四川盆地水化学特征标准剖面的建立及其与天然气成藏的关系

赵泽君 张全林 刘岩 伍德全 王敏

1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

四川盆地水化学特征标准剖面的建立及其与天然气成藏的关系

赵泽君1张全林1刘岩2伍德全1王敏1

1.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学

为了深入研究气田的气水关系特征，根据斯蒂夫水化学相图理论方法，以判别不同地层水化学特征差异为理论基础，基于四川盆地各含油气构造4 000余件地层水水质全分析资料，建立了该区上白垩统灌口组—中三叠统雷口坡组的地层水斯蒂夫相图标准剖面，解决了各构造流体的归属性问题。研究发现：新场、洛带地区上侏罗统蓬莱镇组气藏的地层水水化学相图与其他区域同组地层水的化学相图不能对比，却与下伏上三叠统须家河组水化学相图相似，从油气成藏角度推断认为川西地区蓬莱镇组气藏的聚集形成，存在受下伏深源气沿裂缝垂向上升补给气源的可能；地层水的演化特征与油气成藏具有极为密切的关系，在今后的油气勘探开发过程中，可利用水化学相图作为寻找天然气矿藏的指示标志之一；该区某些蓬莱镇组气藏开发气井的地层水呈现深部碳酸盐岩地层（雷口坡组）水化学相图特征，可视为深部碳酸盐岩地层作为烃源岩参与浅层气藏形成的证据之一。

四川盆地 地层水 化学特征 斯蒂夫水化学相图 标准剖面 天然气成藏 关系 碳酸盐岩

从生成石油的有机物堆积开始到石油的生成、运移、最后形成油气藏的整个过程中，地下水都在其中起着巨大的作用。地层水在与石油、天然气以及围岩的长期接触过程中，发生一系列的地球化学变化，不仅改变了原有地层水的面貌，还使地层水中富集了与油气有关的特征组分。因此研究地层水水文地球化学特征及其与油气运移聚集的关系具有重要意义。

鉴于四川盆地地层水原生沉积和后期地史过程中的水岩演变状况，在油气田地层水化学特征的研究中，常规水化学特征研究方法 （图解法、离子法等）不能有效解决不同层系气田水的判别及其水化学组分源点分析，局部构造范围内的相图对比已无法满足后期研究的需要，必须以四川盆地地层水化学基本格架为背景进行对比研究。根据前期对新场气田地层水水化学特征研究［1］，白垩系地层水存在类似灌口组（K2g）和天马山组（K1t）硝水和盐水相图呈层状分布；上侏罗统蓬莱镇组（J3p）地层水在洛带、新都、丰谷构造上也与盆地相应层系水化学相图类同。但随油气的勘探开发，各气田均显示有下伏上三叠统须家河组（T3x）甚至深部碳酸盐地层的中三叠统雷口坡组（T2l）水化学相图出现，如洛带气田蓬莱镇组龙2井、龙3井、龙20井、龙28井等，新场气田239井、浅12井、浅5井、川孝284井、合兴场137井等地层水相图，均显示下部须家河组地层水相图特征。X851等井水化学相图随天然气开发时间演绎出早期有深部流体被垂向“携掠”的上升特征，后期有原须家河组地层水在地层横向压力失衡后出现向井筒周围“弹性回反”特征。笔者认为在建立全盆地层水标准剖面的基础上，通过对比分析可以明确盆地各构造地层水间是否存在流体动力联系，对天然气运移成藏研究具有重要指导意义。

1 四川盆地地层水斯蒂夫相图的建立

地层水水化学相图，是由美国水文地质教授洛瓦克（Novak）在研究阿巴拉契压含油气盆地天然气钻井地层水中提出［2］，该方法的原理是首先选用气田水中常见的主要阳离子（K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋）和阴离子（HCO3－、SO42－、Cl－）为基础，对不同气田水离子当量比值数据进行判别分析，以数理统计判别分析结果为基础，将各层系气田的离子当量系数以Ca／Mg、Na／Ca、Na／Mg、Na／Cl、K／Cl、Na／K、Mg／K、Ca／K、Cl／Mg、Cl／Ca和Na＋K／Ca＋Mg共11组离子当量系数输入计算机，采用逼近计算方法，经多组判别分析后得出的判别分析函数的一种新方法。根据最终获得的6个用以判别不同地层水来源的判别分析系数（Na／Ca、Na／Mg、Ma／K、Ca／Mg、Na＋K／Ca＋Mg、Na／K），并以斯蒂夫（Stiff）相图表示，即相同的水化学相图来自相同的地层水源，或相同的流体动力联系。由于深部流体（油、气、水）在异常高地层压力和高温高压条件下并非是“气走气道，水走水路”的运移状态［3］，故通过对地层水水化学面貌的研究，结合地质资料进行分析或推论，可推断出油气的迁移轨迹。该方法不同于通常传统的图解法和离子系数法，具有更合理完善的科学性和实践性。试验结果表明，该方法对气田水分布层系的判定是可行的，已在川中地区须家河组气田水层的判别应用中取得成功。

鉴于该方法在局部构造地层水化学研究中取得了成功，笔者认为可将此方法推广至整个盆地，建立起四川盆地白垩系灌口组至三叠系雷口坡组水化学相图标准剖面［4］，这有利于气田成藏、开发出水期地层水源头的准确跟踪分析，以判定不同层系气田水对油气田钻进、开采过程中的影响。为此收集了四川盆地不同地层4 000余件油气田水化学分析报告，以实验数据数量的众多性和区域分布的广泛性来保证判别分析的有效性。其中建立白垩系灌口组（K2g）和天马山组（K1t）标准水化学相图时选用了天全构造、眉山构造、雅安构造、新津构造等数百口钻井地层水样构成；侏罗系蓬莱镇组（J3p）选用了自流井、绵阳、三台、简阳、龙女寺、五通桥等构造500余件水分析数据；三叠系须家河组（须上盆地、须下盆地）选用了威西、兴隆场、建南、合江、自贡、五通桥等构造上千件水分析资料。三叠系雷口坡组（T2l）则选用了川东北黄金口背斜、资中双河构造、磨溪构造、中坝构造等水分析资料。经整理、计算、标绘编制了四川盆地地层水水化学相图标准剖面（白垩系—中三叠统）（图1）。值得注意的是中三叠统雷口坡组地层水化学标准相图有2种：①正常沉积压实过程中，地层沉积压实上浮产生的水化学相图；②由的地层于成岩作用过程中，岩石白云石化产生相对低镁富钾水化学相图，其成因是由于沉积作用阶段，地层岩石产生了白云化作用，造成地层水中大量镁元素的丢失。

图1 四川盆地地层水水化学相图标准剖面图

2 水化学相图标准剖面与天然气成藏的关系

2.1 蓬莱镇组地层水洛瓦克水化学相图平面分布背景图

下面以四川盆地侏罗系蓬莱镇组（J3p）地层水研究为例，详细论述此方法的应用情况。

将做好的四川盆地各构造蓬莱镇地层水相图标注在平面构造图上，就得出了四川盆地蓬莱镇组地层水化学特征区域背景示意图（图2）。

图2 蓬莱镇组地层水化学特征区域背景示意图

由图2可见，盆地内分布于天全、安居、三台、简阳、武胜龙女寺以及洛带气田开发前的蓬莱镇组地层水相图均完全相似。这充分说明盆地内蓬莱镇组地层水特征基本一致，可作为四川盆地蓬莱镇组地层水水化学相图区域背景相图使用。而新场气田蓬莱镇组自开发揭露后就未见与区域背景图相似的水化学相图出现，自始至今新场气田数千件地层水分析样均为下伏地层水化学相图，说明该区蓬莱镇组气田水均曾受到下伏须家河组深部流体的改造或影响，并在成藏上形成与盆地其他各构造相应层段上的极大差异。

2.2 新场气田蓬莱镇组水化学动态演绎特征

为了查明新场气田蓬莱镇组地层水来源问题，对新场气田蓬莱镇组140个地层水分析资料进行了统计分析，并绘制其斯蒂夫水化学相图（图3）。

对比盆地水化学相图标准剖面可以看出：该区气田水随开发时间的推移，其水化学特征由深部水相向浅部水化学相特征转变，即地层水显现出须下盆地水相逐渐过渡为须上盆地水相特征。

按照这种特征，分析认为在气田开采前期首先排出的是成藏过程中天然气携带的“深层水”相地层水［5－6］，伴随进一步的天然气开发，深部地层水补给不足或根本无水力联系，沉积孔隙中原生沉积的“残余可动水”在地层压力失衡，以及上覆地层压力荷载越来越大的情况下挤压释出。整体上表现早期深部流体被垂向“携掠”上升，后期有原须家河组地层水在地层横向压力失衡后出现向井筒周围“弹性回反”的特征。由于这种原生沉积水淡化作用，使得早期的“深水相”逐渐演绎变化并呈现后期的浅水相过程。

图3 蓬莱镇组气藏水化学特征随开发时间演绎特征图

2.3 水化学相图与天然气成藏关系分析

从川西坳陷主要含气构造蓬莱镇组气藏地层水化学相图（图4）可以看出，新场气田蓬莱镇组开发气井中几乎全表现为下伏须家河组、甚至是雷口坡组地层水化学相图，从未出现过与区域背景相图相似的水相图，这种情况在洛带气田也存在。

图4 川西坳陷主要含气构造蓬莱镇组气藏地层水化学特征相图

综合分析研究认为，凡获得工业性气藏构造或钻井，均与下伏须家河组“水相图”有联系。这一规律暗示着地层水的演化特征与油气成藏具有极为密切的关系。在地层成岩过程中，保留这部分沉积封存自身地层水，与现今的气田水相比略显淡盐水特征。伴随燕山运动发生，地层水发生大规模自西向东运移［7－9］，溶解在地层水中的天然气脱溶并沿裂缝系统发生垂向运移，产生了游离气对上覆层地层水（主要是沙溪庙组、蓬莱镇组）的排驱充填，垂向上升运移而来的天然气不可避免地携带了下伏地层的“气溶水”，从而使得该层地层水化学特征呈现下伏深部地层水相图面貌，实际生产中表现为产出的地层水往往表现为受“边水”影响较小［10－12］。

深部碳酸盐地层（雷口坡组）水相图在某些钻井地层水中的出现，说明与深层水产生了水化学、水动力联系［13－14］，其运移途径随构造裂隙的连通程度和连通条件而定。因此在四川盆地油气勘探开发过程中，在认可上三叠统须家河组作为主要烃源岩外［15－18］，也要考虑到深部碳酸盐岩作为浅层气源岩的可能性。这对拓宽四川盆地油气勘查领域，寻找深部气源有着十分重要的现实意义。

3 结论

1）全面系统建立了四川盆地地层水水化学相图背景剖面，为研究各含油气构造地层水与盆地相应层位流体对比分析提供了参照比对标准。

2）通过新场气田、洛带气田蓬莱镇组气藏水化学相图动态分析，从水化学相图角度分析天然气成藏过程，发现该区蓬莱镇组气田水均曾受到下伏须家河组深部流体的改造或影响。

3）从川西坳陷蓬莱镇组生产井得出地层水的演化特征与油气成藏具有极为密切的关系，在今后油气勘探开发过程中，可利用水化学相图作为寻找天然气矿藏的指示标志之一。

4）该区某些蓬莱镇组开发气井的地层水呈现深部碳酸盐岩地层（雷口坡组）水化学相图特征，可视为深部碳酸盐岩地层作为烃源岩参与浅层气藏形成的证据之一。

致谢：研究过程中得到中国石油西南油气田公司王兰生教授、关玉梅老师的指导和协助，在此深表感谢！

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Relationship between hydro－chemical characteristics and gas pooling in the Sichuan Basin

Zhao Zejun1，Zhang Quanlin1，Liu Yan2，Wu Dequan1，Wang Min1

（1.Exploration and Development Research Institute of Sinopec Southwest Branch Company，Chengdu，Sichuan 610081，China；2.State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Exploitation／／ChengduUniversity of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 3，pp.49－52，3／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In order to thoroughly study the gas－water relationship at gas fields，we introduced the theoretical method of Steve hydrochemical facies to identify the differences of chemical properties of water in different strata.We collected water quality analysis data of more than 4000 samples from different strata with oil－bearing structures in the Sichuan Basin.These data were used to build the standard section of Steve hydrochemical facies for the formation water in the upper Cretaceous Guankou Formation－Middle Triasic Leikoupo Formation in the study area.These standard sections were successfully applied to determine the origin of fluids in each structure.The hydrochemical facies of the formation water in the Penglaizhen Formation gas reservoir in the Xinchang and Luodai areas can not be correlated with those of the same strata in other areas.However，they are similar to those of the underlying Xujiahe Formation.This indicates that the deep－sourced gas possibly have migrated vertically upward along fractures and contributed to gas accumulation in the Penglaizhen gas reservoir in the western Sichuan Basin.The evolution characteristics of formation water are closely related to hydrocarbon accumulation，thus hydrochemical facies can be used as an indicator of gas reservoirs in future exploration and development.The formation water in some wells produced from the Penglaizhen gas reservoirs show some similar features in hydrochemical facies like that in the deep carbonate reservoirs（the Leikoupo Formation），which indicates that the deep carbonate as source rocks have contributed to gas accumulation in the shallow reservoirs.

Sichuan Basin，formation water，chemical property，Steve hydrochemical facies map，standard section，gas accumulation，relationship，carbonates

国家科技重大专项专题“四川盆地中新生代构造演化及裂缝分布规律研究”（编号：2008ZX05002－004－001）。

赵泽君，1952年生，高级工程师；从事油气田水化学研究工作。地址：（610081）四川省成都市一环路北四段116号。电话：（028）83355360。E－mail：zgzzj－4＠163.com

赵泽君等.四川盆地水化学特征标准剖面的建立及其与天然气成藏的关系.天然气工业，2012，32（3）：49－52.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.011

（修改回稿日期 2012－01－29 编辑 罗冬梅）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.011

Zhao Zejun，senior engineer，born in 1952，is dedicated to research of oil／gas field water chemistry.

Add：No.116，North Sec.4，1stCircle Rd.，Chengdu，Sichuan 610081，P.R.China

Tel：＋86－28－8335 5360 E－mail：zgzzj＿4＠163.com