新場(chǎng)氣田須二段地層水地球化學(xué)特征及其石油地質(zhì)意義*

吳 浩 鄭 麗 慈建發(fā)

(1.中國(guó)石化西南油氣分公司工程技術(shù)研究院 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局化探隊(duì))

沉積盆地地質(zhì)流體(油、氣、水、成礦溶液)研究是當(dāng)代地質(zhì)學(xué)研究的前沿命題。從水文地質(zhì)觀點(diǎn)看，地層水總是與烴源巖和油氣伴生的，它們?cè)诘厥愤^(guò)程中相互依存、相伴演化。地層水也是油氣現(xiàn)代分布和保存條件評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的重要內(nèi)容。筆者以新場(chǎng)氣田須二段地層水為研究對(duì)象，在統(tǒng)計(jì)了新場(chǎng)—孝泉構(gòu)造2001年～2012年須二段20口井、185個(gè)水化學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)地層水成分基本特征、地層水化學(xué)參數(shù)特征及展布規(guī)律進(jìn)行了研究，并探討了地層水展布規(guī)律所反映的石油地質(zhì)含義。

新場(chǎng)氣田位于四川省德陽(yáng)市以北約20km，南距成都市80km，北距綿陽(yáng)市約35km，處于四川盆地川西坳陷中段孝泉—豐谷北東東向大型隆起帶上。該隆起帶位于彭州—德陽(yáng)向斜和梓潼向斜之間，是從晚三疊世以來(lái)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的古今復(fù)合大型隆起帶。其整體表現(xiàn)為NEE向的構(gòu)造，東部以低鞍的形式與合興場(chǎng)構(gòu)造相隔，向西與鴨子河構(gòu)造以低鞍相接，構(gòu)造南北兩翼表現(xiàn)為南陡北緩，西端的七郎廟高點(diǎn)與孝泉高點(diǎn)經(jīng)鞍部相接，新場(chǎng)構(gòu)造東端的L150高點(diǎn)以一條走向近南北的F4斷層與羅江高點(diǎn)相接。

新場(chǎng)氣田須家河組共分為四段，其中須五段、須三段主要是泥巖層，為區(qū)域性的相對(duì)隔層；須四段、須二段主要是砂巖層，是流體的主要儲(chǔ)層。

1 地層水化學(xué)成分基本特征

(1)從分析數(shù)據(jù)來(lái)看(表1)，pH 值一般在6.0～6.6，說(shuō)明該區(qū)地層水處于良好的弱酸性環(huán)境中。對(duì)地層水連續(xù)監(jiān)測(cè)顯示，少數(shù)生產(chǎn)井的pH值隨開(kāi)采時(shí)間推移呈現(xiàn)上升趨勢(shì)：如位于裂縫發(fā)育區(qū)的X2井pH值從6.0(2008年4月)上升到7.2(2009年4月)；X856井pH值從6.0(2006年3月)上升到7.3(2009年4月)；L150井pH值從6.0(2006年8月)上升到7.5(2009年3月)，從開(kāi)采初期弱酸性逐漸呈現(xiàn)出弱堿性特征。

(2)陽(yáng)離子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+，陰離子主要有Cl-、SO42-和HCO3-。離子濃度變幅很大，均大于海水的質(zhì)量濃度均值。地層水的Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-均大于海水的同名離子濃度均值，但Mg2+和SO42-低于海水的同名離子濃度均值。

(3)一般來(lái)說(shuō)，在還原環(huán)境特別是強(qiáng)還原環(huán)境中，脫硫酸鹽作用活躍的地帶十分有利于Ba2+的聚集。根據(jù)區(qū)域水化學(xué)資料，須家河組碎屑巖中的地層水(黃鹵)離子成份特點(diǎn)是不含SO42-，含微量HCO3-，含多量的Sr2+、Ba2+，俗稱(chēng)“有鋇黃鹵”，并以此區(qū)別于下伏雷口坡組、嘉陵江組碳酸鹽巖中的地層水(黑鹵)，即黃鹵與黑鹵最大的區(qū)別是：黃鹵含Ba2+不含SO42-，而黑鹵含SO42-不含Ba2+。地層水中Ba2+的出現(xiàn)主要是脫硫酸作用的結(jié)果，新場(chǎng)須二段地層水Ba2+含量介于18.7 mg/L ～1183.5mg/L，均值644.3，其主體值位于1060mg/L附近，特別是X2、X3、X856高產(chǎn)井區(qū)Ba2+含量較高，而穩(wěn)產(chǎn)井區(qū)(如L150井，Ba2+=18.7mg/L)Ba2+含量較低，但新場(chǎng)須二氣藏從總體上反映了較強(qiáng)的還原環(huán)境，具有有利的天然氣保存環(huán)境。

(4)新場(chǎng)須二段地層水類(lèi)型多樣，所收集的185個(gè)水樣中既有隔絕良好的封閉構(gòu)造中形成的CaCl2型，也有過(guò)渡性的構(gòu)造條件出現(xiàn)的NaHCO3型(9個(gè))和MgCl2型(3個(gè))，但總體以CaCl2型占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)(173個(gè))。開(kāi)采一段時(shí)間以后，礦化度變幅在80000 mg/L ～120000mg/L(圖1)，最高濃度分布在以X851-X853-X856井為中心的CX560-X201- X2-X3- CX565-X9-X8井一帶，最高可達(dá)165000mg/L；而X11-X10-1H-X209-DY1井一線(xiàn)以西礦化度逐漸降低；以L150井為中心的X202-X206-X5-XC6-XC27井一帶最低，僅23500mg/L(圖2)。

圖1 新場(chǎng)須二段地層水礦化度均值柱狀圖

圖2 礦化度等值線(xiàn)圖

2 地層水地球化學(xué)參數(shù)

衡量地層水變質(zhì)作用可由變質(zhì)系數(shù)rNa/rCl、鈣氯系數(shù)rCa/rCl、鎂氯系數(shù)rMg/rCl、鈉鈣系數(shù)rNa/rCa、鈣鎂系數(shù)rCa/rMg等5組水化學(xué)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。

2.1 變質(zhì)系數(shù)rNa/rCl

表征地下水變質(zhì)程度的參數(shù)，其值越大，表明地下水變質(zhì)強(qiáng)度小，受滲入水影響越明顯，對(duì)油氣保存越不利；相反其值越小，則反映變質(zhì)作用深，地層水受滲入水影響越弱，對(duì)烴類(lèi)的保存越有利。在地下水埋藏沉積后，rNa/rC1系數(shù)一般都趨于降低。現(xiàn)代海水中此值為0.87，地下水的變質(zhì)系數(shù)若小于此值，表明發(fā)生了濃縮變質(zhì)作用，代表保存條件好；反之，為保存條件差。博雅斯基(1970年)等[8]研究大量油田地層水后將變質(zhì)系數(shù)分為了5類(lèi)：①rNa+/rCl->0.85，表現(xiàn)出水的運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)大的水動(dòng)力積極帶特點(diǎn)，在這一帶內(nèi)保存油氣的前景很??；②rNa+/rCl-為0.85～0.75，是沉積盆地的積極水動(dòng)力帶和較穩(wěn)定的靜水帶之間特點(diǎn)，是烴類(lèi)可能保存，但不太好的地帶；③rNa+/rCl-為0.75～0.65，具有有利于保存油氣藏的水動(dòng)力特點(diǎn)；④rNa/rCl為0.65～0.5，具有烴類(lèi)聚集與外界完全隔絕，并有殘余水存在的特點(diǎn)，是烴類(lèi)保存的良好地帶；⑤rNa+/rCl-<0.5，具有古代殘余水存在的特點(diǎn)，是烴類(lèi)聚集最有希望的區(qū)域之一；以③、④、⑤為有利于油氣保存的水化學(xué)環(huán)境，地層水屬深層封閉環(huán)境的變質(zhì)系數(shù)應(yīng)小于0.75。新場(chǎng)須二段地層水變質(zhì)系數(shù)rNa/rCl介于0.03～0.93之間，均值0.83，其主體值位于0.82～0.87，即博雅爾斯基分類(lèi)的第二類(lèi)油田水范圍內(nèi)。若對(duì)比前蘇聯(lián)諾沃謝利采金(1977年)的分類(lèi)[2]：①rNa+/rCl-為1.3～1.0，對(duì)應(yīng)次生油氣藏分布帶；②rNa+/rCl-為1.0～0.6，對(duì)應(yīng)烴類(lèi)生成和大量油氣藏分布帶；③rNa+/rCl-為0.6～0.4，對(duì)應(yīng)油氣藏強(qiáng)烈破壞帶。由此可以看出，新場(chǎng)須二氣藏位于最有利于氣藏形成和保存的地球化學(xué)環(huán)境。

2.2 鎂氯系數(shù)rMg/rCl

鎂氯系數(shù)rMg/rCl是反映濃縮變質(zhì)作用和陽(yáng)離子吸附交換作用的重要參數(shù)。通常認(rèn)為氯鎂系數(shù)越大，反映地層水封閉性越好、封閉時(shí)間越長(zhǎng)，濃縮變質(zhì)作用越深，有利于油氣的聚集和保存。有研究表明[10]，含氣區(qū)地層水鎂氯系數(shù)值一般小于0.20。新場(chǎng)須二段地層水鎂氯系數(shù)極低，介于0.01～0.63，均值0.03，主體值0.01～0.02，表明地層水封閉性較好，有利于油氣的聚集和保存。

2.3 鈣鎂系數(shù)rCa/rMg

鎂鈣系數(shù)rCa/rMg是水化學(xué)的重要特性參數(shù)之一。一般認(rèn)為高的鈣鎂系數(shù)值與次生孔隙的發(fā)育有關(guān)。方解石的白云石化以及其溶解過(guò)程能夠改善儲(chǔ)層的物性，可以導(dǎo)致油田水中鈣鎂系數(shù)值升高。徐國(guó)盛等(1999年)的研究表明[9]，含氣區(qū)其比值一般大于3.3。新場(chǎng)須二段地層水鈣鎂系數(shù)介于1～87，均值9，次生孔隙發(fā)育。

研究表明rNa/rCl、rMg/rCl、rNa/rCa這3組參數(shù)均低于海水相同比值的均值，表明地層水與海水的化學(xué)特征已發(fā)生了變化，化學(xué)平衡差距較大。這些參數(shù)的協(xié)調(diào)變化，標(biāo)志著新場(chǎng)須二段地層水在地質(zhì)歷史時(shí)期里最終朝正向變質(zhì)作用的地球化學(xué)方向發(fā)展和演化。

表1 新場(chǎng)須二段地層水化學(xué)參數(shù)表

2.4 脫硫系數(shù)rSO4×100/rCl

反映地下水氧化還原環(huán)境的重要指標(biāo)。該系數(shù)越低，表明脫硫酸作用越強(qiáng)，還原環(huán)境越強(qiáng)，越有利于油氣藏的保存。在還原環(huán)境中，脫硫酸細(xì)菌能使SO42-還原成H2S，即使地下水中SO42-減少甚至消失，HC03-也增加，pH值減小。一般情況下，在封閉的油氣藏中，脫硫酸系數(shù)一般都很低?？柌煞?1963年)指出[2]，在油田影響的范圍內(nèi)，重碳酸鹽含量急劇增加，硫酸鹽含量減小，脫硫系數(shù)小?？碧浇Y(jié)果證明，分布在油氣田邊界附近的NaHCO3型地層水中，一般含很少量的硫酸鹽，脫硫系數(shù)變??；隨著遠(yuǎn)離油氣藏邊界，硫酸鹽含量增加，脫硫系數(shù)加大。在含油氣邊界以外3km～4km處，地層水則轉(zhuǎn)變?yōu)镹a2SO4型水。故脫硫系數(shù)所指示的脫硫酸作用作為一種環(huán)境指標(biāo)，可以用來(lái)指導(dǎo)油氣藏氣水界面認(rèn)識(shí)。新場(chǎng)地層水脫硫酸系數(shù)值極低，介于0～0.09，均值0.04，其主體值位于0.01～0.02，遠(yuǎn)小于現(xiàn)今海水均值10.3，表明新場(chǎng)須二段地層水脫硫酸作用強(qiáng)，顯示強(qiáng)還原環(huán)境，地層水埋藏于封閉良好地區(qū)，油氣保存條件良好。

2.5 碳酸鹽平衡系數(shù)[(rHCO3+rCO3)2·rCa]1/3

用來(lái)計(jì)算地層水中碳酸鈣飽和程度，與地層水中和CaCO3保持平衡的CO2氣體分壓成正比，值越小表明保存條件越好，越靠近油氣藏。從油田水的無(wú)機(jī)組分與有機(jī)組分的統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)了油田水的碳酸鹽平衡系數(shù)與有機(jī)酸存在明顯的負(fù)相關(guān)性，進(jìn)一步論證了碳酸鹽平衡系數(shù)和有機(jī)酸與油氣聚集及油氣性質(zhì)的關(guān)系。該值越低則低碳有機(jī)酸的含量越高，它們與油藏，尤其是與輕質(zhì)油或氣藏的關(guān)系越密切。從兩者的關(guān)系中初步了解到有機(jī)酸的溶蝕作用對(duì)油氣藏中儲(chǔ)層次生孔隙的形成應(yīng)有較重要的影響。新場(chǎng)須二段地層水碳酸鹽平衡系數(shù)介于1～40，均值16，其主體值位于13～19，總體較高，絕大部分水樣>7，為高重碳酸鹽水，表明水被CaCO3所飽和。

2.6 硫酸鈣飽和系數(shù)(SO4·Ca)1/2

用來(lái)計(jì)算地層水中硫酸鈣飽和程度，該系數(shù)>70時(shí)，表明水被CaSO4飽和。新場(chǎng)須二段地層水硫酸鈣飽和系數(shù)介于0～360，均值190，其主體值位于160～280，除X202-L150-CX560-X206井一帶位于低值區(qū)，其他區(qū)域總體較高，絕大部分水樣位于200左右，為高重碳酸鹽水。

2.7 陽(yáng)離子交換系數(shù)IBE

表征水中陽(yáng)離子與巖石顆粒表面吸附的陽(yáng)離子發(fā)生交換的情況。理論上以Cl-來(lái)代表所有鹵族元素(F、Cl、Br、I等)之和，以Na+來(lái)代表所有堿金屬(Li、Na、K、Rb等)之和。當(dāng)Cl-> Na+時(shí)IBE為正值，IBE=(rCl-rNa-rK)/rCl，表示水中Na+、K+與Ca2+、Mg2+發(fā)生交換；當(dāng)Cl-< Na+時(shí)IBE為負(fù)值，IBE=(rCl-rNa-rK)/(rSO4+rHCO3+rCO3)。新場(chǎng)須二段地層水陽(yáng)離子交換系數(shù)IBE介于0.001～0.966，均值0.149，以DY1-XC28-X10-X10-1H-X11-XC29-XC7井一線(xiàn)為分界線(xiàn)，分界線(xiàn)以東區(qū)域IBE<0.129，顯示該區(qū)域含有滲入水，是地層水交替活躍帶；分界線(xiàn)以西區(qū)域IBE>0.129，是地層水交替停滯帶，地層水屬于典型的古沉積水區(qū)域，與須二段現(xiàn)今水動(dòng)力場(chǎng)展示的地層水徑流方向有較好的一致性。

3 結(jié)論

(1)研究區(qū)各主要離子含量關(guān)系，符合我國(guó)多數(shù)陸相油田水的排列順序，即：陽(yáng)離子濃度順序Na+>Ca2+>Mg2+，Cl->HC03->S042-，均以Na+和Cl-占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，具有油氣田水組分向鈉、氯端元集中的分異特征，并具備明顯的陸相沉積水化學(xué)特征。新場(chǎng)須二段地層水較高的Ba2+含量除了指示新場(chǎng)須二氣藏具有有利的天然氣保存環(huán)境外，還與井區(qū)高產(chǎn)井(X2、X3、X856)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

(2)研究區(qū)地層水類(lèi)型多樣，CaCl2型占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。NaHCO3型和MgCl2型均出現(xiàn)在開(kāi)采初期，具備典型的凝析水特征。礦化度變幅在80000 mg/L ～120000mg/L，主體濃度為鹵水和濃鹵水，礦化度等值線(xiàn)分布呈現(xiàn)“構(gòu)造軸部高、兩翼低”的趨勢(shì)。水型和礦化度顯示了封閉、埋藏型地層水特征，油氣保存條件好。此外，高礦化度地層水主要產(chǎn)出于構(gòu)造軸部裂縫發(fā)育的高產(chǎn)井區(qū)，高礦化度與高產(chǎn)井有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3)研究區(qū)變質(zhì)系數(shù)、鎂氯系數(shù)、鈣鎂系數(shù)、脫硫系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)、硫酸鈣飽和系數(shù)、陽(yáng)離子交換系數(shù)等各種水化學(xué)系數(shù)顯示地層水高濃縮、深變質(zhì)、強(qiáng)還原環(huán)境特征，有利于油氣的保存。從地下水的遷移來(lái)看，與高礦化度分布區(qū)相對(duì)應(yīng)的水化學(xué)參數(shù)分布區(qū)，一般為水交替停滯區(qū)；從流體勢(shì)的角度分析，高礦化度也是低勢(shì)區(qū)。因此，本區(qū)礦化度的平面分布在一定程度上指示了油氣運(yùn)移的方向。

(4)特別值得關(guān)注的是，研究中還發(fā)現(xiàn)，XC32-X13-XC26-CX568-CK1-X10-1H-X11井區(qū)的碳酸鹽平衡系數(shù)展布與目前新場(chǎng)構(gòu)造軸部的高產(chǎn)井區(qū)極為相似，有望發(fā)現(xiàn)類(lèi)似于X851-X853-X856-L150高產(chǎn)井區(qū)的新的油氣藏中心。

1 王大純,張人權(quán),史毅虹,等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：地質(zhì)出版社,1995.

2 劉方槐,顏婉蓀.油氣田水文地質(zhì)學(xué)原理[M].北京：石油工業(yè)出版社,1991.

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6 吳世祥，汪澤成，汪蘊(yùn)璞.川西地區(qū)上三疊統(tǒng)水化學(xué)場(chǎng)水動(dòng)力場(chǎng)與油氣富集關(guān)系研究[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2002,(2).

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8 胡緒龍，李瑾.地層水化學(xué)特征參數(shù)判斷氣藏保存條件-以呼圖壁、霍爾果斯油氣田為例[J].天然氣勘探與開(kāi)發(fā),2008,31(4):23-26.

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10 內(nèi)部資料：新場(chǎng)地區(qū)完井地質(zhì)、測(cè)試、科研報(bào)告等資料。