鄂尔多斯盆地苏里格气田西部盒8 段地层水地球化学特征及成因

梁积伟，李荣西，陈玉良

(1.长安大学资源学院，陕西西安710054; 2.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069)

地层水是油气储层中与油气伴生的地下水，是油气运移的动力和载体。地层水中常常保留了油气运移、聚集和成藏的信息［1-5］。地层水与石油、天然气共存于同一地层流体系统中，它们之间存在着密切的成因联系。从有机质的热演化到油气生成、运移和聚集成藏，乃至油气藏后期破坏，地层水在其中都起到重要作用。因此，地层水化学成分及其分布特征在一定程度上反映了油气形成与分布特征。研究地层水性质及地球化学特征，推断地层水的成因，对于发现油气田油、气、水分布规律，分析油气运移、聚集和油气藏形成都具有重要意义［6-8］。

苏里格气田主力含气层段为二叠系下石盒子组8段(盒8 段)和山西组1 段(山1 段)［9-10］。近年来，随着苏里格气田勘探向西推进，在苏里格气田西部探区盒8 段也见到了良好的气层，部分井具有较高的产能;但是不同井产能差别较大，部分井出水严重。如苏75井日产气8.7 ×104m3，紧邻的鄂6 井产气仅为0.01 ×104m3、产水20.9 t;苏60 井产水25 t，而其周围紧邻的苏48、苏41、苏61、苏18、苏59 和苏44 井分别产气4.3 ×104，7.6 ×104，12.6 ×104，1.5 ×104，8.8 ×104和7.3 ×104m3。这些产能数据显示，苏里格气田西部探区气、水分布关系复杂，气、水分布控制因素不明，由此影响了苏里格气田西部探区天然气勘探进展。本文通过研究苏里格气田西部盒8 段地层水性质及地球化学特征，推断地层水的成因，进而指出天然气富集有利区，希望对该区的油气勘探有借鉴意义。

1 盒8 段地层水pH 值和矿化度

1.1 地层水pH 值

苏里格气田西部盒8 段地层水样品统计结果表明，其pH 值在5.5～6.5，多数为6.0，偏酸性。偏酸性地层水也是油气层地层水的一大特点［11］。

1.2 地层水总矿化度

苏里格气田西部盒8 段39 口井的水样数据统计分析表明，盒8 段地层水的总矿化度为5.47～79.12 g/L，主要分布范围是30.55～69.32 g/L，平均43.69 g/L。对比表明，地层水矿化度高于地表水(一般为0.1 g/L 左右)，大部分数据也高于海水矿化度(35 g/L)，但是低于下伏的马家沟组地层水矿化度(130～356 g/L)［12］。一般情况下，地层水的矿化度可以反映出储层封闭条件的好坏［13］。封闭条件好的储层，地层水的矿化度相对较高。研究区盒8 段地层水封闭条件相对较好。

从苏里格气田西部盒8 段地层水矿化度等值线图(图1a)可以看出，盒8 段地层水的总矿化度值总体分布是以苏86—苏87—苏135—苏136—苏2—苏130—苏98—苏70—苏53—苏74 井一线为界，此线以北和以西地区矿化度大于40 g/L，此线以南和以东地区的矿化度小于40 g/L。这种矿化度的分布与砂体分布是一致的。由砂体边缘向中心，总矿化度值增加，主要阴离子中的Cl-离子含量也增加，而HCO-3离子含量趋向减少，反映出由砂体边缘向中心地层水逐渐浓缩的特点。盒8 段总矿化度平面分布主要出现3 个高值区(＞60 g/L)，分别为察1—鄂6—苏65—苏64 井区、苏100—苏52 井区和苏56—苏51 井区。这3 个高值区与砂体厚度等值线的高值区一致，即砂体厚度越大的地区，其地层水的总矿化度值越大，说明高矿化度的地层水为厚砂体原生地层水，封闭性好。

2 地层水阴、阳离子组成及水型

地层水的化学成分同油气一样，经历了复杂而漫长的演化过程。在沉积、埋藏、变质及淋滤等水文地质发展阶段，地层水的水型和水化学特征会发生变化，形成新的水型和特殊的水化学性质，反映了油气层流体分布与变化特征。

2.1 地层水阴、阳离子组成

盒8 段地层水主要阴离子有Cl-，SO2-4和HCO-3，主要阳离子有K+，Na+，Ca2+和Mg2+。地层水的离子组成和浓度(r)，受其水动力特征和水文地球化学环境控制，能反映油气保存条件的优劣。从39 口井地层水的主要阴、阳离子含量表(表1)和组成三角图(图2)中可以看出，苏里格气田西部盒8 段地层水具有如下水化学特征。

盒8 段地层水中Cl-离子含量在2 136～45 333 mg/L，Cl-离子含量最大占阴离子总量的99.72%(鄂6 井)，最小占81.81%(苏14 井)，平均为93.15%;HCO3-离子含量在82～706 mg/L，平均304 mg/L，占阴离子总量的0.23%～11.42%(平均1.18%);SO离子含量也很低。这说明地层水处于封闭、缺氧的还原环境［14］。

盒8 段地层水阳离子以K++Na+和Ca2+离子占优势，Mg2+离子含量低为最明显特征。

盒8 段地层水主要离子浓度(r)随总矿化度(TDS)的变化见图3。Cl-离子浓度随总矿化度增大而增高，相关系数达0.99;K++ Na+和Ca2+离子浓度也随总矿化度增大而升高，其正相关性比Cl-离子略差;Mg2+，SO和HCO-3离子浓度与总矿化度呈散点关系。这说明，盒8 段地层水的总矿化度大小主要取决于Cl-，Ca2+和K++ Na+离子的含量。

图1 苏里格气田西部盒8 段地层水地球化学参数平面图Fig.1 Outline of geochemical parameters of formation water of H8 in western Sulige gas field

表1 苏里格气田西部盒8 段地层水化学离子含量对比Table 1 Comparison of ion contents of formation water of H8 in western Sulige gas field

2.2 地层水水型

水型是反映油气运聚与保存条件的重要水化学因素［15］。苏里格气田西部盒8 段地层水的水化学特征参数见表2。按苏林的分类［16］，研究区内水型为氯化钙(CaCl2)型地层水(图4)。氯化钙型水分布区是区域水动力相对阻滞区，为深盆滞留水，地下水强烈地浓缩，并发生脱硫作用，使SO离子含量急剧减少，而Cl-和Ca2+离子相对富集，反映了储层封闭条件良好，对气藏形成和保存十分有利。

据博雅尔斯基等人研究［17］认为，氯化钙水型可进一步划分为5 类(表3)。在盒8 段的水型分布图上可以看出(图1b)，盒8 段水型具有成带分布特征。研究区内主要为Ⅴ型水;Ⅳ型水分布区呈孤立状，分布于苏73—苏52 井、苏96—苏69—苏99 井、苏136—苏61井和苏60—苏42 井区域;仅北部苏100 井见出现Ⅲ型水。总体来说，研究区盒8 段地层水水型特征表明其有利于天然气的聚集和保存。

3 地层水化学特征参数

图2 苏里格气田西部盒8 段地层水主要阳、阴离子组成(r)三角图Fig.2 Triangular diagram showing the major cation and anion concentration(r)of formation water of H8 in western Sulige gas field

图3 苏里格气田西部盒8 段地层水主要离子浓度(r)随总矿化度(TDS )的变化Fig.3 Variations of ion concentration(r)with total degree of salinity (TDS)of H8 in western Sulige gas field

地层水的化学特征参数通常包括钠氯系数、脱硫系数、变质系数及镁钙系数等，其成因、变化规律能够反映油气的运移和保存信息。

3.1 钠氯系数( /)

盒8 段地层水的钠氯系数较低，在0.30～0.78，平均0.45，绝大多数井小于0.50。在盒8 段，钠氯系数等值线呈带状分布(图1c)，与砂体分布具有一致性。在砂体中部，钠氯系数较小;而在砂体边部，钠氯系数增大。钠氯系数越小，对气藏的聚集与保存越有利［9-10，18］。

表2 自然界地下水水型判别标准Table 2 Classification and discrimination criterion of groundwater

3.2 脱硫系数(2 ×100 ×/)

盒8 段地层水的脱硫系数在0.34～12.53，平均4.19。脱硫系数越小，地层水封闭性越好［9-10，18］，越有利于气藏的聚集与保存。

3.3 变质系数［(rCl --)/］

盒8 段地层水的变质系数为2.08～180.01，平均20.79。在盒8 段，变质系数等值线也呈与砂体一致的带状分布(图1d)。变质系数越大，表明水岩作用的强度和离子交换的程度越大，油气藏封闭性越好，越有利于油气保存［9-10］。盒8 段变质系数大于10 的高值区是天然气最有利富集区。

图4 苏里格气田西部盒8 段地层水苏林成因分类Fig.4 Surin genetic classification diagram of the formation water in H8 in western Sulige gas field

3.4 镁钙系数( /)

4 结论和讨论

苏里格气田西部盒8 段地层水具有如下特征:

1)地层水具弱酸性，中-高矿化度，水型以氯化钙Ⅴ型水为主，局部有氯化钙Ⅳ型和Ⅲ型水。

2)地层水的离子含量高低差异悬殊，以Cl-离子和Ca2+离子占优势。

表3 氯化钙型水详细分类(博雅尔斯基，1970)Table 3 Classification of the calcium chloride type water(from Burson-Marsteller Chhabra，1970)

图5 苏里格气田西部石盒子组盒8 气藏剖面(剖面位置见图1a)Fig.5 Cross section of the H8 gas reservoir in western Sulige gas field (see Fig.1a for the location)

3)地层水化学特征参数具有钠氯系数低、脱硫系数高、变质系数高和镁钙系数低的特征，地层水具有油气伴生水特点，属于天然气充注时留下的残余地层水，形成于封闭、还原的水文地球化学环境。

4)盒8 段地层水的地球化学特征在空间上存在差异，表明盒8 段地层水不属于统一的流体场。

对于低渗透性岩性气藏来说，构造对地层水分布的影响程度相对较弱。勘探实践也证明，苏里格气田西部探区盒8 段不存在统一的边水和底水［9］。而地层水与砂体分布和成藏的关系可能更为密切。按照沉积旋回，盒8 段可以进一步分为4 个含气砂层，从上向下分别为盒8上(1)、盒8上(2)、盒8下(1)和盒8下(2)。推测苏里格气田西部地层水可能受以下3 个因素控制。

1)孤立砂体控水

透镜状孤立砂体在天然气充注时，原始地层水排出受透镜状孤立砂体限制，该类型储层砂体含原始地层水。苏60 井盒8上(1)砂体、苏65 井盒8上(2)砂体和苏65 井盒8下(1)砂体都属于孤立砂体控水(图5)。

2)弱动力生烃气水驱替不完全残留水

砂体因成岩致密渗透性变差，或者由渗透层变成不渗透层，气、水置换不彻底，残余地层水被砂体封闭。

3)弱动力成藏大砂体低部位滞水

由于苏里格气田西部远离生烃中心，也不在天然气运移的优势方向，所以天然气供给能力有限，造成气、水驱替动力不足，使连通性好的大砂体低部位残留了原始地层水，造成大砂体低部位只产水、不产气。苏60 井盒8上(2)发育大砂体，该砂体南北向延伸大于50 km，厚度25 m。苏60 井位于构造低部位，使得苏60 井处大量产水(图5)。

［1］Fisher J B，Boles J R.Water-rock interaction in Tertiary sandstones，San Joaquin basin，California，USA:diagenetic controls on water composition［J］.Chemical Geology，1990，82:83-101.

［2］Hanor J S.Origin of saline fluids in sedimentary basins［C］//Parnell M.Geofluids:origin，migration and evolution of fluids in sedimentary basins.Geological Society Special Publication，1994，78:151-174.

［3］Hanor J S.Physical and chemical controls on the composition of waters in sedimentary basins［J］.Marine and Petroleum Geology，1994，11(1):31-45.

［4］Land L S. Na-Ca-Cl saline formation waters，Frio Formation(Oligocene)，South Texas，USA:products of diagenesis［J］. Geochimica et Cosmochimica Acta，1995，59(11):2163-2174.

［5］Land L S，Macpherson G L.Origin of saline formation waters，Cenozoic section，Gulf of Mexico sedimentary basin［J］. AAPG Bulletin，1992，76(9):1344-1362.

［6］Hou Dujie，Li Xianqing，Tang Youjun.New evidence for the origin of natural gas in Ordos Basin from hydrocarbons of oil water［J］. Chinese Science Bulletin，2002，47(10):835-856.

［7］Li Xiangqing，Hou Dujie，Hu Guoyi，et al. Characteristics of organic components in formation waters and their relations to natural gas reservoirs in Central Ordos Basin［J］. Chinese Journal of Geochemistry，2003，22(2):116-122.

［8］Li Xiangqing，Hou Dujie，Tang Youjun，et al.Molecular geochemical evidence for the origin of natural gas from dissolved hydrocarbon in Ordovician formation waters in Central Ordos Basin［J］. Chinese Journal of Geochemistry，2003，22(3):193-202.

［9］窦伟坦，刘新社，王涛.鄂尔多斯盆地苏里格气田地层水成因及气水分布规律［J］.石油学报，2010，31(5):767-773.Dou Weitan，Liu Xinshe，Wang Tao.The origin of formation water and the regularity of gas and water distribution for the Sulige gas field，Ordos Basin［J］Acta Petrolei Sinica，2010，31(5):767-773.

［10］王泽明，鲁宝菊，段传丽，等.苏里格气田苏20 区块气水分布规律［J］.天然气工业，2010，30(12):37-40.Wang Zeming，Lu Baoju，Duan Chuanli，et al. Gas-water distribution pattern in Block 20 of the Sulige Gas Field［J］. Natural Gas Industry，2010，30(12):37-40.

［11］王运所，许化政，王传刚，等.鄂尔多斯盆地上古生界地层水分布与矿化度特征［J］.石油学报，2010，31(5):748-753.Wang Yunsuo，Xu Huazheng，Wang Chuangang，et al. Characteristics of the salinity and distribution of the Neopaleozoic formation water in Ordos Basin［J］. Acta Petrolei Sinica，2010，31 (5):748-753.

［12］李贤庆，侯读杰，胡国艺. 鄂尔多斯中部气田下古生界水化学特征及天然气藏富集区判识［J］. 天然气工业，2002，22(4):10-14.Li Xianqing，Hou Dujie，Hu Guoyi. Hydrochemical characteristics of Lower Paleozoic formation water and idendification of natural gas enrichment area in central gas fields in Ordos［J］. Natural Gas Industry，2002，22(4):10-14.

［13］康南昌，焦贵浩，蔡加铭，等.柴达木盆地三湖拗陷石油地质特征及下步勘探与研究方向［J］. 石油地球物理勘探，2009，44(4):508-514.Kang Nanchang，Jiao Guihao，Cai Jiaming，et al. Oil geologic feature in Sanhu depression of Qaidam Basin and next exploration and study direction［J］.Oil Geophysical Prospecting，2009，44(4):508-514.

［14］刘济民.油田水文地质勘探中水化学及其特征指标的综合应用［J］.石油勘探与开发，1982，9(6):49-55.Liu Jimin.The characteristics of underground water chemistryand its application in oilfield hydrology exploration［J］. Petroleum Exploration and Development，1982，9(6):49-55.

［15］楼章华，尚长健，姚根顺. 桂中坳陷及周缘海相地层油气保存条件［J］.石油学报，2011，32(3):432-441.Lou Zhanghua，Shang Changjian，Yao Genshun，et al. Hydrocarbon preservation conditions in marine strata of the Guizhong Depression and its margin［J］.Acta Petrolei Sinica，2011，32(3):432-441.

［16］张厚福，方朝亮，高先志，等.石油地质学［M］.北京:石油工业出版社，2008:27-31.Zhang Houfu，Fang Chaoliang，Gao Xianzhi，et al. Petroleum geology［M］.Beijing:Petroleum Industry Press，2008:27-31.

［17］楼章华，朱蓉.中国南方海相地层水文地质地球化学特征与油气保存条件［J］.石油与天然气地质，2006，27(5):584-593.Lou Zhanghua，Zhu Rong.Hydrogeologicai and hydrogeochemcal characteristics and hydrocarbon Preservation conditions in marine strata in southernChina［J］.Oil and Gas Geology，2006，27(5):584-593.

［18］王晓梅，赵靖舟，刘新社，等.苏里格气田西区致密砂岩储层地层水分布特征［J］.石油与天然气地质，2012，33(5):802-810.Wang Xiaomei，Zhao Jingzhou，Liu Xinshe，et al. Distribution of formation water in tight sandstone reservoirs of western Sulige gas field，Ordos Basin［J］.Oil and Gas Geology，2012，33(5):802-810.

［19］徐国盛，宋焕荣，周文.鄂尔多斯盆地中部气田水化学条件与天然气聚集［J］.石油实验地质，2000，22(4):330-335.Xu Guosheng，Song Huanrong，Zhou Wen.Hydrochemical conditions and natural gas accumulation in the middle part gasfield of the Ordos Basin［J］. Petroleum Geology and Experiment，2000，22(4):330-335.