新场气田须二段地层水地球化学特征及其石油地质意义*

吴 浩 郑 丽 慈建发

(1.中国石化西南油气分公司工程技术研究院 2.四川省地质矿产勘查开发局化探队)

沉积盆地地质流体(油、气、水、成矿溶液)研究是当代地质学研究的前沿命题。从水文地质观点看，地层水总是与烃源岩和油气伴生的，它们在地史过程中相互依存、相伴演化。地层水也是油气现代分布和保存条件评价预测的重要内容。笔者以新场气田须二段地层水为研究对象，在统计了新场—孝泉构造2001年～2012年须二段20口井、185个水化学测试数据的基础上，对地层水成分基本特征、地层水化学参数特征及展布规律进行了研究，并探讨了地层水展布规律所反映的石油地质含义。

新场气田位于四川省德阳市以北约20km，南距成都市80km，北距绵阳市约35km，处于四川盆地川西坳陷中段孝泉—丰谷北东东向大型隆起带上。该隆起带位于彭州—德阳向斜和梓潼向斜之间，是从晚三叠世以来经历了多期构造运动的古今复合大型隆起带。其整体表现为NEE向的构造，东部以低鞍的形式与合兴场构造相隔，向西与鸭子河构造以低鞍相接，构造南北两翼表现为南陡北缓，西端的七郎庙高点与孝泉高点经鞍部相接，新场构造东端的L150高点以一条走向近南北的F4断层与罗江高点相接。

新场气田须家河组共分为四段，其中须五段、须三段主要是泥岩层，为区域性的相对隔层；须四段、须二段主要是砂岩层，是流体的主要储层。

1 地层水化学成分基本特征

(1)从分析数据来看(表1)，pH 值一般在6.0～6.6，说明该区地层水处于良好的弱酸性环境中。对地层水连续监测显示，少数生产井的pH值随开采时间推移呈现上升趋势：如位于裂缝发育区的X2井pH值从6.0(2008年4月)上升到7.2(2009年4月)；X856井pH值从6.0(2006年3月)上升到7.3(2009年4月)；L150井pH值从6.0(2006年8月)上升到7.5(2009年3月)，从开采初期弱酸性逐渐呈现出弱碱性特征。

(2)阳离子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+，阴离子主要有Cl-、SO42-和HCO3-。离子浓度变幅很大，均大于海水的质量浓度均值。地层水的Na+、Ca2+、Cl-和HCO3-均大于海水的同名离子浓度均值，但Mg2+和SO42-低于海水的同名离子浓度均值。

(3)一般来说，在还原环境特别是强还原环境中，脱硫酸盐作用活跃的地带十分有利于Ba2+的聚集。根据区域水化学资料，须家河组碎屑岩中的地层水(黄卤)离子成份特点是不含SO42-，含微量HCO3-，含多量的Sr2+、Ba2+，俗称“有钡黄卤”，并以此区别于下伏雷口坡组、嘉陵江组碳酸盐岩中的地层水(黑卤)，即黄卤与黑卤最大的区别是：黄卤含Ba2+不含SO42-，而黑卤含SO42-不含Ba2+。地层水中Ba2+的出现主要是脱硫酸作用的结果，新场须二段地层水Ba2+含量介于18.7 mg/L ～1183.5mg/L，均值644.3，其主体值位于1060mg/L附近，特别是X2、X3、X856高产井区Ba2+含量较高，而稳产井区(如L150井，Ba2+=18.7mg/L)Ba2+含量较低，但新场须二气藏从总体上反映了较强的还原环境，具有有利的天然气保存环境。

(4)新场须二段地层水类型多样，所收集的185个水样中既有隔绝良好的封闭构造中形成的CaCl2型，也有过渡性的构造条件出现的NaHCO3型(9个)和MgCl2型(3个)，但总体以CaCl2型占绝对优势(173个)。开采一段时间以后，矿化度变幅在80000 mg/L ～120000mg/L(图1)，最高浓度分布在以X851-X853-X856井为中心的CX560-X201- X2-X3- CX565-X9-X8井一带，最高可达165000mg/L；而X11-X10-1H-X209-DY1井一线以西矿化度逐渐降低；以L150井为中心的X202-X206-X5-XC6-XC27井一带最低，仅23500mg/L(图2)。

图1 新场须二段地层水矿化度均值柱状图

图2 矿化度等值线图

2 地层水地球化学参数

衡量地层水变质作用可由变质系数rNa/rCl、钙氯系数rCa/rCl、镁氯系数rMg/rCl、钠钙系数rNa/rCa、钙镁系数rCa/rMg等5组水化学参数来评价。

2.1 变质系数rNa/rCl

表征地下水变质程度的参数，其值越大，表明地下水变质强度小，受渗入水影响越明显，对油气保存越不利；相反其值越小，则反映变质作用深，地层水受渗入水影响越弱，对烃类的保存越有利。在地下水埋藏沉积后，rNa/rC1系数一般都趋于降低。现代海水中此值为0.87，地下水的变质系数若小于此值，表明发生了浓缩变质作用，代表保存条件好；反之，为保存条件差。博雅斯基(1970年)等[8]研究大量油田地层水后将变质系数分为了5类：①rNa+/rCl->0.85，表现出水的运动速度相当大的水动力积极带特点，在这一带内保存油气的前景很小；②rNa+/rCl-为0.85～0.75，是沉积盆地的积极水动力带和较稳定的静水带之间特点，是烃类可能保存，但不太好的地带；③rNa+/rCl-为0.75～0.65，具有有利于保存油气藏的水动力特点；④rNa/rCl为0.65～0.5，具有烃类聚集与外界完全隔绝，并有残余水存在的特点，是烃类保存的良好地带；⑤rNa+/rCl-<0.5，具有古代残余水存在的特点，是烃类聚集最有希望的区域之一；以③、④、⑤为有利于油气保存的水化学环境，地层水属深层封闭环境的变质系数应小于0.75。新场须二段地层水变质系数rNa/rCl介于0.03～0.93之间，均值0.83，其主体值位于0.82～0.87，即博雅尔斯基分类的第二类油田水范围内。若对比前苏联诺沃谢利采金(1977年)的分类[2]：①rNa+/rCl-为1.3～1.0，对应次生油气藏分布带；②rNa+/rCl-为1.0～0.6，对应烃类生成和大量油气藏分布带；③rNa+/rCl-为0.6～0.4，对应油气藏强烈破坏带。由此可以看出，新场须二气藏位于最有利于气藏形成和保存的地球化学环境。

2.2 镁氯系数rMg/rCl

镁氯系数rMg/rCl是反映浓缩变质作用和阳离子吸附交换作用的重要参数。通常认为氯镁系数越大，反映地层水封闭性越好、封闭时间越长，浓缩变质作用越深，有利于油气的聚集和保存。有研究表明[10]，含气区地层水镁氯系数值一般小于0.20。新场须二段地层水镁氯系数极低，介于0.01～0.63，均值0.03，主体值0.01～0.02，表明地层水封闭性较好，有利于油气的聚集和保存。

2.3 钙镁系数rCa/rMg

镁钙系数rCa/rMg是水化学的重要特性参数之一。一般认为高的钙镁系数值与次生孔隙的发育有关。方解石的白云石化以及其溶解过程能够改善储层的物性，可以导致油田水中钙镁系数值升高。徐国盛等(1999年)的研究表明[9]，含气区其比值一般大于3.3。新场须二段地层水钙镁系数介于1～87，均值9，次生孔隙发育。

研究表明rNa/rCl、rMg/rCl、rNa/rCa这3组参数均低于海水相同比值的均值，表明地层水与海水的化学特征已发生了变化，化学平衡差距较大。这些参数的协调变化，标志着新场须二段地层水在地质历史时期里最终朝正向变质作用的地球化学方向发展和演化。

表1 新场须二段地层水化学参数表

2.4 脱硫系数rSO4×100/rCl

反映地下水氧化还原环境的重要指标。该系数越低，表明脱硫酸作用越强，还原环境越强，越有利于油气藏的保存。在还原环境中，脱硫酸细菌能使SO42-还原成H2S，即使地下水中SO42-减少甚至消失，HC03-也增加，pH值减小。一般情况下，在封闭的油气藏中，脱硫酸系数一般都很低。卡尔采夫(1963年)指出[2]，在油田影响的范围内，重碳酸盐含量急剧增加，硫酸盐含量减小，脱硫系数小。勘探结果证明，分布在油气田边界附近的NaHCO3型地层水中，一般含很少量的硫酸盐，脱硫系数变小；随着远离油气藏边界，硫酸盐含量增加，脱硫系数加大。在含油气边界以外3km～4km处，地层水则转变为Na2SO4型水。故脱硫系数所指示的脱硫酸作用作为一种环境指标，可以用来指导油气藏气水界面认识。新场地层水脱硫酸系数值极低，介于0～0.09，均值0.04，其主体值位于0.01～0.02，远小于现今海水均值10.3，表明新场须二段地层水脱硫酸作用强，显示强还原环境，地层水埋藏于封闭良好地区，油气保存条件良好。

2.5 碳酸盐平衡系数[(rHCO3+rCO3)2·rCa]1/3

用来计算地层水中碳酸钙饱和程度，与地层水中和CaCO3保持平衡的CO2气体分压成正比，值越小表明保存条件越好，越靠近油气藏。从油田水的无机组分与有机组分的统计分析中发现了油田水的碳酸盐平衡系数与有机酸存在明显的负相关性，进一步论证了碳酸盐平衡系数和有机酸与油气聚集及油气性质的关系。该值越低则低碳有机酸的含量越高，它们与油藏，尤其是与轻质油或气藏的关系越密切。从两者的关系中初步了解到有机酸的溶蚀作用对油气藏中储层次生孔隙的形成应有较重要的影响。新场须二段地层水碳酸盐平衡系数介于1～40，均值16，其主体值位于13～19，总体较高，绝大部分水样>7，为高重碳酸盐水，表明水被CaCO3所饱和。

2.6 硫酸钙饱和系数(SO4·Ca)1/2

用来计算地层水中硫酸钙饱和程度，该系数>70时，表明水被CaSO4饱和。新场须二段地层水硫酸钙饱和系数介于0～360，均值190，其主体值位于160～280，除X202-L150-CX560-X206井一带位于低值区，其他区域总体较高，绝大部分水样位于200左右，为高重碳酸盐水。

2.7 阳离子交换系数IBE

表征水中阳离子与岩石颗粒表面吸附的阳离子发生交换的情况。理论上以Cl-来代表所有卤族元素(F、Cl、Br、I等)之和，以Na+来代表所有碱金属(Li、Na、K、Rb等)之和。当Cl-> Na+时IBE为正值，IBE=(rCl-rNa-rK)/rCl，表示水中Na+、K+与Ca2+、Mg2+发生交换；当Cl-< Na+时IBE为负值，IBE=(rCl-rNa-rK)/(rSO4+rHCO3+rCO3)。新场须二段地层水阳离子交换系数IBE介于0.001～0.966，均值0.149，以DY1-XC28-X10-X10-1H-X11-XC29-XC7井一线为分界线，分界线以东区域IBE<0.129，显示该区域含有渗入水，是地层水交替活跃带；分界线以西区域IBE>0.129，是地层水交替停滞带，地层水属于典型的古沉积水区域，与须二段现今水动力场展示的地层水径流方向有较好的一致性。

3 结论

(1)研究区各主要离子含量关系，符合我国多数陆相油田水的排列顺序，即：阳离子浓度顺序Na+>Ca2+>Mg2+，Cl->HC03->S042-，均以Na+和Cl-占绝对优势，具有油气田水组分向钠、氯端元集中的分异特征，并具备明显的陆相沉积水化学特征。新场须二段地层水较高的Ba2+含量除了指示新场须二气藏具有有利的天然气保存环境外，还与井区高产井(X2、X3、X856)呈现正相关关系。

(2)研究区地层水类型多样，CaCl2型占绝对优势。NaHCO3型和MgCl2型均出现在开采初期，具备典型的凝析水特征。矿化度变幅在80000 mg/L ～120000mg/L，主体浓度为卤水和浓卤水，矿化度等值线分布呈现“构造轴部高、两翼低”的趋势。水型和矿化度显示了封闭、埋藏型地层水特征，油气保存条件好。此外，高矿化度地层水主要产出于构造轴部裂缝发育的高产井区，高矿化度与高产井有较好的对应关系。

(3)研究区变质系数、镁氯系数、钙镁系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数、硫酸钙饱和系数、阳离子交换系数等各种水化学系数显示地层水高浓缩、深变质、强还原环境特征，有利于油气的保存。从地下水的迁移来看，与高矿化度分布区相对应的水化学参数分布区，一般为水交替停滞区；从流体势的角度分析，高矿化度也是低势区。因此，本区矿化度的平面分布在一定程度上指示了油气运移的方向。

(4)特别值得关注的是，研究中还发现，XC32-X13-XC26-CX568-CK1-X10-1H-X11井区的碳酸盐平衡系数展布与目前新场构造轴部的高产井区极为相似，有望发现类似于X851-X853-X856-L150高产井区的新的油气藏中心。

1 王大纯,张人权,史毅虹,等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社,1995.

2 刘方槐,颜婉荪.油气田水文地质学原理[M].北京：石油工业出版社,1991.

3 孙向阳，刘方槐.沉积盆地地层水化学特征及其地质意义[J].天然气勘探与开发,2001,24(4):47-53.

4 汪泽成，李晓清，赵献文.川西地区上三叠统气田水化学场特征[J].天然气工业,2001,21(5).

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6 吴世祥，汪泽成，汪蕴璞.川西地区上三叠统水化学场水动力场与油气富集关系研究[J].石油实验地质,2002,(2).

7 李伟，刘宝珺、闵磊.塔里木油田水碳酸盐平衡系数与有机酸的意义[J].石油学报,2003,(9).

8 胡绪龙，李瑾.地层水化学特征参数判断气藏保存条件-以呼图壁、霍尔果斯油气田为例[J].天然气勘探与开发,2008,31(4):23-26.

9 梁家驹，徐国盛.江汉平原区古生界地层水化学特征与油气保存[J].断块油气田,2010,(3).

10 内部资料：新场地区完井地质、测试、科研报告等资料。