LX和SF地区地层水化学特征及影响因素分析

王应斌 郭明强 吴建光

(中联煤层气有限责任公司，北京 100016)

1 矿区概况及资料背景

研究区位于鄂尔多斯盆地东缘，构造上属于晋西挠折带，地层自西向东呈单斜。致密砂岩气勘探目的层主要发育于上古生界石炭-二叠系，期间沉积环境经历了由海陆交互相向陆相的转变，下部稳定分布的本溪组～山西组含煤地层是该区主要烃源岩，经过多期沉降-抬升影响，Ro一般大于1.1%，地区东南部晚侏罗-早白垩世紫金山火成岩侵入导致热成熟度可达2%以上，太原组、石盒子组发育该区主要致密砂岩气储层，研究区相对盆地内部断裂更为发育，垂向输导能力强，实际勘探发现，垂向上特别是远源储层也广泛成藏，显示出良好开发潜力。

图2 LX地层水矿化度与离子间关系图

研究区水样化学分析大多为测试后期取样进行实验分析获得，而测试过程中反复的洗井、压井、压裂等作业会将相当数量的外源水带入井筒甚至地层，对水样分析实验数据产生干扰，通过统计分析可以看到一般压前矿化度小于压后矿化度，压后早取样矿化度小于晚取样矿化度。统计筛选后矿化度小于10000mg/L的低矿化度样品，水型以NaHCO3水型为主水样，均受井筒内液体影响。从压后压裂液返排率与氯根浓度散点图可以看出(图1)，返排率越高，返排液矿化度越高，越接近地层水真实化学状态。

图1 LX地区压裂试气返排率与测试氯根浓度关系图

剔除将明显受测试过程中外界水影响的样品，最终LX地区采用21口探井和18口生产井共计125样次、SF地区采用7口探井共计15样次有效数据，另外，岩心萃取水化学分析数据共62样次，其中，LX地区4口探井、SF地区2口探井。

2 地层水化学特征

2.1 矿化度特征

研究区地层水化学类型为CaCl2型，LX-SF地区地层水矿化度介于10000～200000mg/L之间，大部分介于20000～50000mg/L之间，大约占总样本的75%。鄂尔多斯盆地内苏里格气田地层水均为CaCl2型，总矿化度为29120～68300mg/L；子洲气田地层滞留水矿化度介于10000～90000mg/L，且存在气水分异时，边(底)水矿化度更高；研究区矿化度略低于盆地内水平。整体上随地层“变新”，埋深变浅，地层水矿化度呈下降趋势。

图3 不同地层(段)钠氯系数对比

2.2 离子特征

图4 不同地层(段)脱硫系数变化

图5 不同地层(段)变质系数变化

图6 不同水样δDMow与δ18OMow关系图

2.3 特征系数

一般利用钠氯系数(Na+/Cl-)、脱硫系数(γ(SO42-)×100/γ(Cl-))、变质系数((Cl--Na+)/Mg2+)等表征油气藏的保存条件。研究区地层水钠氯系数基本都低于0.5(图3)，与苏里格气田类似，未见明显的油气藏破坏特征。脱硫系数一般越小显示地层封闭性越好，总体下部地层封闭性好于上部地层(图4)，脱硫系数高于苏里格西区。变质系数一般越大显示地层封闭性越好，总体上也是随埋深增大，变质系数呈增高趋势(图5)，变质系数值与苏里格西区相当，表明封闭较好。

2.4 同位素特征

大气水的同位素组成变化幅度大，δD值从+50‰到-500‰，δ18O从+10‰到-55‰，水在蒸发、凝聚过程中的同位素分馏，会导致大气水重同位素的亏损，总体表现大气水比海水贫D和18O。一般地层越老，同位素越重。研究表明(图6)，LX地区采集的生产井水样氢氧同位素呈现地表水(钻井液和压裂液)与地下水混合的状态，无大气降水混入(表1)。前人通过锶同位素也认为苏里格气田盒8、山1与浅部白垩系地层水不同源，垂向无交换。

表1 测试样品氢氧同位素特征

图7 LX/SF地区与保德/三交北地区随地层水矿化度图

3 影响因素分析

(1)氧化还原环境及微生物作用

图8 砂岩储层镜下薄片长石溶蚀孔

图9 LX-SF地区砂岩填隙物组分相对含量图

(2)水岩相互作用

溶蚀作用是水岩作用的重要方面，研究区地层自下往上均有溶蚀孔发育，溶蚀孔发育于长石颗粒、方解石颗粒及火山岩碎屑颗粒，以长石颗粒溶蚀最为强烈。长石颗粒可沿解理缝形成溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔等溶蚀孔隙(图8)。溶蚀作用主要影响地层水中Na+、K+、Ca+、Mg2+等离子浓度的变化。

阳离子交替吸附作用主要受粘土矿物影响，粘土一般带有负电荷，容易吸附周围介质中的阳离子。LX-SF地区上古生界储层填隙物均以泥质为主(图9)，普遍都在50%以上，储层内孔隙越小渗流能力越弱，地层水逐渐由自由水变为毛管水、束缚水，加之粘土矿物对离子的吸附作用，可能是造成随孔隙度减小，地层水矿化度升高趋势的原因(图10)。

图10 地层水矿化度(岩心萃取水)随孔隙度变化

(3)地层水分馏、混合作用

前人研究发现，苏里格气田山1、盒8致密砂岩气藏地层水中常规离子组分中阳离子含量大小顺序为Ca2+>Na++K+>Mg2+，研究区致密砂岩地层水中Na++K+>Ca2+(约2倍)，与盆地内有较明显的差异。由于盆地内下古生界马家沟组成藏，且普遍认为马家沟组碳酸盐储层内气源为混源特征(戴金星，2005)，说明上部致密砂岩储层与马家沟碳酸盐岩储层可能存在大规模流体交换，在烃类气体交换过程中可“裹挟”蒸汽状态的地层水进行交换，造成地层水中富Ca2+离子，研究区马家沟组可能成藏潜力小，与上部致密砂岩储层流体交换少。四川须家河煤系致密砂岩气藏也表现Na++K+>Ca2+特征(据宫亚军，2010)。