蘇東區(qū)塊地層水水化學(xué)特征分析

張 林徐銅浩楊智凱楊 洋夏 陽(yáng)葉鑒文

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司第五采氣廠(chǎng),西安 710021;2.成都理工大學(xué) 能源學(xué)院,成都 610059)

0 引言

在油氣藏中,地層水以不同的形式與油氣共存于地下巖石孔隙中,是油氣運(yùn)聚的重要?jiǎng)恿洼d體,它的形成及運(yùn)動(dòng)規(guī)律與油氣的生成、運(yùn)聚及油氣藏的形成、保存和破壞緊密相關(guān)[1]。鄂爾多斯盆地蘇格里氣田存在低孔低滲、低豐度、低產(chǎn)量等特征,其地層水分布主要受生烴強(qiáng)度和儲(chǔ)層非均質(zhì)性控制[2]。蘇20區(qū)塊作為重要開(kāi)發(fā)區(qū)塊,其氣水關(guān)系及分布規(guī)律往往受到生氣強(qiáng)度、構(gòu)造、藏內(nèi)溫度及壓力等條件的影響[3-4]。對(duì)蘇格里氣田石盒子組地層水和天然氣關(guān)系進(jìn)行研究,常常結(jié)合實(shí)際地層特征并根據(jù)地層水礦化度分析,可以得出該組氣水分布特征及控制因素[5-7]。不難發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一氣田,其不同區(qū)塊內(nèi)氣水分布特征存在著很大差異[8]。

因此,深入了解地層水的相關(guān)特性在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中非常必要,而研究地層水的水化學(xué)特征首先要對(duì)油氣運(yùn)移規(guī)律展開(kāi)研究,根據(jù)油氣運(yùn)移規(guī)律制定合理的開(kāi)采方案。而蘇東地區(qū)儲(chǔ)層具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性,且地層水水化學(xué)特征差異性較強(qiáng),地層中氣水關(guān)系復(fù)雜,所以必須搞清楚氣藏水化學(xué)特征及其差異性原因,指導(dǎo)氣藏的經(jīng)濟(jì)高效開(kāi)發(fā)。

蘇東區(qū)塊位于蘇里格氣田的東北方向,區(qū)塊構(gòu)造位置處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部中段,構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為盆緣構(gòu)造發(fā)育,盆內(nèi)存在西傾的大型平緩斜坡,區(qū)域單斜構(gòu)造及其平緩,局部構(gòu)造不發(fā)育,僅見(jiàn)有小型鼻狀撓曲,區(qū)域內(nèi)發(fā)育多套含氣層段,上古生界二疊系山西組山1段、山2段和石盒子組盒8段是蘇東區(qū)塊的主力層,已探明儲(chǔ)量5 791.1×108m3,總資源量達(dá)10 000×108m3以上,儲(chǔ)量豐富,開(kāi)發(fā)潛力巨大[9-10]。

1 蘇東地區(qū)地層水類(lèi)型

蘇東地區(qū)生產(chǎn)井的產(chǎn)水類(lèi)型劃分為3類(lèi)[11-12],分別是地層水、凝析水以及入井殘留液。

1.1 地層水

蘇里格氣田的巖心壓汞分析結(jié)果表明,蘇東地區(qū)地層水K++Na+及Ca+均占陽(yáng)離子含量的47.6%,Mg+占陽(yáng)離子總量的4.8%,Cl-占陰離子總量的78.1%,SO2-4占陰離子總量的19.5%,HCO-3占陰離子總量的2.4%,含水飽和度位于41%～78%的區(qū)域?yàn)闅馑畠上酀B流區(qū),由于存在生產(chǎn)壓差,地層液態(tài)水從儲(chǔ)層流入井筒最終產(chǎn)出地面的水。

1.2 凝析水

凝析水在流出井口之前,主要以氣體形式存在,假設(shè)儲(chǔ)層中僅含有束縛水及天然氣,在開(kāi)采的過(guò)程中,天然氣的軌跡為儲(chǔ)層—井筒—井口,由于在整個(gè)過(guò)程中,溫度和壓力是不斷降低的,飽和水氣壓也不斷下降,因此,地層中的水蒸氣會(huì)發(fā)生凝析作用形成液滴,這些液滴就叫做凝析水。

1.3 入井殘留液

在壓裂施工過(guò)程中,會(huì)向地下注入大量壓裂液,但在壓裂施工結(jié)束后,仍有部分壓裂液沒(méi)有返排干凈留在地層中,這部分壓裂液即為入井殘留液。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)資料顯示,蘇東地區(qū)生產(chǎn)井的入井殘留液中K++Na+及Ca+均占陽(yáng)離子含量的47.6%,Mg+占陽(yáng)離子總量的4.8%,Cl-占陰離子總量的78.1%,SO2-4占陰離子總量的19.5%,HCO-3占陰離子總量的2.4%。

在氣井實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,氣井產(chǎn)出水多以2種或多種水型混合的形式存在;生產(chǎn)過(guò)程中,凝析水與少量的地層水混合后,可形成淡化地層水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,蘇東地區(qū)南部和北部的產(chǎn)出水主要為地層水,中部為凝析水。對(duì)于同一氣井,初期排出壓裂液,后期逐漸產(chǎn)出地層水。

2 產(chǎn)出水化學(xué)特征分析

2.1 礦化度

由于凝析水混合較為嚴(yán)重,所以工區(qū)內(nèi)單井氯根平均值偏低,為27 937.04 mg/L,礦化度平均值47 723.88 mg/L,低于地層水平均值52 924.9 mg/L,水型大多為CaCl2(如表1所示)[13]。2013年氯根、礦化度最高,近年總體變化不大[13]。圖1所示為蘇東氣田產(chǎn)出水礦化度面的分布特征。

圖1 蘇東氣田產(chǎn)出水礦化度面分布圖Fig.1 Distribution of salinity of produced water in the Sudong Gas Field

表1 2011—2015年單井水質(zhì)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of single well water guality analysis results from2011 to 2015

2.2 p H值

圖2為蘇東氣田p H 值頻率分布圖,經(jīng)過(guò)整合現(xiàn)有的水分析資料,對(duì)蘇東氣田的產(chǎn)出水p H 值進(jìn)行匯總。可以看出,蘇東氣田p H 值為5.3～7.2的產(chǎn)出水占比97%以上,顯示為弱酸性-中性,考慮到凝析水的淡化作用,則實(shí)際的地層水的p H 值酸性應(yīng)更強(qiáng)。

圖2 蘇東氣田p H 值分布圖Fig.2 p Hfrequency distribution map of Sudong Gas Field

深盆地中有一類(lèi)變質(zhì)水長(zhǎng)期處于封閉承壓環(huán)境中,這類(lèi)變質(zhì)水中通常不含有酸性水,在大多數(shù)條件下,該類(lèi)水中主要是以堿性或弱酸性水為主,即便是地面溶蝕已經(jīng)達(dá)到平衡的水,其酸堿特性也表現(xiàn)為堿性,p H 值通常為7.00～8.68。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是由于地層水中的溶蝕作用仍在進(jìn)行,這導(dǎo)致地層水中仍含有一定量的有機(jī)酸,使得地層水的p H 值偏小,酸性較強(qiáng);除此類(lèi)因素,還可能是由于煤層水的p H 值較低引起的。

2.3 常量元素分析

綜上分析,蘇東氣田中陽(yáng)離子以Na+和Ca2+為主,Mg2+相對(duì)較少;陰離子中以Cl-為主。從平面分布圖可以看出,礦化度、Na+和Cl-呈現(xiàn)西南部高,東北部較低,并且相互之間分布具有較好的一致性。

圖3 蘇東氣田產(chǎn)出水常量元素模型平面分布Fig.3 Plane distribution map of constant element produced water from Sudong Gas Field

3 水化學(xué)特征系數(shù)分析

由于地層水淡化嚴(yán)重且難以判斷混合比例,單獨(dú)分析各離子濃度意義不大。但凝析水的混合不影響地層水離子之間的當(dāng)量濃度比例,因此可以從特征系數(shù)著手進(jìn)行分析。

首先對(duì)鈉氯系數(shù)進(jìn)行分析,根據(jù)博雅爾斯基的研究,將CaCl2型水按鈉氯系數(shù)進(jìn)行分類(lèi),當(dāng)鈉氯系數(shù)(Na+/Cl-)大于0.75時(shí),地層水有外來(lái)淡水混合,而油田水處于封存條件下鈉氯系數(shù)應(yīng)低于0.75[14]。

根據(jù)工區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),將工區(qū)內(nèi)井組的鈉氯系數(shù)做分布統(tǒng)計(jì),繪制鈉氯系數(shù)分布直方圖,如圖4所示。可以看出,工區(qū)內(nèi)地下水Na+/Cl-值集中在0.2～0.5,符合博雅爾斯基理論,表明地層封閉性較好,地層水處于封存狀態(tài)。最后繪制工區(qū)內(nèi)單井和集氣站的鈉氯系數(shù)與礦化度交會(huì)圖,如圖5所示。擬合后可以發(fā)現(xiàn),鈉氯系數(shù)與礦化度成負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與礦化度越高,水交替活動(dòng)越弱,即封閉性越高的特點(diǎn)相一致,表明蘇東區(qū)塊南部地層水封存條件高于北部。

圖4 鈉氯系數(shù)分布直方圖Fig.4 Histogramof sodiumchloride coefficient distribution

圖5 平均鈉氯系數(shù)與礦化度交會(huì)圖Fig.5 Intersection diagramof average sodiumchloride coefficient and salinity

其次對(duì)變質(zhì)系數(shù)進(jìn)行分析,通常情況下,地層水徑流越慢,或水巖作用時(shí)間越長(zhǎng),離子交換越徹底,Na+,Mg2+的含量越低,Ca2+的含量會(huì)有一定量的增加,在這種情況下,由于離子數(shù)量的變化,會(huì)增強(qiáng)水的變質(zhì)作用,水的變質(zhì)作用更易于油氣的保存。同時(shí)根據(jù)大量資料統(tǒng)計(jì),與油氣伴生的地下水(Cl--Na+)/Mg2+一般都大于1,Cl-/Ca2+小于26.8,Cl-/Mg2+大于5.13;蘇東地區(qū)(Cl--Na+)/Mg2+比值約為1.3～58.7,隨礦化度增加(Cl--Na+)/Mg2+和Cl-/Mg2+系數(shù)均下降。圖6和圖7所示為礦化度與相關(guān)系數(shù)的變化情況,反映出深層高礦化度層位地下較弱的水-巖作用和生物化學(xué)作用。

圖6 (Cl--Na+)/Mg2+系數(shù)與礦化度交會(huì)圖Fig.6 Intersection diagram of single well(Cl--Na+)/Mg2+coefficient and salinity

圖7 集氣站水化學(xué)礦物質(zhì)系數(shù)與礦化度交會(huì)圖Fig.7 Intersection diagramof gas gathering station hydrochemical mineral coefficitent and salinity

無(wú)論是單井?dāng)?shù)據(jù)還是集氣站數(shù)據(jù),蘇東地區(qū)內(nèi)Cl-/Ca2+系數(shù)普遍低于3,據(jù)此可以推斷該地區(qū)儲(chǔ)層封閉條件非常好。隨礦化度上升,Cl-/Ca2+系數(shù)呈下降趨勢(shì),這也證實(shí)了深層高礦化度層位地下較弱的水-巖作用和生物化學(xué)作用。

4 結(jié)論

1)蘇東地區(qū)南部和北部產(chǎn)出水為地層水,中部為凝析水;對(duì)于同一氣井,初期排出壓裂液,后期逐漸產(chǎn)出地層水。

2)工區(qū)內(nèi)單井氯根平均值偏低,為27937.04 mg/L,礦化度平均值47 723.88 mg/L,呈現(xiàn)西南部高、東北部較低的特點(diǎn);p H 值為5.3～7.2的產(chǎn)出水占比97%以上,Na+,K+和Ca2+的平均總含量占陽(yáng)離子的99.83%,Cl-平均占陰離子總量的94.39%,鈉氯系數(shù)集中在0.2～0.5,變質(zhì)系數(shù)比值主要為1.3～58.7。結(jié)果表明:蘇東區(qū)塊地層封閉性較好,南部油氣保存條件優(yōu)于北部。