度时，苏林分类只能划分出NaHCO₃水型或Na₂SO₄水型，不会划分出实际存在的Ca(HCO₃)₂水型，这就必然造成苏林分类确定的水型与实际情况存在明显差异，甚至出现命名和概念上的混乱，如MgCl₂本是大洋海水水型，有时在内陆河流、淡水湖泊中也会出现苏林分类中的MgCl₂水型，从而造成地表水、地层水水型在分类上的混乱；

三是苏林分类未把代表地层水水型盐类的稳定性与形成该盐类的地质环境建立符合实际的因果关系；

四是苏林分类没有真正把油田水与非油田水区分开。

发明内容

本发明的一个目的是根据目前苏林地层水分类中存在的问题，提供一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，解决水型与地质环境之间的客观对应关系，为判断油气藏地层水地质环境提供了一条新途径。

依据本发明所述的技术方案，本发明提供了一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，该方法包括步骤：

1)取水样；

2)检测水样中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i，单位mg/L)及离子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量)；

3)根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、综合判断系数六类数据，从而确定水样对应的成因环境。

本发明的方法可适用于确定地层水和地面水水型盐类地质环境特点，解决地层水水型与地质环境之间的客观对应关系，为判断油气藏地层水地质环境提供了一条新途径。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，所述取水样步骤包括利用地质勘探开发设备和/或地面采集设备采集地层水和/或地表水。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg^{2 +}、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、综合判断系数六类数据按照以下方法进行：

根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)来获得离子毫摩尔浓度(C_i)和配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度(C_NaCl)；

根据离子的化合价(x_i)和在步骤3)中获得的离子毫摩尔浓度来获得离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_i)和总离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C)及配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_NaCl)；

根据离子单位电荷毫摩尔浓度获得离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)和配伍的NaCl+KCl在水样中的离子单位电荷毫摩尔分数(W_NaCl)；

根据离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)获得离子的单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)、综合成因系数(O、O₁、O₂、O₃、O₄)和综合判断系数(X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X_max、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y_max)。

更具体地，本发明的方法中，与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比符合按照以下公式得出的数值：

离子毫摩尔浓度(C_i)和配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度(C_NaCl)：

C_NaCl＝2(C₁+C₂)，(C₁+C₂≤C₅) (2)

C_NaCl＝2C₅，(C₁+C₂＞C₅) (3)

式中：

C_i——第i种离子(i＝1、2、3、4、5、6、7、8，其中1代表Na⁺、2代表K⁺、3代表Mg²⁺、4代表Ca²⁺、5代表Cl^-、6代表SO₄ ^2-、7代表HCO₃ ^-、8代表CO₃ ^2-)毫摩尔浓度，mmol/L；

C_NaCl——配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度，mmol/L；

S·C_i——第i种离子矿化度，mg/L；

M_i——第i种离子或分子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量M₁＝22.98977、M₂＝39.0983、M₃＝24.305、M₄＝40.078、M₅＝35.4527、M₆＝96.06272、M₇＝61.01693、M₈＝60.00899)，g/mol；

离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_i)和总离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C)及配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_NaCl)：

U·C_i＝x_iC_i (4)

式中：

U·C——地层水中8种常见离子的总单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

U·C_i——地层水中第i种离子单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

U·C_NaCl——配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

x_i——第i种离子或酸根的化合价(x₁＝1，x₂＝1，x₃＝2，x₄＝2，x₅＝1，x₆＝2，x₇＝1，x₈＝2)。

离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)和配伍的NaCl+KCl在地层水中的离子单位电荷毫摩尔分数(W_NaCl)：

式中：

W_i——第i种离子(i＝1、2、3、4、5、6、7、8，其中1代表Na⁺、2代表K⁺、3代表Mg²⁺、4代表Ca²⁺、5代表Cl^-、6代表SO₄ ^2-、7代表HCO₃ ^-、8代表CO₃ ^2-)单位电荷毫摩尔分数，f；

W_NaCl——Na⁺+K⁺离子与Cl^-离子配伍后形成的NaCl和KCl在地层水中的单位电荷毫摩尔分数(简称NaCl单位电荷分数)，f。

离子单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)：

式中：

R₁、R₂、R₃——地层水离子单位电荷毫摩尔浓度比(简称浓度比)，f；

Δ——分母安全系数(分母中其他变量为0时，Δ＝0.0001；分母中其他变量不为0时，Δ＝0)。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，综合成因系数、综合判断系数符合按照以下公式计算得出的数值：

综合成因系数(O、O₁、O₂、O₃、O₄)：

O＝W₁+W₂-W₅ (13)

式中O、O₁、O₂、O₃、O₄——地层水综合成因系数，无量纲。

地层水综合判断系数(X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X_max、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y_max)：

X₁＝min(W₇+W₈，W₁+W₂+W₃+W₄-W₅-W₆) (18)

X₂＝W₅+W₆-W₁-W₂-W₃ (19)

X₃＝W₃ (20)

X₄＝W₁+W₂-W₅ (21)

X_max＝max(X₁，X₂，X₃，X₄) (23)

Y₁＝min(W₄，W₅+W₆+W₇+W₈-W₁-W₂-W₃) (24)

Y₂＝W₁+W₂+W₃-W₅-W₆ (25)

Y₃＝W₆ (26)

Y₄＝W₅-W₁-W₂ (27)

Y_max＝max(Y₁，Y₂，Y₃，Y₄) (29)

式中max()、min()——最大值函数、最小值函数；X₁、X₂、X₃、X₄、X₅——R₁＞1时地层水综合判断系数；X_max——R₁＞1时地层水综合判断系数最大值；Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅——R₁＜1时地层水综合判断系数；Y_max——R₁＜1时地层水综合判断系数最大值。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法还包括以下过程：

将水样中的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子分为三组：第一组为Na⁺+K⁺和Cl-、第二组为HCO₃-+CO₃ ²-和SO₄ ²-、第三组为Mg²⁺和Ca²⁺，然后根据三组离子的单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)确定携带单位电荷量相对较多的优势离子。

根据所述单位电荷毫摩尔浓度结合离子亲和力大小顺序(图1)及所述优势离子，确定离子间单位电荷毫摩尔浓度化合的比例，依据在水中依次形成的九种盐类化合物(图2)确定对应的地层水和/或地表水成因地质环境。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，根据所述综合成因系数将水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子组合分为五类(图3)，再依据浓度比将地层水离子组合细分为20种类型(表2)；根据五类20种地层水离子组合类型，结合NaCl单位电荷分数，将地层水和/或地表水划分为九种水型,对应九种地层水和/或地表水成因地质环境，即，将地层水和/或地表水成因地质环境划分为九种类型。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，所述九种水型为：NaCl水型、Na₂SO₄水型、MgCl₂水型、NaHCO₃水型、CaCl₂水型、MgSO₄水型、CaSO₄水型、Mg(HCO₃)₂水型、Ca(HCO₃)₂水型(表3)。可以按照水型将地层水和/或地表水成因地质环境分为以下九种类型：NaCl水型、Na₂SO₄水型、MgCl₂水型、NaHCO₃水型、CaCl₂水型、MgSO₄水型、CaSO₄水型、Mg(HCO₃)₂水型、Ca(HCO₃)₂水型，分别对应以下成因地质环境(GE——地质环境的英文缩写，GeologicEnvironment)：

NaCl水型：GE1——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境、海相，并经历过漫长地质演化周期；

Na₂SO₄水型：GE2——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境，经历过漫长的地质演化周期；

MgCl₂水型：GE3——开阔的大洋环境或陆相环境，都经历了漫长的地质历史演化周期，油气藏地层水矿化度小于海水矿化度；

NaHCO₃水型：GE4——陆相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

CaCl₂水型：GE5——陆相或海相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

MgSO₄水型：GE6——内陆闭塞环境或海湾环境；

CaSO₄水型：GE7——陆相或海相环境或与石膏矿脉有接触的地层水或温泉水；

Mg(HCO₃)₂水型：GE8——河流或淡水湖泊环境或与火山活动有关的地质环境；

Ca(HCO₃)₂水型：GE9——大陆冲刷环境或温泉水。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，根据所述六类数据确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境的过程包括：

依次根据配伍的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合判断系数，确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，根据所述六类数据确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境的过程参照如表3所示内容进行。

表2地层水离子组合类型

表3“六步九分法”划分地层水水型一览表

表中GE——地质环境的英文缩写(Geologic Environment)；

GE1——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境、海相(入海口、海湾环境或之后受相似环境的影响)，并经历过漫长地质演化周期；

GE2——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境，经历过漫长的地质演化周期；

GE3——开阔的大洋环境或陆相环境，都经历了漫长的地质历史演化周期，油气藏地层水矿化度小于海水矿化度；

GE4——陆相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

GE5——陆相或海相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

GE6——内陆闭塞环境或海湾环境，在油气藏中未见过该水型；

GE7——陆相(河流或淡水湖泊)或海相环境(如盐化泻湖环境)或与石膏矿脉有接触的地层水或温泉水；

GE8——河流或淡水湖泊环境或与火山活动有关的地质环境，油藏中少见；

GE9——大陆冲刷环境(河流或淡水湖泊等)或温泉水。

根据本发明的具体实施方案，本发明的方法中，根据所确定的九种地层水水型及对应的成因环境，还进一步确定了每种地层水水型的具体特点：

(1)氯化钠(NaCl俗称石盐或食盐或盐)水型：代表有源供给的内陆闭塞湖泊或入海口、海湾环境或特定的地层地质条件。其主要特点是0.99≤R₁≤1.01、-0.01≤O≤0.01或W_NaCl≥0.80，并形成以NaCl为优势盐类的NaCl水型。

(2)硫酸钠(Na₂SO₄俗称芒硝，有涩味)水型：代表内陆闭塞或半闭塞湖泊环境。其特点是W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂＜1、O₁＞0.5或W_NaCl＜0.80、O₁≤0.5、R₃≥1、X_max＝X₄，说明水中的Na⁺+K⁺离子与Cl^-离子化合后，还有多余的Na⁺+K⁺离子能与优势离子SO₄ ^2-化合，由双优势离子形成优势盐类Na₂SO₄，使地层水形成硫酸钠(Na₂SO₄)水型。

(3)氯化镁(MgCl₂)水型：代表开阔的海洋环境，在远离海岸的开阔海水中阴、阳离子单位电荷毫摩尔浓度大小依次为C₁+C₂＞2C₃＞2C₄、C₅＞2C₆＞C₇+2C₇。该水型的基本特点是W_NaCl＜0.80、R₁＜1、R₃＜1、O₂＞0.5或W_NaCl＜0.80、O₂≤0.5、R₂≥1、Y_max＝Y₄，水中的双优势离子形成了优势盐类MgCl₂，使地层水形成氯化镁(MgCl₂)水型。

在大洋中，由于海水经历了漫长的演变时间和连续不断地进行着各种不同形式的混合运动，以及海水无与伦比的巨大体量，造就了MgCl₂水型遵循海水常量成分恒定性原理。但在地层中出现的MgCl₂水型，其主要离子单位电荷毫摩尔浓度不遵循海水常量成分恒定性原理，且总矿化度小于海水中常见8种主要离子矿化度(由海水实用盐度换算求取)，甚至更低。

(4)重碳酸钠(NaHCO₃俗称小苏打)水型：代表陆相环境，是油气藏中最常见的地层水水型，地表无此水型。该水型的特点是W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂≥1、O₄＞0.5或W_NaCl＜0.80、O₄≤0.5、R₃＜1、X₅＞1，水中的双优势离子形成优势盐类NaHCO₃，使地层水形成重碳酸钠(NaHCO₃)水型。

(5)氯化钙(CaCl₂)水型：代表陆相或海相环境，是深层封闭环境的产物，CaCl₂是气藏最典型的地层水水型，地表无此水型。该水型的特点是W_NaCl＜0.80、R₁＜1、O₃＞0.5或W_NaCl＜0.80、O₃≤0.5、R₂＜1、Y₅＞1，水中的双优势离子形成了优势盐类CaCl₂，使地层水形成氯化钙(CaCl₂)水型。

(6)硫酸镁(MgSO₄别称泻盐、苦盐)水型：该水型形成于特定的盐湖或海湾环境，油气田中极少出现MgSO₄水型。在W_NaCl＜0.80的情况下，该水型的特点是R₁＞1、R₂＜1、R₃＜1、O₁≤0.5或R₁＞1、R₂＜1、R₃≥1、R₄＞0.5、O₁≤0.5、X_max＝X₃或R₁＞1、R₂＜1、R₃＜1、O₂≤0.5或R₁＜1、R₂≥1、R₃＜1、O₂≤0.5、Y_max＝Y₃，水中的双优势离子SO₄ ^2-和Mg²⁺或单优势离子形成了优势盐类MgSO₄，使地层水形成硫酸镁(MgSO₄)水型。

(7)硫酸钙(CaSO₄俗称硬石膏)水型：代表陆相或海相(如盐化泻湖等)环境，多与石膏矿的形成环境类似，可出现在河流湖泊、温泉水或油气藏中。该水型的特点是W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂＜1、R₃≥1、O₁≤0.5、X_max＝X₂或W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂＜1、R₃≥1、O₃≤0.5、Y₅≤1，水中的双优势离子形成了优势盐类CaSO₄，使地层水形成硫酸钙(CaSO₄)水型。

(8)重碳酸镁【Mg(HCO₃)₂】水型：代表低矿化度的地表淡水或浅层地层水。其特点是W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂≥1、R₃＜1、O₄≤0.5、X₅≤1或W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂≥1、R₃＜1、O₂≤0.5、Y_max＝Y₂，水中的双优势离子形成了优势盐类Mg(HCO₃)₂，使地层水形成重碳酸镁【Mg(HCO₃)₂】水型。

(9)重碳酸钙【Ca(HCO₃)₂】水型：代表大陆冲刷环境，是典型的地表淡水水型，与河流中离子单位电荷毫摩尔浓度大小顺序(2C₄＞C₁＞2C₃或2C₄＞2C₃＞C₁或2C₃＞2C₄＞C₁，C₇＞2C₆＞C₅)相匹配，油气藏中极少见此水型。该水型的基本特点是W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂＜1、R₃≥1、O₁≤0.5、X_max＝X₁或W_NaCl＜0.80、R₁＞1、R₂≥1、R₃≥1、O₄≤0.5或W_NaCl＜0.80、R₁＜1、R₂＜1、R₃≥1、O₃≤0.5或W_NaCl＜0.80、R₁＜1、R₂≥1、R₃＜1、O₂≤0.5、Y_max＝Y₁，说明水中的双优势离子相互结合形成了优势盐类Ca(HCO₃)₂，使地层水形成最不稳定的重碳酸钙【Ca(HCO₃)₂】水型。

Ca(HCO₃)₂之所以是最不稳定的水型，就是因为Ca(HCO₃)₂加热即转换为碳酸钙和二氧化碳，同时该水型还有别于封闭湖泊，在自然界中演化时间极短，如河流、湖泊一般很快汇入大海或被生物消耗或渗入地下等等，与大洋海水形成鲜明对比：大洋海水的主要离子成分相对稳定，而河流和淡水湖泊的主要离子成分很不稳定(上、中、下游或不同季节取样分析结果都会有较大差异)，因此，Ca(HCO₃)₂就成为衡量地层水是否经历了较长的地质历史演化周期的重要标志性盐类。

在九种水型中，Ca(HCO₃)₂为典型的大陆冲刷环境下的淡水水型，极少出现在油气田中；MgCl₂为典型的开阔大洋海水水型，出现在油气藏中的MgCl₂水型不遵从海水常量成分恒定性原理；MgSO₄水型出现在盐湖或海湾环境；Mg(HCO₃)₂为很少出现的地表淡水或浅层地层水水型，可出现在与火山岩有关的油气田中；CaSO₄为特定环境下形成的地层水水型；NaHCO₃和CaCl₂为典型的油气田水水型，地表不存在该水型；Na₂SO₄为内陆有源封闭性湖泊或油气田水水型；NaCl为内陆有源封闭性湖泊、海湾、入海口或油气田水水型，NaCl水型无论出现在地表还是在地层中都是经历了较长地质历史演化周期的重要标志性水型。

本发明的有益技术效果：

本发明针对苏林地层水分类存在的问题，提出地层水综合成因系数与综合判断系数，结合离子单位电荷毫摩尔浓度比，分析不同成因环境下形成盐类的稳定性及地质演变历史和水中优势离子判断地层水水型和相应盐类化合物的地质环境。

根据国内外不同地区125个水样分析结果，用“六步九分法”与苏林分类法对比划分地层水水型(表3)，结果表明，地表淡水以重碳酸钙【Ca(HCO₃)₂】水型为主，而非苏林分类法划分的Na₂SO₄水型。Na₂SO₄水型在“六步九分法”中是内陆闭塞湖泊或油气藏条件下形成的水型；Ca(HCO₃)₂和Mg(HCO₃)₂水型都不会出现在大于3000m以下的地层水中，因为含Ca(HCO₃)₂的地层水加热到100℃后即分解为碳酸钙沉淀和二氧化碳气体；含Mg(HCO₃)₂的地层水加热到100℃后即转化为碱式碳酸镁沉淀，实际应用效果明显，从而建立了不同地层水水型对应的地质环境分析方法：

(1)Na⁺+K⁺和Cl^-的相对含量是地层水类型划分的方向性指标，NaCl的绝对含量反映地层水的演化历史，含量越高代表地层水的地质演化周期相对较长；NaCl的相对含量也反映地层水的形成演化环境，当配伍的NaCl在水中的离子单位电荷毫摩尔分数大于0.80时，NaCl才称为优势盐类，否则，NaCl均属“非优势盐类”。

(2)在地层水中阴、阳离子单位电荷毫摩尔浓度对等的前提下，根据地层水综合成因系数和浓度比，可将地层水中的离子划分为五类20种离子组合类型，这些离子组合涵盖了自然界中最常见的8种离子组合类型。

(3)优势离子在三组离子中产生：Na⁺+K⁺和Cl^-、HCO₃ ^-+CO₃ ^2-和SO₄ ^2-、Mg²⁺和Ca²⁺，优势离子间可形成优势盐类，优势离子与非优势离子间也可形成优势盐类。

(4)除了水中NaCl+KCl的配伍离子单位电荷毫摩尔分数单独设置了0.80的门槛值来判断NaCl水型，其它水型都是由水中的双优势离子或单优势离子形成的优势盐类确定地层水水型。

(5)划分地层水水型的“六步九分法”是以离子单位电荷毫摩尔浓度比、地层水综合成因系数和地层水综合判断系数为标尺，将优势盐类的单位电荷毫摩尔分数与成因环境紧密结合，在离子单位电荷毫摩尔浓度相等的条件下，以亲合力更弱的离子形成的优势盐类占优作为地层水分类与命名的基本原则，从而使不同环境下形成的优势盐类决定相应的地层水水型。

(6)最常见的五种油田水水型NaHCO₃、CaCl₂、Na₂SO₄、MgCl₂、NaCl，其中NaHCO₃和CaCl₂水型不会出现在地表水中；不常见的四种油田水水型Mg(HCO₃)₂、CaSO₄、MgSO₄、Ca(HCO₃)₂；最常见的四种地表水水型Ca(HCO₃)₂、MgCl₂、Na₂SO₄、NaCl；不常见的两种地表水水型Mg(HCO₃)₂和CaSO₄。

(7)地表水中的MgCl₂水型遵循海水常量成分恒定性原理，地层水中的MgCl₂水型不遵循海水常量成分恒定性原理。在地表水的Na₂SO₄水型中，Mg²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度大于Ca²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度，在地层水的Na₂SO₄水型中，Mg²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度小于Ca²⁺离子单位电荷毫摩尔浓度。

(8)九种地层水水型反映了相对特定的地质环境：内陆河流、内陆淡水湖泊、内陆封闭半封闭非淡水湖泊、近岸封闭泻湖、海湾、入海口、近海、远海以及成岩和成烃环境。不同环境形成的各类地层水都要经历一定的地质历史演化周期。稳定性好的相应盐类水型演化周期最长；稳定性最差的相应盐类水型演化周期最短，甚至可以忽略；同一水型的演化周期差别也非常悬殊。

附图说明

图1：地层水离子化合物顺序简图。图中，①代表相对应的阴、阳离子亲和能力最大，②代表相对应的阴、阳离子亲和能力中等，③代表相对应的阴、阳离子亲和能力最小。

图2：地层水九种盐类化合物形成顺序示意图。

图3：五类地层水离子组合示意图。

具体实施方式

下列实施例仅为例示性说明，非意图限制本发明的范围。所属领域的技术人员可藉由本发明的揭露，在不背离本发明的精神的范围内做出适度的变更和修正。

本发明提供了一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，尤其适用于确定地层水和地面水水型盐类地质环境特点，解决了地层水水型与地质环境之间的客观对应关系，为判断油气藏地层水地质环境提供了一条新途径。具体如下：

1)利用地质勘探开发设备或地面采集设备，可以采集地层水或地面水；

2)基于采集到的地层水或地面水数据，通过水分析设备获得地层水或地面水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-等八种主要离子矿化度(S·C_i，单位mg/L)及离子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量)(M_i，单位g/mol)；

3)根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)来获得离子毫摩尔浓度(C_i)和配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度(C_NaCl)：

C_NaCl＝2(C₁+C₂)，(C₁+C₂≤C₅) (2)

C_NaCl＝2C₅，(C₁+C₂＞C₅) (3)

式中:

C_i——第i种离子(i＝1、2、3、4、5、6、7、8，其中1代表Na⁺、2代表K⁺、3代表Mg²⁺、4代表Ca²⁺、5代表Cl^-、6代表SO₄ ^2-、7代表HCO₃ ^-、8代表CO₃ ^2-)毫摩尔浓度，mmol/L；

C_NaCl——配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度，mmol/L；

S·C_i——第i种离子矿化度，mg/L；

M_i——第i种离子或分子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量M₁＝22.98977、M₂＝39.0983、M₃＝24.305、M₄＝40.078、M₅＝35.4527、M₆＝96.06272、M₇＝61.01693、M₈＝60.00899)，g/mol。

4)根据离子的化合价(x_i)和在步骤3)中获得的离子毫摩尔浓度来获得离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_i)和总离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C)及配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_NaCl)：

U·C_i＝x_iC_i (4)

式中：

U·C——地层水中8种常见离子的总单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

U·C_i——地层水中第i种离子单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

U·C_NaCl——配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度，mmol/L；

x_i——第i种离子或酸根的化合价(x₁＝1，x₂＝1，x₃＝2，x₄＝2，x₅＝1，x₆＝2，x₇＝1，x₈＝2)。

5)根据在步骤4)中获得的离子单位电荷毫摩尔浓度获得离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)和配伍的NaCl+KCl在地层水中的离子单位电荷毫摩尔分数(W_NaCl)：

式中：

W_i——第i种离子(i＝1、2、3、4、5、6、7、8，其中1代表Na⁺、2代表K⁺、3代表Mg²⁺、4代表Ca²⁺、5代表Cl^-、6代表SO₄ ^2-、7代表HCO₃ ^-、8代表CO₃ ^2-)单位电荷毫摩尔分数，f；

W_NaCl——Na⁺+K⁺离子与Cl^-离子配伍后形成的NaCl和KCl在地层水中的单位电荷毫摩尔分数(简称NaCl单位电荷分数)，f。

6)根据在步骤5)中获得的离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)获得离子单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)、地层水综合成因系数(O、O₁、O₂、O₃、O₄)和地层水综合判断系数(X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X_max、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y_max)：

地层水离子单位电荷毫摩尔浓度比：

式中：

R₁、R₂、R₃——地层水离子单位电荷毫摩尔浓度比(简称浓度比)，f；

Δ——分母安全系数(分母中其他变量为0时，Δ＝0.0001；分母中其他变量不为0时，Δ＝0)。

地层水综合成因系数：

O＝W₁+W₂-W₅ (13)

式中O、O₁、O₂、O₃、O₄——地层水综合成因系数，无量纲。

地层水综合判断系数：

X₁＝min(W₇+W₈，W₁+W₂+W₃+W₄-W₅-W₆) (18)

X₂＝W₅+W₆-W₁-W₂-W₃ (19)

X₃＝W₃ (20)

X₄＝W₁+W₂-W₅ (21)

X_max＝max(X₁，X₂，X₃，X₄) (23)

Y₁＝min(W₄，W₅+W₆+W₇+W₈-W₁-W₂-W₃) (24)

Y₂＝W₁+W₂+W₃-W₅-W₆ (25)

Y₃＝W₆ (26)

Y₄＝W₅-W₁-W₂ (27)

Y_max＝max(Y₁，Y₂，Y₃，Y₄) (29)

式中：

max()、min()——最大值函数、最小值函数；

X₁、X₂、X₃、X₄、X₅——R₁＞1时地层水综合判断系数；

X_max——R₁＞1时地层水综合判断系数最大值；

Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅——R₁＜1时地层水综合判断系数；

Y_max——R₁＜1时地层水综合判断系数最大值。

7)将步骤2)中获得的8种主要离子分为三组：第一组为Na⁺+K⁺和Cl^-、第二组为HCO₃ ^-+CO₃ ^2-和SO₄ ^2-、第三组为Mg²⁺和Ca²⁺，然后根据步骤6)计算的三组离子单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)确定携带单位电荷量相对较多的三种离子，即优势离子。

8)根据步骤4)中获得的单位电荷毫摩尔浓度结合离子亲和力大小顺序(图1)及步骤7)中的优势离子，确定离子间单位电荷毫摩尔浓度化合的比例，在地层水中可依次形成九种盐类化合物(图2)。在图2中出现的NaCl到Ca(HCO₃)₂九种盐类化合物，其稳定性由最稳定逐渐过渡到不稳定，且每种盐类化合物代表的地质环境不同；代表地层水水型的稳定盐类化合物表示地层水经历了较长或很长的地质历史演化周期，而相对不稳定的盐类化合物表示地层水经历的地质演化周期短。

9)根据步骤8)中确定的九种盐类化合物，进而确定其相应的地质环境。

首先，由亲和力最强的离子之间或与亲和力次强的离子形成最稳定的化合物NaCl或Na₂SO₄或MgCl₂。该类化合物可形成于陆相(内陆闭塞湖泊)环境或海相(入海口、海湾、远海)环境。化和了大量NaCl盐类的天然水都经历了相当长的地质历史演化周期。

随后，是亲和力最强的离子与亲和力最弱的离子之间形成较稳定的化合物NaHCO₃或CaCl₂。NaHCO₃的原始地质环境为陆相，CaCl₂的原始地质环境为陆相或海相，其演变与成岩和(或)成藏都有千丝万缕的联系，并且都经历了漫长的地质历史演化周期。

接着，是亲和力中等的离子之间形成中等稳定的化合物MgSO₄。该类化合物形成于特定的盐湖或海湾等环境，并经历了较长的地质历史演化周期，但在油气藏中极少见到该类水型。

之后，是亲和力中等的离子与亲和力最弱的离子间形成较不稳定的化合物Mg(HCO₃)₂或CaSO₄。Mg(HCO₃)₂形成于不稳定的陆相(如河流或淡水湖泊)或与火山活动有关的地质环境，在地质历史演化过程中，含Mg(HCO₃)₂的地层水岩层埋深从未超过3000米，主要原因是含Mg(HCO₃)₂的地层水受热到一定程度后会转化为碱式碳酸镁沉淀【3MgCO₃·Mg(OH)₂·3H₂O】。CaSO₄形成于陆相(河流、淡水湖泊)或海相(干旱、半干旱的盐化泻湖)环境或存在于与石膏矿脉相接触的地层水或温泉中，陆相环境形成的CaSO₄水型经历的地质历史演化周期非常短暂。

最后，是亲和力最弱的离子之间形成最不稳定的化合物Ca(HCO₃)₂，该化合物只存在于不稳定的内陆河流、淡水湖泊环境或埋深小于2000～3000米的地层及温泉中，是未经历过地质历史演化或经历了极短的地质历史演化的地层水。

10)根据步骤6)中确定的综合成因系数将地层水中8种主要离子组合分为五类(图3)，再依据浓度比将地层水离子组合细分为20种类型(表2)，然后根据五类20种地层水离子组合类型和NaCl单位电荷分数，用六个步骤即可将地层水划分为9种水型(简称“六步九分法”)和对应的地质环境(表3)。

本发明以董6井中生界地层水分析为例，阐述确定地层水水型成因环境的具体步骤：

第一步，首先，计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、地层水综合成因系数、地层水综合判断系数六类数据。由公式(1)～(3)计算董6井中生界地层水离子毫摩尔浓度和配伍NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度(C_i、C_NaCl)；由公式(4)～(7)计算离子单位电荷毫摩尔浓度和配伍的NaCl+KCl在水中的单位电荷毫摩尔浓度(U·C_i、U·C_NaCl)；由公式(8)和(9)计算离子单位电荷毫摩尔分数和NaCl+KCl在水中单位电荷毫摩尔分数(W_i、W_NaCl)；由公式(10)～(12)计算离子单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)；由公式(13)～(17)计算地层水综合成因系数(O、O₁、O₂、O₃、O₄)；由公式(18)～(29)计算地层水综合判断系数(X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X_max、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y_max)(表4)；

然后，根据离子单位电荷毫摩尔浓度比R₁先将地层水分为三组，由于董6井中生界地层水的离子单位电荷毫摩尔浓度比R₁＝0.64＜0.99(表4)，初步确定董6井中生界地层水不属于NaCl水型(表3)；

第二步，根据配伍的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔分数W_NaCl＝0.5316＜0.80(表4)，最终确定董6井中生界地层水不属于NaCl水型(表3)；

表4董6井中生界地层水水型及地质环境

第三步，根据离子单位电荷毫摩尔浓度比R₃＝2.46≥1(表4)，判定董6井中生界地层水属于CaCl₂、CaSO₄、Ca(HCO₃)₂三种水型中的一种(表3)；

第四步，根据综合成因系数O₃＝0.47≤0.5(表4)依然将董6井中生界地层水锁定在CaCl₂、CaSO₄、Ca(HCO₃)₂三种水型中(表3)；

第五步，根据离子单位电荷毫摩尔浓度比R₂＝0.88＜1(表4)，从而排除了董6井中生界地层水不属于Ca(HCO₃)₂水型(表3)；

第六步，根据地层水综合判断系数Y₅＝1.69＞1(表4)，最终确定董6井中生界地层水属CaCl₂水型(表3、表4)。成因环境为GE5-2陆相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型。

Claims (10)

1.一种确定地层水和/或地表水水型成因环境的处理方法，该方法包括步骤：

1)取水样；

2)检测水样中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i，单位mg/L)及离子化学结构式的量(在数值上等于离子的相对原子质量)；

3)根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、综合判断系数数据，从而确定水样对应的成因环境。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述取水样步骤包括利用地质勘探开发设备和/或地面采集设备采集地层水和/或地表水。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-的离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)计算与离子含量相关的离子毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔浓度、离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、综合判断系数六类数据按照以下方法进行：

根据在步骤2)中获得的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子矿化度(S·C_i)和相应离子的原子质量(M_i)来获得离子毫摩尔浓度(C_i)和配伍后的NaCl+KCl在水中的离子毫摩尔浓度(C_NaCl)；

根据离子的化合价(x_i)和在步骤3)中获得的离子毫摩尔浓度来获得离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_i)和总离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C)及配伍后的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔浓度(U·C_NaCl)；

根据离子单位电荷毫摩尔浓度获得离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)和配伍的NaCl+KCl在水样中的离子单位电荷毫摩尔分数(W_NaCl)；

根据离子单位电荷毫摩尔分数(W_i)获得离子的单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)、综合成因系数(O、O₁、O₂、O₃、O₄)和综合判断系数(X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X_max、Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅、Y_max)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，综合成因系数、综合判断系数符合按照以下公式计算得出的数值：

地层水综合成因系数：

O＝W₁+W₂-W₅ (13)

$O_1=\frac{W_1+W_2-W_5}{W_6+\mathrm{\Δ}}---\left(14\right)$

$O_2=\frac{W_5-(W_1+W_2)}{W_3+\mathrm{\Δ}}---\left(15\right)$

$O_3=\frac{W_5-(W_1+W_2)-W_3}{W_4+\mathrm{\Δ}}---\left(16\right)$

$O_4=\frac{W_1+W_2-W_5-W_6}{W_7+W_8+\mathrm{\Δ}}---\left(17\right)$

式中O、O₁、O₂、O₃、O₄——地层水综合成因系数，无量纲；

地层水综合判断系数：

X₁＝min(W₇+W₈，W₁+W₂+W₃+W₄-W₅-W₆) (18)

X₂＝W₅+W₆-W₁-W₂-W₃ (19)

X₃＝W₃ (20)

X₄＝W₁+W₂-W₅ (21)

$X_5=\frac{W_1+W_2-(W_5+W_6)}{W_3+\mathrm{\Δ}}---\left(22\right)$

X_max＝max(X₁，X₂，X₃，X₄) (23)

Y₁＝min(W₄，W₅+W₆+W₇+W₈-W₁-W₂-W₃) (24)

Y₂＝W₁+W₂+W₃-W₅-W₆ (25)

Y₃＝W₆ (26)

Y₄＝W₅-W₁-W₂ (27)

$Y_5=\frac{W_5-(W_1+W_2+W_3)}{W_6+\mathrm{\Δ}}---\left(28\right)$

Y_max＝max(Y₁，Y₂，Y₃，Y₄) (29)

式中max()、min()——最大值函数、最小值函数；X₁、X₂、X₃、X₄、X₅——R₁＞1时地层水综合判断系数；X_max——R₁＞1时地层水综合判断系数最大值；Y₁、Y₂、Y₃、Y₄、Y₅——R₁＜1时地层水综合判断系数；Y_max——R₁＜1时地层水综合判断系数最大值。

5.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括以下过程：

将水样中的Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子分为三组：第一组为Na⁺+K⁺和Cl^-、第二组为HCO₃ ^-+CO₃ ^2-和SO₄ ^2-、第三组为Mg²⁺和Ca²⁺，然后根据三组离子的单位电荷毫摩尔浓度比(R₁、R₂、R₃)确定携带单位电荷量相对较多的优势离子。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，根据所述单位电荷毫摩尔浓度结合离子亲和力大小顺序及所述优势离子，确定离子间单位电荷毫摩尔浓度化合的比例，依据在水中依次形成的九种盐类化合物确定对应的地层水和/或地表水成因地质环境。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述综合成因系数将水中Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-离子组合分为五类，再依据浓度比将地层水离子组合细分为20种类型；根据五类20种地层水离子组合类型，结合NaCl单位电荷分数，将地层水和/或地表水成因地质环境划分为九种类型。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，地层水和/或地表水成因地质环境分为以下九种类型：NaCl水型、Na₂SO₄水型、MgCl₂水型、NaHCO₃水型、CaCl₂水型、MgSO₄水型、CaSO₄水型、Mg(HCO₃)₂水型、Ca(HCO₃)₂水型；分别对应以下成因地质环境：

NaCl水型：GE1——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境、海相，并经历过漫长地质演化周期；

Na₂SO₄水型：GE2——内陆闭塞或半闭塞湖泊环境，经历过漫长的地质演化周期；

MgCl₂水型：GE3——开阔的大洋环境或陆相环境，都经历了漫长的地质历史演化周期，油气藏地层水矿化度小于海水矿化度；

NaHCO₃水型：GE4——陆相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

CaCl₂水型：GE5——陆相或海相环境，地层水经历了漫长的地质演化周期，地表无此水型；

MgSO₄水型：GE6——内陆闭塞环境或海湾环境；

CaSO₄水型：GE7——陆相或海相环境或与石膏矿脉有接触的地层水或温泉水；

Mg(HCO₃)₂水型：GE8——河流或淡水湖泊环境或与火山活动有关的地质环境；

Ca(HCO₃)₂水型：GE9——大陆冲刷环境或温泉水。

9.根据权利要求1或6或7所述的方法，其中，根据所述六类数据确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境的过程包括：

依次根据配伍的NaCl+KCl在水中的离子单位电荷毫摩尔分数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合成因系数、离子单位电荷毫摩尔浓度比、综合判断系数，确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境。

10.根据权利9所述的方法，其中，根据所述六类数据确定水样对应的地层水和/或地表水成因地质环境的过程参照如表3所示内容进行。