榆林北部氣田山2段地層水化學(xué)特征與天然氣聚集關(guān)系

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(1.陜西延長(zhǎng)石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西 延安 716001；2.長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院 ，陜西 西安 710054)

地層水是含油氣盆地中流體的重要組成部分之一，將其定義為與油氣相伴生的存儲(chǔ)于儲(chǔ)層中的地下水。地層水與圍巖及油氣等周圍介質(zhì)發(fā)生能量與物質(zhì)交換的同時(shí)，也參與了整個(gè)油氣成藏的過程，是油氣生成、運(yùn)移以及聚集的重要?jiǎng)恿εc載體(裘亦楠，2001)。

在盆地演化過程中，地層水的性質(zhì)以及其活動(dòng)綜合反映了水-巖作用、流體的流動(dòng)及其混合作用與水文地質(zhì)特征等，而上述作用過程恰與油氣藏在整個(gè)地史進(jìn)程中的聚集保存密切相關(guān)(孫向陽等，2001)。因此，針對(duì)地層水的化學(xué)性質(zhì)與分布特征所開展的專項(xiàng)研究對(duì)于油氣分布規(guī)律與油氣成藏過程的分析具有重要的理論意義，與此同時(shí)，研究成果對(duì)于進(jìn)一步尋找油氣也具有一定的實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。榆林北部主力含氣層段為二疊系山西組山2段。近年來，隨著勘探開發(fā)進(jìn)程向西南推進(jìn)，一部分井產(chǎn)能較高，而部分井嚴(yán)重出水，且不同井之間的產(chǎn)能差別顯著。同時(shí)，在已開發(fā)區(qū)域也出現(xiàn)了越來越多的水井，嚴(yán)重地影響了開發(fā)效果和開發(fā)進(jìn)程。鑒于此，近年來研究人員在勘探部署中，通過水文地球化學(xué)分析了解氣田水的起源，推斷地層水化學(xué)成分形成的地質(zhì)、地球化學(xué)作用，分析油(氣)水的生成環(huán)境、分布關(guān)系以及氣藏的封閉情況，預(yù)測(cè)油氣富集的有利地區(qū)(徐國(guó)盛，2006年)，指導(dǎo)勘探部署。在氣田開發(fā)中，通過對(duì)地層水成因機(jī)理、分布規(guī)律及水體規(guī)模進(jìn)行研究，分析生產(chǎn)動(dòng)態(tài)特征及影響產(chǎn)能的因素，提出富水區(qū)產(chǎn)水井生產(chǎn)管理與控水采氣措施(楊宇，2011)，取得較好的勘探開發(fā)效果。但目前研究區(qū)山西組氣、水分布關(guān)系復(fù)雜，氣、水分布主控因素不明確。筆者通過研究區(qū)山西組山2段地層水性質(zhì)及地球化學(xué)特征，分析目的層段地層水特征與天然氣運(yùn)聚保存之間的關(guān)系，力求加深成藏規(guī)律的認(rèn)識(shí)理解，以期對(duì)研究區(qū)的天然氣勘探有一定的借鑒參考價(jià)值。

1 地質(zhì)背景

榆林北氣田區(qū)域構(gòu)造隸屬鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東部，區(qū)內(nèi)地層十分平緩，僅在西傾單斜背景下發(fā)育部分低幅鼻狀隆起，不具備形成構(gòu)造圈閉的條件，主要發(fā)育巖性圈閉氣藏(趙靖舟等，2003)。上古生界儲(chǔ)層作為該區(qū)天然氣勘探開發(fā)的重要層位之一，其中山西組砂體主要為三角洲前緣水下分流河道沉積成因，其儲(chǔ)層砂巖類型主要為石英砂巖及部分巖屑石英砂巖，儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)。因該區(qū)構(gòu)造平緩，加之缺乏構(gòu)造圈閉，導(dǎo)致在成藏過程當(dāng)中出現(xiàn)氣水分異不徹底，故在氣田范圍內(nèi)存在復(fù)雜的氣水分布關(guān)系。

2 地層水地球化學(xué)特征

2.1 地層水離子組成及礦化度特征

榆林北部氣田山2段地層水顏色多為無色、透明，水質(zhì)較清。地層水pH值范圍為4.3～9.53，酸性及堿性并存，但總體以弱酸性為主。在深盆地當(dāng)中，長(zhǎng)期處于封閉承壓環(huán)境的高礦化度的變質(zhì)水通常以堿性水或弱酸性水為主，不存在酸性水。而地面溶蝕平衡水的pH值范圍為7.0～8.68，為堿性水，究其成因可能是地層水中溶蝕作用未達(dá)到平衡，殘余有機(jī)酸含量高，pH值低，也可能與低pH值的煤層水有關(guān)。

對(duì)榆林北部氣田地層水樣的分析測(cè)試結(jié)果表明，地層水總礦化度為0.2653～409.4927g/L，平均礦化度為29.2183g/L，遠(yuǎn)高于海水的鹽度3.5g/L，達(dá)鹵水級(jí)，明顯反映出該區(qū)具有總礦化度高、正變質(zhì)程度深的特點(diǎn)(表1)。

2.2 地層水類型

地層水類型作為重要的水化學(xué)因素，能夠很好地反映油氣運(yùn)聚與保存條件。根據(jù)蘇林的分類(張厚福等，2008),研究區(qū)山西組地層水水型為氯化鈣(CaCl2)型地層水。博雅爾斯基又對(duì)氯化鈣(CaCl2)型地層水進(jìn)行了詳細(xì)的分類，按照博爾雅的分類方案(樓章華等，2006)，研究區(qū)目的層段地層水以氯化鈣Ⅴ型水為主，少數(shù)為氯化鈣Ⅳ型，該類水型有利于天然氣的聚集與保存。

表1 榆林北部氣田山2地層水與其他油氣藏地層水礦化度特征對(duì)比表(g/L)Tab.1 Compared the stratified water mineralization degree characteristics in Second member of Shaanxi formation in Yulin north gas field with other oil and gas reservoir(g/L)

圖1 子洲氣田陰、陽離子濃度投點(diǎn)圖Fig.1 The concentration of Anion and Cation in Zi Zhou gas field

2.3 水化學(xué)離子組成

地層水的陽離子組成中以堿土金屬離子Na+、K+、Ca2+離子為主，其中Na++K+以及Ca2+的平均含量分別為29.83 g/L、35.05 g/L，二者占陽離子總量的平均分別為41.35%、55.82%。Na+、K+、Ca2+離子的平均總含量占陽離子的97.17%。Mg2+離子含量為1.75 g/L，平均占陽離子總量的2.83%。

圖2 礦化度與主要陰陽離子濃度的關(guān)系圖Fig.2 Relationship between mineralization degree and main anion and cation concentration

3 地層水化學(xué)與天然氣成藏的關(guān)系

3.1 地層水礦化度與天然氣成藏

榆林北部氣田山西組地層水樣地層水總礦化度高，平均為29.2 g/L，地層水的高礦化度即為地層內(nèi)水-巖相互作用長(zhǎng)期循環(huán)和濃縮貶值的結(jié)果。研究區(qū)目的層段地質(zhì)構(gòu)造平緩穩(wěn)定，儲(chǔ)層主要發(fā)育于三角洲前緣亞相砂體之中，砂巖巖石類型由石英砂巖及巖屑石英砂巖組成，廣泛分布裂縫，且受到上覆厚層蓋層的封蓋作用。因此，地層水在深層中不斷地循環(huán)，溶解較多的礦物質(zhì)且發(fā)生濃縮變化，從而具有較高礦化度的特征(李明瑞，2006)。

3.2 地層水水型與天然氣成藏

3.3 地層水化學(xué)特征參數(shù)與天然氣成藏

地層水化學(xué)指數(shù)在一定程度上可以反映水-巖相互作用強(qiáng)度以及地層水所處的水文地球化學(xué)環(huán)境。常用的地層水水化學(xué)特性參數(shù)有鈉氯系數(shù)、鎂鈣系數(shù)、脫硫系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)等(楊冬等，2013)。上述特性參數(shù)?？捎糜谂袛嗟貙恿黧w移動(dòng)的方向、地層水封閉性以及地層水活動(dòng)的強(qiáng)弱等，與油氣運(yùn)聚和保存之間具有一定的成因關(guān)系。

3.3.1 鈉氯系數(shù)(rNa+/Cl-)

鈉氯系數(shù)越小表明地層水的封閉越好，變質(zhì)越深。研究區(qū)目的層段地層水的Na+/Cl-值分布范圍為0.015～0.598，平均值為0.336，且絕大數(shù)井Na+/Cl-值小于0.5，表明地層水處于封閉還原的環(huán)境之中，對(duì)于氣藏的聚集與保存有利。因此， Na+/Cl-值呈低值(<0.5)的CaCl2型水分布區(qū)可作為榆林北部山西組油氣藏勘探的良好地帶。

3.3.2 鎂鈣系數(shù)(rMg2+/Ca2+)

含氣區(qū)鎂鈣系數(shù)一般小于0.3。研究區(qū)目的層段地層水Mg2+/Ca2+值平均為0.165，分布范圍0.004～0.910，表明封閉良好的儲(chǔ)層占絕大多數(shù)，有利于氣藏的聚集與保存。因此，Mg2+/Ca2+值呈低值(<0.1)為榆林北部山西組天然氣的有利富集區(qū)。

3.3.3 脫硫系數(shù)

脫硫系數(shù)越小表明地層水的封閉性越好(徐德英等，2010)。研究區(qū)目的層段地層水的脫硫系數(shù)平均為9.60，分布范圍為0.280～36.560，表明該區(qū)地層水處于封閉還原環(huán)境之中，有利于天然氣的聚集與保存。

3.3.4 變質(zhì)系數(shù)r(Cl--Na+)/2Mg2+

變質(zhì)系數(shù)越大反映了離子交換的程度與水巖作用的強(qiáng)度越大，油氣藏的封閉性越好，更有利于油氣的保存(楊婭敏等，2010)。研究區(qū)目的層段地層水變質(zhì)系數(shù)與砂體展布一致，呈帶狀分布，變質(zhì)系數(shù)r(Cl--Na+)/2Mg2+﹥10的高值區(qū)即為天然氣的有利富集區(qū)(圖3)，變質(zhì)系數(shù)分布圖與天然氣富集程度、產(chǎn)能大小相吻合。

4 結(jié)論

(1)榆林北部氣田山2段地層水pH值為4.3～9.53，以偏酸性為主，礦化度較高，以CaCl2水型為主，總體反映了目的層段地層水封閉條件較好，處于還原的阻滯-停滯水文地質(zhì)狀態(tài)，有利于天然氣的聚集與保存。

圖3 地層水變質(zhì)系數(shù)分布圖Fig.3 Distribution map of metamorphic coefficient of formation water

(2)地層水特征與天然氣藏關(guān)系研究表明，榆林北部氣田山2段地層水總礦化度高值區(qū)、CaCl2型水分布區(qū)、rNa+/Cl-低值區(qū)(<0.5)、rMg2+/Ca2+低值區(qū)(<0.1)、r(Cl--Na+)/2Mg2+高值區(qū)(>10)等均與天然氣富集區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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