湘中坳陷XY－1井地層水化學(xué)特征及水型變化原因分析

彭 柳，張婷婷，靳雅夕，田 佳，袁 藝，陳 磊

（1．中國石化華東分公司石油勘探開發(fā)研究院，江蘇揚(yáng)州225007；2．中國石化華東分公司采油廠）

地下水是地下流體的重要組成部分，其地球化學(xué)性質(zhì)是地質(zhì)體演化過程的記錄與結(jié)果，地下水的地球化學(xué)性質(zhì)與油氣的運(yùn)移、聚集和油氣藏的破壞存在密切的關(guān)系［1－2］。從20世紀(jì)30年代，Sulin等人系統(tǒng)地提出將地層水分為4種基本類型（NaHCO3、Na2SO4、MgCl2、CaCl2）［3］。通過對(duì)現(xiàn)今地層水化學(xué)特征的分析，可以反映油氣藏形成和保存的歷史，為油氣勘探提供重要的信息［4－5］。我國南方海相地層自印支運(yùn)動(dòng)以來遭受多次破壞與改造，油氣保存條件是南方海相油氣勘探的關(guān)鍵［6］。

XY－1井是湘中坳陷的一口頁巖氣井，通過壓裂改造前注入CO2等手段，已在目的層段試氣點(diǎn)火成功。在該井排采過程中發(fā)現(xiàn)，地層水水型由氯化鈣型轉(zhuǎn)變成了碳酸氫鈉型。本文研究了XY－1井排采產(chǎn)出的地層水化學(xué)特征，根據(jù)鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)、氯鎂系數(shù)、礦化度和水型來判斷水文地質(zhì)條件和封閉狀況，進(jìn)而判斷油氣的保存條件。

1 地層水化學(xué)組成特征

1．1 地層水主要化學(xué)成分及水型

地層水的無機(jī)組成包括常量組分和微量組分。在常規(guī)水分析資料中，常用 Na＋（K＋）、Ca2＋、Mg2＋和Cl－、SO42－、HCO3－（CO32－）等6個(gè)陽、陰離子，代表常量無機(jī)組成。這些離子可以反映地層水的來源并能指示封閉的沉積環(huán)境，如HCO3－反映的是一種氧化環(huán)境，Cl－則反映的是一種還原環(huán)境［7］。為了利用地層水化學(xué)特征研究XY－1井的保存條件，在XY－1井采取了水樣進(jìn)行分析，水質(zhì)分析和水型分類方法參照SY／T5523－2006《油田水分析方法》執(zhí)行水質(zhì)分析結(jié)果見表1。

從表1可知，XY－1井的地層水主要化學(xué)成分具有以下特點(diǎn)：①礦化度較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)代河水礦化度值。在排采初期礦化度下降較快，后期日趨平緩。②主要陰離子中，Cl－含量最高，HCO3－次之，SO42－最小。Cl－含量低于海水值，SO42－含量遠(yuǎn)低于海水，HCO3－含量總體高于海水，最高可高達(dá)14倍。③主要陽離子中，Na＋（K＋）含量最高，Ca2＋次之，Mg2＋最小，排采初期Ca2＋是海水中的2～3倍，后期下降較快，Mg2＋含量也呈下降趨勢(shì)。④排采初期地層水為氯化鈣型，之后轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟溻c型，而現(xiàn)今海水為氯化鎂型。

1．2 地層水的礦化度

由表1可知，XY－1井地層水礦化度較高，基本都在10 000 mg／L以上，屬于強(qiáng)咸水。淡水礦化度一般低于1 000 mg／L，現(xiàn)代河水平均組成礦化度為98 mg／L［9］。排采出的地層水受地表淡水影響的可能性較低。排采初期礦化度快速降低可能與CO2消耗大量Ca2＋、Mg2＋生成碳酸鹽化合物有關(guān)。

1．3 地層水的主要離子比例系數(shù)

只利用地層水礦化度及水型對(duì)環(huán)境條件的判斷，尤其是對(duì)油氣運(yùn)聚、保存環(huán)境條件的判斷會(huì)存在一定的偏差，因此還應(yīng)結(jié)合離子比例系數(shù)進(jìn)行綜合判斷。離子比例系數(shù)相對(duì)于礦化度及水型更具有繼承性，能真實(shí)地反映地層水的運(yùn)移、變化及其賦存狀態(tài)。目前，運(yùn)用最多的離子比例系數(shù)有鈉氯系數(shù)（rNa＋／rCl－）、脫硫系數(shù)（rSO42－×100／rCl－）、碳酸鹽平衡系數(shù)（［rHCO3－＋rCO32－］／rCl－）、氯鎂系數(shù)（rCl－／rMg2＋）等［8－11］。XY－1井地層水主要離子比例系數(shù)見表2。

表1 水質(zhì)分析結(jié)果

表2 主要離子比例系數(shù)

鈉氯系數(shù)（rNa＋／rCl－）是地層封閉性、地層水變質(zhì)程度和活動(dòng)性的重要指標(biāo)，屬于環(huán)境指標(biāo)。現(xiàn)代海水中此值為0．87，地下水的鈉氯系數(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［11－12］。XY－1井地層水鈉氯系數(shù)在排采初期低于0．87，表明保存條件良好。

rSO42－×100／rCl－值為脫硫系數(shù)，該值越小，表示地下水脫硫作用越強(qiáng)，處于還原環(huán)境，保存條件好，地層水中SO42－和Cl－的變化直接影響脫硫系數(shù)的變化［13］。XY－1井脫硫系數(shù)較低，均低于現(xiàn)今海水平均值。

［rHCO3－＋rCO32－］／rCl－值為碳酸鹽平衡系數(shù)。該值越小，表明保存條件越好，越靠近油氣藏［13－14］。XY－1井地層水碳酸鹽平衡系數(shù)較低，均低于現(xiàn)代河水。

rCl－／rMg2＋值為氯鎂系數(shù)，該值越大表明地層水封閉條件越好，濃縮變質(zhì)程度越強(qiáng)。XY－1井地層水氯鎂系數(shù)最小為4．46，最大為20．50，說明其保存條件良好。

研究表明，地層水礦化度、水型的變化與油氣保存有著密切關(guān)系。礦化度、氯鎂系數(shù)大，鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)小，地層水處于交替停止帶，則有利于油氣保存［15］。綜合各離子比例系數(shù)可以看出，現(xiàn)今XY－1井地層水總體處于封閉環(huán)境，地層封閉條件較好，形成一種與外界隔絕的還原環(huán)境，這為油氣聚集創(chuàng)造了一個(gè)良好的環(huán)境。

2 地層水的水型變化原因分析

從表1可知，XY－1井地層水在排采過程中發(fā)生了水型變化，由之前的氯化鈣型轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟溻c型。數(shù)據(jù)分析表明，地層水中Ca2＋、Mg2＋都呈下降趨勢(shì)，HCO3－先降后升，碳酸鹽平衡系數(shù)在后期明顯升高。這可能與注入的CO2有關(guān)。

地層水中的HCO3－一般來源于成巖過程中有機(jī)質(zhì)分解的CO2［11］，注入的CO2溶于地層水也會(huì)形成 HCO3－。

XY－1井在壓裂施工前向地層注入了一定量的CO2，在地層條件下CO2溶于地層水，并發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，消耗大量Ca2＋、Mg2＋，同時(shí)生成了新的HCO3－，進(jìn)而引起水型的轉(zhuǎn)變。

為了進(jìn)一步分析注入CO2是否對(duì)水型變化產(chǎn)生影響，將水質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理。忽略水中的HCO3－，利用差減法計(jì)算Na＋，重新計(jì)算鈉氯系數(shù)和水型（表3）。從表3、圖1可知，忽略掉水中HCO3－的影響，水型仍為氯化鈣型，與轉(zhuǎn)變前的水型一致（表1）。數(shù)據(jù)分析表明，地層水礦化度較高，地層水的水型變化可能主要受注入CO2影響，而不是溝通地表淡水所引起。

表3 水型重新處理結(jié)果

圖1 鈉氯系數(shù)和水型變化

3 結(jié)論與建議

（1）XY－1井地層水礦化度較高，屬于強(qiáng)咸水；主要陰離子中Cl－含量最高；主要陽離子中Na＋（K＋）含量最高；排采初期地層水為氯化鈣型，之后轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓釟溻c型。

（2）XY－1井地層水礦化度、氯鎂系數(shù)大，鈉氯系數(shù)、脫硫系數(shù)、碳酸鹽平衡系數(shù)小，地層水處于交替停止帶，總體處于封閉環(huán)境，地層水化學(xué)特征表明地層封閉條件較好。地層水的水型變化可能主要受注入CO2影響，而不是溝通地表淡水所引起。

（3）本文從地層水化學(xué)特征角度研究了XY－1井的保存條件，對(duì)于整體封閉保存條件研究，還需評(píng)價(jià)區(qū)域性蓋層和受其控制的側(cè)向水動(dòng)力封閉系統(tǒng)所組成的立體式封閉體系，通過“源－蓋”匹配關(guān)系研究，進(jìn)一步確定蓋層封蓋油氣的動(dòng)態(tài)有效性。

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