四川盆地新場構(gòu)造帶上三疊統(tǒng)須家河組二段地層水化學(xué)動態(tài)特征及其成因

樓章華，蘇一哲，朱 蓉，劉一鋒，徐士林，李王鵬

(1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京100083)

四川盆地川西坳陷上三疊統(tǒng)須家河組氣藏是中國天然氣勘探開發(fā)的重點(diǎn)對象[1-4]，川西坳陷須家河組氣藏產(chǎn)氣層位埋藏深度普遍較大(>3 500 m)，平均孔隙度小于5%，平均滲透率小于0.1×10-3μm2，屬于典型的深層致密砂巖氣藏[5-10]。須家河組氣藏現(xiàn)今氣、水分布非常復(fù)雜，幾乎所有須家河組鉆井產(chǎn)氣的同時(shí)都或多或少有地層水產(chǎn)出，且氣、水分布不均。

前人對須家河組地層水研究多側(cè)重于地層水化學(xué)特征、成因及與油氣的關(guān)系等[11-14]。如宮亞軍等通過分析地層水常量離子組成及離子參數(shù)，研究了川西須家河組地層水的垂向分布特征[11]；陳冬霞等分析了須家河組二段(須二段)地層水化學(xué)資料，認(rèn)為須二段地層水屬于高封閉環(huán)境下的地層水[12]。林耀庭、熊亮等通過諾瓦克相圖法分別研究了川中地區(qū)和大邑地區(qū)須家河組地層水的分布層系[15-16]。

新場構(gòu)造帶是川西須二段致密砂巖氣主要分布區(qū)，新場須二段地層水化學(xué)呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化特征，礦化度從0.05 g/L到165 g/L，變化幅度大。同一口井在不同時(shí)間采集的水樣，水化學(xué)特征也有明顯差異，反映其地層水來源可能發(fā)生變化。本文在收集、整理川西新場須家河組共39口井水化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了各層系典型的水化學(xué)特征，建立了地層水分布層系判別指標(biāo)；結(jié)合氣藏開發(fā)動態(tài)，分析典型井在開發(fā)過程中地層水化學(xué)特征的動態(tài)變化，判斷地層水可能的來源。研究成果對揭示致密砂巖儲層地層水成因及其來源具有重要的意義。

1 地質(zhì)背景

新場構(gòu)造帶位于川西坳陷孝泉背斜向北東東方向延伸的鼻狀構(gòu)造上，西北翼較緩，東南翼略陡，為孝泉一新場復(fù)式背斜的局部圈閉(圖1)。新場氣田是經(jīng)歷了晚侏羅世發(fā)展、喜馬拉雅運(yùn)動晚期改造兩個(gè)階段而形成的構(gòu)造-巖性氣藏[17]。研究區(qū)分布廣泛的高有機(jī)質(zhì)豐度、高品質(zhì)、厚度大的烴源巖為本區(qū)氣藏的形成提供了充足的氣源[18]。新場構(gòu)造帶主要產(chǎn)氣層段自下而上依次為須二段、須四段、上沙溪廟組和蓬萊鎮(zhèn)組等。新場須二段作為須下盆的主要儲層，其天然氣產(chǎn)量在須家河組儲層中最為豐富，其主力產(chǎn)層為一砂組(Tx2(1))、二砂組(Tx2(2))和四砂組(Tx2(4))，烴源巖主要來自下部馬鞍塘組和小塘子組。須家河組下伏地層為雷口坡組海相地層，川西地區(qū)雷口坡組除了頂部雷四段部分地層被剝蝕外，整體上發(fā)育完全[19-21]。

圖1 川西坳陷新場構(gòu)造帶位置(a)及井位分布(b)

新場須二段氣-水關(guān)系復(fù)雜，氣井在生產(chǎn)過程中或多或少都會伴隨有地層水產(chǎn)出，從測井解釋資料來看，須家河組儲層內(nèi)部水層、含氣水層、氣層等基本不連通，沒有形成統(tǒng)一的氣-水界面。學(xué)者們對須家河組現(xiàn)今氣-水關(guān)系主要有以下兩種解釋：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，須家河組早期形成的是氣在上、水在下的常規(guī)氣藏，后來經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動，部分地區(qū)由構(gòu)造高部位變?yōu)闃?gòu)造低部位，從而導(dǎo)致原有的氣-水界面被破壞，形成現(xiàn)在的復(fù)雜狀態(tài)[22]；第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，新場氣田是邊水氣藏，儲層成巖作用的不均勻影響形成了一些分布雜亂無章的“殘留地層水”，使得現(xiàn)今氣-水關(guān)系復(fù)雜[23]。須四上亞段氣、水分異不徹底，導(dǎo)致儲層內(nèi)部普遍含水，下亞段含氣性好于上亞段[24]。

2 須二段地層水化學(xué)特征

新場須二段致密氣藏是川西致密氣開發(fā)的主戰(zhàn)場，自2000年10月以來已有33口完鉆井。新場地區(qū)須二段地層水分布廣泛，氣水關(guān)系復(fù)雜。須二段氣井產(chǎn)出水礦化度變化大，新851井產(chǎn)出水礦化度僅有0.12～0.46 g/L，聯(lián)150井產(chǎn)出水礦化度為1.39～7.82 g/L，新856井開采初期礦化度也只有0.09～0.58 g/L。這些礦化度極低的產(chǎn)出水均為NaHCO3型水，據(jù)前人研究認(rèn)為屬于凝析水[25-27]。凝析水是氣田開發(fā)中的常見現(xiàn)象，是指在地層高溫高壓條件下，以氣態(tài)或霧狀液滴方式與天然氣共存[28-29]，當(dāng)采至井筒或地面后由于壓力和溫度降低才凝聚為液態(tài)的水。凝析水礦化度一般小于10 g/L，大部分小于1 g/L[30]。凝析水并不是真正意義上的地層水，此外除聯(lián)150井一直產(chǎn)凝析水外，其他產(chǎn)凝析水的井通常只在開采初期短暫出凝析水，之后以產(chǎn)地層水為主。因此，分析地層水化學(xué)特征時(shí)應(yīng)將凝析水?dāng)?shù)據(jù)剔除。本文收集并整理了新場須二段、須四段共計(jì)39口井水化學(xué)數(shù)據(jù)，排除了凝析水、受泥漿水或壓裂液污染等不能真實(shí)反映地層水的數(shù)據(jù)，選取了617個(gè)水化學(xué)數(shù)據(jù)，其中須二段22口井448個(gè)數(shù)據(jù)，須四段17口井169個(gè)數(shù)據(jù)。

大部分井在生產(chǎn)過程中地層水礦化度都穩(wěn)定在70～110 g/L，但部分井在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)礦化度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于或者高于這個(gè)范圍，比較明顯的有新856井、新2井、新10-1H井和新5井(圖2)。這4口井在生產(chǎn)過程中地層水礦化度都發(fā)生了比較明顯的變化，導(dǎo)致地層水礦化度變化的原因較多，如注水或酸化壓裂等生產(chǎn)工藝因素及水-巖反應(yīng)、地層水來源發(fā)生變化等等[31-35]。經(jīng)過井史分析，排除了生產(chǎn)工藝方面的原因；氣井生產(chǎn)持續(xù)時(shí)間相對于水巖反應(yīng)而言較短，水巖反應(yīng)對礦化度的影響基本可以忽略，著重考慮生產(chǎn)過程中地層水來源發(fā)生變化從而導(dǎo)致礦化度變化，這些“異常”值揭示了須二段地層水可能存在不同來源。對于須二段地層水，可能的來源主要有3個(gè):一是須二段本身；二是來自下部地層，如雷口坡組；三是來自上部地層，如須四段。要搞清楚礦化度異常的水到底來自哪個(gè)層位，首先要確定每個(gè)層位地層水的水化學(xué)特征。

圖2 川西坳陷新場構(gòu)造帶上三疊統(tǒng)須二段地層水礦化度隨時(shí)間變化

3 地層水分層系判定

3.1 礦化度、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)判別指標(biāo)

本文選取須二段新209、川合100、川合127等12口井和須四段新882、川豐563、新203等11口典型井進(jìn)行對比分析。儲層巖性均以中粒巖屑石英砂巖、中粒巖屑砂巖為主，少量細(xì)粒巖屑砂巖，局部夾黑色頁巖、粉砂質(zhì)頁巖，沉積相以河流點(diǎn)砂壩為主。選井原則一是單井的水化學(xué)數(shù)據(jù)盡可能多，且時(shí)間跨度盡可能長；二是每口井在生產(chǎn)過程中水化學(xué)特征都較為穩(wěn)定，這可以說明生產(chǎn)過程中地層水來源沒有發(fā)生變化。

各井水化學(xué)數(shù)據(jù)如表1，可以看出，須二段地層水礦化度、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)均高于須四段。須二段地層水礦化度平均值在67.19～116.78 g/L，氯鎂系數(shù)平均值在71.41～204.05，變質(zhì)系數(shù)平均值在9.70～20.80；須四段地層水礦化度平均值在50.22～91.76 g/L，氯鎂系數(shù)平均值在24.96～36.23，變質(zhì)系數(shù)平均值在3.66～8.36。

表1 川西坳陷新場構(gòu)造帶上三疊統(tǒng)須二段和須四段地層水礦化度、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)對比

通過對研究區(qū)大量水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)須四段地層水礦化度主要集中在50～90 g/L，氯鎂系數(shù)通常小于50，變質(zhì)系數(shù)通常小于10；須二段地層水礦化度主要集中在70～110 g/L，氯鎂系數(shù)大于50，變質(zhì)系數(shù)大于10。

3.2 諾瓦克系數(shù)相圖判別指標(biāo)

1996年美國水文地質(zhì)學(xué)家諾瓦克首次提出了諾瓦克系數(shù)判定法來判定地層水的來源[3]。該方法利用地層水中常見陽離子的離子當(dāng)量關(guān)系組成了6組判別系數(shù)：Na/Ca，Na/Mg，Mg/K，Ca/Mg，(Na+K)/(Ca+Mg)和Na/K，通過對比其所呈相圖的形狀來判斷地層水的來源，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和實(shí)踐性[15]。

諾瓦克使用該方法對美國克靈通砂巖氣田產(chǎn)出水來源進(jìn)行判定，結(jié)果成功區(qū)分了氣田地層水和工業(yè)污水[36]。中國學(xué)者也利用諾瓦克系數(shù)法進(jìn)行地層水研究并取得了一些成果，林耀庭通過諾瓦克相圖法成功判別了川中地區(qū)須家河組地層水的分布層系[15]。熊亮通過諾瓦克相圖法成功判別了大邑地區(qū)須家河組地層水的分布層系[16]。

本次研究分析了39口井共計(jì)617個(gè)水化學(xué)數(shù)據(jù)。文中選取須二段新3井、新853井和須四段新場22井、新21-1H井進(jìn)行對比分析。四口典型井經(jīng)過整理后共計(jì)92組水化學(xué)數(shù)據(jù)，分別做諾瓦克相圖(圖3)，由于篇幅原因，每口井只選取6張諾瓦克相圖。

從圖中可以看出，新3井、新853井代表的須二段地層水和新場22、新21-1H代表的須四段地層水諾瓦克相圖差異比較明顯，可分別作為須二段和須四段地層水標(biāo)準(zhǔn)諾瓦克相圖，并據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)相圖判斷地層水來源。此外，深部雷口坡為海相地層，其地層水化學(xué)特征與須家河組差異較為明顯。雷口坡組地層水礦化度較高且一般會檢測出高濃度的溴離子、碘離子等，表現(xiàn)出較典型的海相地層水特征。

4 須二段地層水化學(xué)動態(tài)變化及其成因

依據(jù)前述地層水判別指標(biāo)，對新場須二段水化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，新場須二段地層水化學(xué)特征在生產(chǎn)過程中基本保持穩(wěn)定，其諾瓦克相圖相似度高，表明新場須二段地層水來源較為一致，以須二段同層水為主。有部分井在生產(chǎn)過程中地層水化學(xué)特征發(fā)生變化，諾瓦克相圖也出現(xiàn)明顯差異(圖4)，如新856井、新2井、新10-1H井、新5井等。通過分析地層水化學(xué)動態(tài)變化特征，可以判斷開發(fā)過程中產(chǎn)出水的成因及其來源，從而針對不同出水來源采取相應(yīng)的穩(wěn)氣控水措施。此外，依據(jù)地層水來源的變化還可以判斷斷層的連通性。

4.1 須二段地層水化學(xué)動態(tài)變化及成因

新856井是位于新場構(gòu)造五朗泉高點(diǎn)的一口評價(jià)井，為構(gòu)造圈閉控制的異常高壓、孔隙-裂縫型底水干氣氣藏。該井地層水礦化度在2008年5月12日之前在90.03～101.02 g/L，汶川地震后地層水礦化度急劇增加，2008年6月17日達(dá)到160 g/L(圖2)，且檢測出Br-，濃度高達(dá)1 445.00 mg/L；2008年7月9日地層水礦化度依然達(dá)到120 mg/L，Br-濃度1 422.20 mg/L；之后地層水礦化度逐漸下降，恢復(fù)到地震之前的范圍區(qū)間，Br-濃度也降為0(表2)。地震后兩個(gè)月內(nèi)地層水諾瓦克相圖也較地震前有明顯不同。此外，新856井在汶川地震前2周內(nèi)平均每天產(chǎn)水82.72 m3，汶川地震后兩周內(nèi)平均每天產(chǎn)水109.70 m3，表明在汶川地震后地層水來源發(fā)生了變化，不再是單一的須二段地層水。

表2 川西坳陷新場構(gòu)造帶新856和新2井上三疊統(tǒng)須二段地層水化學(xué)特征

新2井為新場構(gòu)造五郎泉高點(diǎn)北翼的一口定向預(yù)探井，為構(gòu)造圈閉控制的異常高壓、孔隙-裂縫型底水干氣氣藏。該井和新856井類似，地層水化學(xué)特征及諾瓦克相圖均在汶川地震前后發(fā)生了較為明顯的變化(圖4)，反映地層水來源發(fā)生了變化。新2井在汶川地震前2周內(nèi)平均每天產(chǎn)水63.63 m3，汶川地震后兩周內(nèi)平均每天產(chǎn)水72.81 m3，產(chǎn)水量也有明顯上升。根據(jù)地層水化學(xué)特征的差異變化，結(jié)合諾瓦克相圖，推測新856和新2井在汶川地震后有深部雷口坡組海相地層水混入。

新5井是孝泉-豐谷構(gòu)造帶羅江高點(diǎn)的一口預(yù)探井，為高壓、裂縫-孔隙型低產(chǎn)含水氣層，該井地層水礦化度在2009年2月10—23日普遍在98.80～104.28 g/L(圖2)，氯鎂系數(shù)50.56～71.66，變質(zhì)系數(shù)9.82～12.09；2010年2月26日礦化度降至68.67 g/L(圖2)，一直到2011年11月10日礦化度都比較低，介于24.91～68.67 g/L(圖2)，氯鎂系數(shù)11.69～33.91，變質(zhì)系數(shù)5.36～8.56，地層水化學(xué)特征接近須四段地層水；之后地層水礦化度上升，達(dá)到94.36～95.98 g/L(圖2)，氯鎂系數(shù)69.19～97.97，變質(zhì)系數(shù)7.68～11.29(圖5)。此外，2010年2月26日—2011年11月10日期間地層水諾瓦克相圖也發(fā)生明顯變化(圖4)，和須四段地層水諾瓦克相圖非常相似。根據(jù)地層水化學(xué)特征的變化，結(jié)合諾瓦克相圖，推測新5井在該時(shí)間段內(nèi)有淺部須四段地層水混入。

新10-1H井是孝泉-豐谷構(gòu)造帶七郎廟高點(diǎn)西南翼的一口預(yù)探井，為低產(chǎn)氣層。該井地層水在2010年5月30日礦化度為29.82 g/L(圖2)、氯鎂系數(shù)24.34、變質(zhì)系數(shù)2.96，2010年6月1日礦化度為28.58 g/L(圖2)、氯鎂系數(shù)23.86、變質(zhì)系數(shù)3.66，地層水化學(xué)特征接近須四段地層水，這兩個(gè)水樣的諾瓦克相圖也和后期水樣有明顯差異(圖4)；2010年6月23日—2011年6月8日地層水礦化度為61.20～79.38 g/L，氯鎂系數(shù)為101.26～123.96，變質(zhì)系數(shù)為13.19～19.80(圖5)。根據(jù)地層水化學(xué)特征的變化，結(jié)合諾瓦克相圖，推測新10-1H井在2010年5月30日—6月1日期間有淺部須四段地層水混入。

4.2 地層水運(yùn)移通道

從新856井產(chǎn)能曲線(圖6)可以看出，汶川地震使得該井原有的穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)被打破，地層能量下降導(dǎo)致油壓、套壓顯著降低，日產(chǎn)氣從22.49×104m3降至11×104m3，產(chǎn)水量則在一個(gè)月內(nèi)由地震前的79.2 m3/d急劇上升到140 m3/d，水氣比大幅升高。結(jié)合水化學(xué)動態(tài)變化特征，明顯揭示有新的來源地層水進(jìn)入產(chǎn)層。川西新場須二段屬于致密砂巖儲層，具有“低孔-低滲”的特征。晚三疊世以來經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動，在須二段頂部共計(jì)形成20余條大斷層，印支運(yùn)動晚期主要形成EW向斷裂，燕山中、晚期主要形成NE-SW向斷裂，喜馬拉雅期多形成SN向斷裂[1,37]。斷裂及其周緣的裂縫可能是地層水垂向跨層運(yùn)移的主要通道。根據(jù)地震資料解釋，新856井附近分布有3條斷層(圖6)：西側(cè)一條SN向喜馬拉雅期大斷層F1，長度5 737 m，斷裂面向東傾斜，Tx2(2)距離斷層396 m、Tx2(4)距離斷層345 m，斷深向上至須4段底、向下至雷口坡組；東側(cè)一條SN向喜馬拉雅期小斷層F2，斷深向上至須2頂、向下至須2段中-下亞段，未斷至雷口坡組；東側(cè)還發(fā)育一條SN向喜馬拉雅期大斷層F3，長度3 450 m，斷裂面向西傾斜，Tx2(2)距離斷層582 m、Tx2(4)距離斷層486 m，斷深向上至須三段、向下至雷口坡組。推測由于汶川地震的影響，導(dǎo)致斷至雷口坡組的斷層重新活動，地層能量下降，深部雷口坡組海相地層水沿著斷層上涌進(jìn)入須二段，使得須二段地層水礦化度急劇升高且檢測出高濃度溴離子，產(chǎn)水量及水氣比大幅上升；之后地震影響逐漸減弱，斷層通道再次關(guān)閉，須二段地層水化學(xué)特征逐漸恢復(fù)到震前的水平，鉆井生產(chǎn)狀態(tài)也逐漸穩(wěn)定。

圖6 川西坳陷新場構(gòu)造帶新856井附近斷層分布及產(chǎn)能曲線(數(shù)據(jù)來源于中石化石油勘探開發(fā)研究院四川中心)

新2井西側(cè)發(fā)育一條形成于喜馬拉雅期、長5 737 m的SN向大斷層，斷裂面向東傾斜，新2井2砂組距離該斷層386 m，3砂組距離該斷層372 m，斷層斷深向上至須四段下部、向下至雷口坡組。新2井在汶川地震前后，其生產(chǎn)狀態(tài)及地層水化學(xué)特征均發(fā)生顯著變化，推測同樣由于汶川地震影響導(dǎo)致斷層活動開啟，深部雷口坡組海相地層水沿?cái)鄬舆M(jìn)入須二段。

新5井西側(cè)176 m處發(fā)育一條形成于喜馬拉雅期的SN向斷層，斷層向上斷至須四段，推測該斷層為新5井須四段地層水進(jìn)入須二段的運(yùn)移通道。同樣，新10-1H井西側(cè)48 m處發(fā)育了一條形成于喜馬拉雅期的SN向斷層，斷層向上斷至須四段，推測該斷層為新10-1H井地層水跨層運(yùn)移的主要通道。

5 結(jié)論

1)須四段地層水礦化度主要集中在50～90 g/L，氯鎂系數(shù)通常小于50，變質(zhì)系數(shù)通常小于10；須二段地層水礦化度主要集中在70～110 g/L，氯鎂系數(shù)通常大于50，變質(zhì)系數(shù)通常大于10。兩者地層水諾瓦克相圖差異也較為明顯。因此，礦化度、氯鎂系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)和諾瓦克相圖可作為地層水分布層系判別指標(biāo)。

2)新場須二段地層水來源較為一致，以須二段同層水為主。部分井生產(chǎn)過程中地層水化學(xué)特征發(fā)生動態(tài)變化，反映其地層水來源發(fā)生變化。新856井和新2井在汶川地震后有深部雷口坡組海相地層水混入，新5井和新10-1H井有淺部須四段地層水混入。