川中北部磨溪—高石梯地區(qū)地層水特征及其油氣地質意義

蘇 敏，吳康軍，李志軍，曾東方，陳 穎，盧科良，朱 敏，龔燕秀

（1.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；2.復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.中國石油新疆油田分公司石西油田作業(yè)區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；4.中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦研究所，四川遂寧 629000）

0 引言

在含油氣盆地中，地層水作為油氣運移、聚集的動力和載體，與油氣之間進行著物質和能量的交換。地層水化學特征參數(shù)與油氣的運移、形成和構造運動密切相關，所以地層水可以反映沉積盆地流體系統(tǒng)的開放性和封閉性，以及油氣的儲集條件［1-3］。地層水在典型的斷塊形成時期活動比較頻繁，地層水的化學特征與油氣成藏之間的關系非常密切，油氣多在地層水礦化度高的區(qū)域運移并最終聚集［4-6］。吳娟等［7］通過對燈影組—龍王廟組地層水的化學特征進行研究，得出了研究區(qū)地層流體與油氣成藏具有密切關系的認識；楊婭敏等［8］通過對杭錦旗地區(qū)地層水化學特征進行分析，認為地層水化學特征與油氣保存條件具有一定關系；梅嘯寒等［9］通過對松遼盆地扶新隆起帶扶楊油層地層水化學特征的研究，指出了其與油氣運聚和富集具有耦合關系。

川中北部磨溪—高石梯地區(qū)是四川盆地天然氣的主要產(chǎn)區(qū)［10-12］，針對龍王廟組、長興組、嘉二段、雷一1亞段、須家河組等5 個主要天然氣產(chǎn)層的地層水微量元素、氫氧同位素特征進行常規(guī)分析，研究不同產(chǎn)層的地層水的地球化學特征、水離子組成特征、氫氧同位素特征，最后結合研究區(qū)的油氣藏分布特征，厘定川中北部磨溪—高石梯地區(qū)地層水特征與油氣聚集的關系，以期對該區(qū)的油氣勘探具有指導意義。

1 油氣地質概況

川中北部磨溪—高石梯區(qū)塊位于四川盆地中部磨溪56 井以北，行政區(qū)劃包括四川省遂寧市、資陽市安岳縣及重慶市潼南縣，構造上屬于川中北部地區(qū)磨溪—龍女寺北斜坡，總面積為9 000 km2［13-14］。該斜坡在晚震旦世燈影組沉積期形成，在早寒武世受到區(qū)域拉張作用，古裂陷槽繼承性發(fā)育［15］；在志留紀末受加里東構造運動的影響，古隆起定型；在海西—燕山期由于坳陷帶的擠壓，埋深加深；最后在燕山晚期構造快速隆起抬升，古隆起西段發(fā)生強烈構造變形，而東段構造變形微弱，呈現(xiàn)“西方差東方好”的格局［16-18］。由于多期構造的作用，磨溪—高石梯構造帶具有良好的天然氣儲集條件。

磨溪—高石梯地區(qū)的主力儲集層為震旦系燈影組和寒武系龍王廟組［19-20］，其中龍王廟組厚度受古地貌影響顯著，呈北西偏薄，南東偏厚的特征，巖石類型主要有砂屑白云巖、殘余砂屑白云巖以及細—中晶白云巖。這些巖石裂縫、孔洞比較發(fā)育，具有良好的儲層發(fā)育條件，為油氣的形成奠定了基礎。震旦系燈影組的沉積厚度較大，分布范圍較廣，主要發(fā)育淺灰色微—粉晶白云巖、藻白云巖，其中燈二段和燈四段均為良好的含氣層系。

研究區(qū)以構造圈閉為主，還存在巖溶儲層和局部構造疊置發(fā)育的巖性-構造復合圈閉、單獨灘體形成的巖性圈閉、尖滅線附近形成的地層-巖性圈閉，這些圈閉均為氣藏的形成提供了儲集空間［21-22］。

2 地層水地球化學特征

2.1 地層水離子組成特征

川中北部磨溪—高石梯構造主要產(chǎn)層中的地層水類型豐富，據(jù)文獻［23］報道，按照蘇林的分類方法，可將地層水分為CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等4 種水型。地層水主要含有K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+，F(xiàn)-，Cl-，HCO3-，NO3-等陰陽離子和I，Br，B 等微量元素。

本次研究的水樣全部取自對應產(chǎn)層的天然氣脫水后的樣品。將研究區(qū)燈影組、龍王廟組、棲霞組、長興組、嘉二段、雷一1亞段、須家河組等多個組段（亞段）的地層水離子成分與當今海水成分對比，并結合離子間化學親和力的強弱順序將地層水劃分為CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等4 種類型。

龍王廟組有9 口井產(chǎn)出地層水，通過分析可知，水型主要為CaCl2型，含有Cl-，SO42-，HCO3-，F(xiàn)-，NO3-等陰離子，含量最高的是Cl-，質量濃度為66 012～68 868 mg/L，含量最低的是F-，質量濃度為4.32～15.84 mg/L；含有K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+等陽離子，含量最高的是Na+，質量濃度為31 802～33 9678 mg/L，含量最低的是Li+，質量濃度為30～67 mg/L；也含有微量元素，其中Br 元素含量最高，質量濃度平均為520 mg/L。該組平均礦化度約為108 340 mg/L。長興組只有磨溪1 井產(chǎn)地層水，主要含有K++Na+，Ca2+，Mg2+等陽離子，其中含量最高的是K++Na+，質量濃度為17 108～19 810 mg/L，含量最低的是Mg2+，質量濃度為268～690 mg/L；主要含有Cl-，SO42-，HCO3-等陰離子，其中Cl-含量最高，質量濃度為29 386～4 9 393 mg/L，SO42-含量最低，質量濃度為27～249 mg/L；微量元素I 和B 在磨溪1 井中含量不穩(wěn)定。長興組地層水礦化度為49 000～80 000 mg/L，平均為58 302 mg/L，比龍王廟組的低。

嘉二段和雷一1亞段地層水含有的陰離子和陽離子類型相同，其中陰離子含量最高的是Cl-，陽離子含量最高的是K++Na+。嘉二段有31 口井180 個樣品數(shù)據(jù)，包括CaCl2，MgCl2和Na2SO4型等水型。地層水礦化度為42 050～96 000 mg/L，平均為58 350 mg/L。雷一1亞段有76 口井400 余個樣品數(shù)據(jù)，水型主要為CaCl2型。地層水礦化度為151 300～280 600 mg/L，平均為196 640 mg/L。

須家河組有13 口井60 余個樣品數(shù)據(jù)，水型主要為CaCl2型，主要離子類型與嘉二段地層水離子類型一致，陽離子含量最高的是K++Na+，質量濃度為44 608～72 779 mg/L，陰離子含量最高的是Cl-，質量濃度為102 023～163 144 mg/L。地層水礦化度為168 000～272 500 mg/L，平均為221 950 mg/L（表1）。

總的來講，不同層位地層水礦化度不同（圖1），離子含量也有所差異（圖2），雷一1亞段和須家河組礦化度與Cl-含量均較高，龍王廟組地層水礦化度和Cl-含量次之，嘉二段與長興組礦化度較低。

圖1 不同層位TDS 和Cl-含量關系圖Fig.1 Relationship between TDS and Cl-content in different layers

圖2 不同層位離子含量對比圖Fig.2 Comparison of ion content in different layers

2.2 地層水化學特征參數(shù)

地層水化學特征參數(shù)能反映水文地球化學環(huán)境和水-巖相互作用強度，一般常用的參數(shù)有鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、氯鎂系數(shù)和鎂鈣系數(shù)等［24］。由于Cl-和Na+化學性質的穩(wěn)定程度不同，所以研究鈉氯系數(shù)可以得出地層水的變質程度和地層的封閉性。脫硫系數(shù)越小，地層水所處的儲層環(huán)境還原性越強、密閉性越好。氯鎂系數(shù)是代表變質作用和地層水巖作用強弱的重要水文地質參數(shù)，其數(shù)值的大小反映地層水所處的地層的封閉性的好壞，即其系數(shù)越大，代表變質作用或地層水巖作用越明顯，地層密閉性越好，油氣的儲存條件越優(yōu)越。鈣鎂系數(shù)是表征地層水封閉性、濃縮變質作用程度和儲層水文化學環(huán)境關系的重要水文地球化學特征參數(shù)，當?shù)貙铀拟}鎂系數(shù)數(shù)值大于3 時，表明地層的封閉條件良好，對油氣成藏有利。

對龍王廟組、長興組、嘉二段、雷一1亞段和須家河組的地層水離子比例系數(shù)進行分析可知：①龍王廟組等5 個產(chǎn)層的地層水的鈉氯系數(shù)多分布于0.3～0.8，鎂鈣系數(shù)分布于0.1～0.5，表現(xiàn)出水體還原性強、封閉性好，受滲入水的影響弱的特征（圖3）。②嘉二段的脫硫系數(shù)大于2，存在厚層石膏巖，石膏溶于水后使其脫硫系數(shù)遠大于其他產(chǎn)層。③對比龍王廟組、長興組、嘉二段和須家河組脫硫系數(shù)-氯鎂系數(shù)交會圖（圖4）可知，龍王廟組與雷一1亞段脫硫系數(shù)相近，但龍王廟組氯鎂系數(shù)高于雷一1亞段；須家河組不含SO42-；長興組只有1 口井投產(chǎn)，并且規(guī)律性不強。

圖3 不同層位鎂鈣系數(shù)-鈉氯系數(shù)交會圖Fig.3 Cross plot of magnesium calcium coefficient and sodium chlorine coefficient of different layers

圖4 氯鎂系數(shù)-脫硫系數(shù)交會圖Fig.4 Cross plot of chloro magnesium coefficient and desulfurization coefficient

脫硫系數(shù)與水中總固體溶解量（TDS）交會圖版也可區(qū)分各產(chǎn)層地層水，嘉二段脫硫系數(shù)大于2［圖5（a）］，龍王廟組、長興組、雷一1亞段和須家河組脫硫系數(shù)均分布于0～1，但其TDS 的范圍不同［圖5（b）］。

圖5 各層脫硫系數(shù)-TDS 交會圖Fig.5 Cross plot of desulfurization coefficient and TDS of different layers

除此之外，還可以利用微量元素交會法對地層水中的微量元素進行對比分析。各產(chǎn)層地層水中均含有B 和Br 元素，其中雷一1亞段地層中的B 元素含量最高，質量濃度為300～1 050 mg/L，長興組中的B 元素含量最低，質量濃度為130～140 mg/L；須家河組中的Br 元素含量最高，質量濃度為1 000～1 850 mg/L，長興組中的Br 元素含量最低，質量濃度為250～370 mg/L（表2）。

表2 各產(chǎn)層地層水判別指標表Table 2 Identification index of formation water in each layer

2.3 地層水氫氧同位素特征

D 和18O 是地層水穩(wěn)定的同位素，研究地層水的氫氧同位素，有利于確定地層水的水巖作用強度、地層的封閉性和區(qū)別各產(chǎn)層地層水的特征［25］，為研究油氣運移和儲集空間奠定基礎。

利用同位素分析儀對取得的地層水樣進行測試，同步測量出δ18O 和δD（表3），δ18O 為-1.5‰～9.1‰，δD 為-37.99‰～75.89‰。這些井的δ18O和δD 相較于全球大氣降水線均發(fā)生了正偏移，δ18O 的正偏移與水巖作用的增強有關。

表3 氫氧同位素檢測結果Table 3 Hydro-oxygen isotope test results

龍王廟組地層水和凝析水分布范圍區(qū)別明顯，凝析水中氫同位素含量高于地層水，證實凝析水的存在會干擾地層水同位素的含量，即會影響δ18O 和δD 的數(shù)值大小（圖6）。

圖6 龍王廟組氫-氧同位素含量交會圖Fig.6 Cross plot of hydrogen and oxygen isotope content of Longwangmiao Formation

對5 個目的水層水樣進行測試和分析，各產(chǎn)層地層水氫氧同位素分布范圍差別顯著，龍王廟組的δ18O 為9.5‰～10.5‰，δD 為3‰～8‰；雷一1亞段的δ18O 最大，為80‰，δD 為4‰～11‰；嘉二段δ18O為-3‰～-1‰，δD 為8‰～9‰；須家河組δ18O和δD 均為負值，分別為-38‰～-35‰，-0.5‰～-0.4‰，可利用以上標準區(qū)分各產(chǎn)層的地層水（圖7）。

圖7 各層氫-氧同位素含量交會圖Fig.7 Cross plot of hydrogen and oxygen isotope content in each layer

3 地層水特征及其與油氣聚集的關系

觀察地層水化學成分與礦化度在剖面上的變化，有助于了解地層水特征與油氣的關系［26］。5 個產(chǎn)層的地層水礦化度均大于50 000 mg/L，但是不同產(chǎn)層的礦化度大小差異明顯，結合濃縮變質和水-巖相互作用程度的不同，可知產(chǎn)層均處于相對封閉的沉積環(huán)境，儲層水保存條件由好到壞依次為須家河組、雷一1亞段、龍王廟組、長興組、嘉二段（圖8）。目的產(chǎn)層的地層水均為典型的鹵水類型，龍王廟組、長興組、雷一1亞段和須家河組的地層水屬于Ⅲ類地層水，總體處于與地表水隔絕的封閉環(huán)境，封閉性很好；嘉二段的地層水屬于Ⅱ類地層水，總體處于半開放—半封閉的地球化學環(huán)境。5 個產(chǎn)層的地層水的離子比例系數(shù)在縱向上基本都是隨著埋藏深度的增加逐漸增高，可見目的層地層水受到的變質濃縮作用均較強，指示地層水環(huán)境都比較封閉，有利于油氣的儲集。

圖8 研究區(qū)重要層位地層水特征及其地質意義Fig.8 Formation water characteristics and its geological significance of the important strata in the study area

綜合以上條件分析可知，川中北部磨溪—高石梯地區(qū)的5 個主要產(chǎn)層的天然氣保存條件均較好，其中須家河組封閉性最好，巖-水作用最強，天然氣運移、聚集和保存條件最好，嘉二段封閉性最差，巖-水作用弱，天然氣運移、聚集和保存條件相對來說最差。

地層水離子組成特征、化學特征參數(shù)等只能反映地下油氣的保存封閉條件，起著指示作用，并不可以直接作為判斷有無油氣藏的決定性依據(jù)，所以在利用地層水特征研究油氣藏時，還要結合沉積、構造等實際水文地質條件進行分析研究，以提高油氣勘探的準確性［27］。

4 結論

（1）川中北部磨溪—高石梯地區(qū)地層水主要由K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+，F(xiàn)-，Cl-，HCO3-，NO3-等陰陽離子和I，Br，B 等微量元素組成。水型以CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等類型為主，各離子的含量和礦化度存在較大差異。

（2）化學特征參數(shù)能夠很好地反映地層的封閉性，通過對比川中北部磨溪—高石梯地區(qū)各地層水的化學特征參數(shù)可知，須家河組封閉性最好，巖-水作用最強，嘉二段封閉性最差，巖-水作用最弱。

（3）川中北部磨溪—高石梯地區(qū)龍王廟組δ18O為9.5‰～10.5‰，δD 為3‰～8‰；雷一1亞段δ18O為8‰～80‰，δD 為4‰～11‰；嘉二段δ18O 為-3‰～-1‰，δD 為8‰～9‰；須家河組δ18O 為-38‰～-35‰，δD 為-0.5‰～-0.4‰。各產(chǎn)層地層水中氫氧同位素的分布范圍明顯不同，可利用圖版區(qū)分各產(chǎn)層的地層水。

（4）川中北部磨溪—高石梯地區(qū)的5 個主要產(chǎn)層的封閉性良好，均有利于天然氣的聚集和保存。其中，對天然氣成藏最有利的為須家河組，相對最差的是嘉二段。