LX和SF地區地層水化學特征及影響因素分析

王應斌 郭明強 吳建光

(中聯煤層氣有限責任公司，北京 100016)

1 礦區概況及資料背景

研究區位于鄂爾多斯盆地東緣，構造上屬于晉西撓折帶，地層自西向東呈單斜。致密砂巖氣勘探目的層主要發育于上古生界石炭-二疊系，期間沉積環境經歷了由海陸交互相向陸相的轉變，下部穩定分布的本溪組～山西組含煤地層是該區主要烴源巖，經過多期沉降-抬升影響，Ro一般大于1.1%，地區東南部晚侏羅-早白堊世紫金山火成巖侵入導致熱成熟度可達2%以上，太原組、石盒子組發育該區主要致密砂巖氣儲層，研究區相對盆地內部斷裂更為發育，垂向輸導能力強，實際勘探發現，垂向上特別是遠源儲層也廣泛成藏，顯示出良好開發潛力。

圖2 LX地層水礦化度與離子間關系圖

研究區水樣化學分析大多為測試后期取樣進行實驗分析獲得，而測試過程中反復的洗井、壓井、壓裂等作業會將相當數量的外源水帶入井筒甚至地層，對水樣分析實驗數據產生干擾，通過統計分析可以看到一般壓前礦化度小于壓后礦化度，壓后早取樣礦化度小于晚取樣礦化度。統計篩選后礦化度小于10000mg/L的低礦化度樣品，水型以NaHCO3水型為主水樣，均受井筒內液體影響。從壓后壓裂液返排率與氯根濃度散點圖可以看出(圖1)，返排率越高，返排液礦化度越高，越接近地層水真實化學狀態。

圖1 LX地區壓裂試氣返排率與測試氯根濃度關系圖

剔除將明顯受測試過程中外界水影響的樣品，最終LX地區采用21口探井和18口生產井共計125樣次、SF地區采用7口探井共計15樣次有效數據，另外，巖心萃取水化學分析數據共62樣次，其中，LX地區4口探井、SF地區2口探井。

2 地層水化學特征

2.1 礦化度特征

研究區地層水化學類型為CaCl2型，LX-SF地區地層水礦化度介于10000～200000mg/L之間，大部分介于20000～50000mg/L之間，大約占總樣本的75%。鄂爾多斯盆地內蘇里格氣田地層水均為CaCl2型，總礦化度為29120～68300mg/L；子洲氣田地層滯留水礦化度介于10000～90000mg/L，且存在氣水分異時，邊(底)水礦化度更高；研究區礦化度略低于盆地內水平。整體上隨地層“變新”，埋深變淺，地層水礦化度呈下降趨勢。

圖3 不同地層(段)鈉氯系數對比

2.2 離子特征

圖4 不同地層(段)脫硫系數變化

圖5 不同地層(段)變質系數變化

圖6 不同水樣δDMow與δ18OMow關系圖

2.3 特征系數

一般利用鈉氯系數(Na+/Cl-)、脫硫系數(γ(SO42-)×100/γ(Cl-))、變質系數((Cl--Na+)/Mg2+)等表征油氣藏的保存條件。研究區地層水鈉氯系數基本都低于0.5(圖3)，與蘇里格氣田類似，未見明顯的油氣藏破壞特征。脫硫系數一般越小顯示地層封閉性越好，總體下部地層封閉性好于上部地層(圖4)，脫硫系數高于蘇里格西區。變質系數一般越大顯示地層封閉性越好，總體上也是隨埋深增大，變質系數呈增高趨勢(圖5)，變質系數值與蘇里格西區相當，表明封閉較好。

2.4 同位素特征

大氣水的同位素組成變化幅度大，δD值從+50‰到-500‰，δ18O從+10‰到-55‰，水在蒸發、凝聚過程中的同位素分餾，會導致大氣水重同位素的虧損，總體表現大氣水比海水貧D和18O。一般地層越老，同位素越重。研究表明(圖6)，LX地區采集的生產井水樣氫氧同位素呈現地表水(鉆井液和壓裂液)與地下水混合的狀態，無大氣降水混入(表1)。前人通過鍶同位素也認為蘇里格氣田盒8、山1與淺部白堊系地層水不同源，垂向無交換。

表1 測試樣品氫氧同位素特征

圖7 LX/SF地區與保德/三交北地區隨地層水礦化度圖

3 影響因素分析

(1)氧化還原環境及微生物作用

圖8 砂巖儲層鏡下薄片長石溶蝕孔

圖9 LX-SF地區砂巖填隙物組分相對含量圖

(2)水巖相互作用

溶蝕作用是水巖作用的重要方面，研究區地層自下往上均有溶蝕孔發育，溶蝕孔發育于長石顆粒、方解石顆粒及火山巖碎屑顆粒，以長石顆粒溶蝕最為強烈。長石顆粒可沿解理縫形成溶蝕粒間孔、溶蝕粒內孔等溶蝕孔隙(圖8)。溶蝕作用主要影響地層水中Na+、K+、Ca+、Mg2+等離子濃度的變化。

陽離子交替吸附作用主要受粘土礦物影響，粘土一般帶有負電荷，容易吸附周圍介質中的陽離子。LX-SF地區上古生界儲層填隙物均以泥質為主(圖9)，普遍都在50%以上，儲層內孔隙越小滲流能力越弱，地層水逐漸由自由水變為毛管水、束縛水，加之粘土礦物對離子的吸附作用，可能是造成隨孔隙度減小，地層水礦化度升高趨勢的原因(圖10)。

圖10 地層水礦化度(巖心萃取水)隨孔隙度變化

(3)地層水分餾、混合作用

前人研究發現，蘇里格氣田山1、盒8致密砂巖氣藏地層水中常規離子組分中陽離子含量大小順序為Ca2+>Na++K+>Mg2+，研究區致密砂巖地層水中Na++K+>Ca2+(約2倍)，與盆地內有較明顯的差異。由于盆地內下古生界馬家溝組成藏，且普遍認為馬家溝組碳酸鹽儲層內氣源為混源特征(戴金星，2005)，說明上部致密砂巖儲層與馬家溝碳酸鹽巖儲層可能存在大規模流體交換，在烴類氣體交換過程中可“裹挾”蒸汽狀態的地層水進行交換，造成地層水中富Ca2+離子，研究區馬家溝組可能成藏潛力小，與上部致密砂巖儲層流體交換少。四川須家河煤系致密砂巖氣藏也表現Na++K+>Ca2+特征(據宮亞軍，2010)。