新場氣田須二段地層水地球化學特征及其石油地質意義*

吳 浩 鄭 麗 慈建發

(1.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院 2.四川省地質礦產勘查開發局化探隊)

沉積盆地地質流體(油、氣、水、成礦溶液)研究是當代地質學研究的前沿命題。從水文地質觀點看，地層水總是與烴源巖和油氣伴生的，它們在地史過程中相互依存、相伴演化。地層水也是油氣現代分布和保存條件評價預測的重要內容。筆者以新場氣田須二段地層水為研究對象，在統計了新場—孝泉構造2001年～2012年須二段20口井、185個水化學測試數據的基礎上，對地層水成分基本特征、地層水化學參數特征及展布規律進行了研究，并探討了地層水展布規律所反映的石油地質含義。

新場氣田位于四川省德陽市以北約20km，南距成都市80km，北距綿陽市約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—德陽向斜和梓潼向斜之間，是從晚三疊世以來經歷了多期構造運動的古今復合大型隆起帶。其整體表現為NEE向的構造，東部以低鞍的形式與合興場構造相隔，向西與鴨子河構造以低鞍相接，構造南北兩翼表現為南陡北緩，西端的七郎廟高點與孝泉高點經鞍部相接，新場構造東端的L150高點以一條走向近南北的F4斷層與羅江高點相接。

新場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，為區域性的相對隔層；須四段、須二段主要是砂巖層，是流體的主要儲層。

1 地層水化學成分基本特征

(1)從分析數據來看(表1)，pH 值一般在6.0～6.6，說明該區地層水處于良好的弱酸性環境中。對地層水連續監測顯示，少數生產井的pH值隨開采時間推移呈現上升趨勢：如位于裂縫發育區的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)，從開采初期弱酸性逐漸呈現出弱堿性特征。

(2)陽離子主要有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)一般來說，在還原環境特別是強還原環境中，脫硫酸鹽作用活躍的地帶十分有利于Ba2+的聚集。根據區域水化學資料，須家河組碎屑巖中的地層水(黃鹵)離子成份特點是不含SO42-，含微量HCO3-，含多量的Sr2+、Ba2+，俗稱“有鋇黃鹵”，并以此區別于下伏雷口坡組、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+的出現主要是脫硫酸作用的結果，新場須二段地層水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高產井區Ba2+含量較高，而穩產井區(如L150井，Ba2+=18.7mg/L)Ba2+含量較低，但新場須二氣藏從總體上反映了較強的還原環境，具有有利的天然氣保存環境。

(4)新場須二段地層水類型多樣，所收集的185個水樣中既有隔絕良好的封閉構造中形成的CaCl2型，也有過渡性的構造條件出現的NaHCO3型(9個)和MgCl2型(3個)，但總體以CaCl2型占絕對優勢(173個)。開采一段時間以后，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165000mg/L；而X11-X10-1H-X209-DY1井一線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 新場須二段地層水礦化度均值柱狀圖

圖2 礦化度等值線圖

2 地層水地球化學參數

衡量地層水變質作用可由變質系數rNa/rCl、鈣氯系數rCa/rCl、鎂氯系數rMg/rCl、鈉鈣系數rNa/rCa、鈣鎂系數rCa/rMg等5組水化學參數來評價。

2.1 變質系數rNa/rCl

表征地下水變質程度的參數，其值越大，表明地下水變質強度小，受滲入水影響越明顯，對油氣保存越不利；相反其值越小，則反映變質作用深，地層水受滲入水影響越弱，對烴類的保存越有利。在地下水埋藏沉積后，rNa/rC1系數一般都趨于降低。現代海水中此值為0.87，地下水的變質系數若小于此值，表明發生了濃縮變質作用，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系數分為了5類：①rNa+/rCl->0.85，表現出水的運動速度相當大的水動力積極帶特點，在這一帶內保存油氣的前景很小；②rNa+/rCl-為0.85～0.75，是沉積盆地的積極水動力帶和較穩定的靜水帶之間特點，是烴類可能保存，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力特點；④rNa/rCl為0.65～0.5，具有烴類聚集與外界完全隔絕，并有殘余水存在的特點，是烴類保存的良好地帶；⑤rNa+/rCl-<0.5，具有古代殘余水存在的特點，是烴類聚集最有希望的區域之一；以③、④、⑤為有利于油氣保存的水化學環境，地層水屬深層封閉環境的變質系數應小于0.75。新場須二段地層水變質系數rNa/rCl介于0.03～0.93之間，均值0.83，其主體值位于0.82～0.87，即博雅爾斯基分類的第二類油田水范圍內。若對比前蘇聯諾沃謝利采金(1977年)的分類[2]：①rNa+/rCl-為1.3～1.0，對應次生油氣藏分布帶；②rNa+/rCl-為1.0～0.6，對應烴類生成和大量油氣藏分布帶；③rNa+/rCl-為0.6～0.4，對應油氣藏強烈破壞帶。由此可以看出，新場須二氣藏位于最有利于氣藏形成和保存的地球化學環境。

2.2 鎂氯系數rMg/rCl

鎂氯系數rMg/rCl是反映濃縮變質作用和陽離子吸附交換作用的重要參數。通常認為氯鎂系數越大，反映地層水封閉性越好、封閉時間越長，濃縮變質作用越深，有利于油氣的聚集和保存。有研究表明[10]，含氣區地層水鎂氯系數值一般小于0.20。新場須二段地層水鎂氯系數極低，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rCa/rMg

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

研究表明rNa/rCl、rMg/rCl、rNa/rCa這3組參數均低于海水相同比值的均值，表明地層水與海水的化學特征已發生了變化，化學平衡差距較大。這些參數的協調變化，標志著新場須二段地層水在地質歷史時期里最終朝正向變質作用的地球化學方向發展和演化。

表1 新場須二段地層水化學參數表

2.4 脫硫系數rSO4×100/rCl

反映地下水氧化還原環境的重要指標。該系數越低，表明脫硫酸作用越強，還原環境越強，越有利于油氣藏的保存。在還原環境中，脫硫酸細菌能使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，脫硫酸系數一般都很低。卡爾采夫(1963年)指出[2]，在油田影響的范圍內，重碳酸鹽含量急劇增加，硫酸鹽含量減小，脫硫系數小。勘探結果證明，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，脫硫系數變小；隨著遠離油氣藏邊界，硫酸鹽含量增加，脫硫系數加大。在含油氣邊界以外3km～4km處，地層水則轉變為Na2SO4型水。故脫硫系數所指示的脫硫酸作用作為一種環境指標，可以用來指導油氣藏氣水界面認識。新場地層水脫硫酸系數值極低，介于0～0.09，均值0.04，其主體值位于0.01～0.02，遠小于現今海水均值10.3，表明新場須二段地層水脫硫酸作用強，顯示強還原環境，地層水埋藏于封閉良好地區，油氣保存條件良好。

2.5 碳酸鹽平衡系數[(rHCO3+rCO3)2·rCa]1/3

用來計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。從油田水的無機組分與有機組分的統計分析中發現了油田水的碳酸鹽平衡系數與有機酸存在明顯的負相關性，進一步論證了碳酸鹽平衡系數和有機酸與油氣聚集及油氣性質的關系。該值越低則低碳有機酸的含量越高，它們與油藏，尤其是與輕質油或氣藏的關系越密切。從兩者的關系中初步了解到有機酸的溶蝕作用對油氣藏中儲層次生孔隙的形成應有較重要的影響。新場須二段地層水碳酸鹽平衡系數介于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(SO4·Ca)1/2

用來計算地層水中硫酸鈣飽和程度，該系數>70時，表明水被CaSO4飽和。新場須二段地層水硫酸鈣飽和系數介于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，其他區域總體較高，絕大部分水樣位于200左右，為高重碳酸鹽水。

2.7 陽離子交換系數IBE

表征水中陽離子與巖石顆粒表面吸附的陽離子發生交換的情況。理論上以Cl-來代表所有鹵族元素(F、Cl、Br、I等)之和，以Na+來代表所有堿金屬(Li、Na、K、Rb等)之和。當Cl-> Na+時IBE為正值，IBE=(rCl-rNa-rK)/rCl，表示水中Na+、K+與Ca2+、Mg2+發生交換；當Cl-< Na+時IBE為負值，IBE=(rCl-rNa-rK)/(rSO4+rHCO3+rCO3)。新場須二段地層水陽離子交換系數IBE介于0.001～0.966，均值0.149，以DY1-XC28-X10-X10-1H-X11-XC29-XC7井一線為分界線，分界線以東區域IBE<0.129，顯示該區域含有滲入水，是地層水交替活躍帶；分界線以西區域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域，與須二段現今水動力場展示的地層水徑流方向有較好的一致性。

3 結論

(1)研究區各主要離子含量關系，符合我國多數陸相油田水的排列順序，即：陽離子濃度順序Na+>Ca2+>Mg2+，Cl->HC03->S042-，均以Na+和Cl-占絕對優勢，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特征。新場須二段地層水較高的Ba2+含量除了指示新場須二氣藏具有有利的天然氣保存環境外，還與井區高產井(X2、X3、X856)呈現正相關關系。

(2)研究區地層水類型多樣，CaCl2型占絕對優勢。NaHCO3型和MgCl2型均出現在開采初期，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，礦化度等值線分布呈現“構造軸部高、兩翼低”的趨勢。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出于構造軸部裂縫發育的高產井區，高礦化度與高產井有較好的對應關系。

(3)研究區變質系數、鎂氯系數、鈣鎂系數、脫硫系數、碳酸鹽平衡系數、硫酸鈣飽和系數、陽離子交換系數等各種水化學系數顯示地層水高濃縮、深變質、強還原環境特征，有利于油氣的保存。從地下水的遷移來看，與高礦化度分布區相對應的水化學參數分布區，一般為水交替停滯區；從流體勢的角度分析，高礦化度也是低勢區。因此，本區礦化度的平面分布在一定程度上指示了油氣運移的方向。

(4)特別值得關注的是，研究中還發現，XC32-X13-XC26-CX568-CK1-X10-1H-X11井區的碳酸鹽平衡系數展布與目前新場構造軸部的高產井區極為相似，有望發現類似于X851-X853-X856-L150高產井區的新的油氣藏中心。

1 王大純,張人權,史毅虹,等.水文地質學基礎[M].北京：地質出版社,1995.

2 劉方槐,顏婉蓀.油氣田水文地質學原理[M].北京：石油工業出版社,1991.

3 孫向陽，劉方槐.沉積盆地地層水化學特征及其地質意義[J].天然氣勘探與開發,2001,24(4):47-53.

4 汪澤成，李曉清，趙獻文.川西地區上三疊統氣田水化學場特征[J].天然氣工業,2001,21(5).

5 汪珊.論川西坳陷上三疊統氣田水化學場及其分帶[J].地球學報,2003,(1).

6 吳世祥，汪澤成，汪蘊璞.川西地區上三疊統水化學場水動力場與油氣富集關系研究[J].石油實驗地質,2002,(2).

7 李偉，劉寶珺、閔磊.塔里木油田水碳酸鹽平衡系數與有機酸的意義[J].石油學報,2003,(9).

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

9 梁家駒，徐國盛.江漢平原區古生界地層水化學特征與油氣保存[J].斷塊油氣田,2010,(3).

10 內部資料：新場地區完井地質、測試、科研報告等資料。