中央背斜帶地層水離子濃度和水型分布規律及影響因素探討

張莉莉，李久娣

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

地層水中的離子濃度和水型是反映油氣運聚與保存條件的重要水化學因素。按照蘇林分類法，水型主要分為硫酸鈉型、碳酸氫鈉型、氯化鎂、氯化鈣型。氯化鈣型多分布于區域水動力相對阻滯區，地下水強烈地濃縮，并發生脫硫作用，使SO42-離子含量急劇減少，而Cl-和Ca2+離子相對富集，反映了儲層封閉條件良好，對氣藏形成和保存十分有利。硫酸鈉型和碳酸氫鈉型的特征是 “大規模水交替的地質層”，即自流水循環的特征，反映儲層封閉條件較差。通過對現今地層水離子濃度及水型的分析結果可反映油氣藏形成和保存的歷史，為后續油氣開發提供重要的信息[1-3]。

而目前中央背斜帶各生產井產出水氯離子濃度及水型存在明顯區域分帶差異，導致生產井生產特征差異明顯。中南部地區地層水氯離子濃度達到7 000～10 000 ppm，水型多為氯化鈣型，一旦產水，水量大、水氣比高、產水上升速度快、產氣量明顯受氣井產水影響，需盡量避免初期采氣速度大，影響無水采氣期及最終采收率。而北部地區氯離子濃度僅為2 000～3 000 ppm時即已產出地層水，水型多為碳酸氫鈉型，水量小，水氣比小，產水上升速度慢，生產受產水的影響小，初期可相應的提高采氣速度生產。

本次通過分析中央背斜帶不同區域儲層物性和深度同水型的關系及地層水的地球化學特征，綜合確定影響離子濃度和水型分布規律的主要因素，在以后氣田的生產過程中可根據氣井產水礦化度、水型等多要素綜合判斷產水對氣井生產可能的影響，來確定該井合理的生產制度，未來也可通過各儲層地層水的研究成果，尋找封閉性較好的儲層，以利于后期的穩定開發。

1 區域簡介

中央背斜帶構造復雜，斷裂發育，容易形成通道，導致地層流體再分配。它由四個擠壓背斜帶組成，呈右行雁行狀錯列分布，剖面上具有西陡東緩的擠壓背斜和西翼斷裂發育等特征。發育有NNE和NWW向兩組斷裂體系，且以NNE向為主，早期斷裂控制地層的沉積及凹陷的東西分帶，中期斷裂促使局部構造的形成并對油氣的運聚有重要的通道作用，而晚期斷裂則使構造進一步復雜化，導致地層流體的再分配。

沉積環境影響水型形成。中央背斜帶中南部漸新統花港組以陸相河流三角洲為主，北部始新統平湖組中上段以潮坪、三角洲為主，不同的沉積環境導致水型差異。

中央背斜帶南北儲層埋深差異大。中南部地區凝析氣藏主要分布于3 200 m以上的中淺層，儲層以中孔中滲儲層為主。而北部地區凝析氣藏主要分布在3 200 m以下的花港組下段及平湖組，儲層以中低-低孔、中低滲-低滲為主[2]。

2 中央背斜帶地層水離子濃度和水型分布規律

中央背斜帶自南向北包括六個在產油氣田，分別為A氣田、C氣田、CX氣田、CXB氣田、HY1-1氣田、HY2-2氣田。總結該區帶各氣田水型分布規律主要有以下四個方面：（1）從水型上看，平面上中南部氣田水型多為CaCl2型，而北部氣田多為NaHCO3型（表1）；（2）從氯離子濃度看，中南部氣田氯離子濃度高，達到7 000～10 000 ppm，而北部地區則低得多，僅為2 000～3 000 ppm（圖1）；（3）從氯離子濃度與地層深度變化規律看，隨著地層埋深的增加，氯離子濃度呈現出明顯下降的趨勢，水型也發生了明顯的變化，淺層（3 200 m以上）基本為氯化鈣型，而深層（3 200 m以下）基本為碳酸氫鈉型（圖2、圖3）；（4）從氯離子濃度與生產水氣比變化規律看，相對而言北部氣田地區氯離子濃度與水氣比均較低，而中南部氣田氯離子濃度高與水氣比均較高；中南部地區單井生產水氣比最高可達40 m3/104m3，而北部地區最高水氣比僅在3 m3/104m3左右。

表1 中央背斜帶單井水型表Table 1 Water types of single well in Central Anticline Zone

圖1 各氣田氯離子含量圖Fig. 1 Content of Chloride ion in each gas field

圖2 氯離子濃度同深度關系圖Fig. 2 Relationship between Chloride ion concentration and depth

圖3 水型同深度關系圖Fig. 3 Relationship between water type and depth

3 影響離子濃度和水型分布規律因素研究

根據前述觀點，中央背斜帶地層水水型呈現出南北分帶、深淺不一的變化特征，且在生產過程中，最高水氣比、水侵強度差異大，生產動態差異明顯。通過對比分析并結合調研，上述氯離子濃度和水型分布規律主要與氣田生產層位的深度、物性、構造演化和沉積環境有關。

3.1 深度和物性影響氯離子濃度和水型

隨著儲層埋深的增加，氯離子濃度呈現出明顯下降的趨勢，水型也由氯化鈣型轉為碳酸氫鈉型（圖2、圖3），因此儲層深度可能是影響水型的一大要素，當深度加深時，有機質進入高成熟階段或有機酸生成量減少，溶蝕作用減弱，膠結作用增強，使得地層水氯離子濃度降低。

物性差的儲層可能本身含鹽量低。圖4為路易斯安那州Manchester油田中砂巖和頁巖中水的含鹽量隨深度的變化狀況。由于頁巖物性極差，總體而言頁巖含鹽量較低。而砂巖在淺層由于其物性好，儲層含鹽量比頁巖高出數倍，但隨著深度的變化，物性變差，壓力上升，砂巖含鹽量驟然降低，10 kft之下，基本降至與頁巖同一水平。因此可能物性差的儲層本身含鹽量較低。

圖4 砂巖和頁巖中隙間水含鹽量隨深度變化圖（Schmidt）Fig. 4 Variation of salt content of interstitial water with depth in sandstone and shale (Schmidt)

根據上述分析，中央背斜帶北部氣田與中南部氣田水型及氯離子濃度差異的原因主要包括以下兩個方面：一是北部儲層深度較中南部氣田儲層深度深，使得氯離子濃度變低；二是深度和物性之間關系較為密切，埋深較大程度影響了儲層的滲透率，北部地區深度增加導致儲層物性變差（儲層測試滲透率僅為（0.5～0.9）×10-3μm2），從而使得儲層本身含鹽量較低，氯離子濃度低。

3.2 構造演化和沉積環境影響氯離子含量和水型

根據蘇林分類法，原生水一般不含有重碳酸鹽和硫酸鹽成分，僅大氣水存在重碳酸鹽成分。目前中央背斜帶北部氣井產出水氯離子含量低、水型為碳酸氫鈉型，分析可能與儲層的構造演化和沉積環境有關。本次主要從地層水礦化度、常規離子組成、成因系數和微量元素的差異性綜合分析構造演化和沉積環境對地層水水型和氯離子濃度的影響[4-6]。

3.2.1 水型、礦化度與常規離子組成特征差異性

3.2.1.1 礦化度

地層水的礦化度反映了環境的封閉性，高礦化度地層水反映了地層有較好封閉性，低礦化度則反映有地表水參與的開放型環境。

由表1所知，中央背斜帶自CXB氣田開始水型以碳酸氫鈉型為主，礦化度較低，普遍小于海水35 g/L，說明曾經受到過明顯的淡化改造作用，封閉性較差；中南部多為氯化鈣型，礦化度較高，保存條件好于北部區塊（CXB氣田、HY1-1氣田、HY2-2氣田）。

3.2.1.2 陰陽離子組成

中南部區塊地層水陰離子大多表現為Cl-＞HCO3-＞SO42-，陽離子表現為Na+＞Ca2+＞Mg2+，總體表現出類似于大洋水的特征（圖5、圖6）。北部區塊地層水陰離子存在兩種表現，一種表現為HCO3-＞Cl-＞SO42-，陽離子Na+＞Ca2+＞Mg2+；另一種為Cl-＞HCO3-＞SO42-，陽離子表現為Na+＞Ca2+＞Mg2+，相比中南部區塊HCO3-增加，Cl-減少，表明北部區塊地層水受到的淡化作用強于中南部區塊[7]。

圖5 中南部地區離子含量曲線Fig. 5 Curve of ion content in central and southern China

圖6 北部地區離子含量曲線Fig. 6 Curve of ion content in northern China

3.2.1.3 Na-Cl、Br-Cl關系

Na-Cl關系顯示，幾乎所有花港組和平湖組地層水的數據投點都分布在海水蒸發曲線（SET）上，說明各氣田地層水都屬于蒸發濃縮殘留成因[8]。

Br-Cl關系圖上，南部區塊數據點均位于蒸發曲線上方，高于海水的Br/Cl比值；因Br在海水蒸發過程中不形成自己的礦物，隨著殘留鹵水濃度的增加，Br含量幾乎呈直線上升，反映南部區塊各氣田地層水是海水蒸發殘余，現今整體為沉積封存水（埋藏水），保存條件較好，后期構造運動淡水改造相對較小。

北部區塊數據投點基本位于蒸發曲線的左側及左下方部位），屬于比值偏低區域，分析原因可能與構造運動淡水改造，及后期再次封存蒸發濃縮尚未完全有關（圖7）。

圖7 各氣田地層水中主要陰離子與鈉及溴關系圖Fig. 7 Relationship of main anions with sodium and bromine in formation water of each gas field

3.2.2 成因系數與微量元素差異性

3.2.2.1 成因系數[9-10]

該區帶中南部區塊和北部區塊地層水變質系數、脫硫系數、碳酸鹽平衡系數等成因系數（圖8）存在差異。中南部區塊變質系數、脫硫系數小，鹽化系數高；北部區塊變質系數、脫硫系數大，鹽化系數低。

圖8 不同區塊地層水變質系數、脫硫系數、鹽化系數柱狀圖Fig. 8 Histogram of formation water metamorphic coefficient, desulfurization coefficient and salinization coefficient in different blocks

中南部區塊和北部區塊變質系數均大于0.87（圖9），表明均經歷了明顯的逆變質作用，但兩區塊逆變質作用程度不同。總體來說，中南部區塊逆變質作用程度不大，北部區塊逆變質作用強烈。變質系數和脫硫系數越小，表明地層水受滲入水影響越弱，地層越封閉，對烴類保存越有利。反之則地層水受滲入水影響越強，對烴類保存不利。從目前來看，ZYBX帶中南部地區受滲入水影響小，保存條件較好；北部區塊相對較差，而造成這種情況可能同構造運動與古沉積環境有關。

圖9 不同區塊地層水變質系數與脫硫系數關系對比圖Fig. 9 Correlation between formation water metamorphic coefficient and desulfurization coefficient in different blocks

構造運動時必然產生斷裂，斷裂是地層水與外界溝通的通道，從而改變了水型。中南部地區砂體厚，砂體連續性好，斷層側向封堵性強，大氣水淡化改造弱。而北部區塊從始新世裂谷期開始發育的共軛正斷層持續發育到中新世龍井運動，雖是油氣垂向運移的唯一通道，控制了油氣在垂向上的分布，但可能也導致了與外界的不斷溝通，因而造成礦化度較低。

沉積環境對地層水也有很重要的影響，如水下扇沉積，其環境可能以封閉性的氯化鈣水型為主；河流相則水型既有支流間灣的弱相，也有河道水流急的砂體相。弱相以還原環境為主，水型以氯化鈣為主；而砂體在河流的干涸期則以開放環境為主；水型以碳酸氫鈉為主；穩流期以還原環境為主，以氯化鈣水型為主。

該區帶中南部花港組砂體主要為淺水三角洲-濱淺湖灘壩沉積，且以水下分流河道、河口壩發育為特征。北部區塊僅花上段H5段的三角洲前緣水下分流河道相砂體普遍發育，其它層段的砂體都不連續，僅在局部發育。不同的沉積環境與砂體發育程度造成了水型的差異。

3.2.2.2 微量元素

圖10為不同區塊地層水溴和碘含量關系對比圖，從圖10可以看出，不同區塊地層水微量元素組成也存在差異。中南部區塊地層水Br與I含量明顯高于北部區塊，表明一方面原始沉積水中微量元素含量存在差異，即沉積環境存在差異；另一方面濃縮作用存在差異，表明地層水改造過程存在差異。

圖10 不同區塊地層水溴和碘含量關系對比圖Fig. 10 Comparison of bromine and iodine contents in formation water of different blocks

4 結論

（1）中央背斜帶兩區塊間地層水存在差異，中南部氣井/氣田產水后產水量大，水氣比高，而北部產水量小，水氣比低；從水型上看，中南部地層水多為氯化鈣型，而北部地區多為碳酸氫鈉型。

（2）在封閉體系下，地層水濃度存在類似的蒸發濃縮作用，當深度加深時，有機質進入高成熟階段或有機酸生成量減少，溶蝕作用減弱，膠結作用增強，使得地層水礦化度降低。

（3）物性相對較差的儲層，本身地層水的含鹽量低，氯離子濃度低，水型偏向碳酸氫鈉型。

（4）中央背斜帶中南部和北部沉積環境不同，而沉積環境決定了地層水的原始屬性。構造運動也對地層水進行改造，構造運動形成的斷裂通道對地層水進行了淡化改造，而這種改造兩區塊間存在差異，北部地區強于中南部地區，中南部地區地層封閉性好，大氣水淡化改造不明顯，北部區塊地層封閉性差，導致淡化改造作用明顯。