川中北部磨溪—高石梯地区地层水特征及其油气地质意义

苏 敏，吴康军，李志军，曾东方，陈 颖，卢科良，朱 敏，龚燕秀

（1.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331；3.中国石油新疆油田分公司石西油田作业区，新疆克拉玛依 834000；4.中国石油西南油气田分公司川中油气矿研究所，四川遂宁 629000）

0 引言

在含油气盆地中，地层水作为油气运移、聚集的动力和载体，与油气之间进行着物质和能量的交换。地层水化学特征参数与油气的运移、形成和构造运动密切相关，所以地层水可以反映沉积盆地流体系统的开放性和封闭性，以及油气的储集条件［1-3］。地层水在典型的断块形成时期活动比较频繁，地层水的化学特征与油气成藏之间的关系非常密切，油气多在地层水矿化度高的区域运移并最终聚集［4-6］。吴娟等［7］通过对灯影组—龙王庙组地层水的化学特征进行研究，得出了研究区地层流体与油气成藏具有密切关系的认识；杨娅敏等［8］通过对杭锦旗地区地层水化学特征进行分析，认为地层水化学特征与油气保存条件具有一定关系；梅啸寒等［9］通过对松辽盆地扶新隆起带扶杨油层地层水化学特征的研究，指出了其与油气运聚和富集具有耦合关系。

川中北部磨溪—高石梯地区是四川盆地天然气的主要产区［10-12］，针对龙王庙组、长兴组、嘉二段、雷一1亚段、须家河组等5 个主要天然气产层的地层水微量元素、氢氧同位素特征进行常规分析，研究不同产层的地层水的地球化学特征、水离子组成特征、氢氧同位素特征，最后结合研究区的油气藏分布特征，厘定川中北部磨溪—高石梯地区地层水特征与油气聚集的关系，以期对该区的油气勘探具有指导意义。

1 油气地质概况

川中北部磨溪—高石梯区块位于四川盆地中部磨溪56 井以北，行政区划包括四川省遂宁市、资阳市安岳县及重庆市潼南县，构造上属于川中北部地区磨溪—龙女寺北斜坡，总面积为9 000 km2［13-14］。该斜坡在晚震旦世灯影组沉积期形成，在早寒武世受到区域拉张作用，古裂陷槽继承性发育［15］；在志留纪末受加里东构造运动的影响，古隆起定型；在海西—燕山期由于坳陷带的挤压，埋深加深；最后在燕山晚期构造快速隆起抬升，古隆起西段发生强烈构造变形，而东段构造变形微弱，呈现“西方差东方好”的格局［16-18］。由于多期构造的作用，磨溪—高石梯构造带具有良好的天然气储集条件。

磨溪—高石梯地区的主力储集层为震旦系灯影组和寒武系龙王庙组［19-20］，其中龙王庙组厚度受古地貌影响显著，呈北西偏薄，南东偏厚的特征，岩石类型主要有砂屑白云岩、残余砂屑白云岩以及细—中晶白云岩。这些岩石裂缝、孔洞比较发育，具有良好的储层发育条件，为油气的形成奠定了基础。震旦系灯影组的沉积厚度较大，分布范围较广，主要发育浅灰色微—粉晶白云岩、藻白云岩，其中灯二段和灯四段均为良好的含气层系。

研究区以构造圈闭为主，还存在岩溶储层和局部构造叠置发育的岩性-构造复合圈闭、单独滩体形成的岩性圈闭、尖灭线附近形成的地层-岩性圈闭，这些圈闭均为气藏的形成提供了储集空间［21-22］。

2 地层水地球化学特征

2.1 地层水离子组成特征

川中北部磨溪—高石梯构造主要产层中的地层水类型丰富，据文献［23］报道，按照苏林的分类方法，可将地层水分为CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等4 种水型。地层水主要含有K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+，F-，Cl-，HCO3-，NO3-等阴阳离子和I，Br，B 等微量元素。

本次研究的水样全部取自对应产层的天然气脱水后的样品。将研究区灯影组、龙王庙组、栖霞组、长兴组、嘉二段、雷一1亚段、须家河组等多个组段（亚段）的地层水离子成分与当今海水成分对比，并结合离子间化学亲和力的强弱顺序将地层水划分为CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等4 种类型。

龙王庙组有9 口井产出地层水，通过分析可知，水型主要为CaCl2型，含有Cl-，SO42-，HCO3-，F-，NO3-等阴离子，含量最高的是Cl-，质量浓度为66 012～68 868 mg/L，含量最低的是F-，质量浓度为4.32～15.84 mg/L；含有K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+等阳离子，含量最高的是Na+，质量浓度为31 802～33 9678 mg/L，含量最低的是Li+，质量浓度为30～67 mg/L；也含有微量元素，其中Br 元素含量最高，质量浓度平均为520 mg/L。该组平均矿化度约为108 340 mg/L。长兴组只有磨溪1 井产地层水，主要含有K++Na+，Ca2+，Mg2+等阳离子，其中含量最高的是K++Na+，质量浓度为17 108～19 810 mg/L，含量最低的是Mg2+，质量浓度为268～690 mg/L；主要含有Cl-，SO42-，HCO3-等阴离子，其中Cl-含量最高，质量浓度为29 386～4 9 393 mg/L，SO42-含量最低，质量浓度为27～249 mg/L；微量元素I 和B 在磨溪1 井中含量不稳定。长兴组地层水矿化度为49 000～80 000 mg/L，平均为58 302 mg/L，比龙王庙组的低。

嘉二段和雷一1亚段地层水含有的阴离子和阳离子类型相同，其中阴离子含量最高的是Cl-，阳离子含量最高的是K++Na+。嘉二段有31 口井180 个样品数据，包括CaCl2，MgCl2和Na2SO4型等水型。地层水矿化度为42 050～96 000 mg/L，平均为58 350 mg/L。雷一1亚段有76 口井400 余个样品数据，水型主要为CaCl2型。地层水矿化度为151 300～280 600 mg/L，平均为196 640 mg/L。

须家河组有13 口井60 余个样品数据，水型主要为CaCl2型，主要离子类型与嘉二段地层水离子类型一致，阳离子含量最高的是K++Na+，质量浓度为44 608～72 779 mg/L，阴离子含量最高的是Cl-，质量浓度为102 023～163 144 mg/L。地层水矿化度为168 000～272 500 mg/L，平均为221 950 mg/L（表1）。

总的来讲，不同层位地层水矿化度不同（图1），离子含量也有所差异（图2），雷一1亚段和须家河组矿化度与Cl-含量均较高，龙王庙组地层水矿化度和Cl-含量次之，嘉二段与长兴组矿化度较低。

图1 不同层位TDS 和Cl-含量关系图Fig.1 Relationship between TDS and Cl-content in different layers

图2 不同层位离子含量对比图Fig.2 Comparison of ion content in different layers

2.2 地层水化学特征参数

地层水化学特征参数能反映水文地球化学环境和水-岩相互作用强度，一般常用的参数有钠氯系数、脱硫系数、氯镁系数和镁钙系数等［24］。由于Cl-和Na+化学性质的稳定程度不同，所以研究钠氯系数可以得出地层水的变质程度和地层的封闭性。脱硫系数越小，地层水所处的储层环境还原性越强、密闭性越好。氯镁系数是代表变质作用和地层水岩作用强弱的重要水文地质参数，其数值的大小反映地层水所处的地层的封闭性的好坏，即其系数越大，代表变质作用或地层水岩作用越明显，地层密闭性越好，油气的储存条件越优越。钙镁系数是表征地层水封闭性、浓缩变质作用程度和储层水文化学环境关系的重要水文地球化学特征参数，当地层水的钙镁系数数值大于3 时，表明地层的封闭条件良好，对油气成藏有利。

对龙王庙组、长兴组、嘉二段、雷一1亚段和须家河组的地层水离子比例系数进行分析可知：①龙王庙组等5 个产层的地层水的钠氯系数多分布于0.3～0.8，镁钙系数分布于0.1～0.5，表现出水体还原性强、封闭性好，受渗入水的影响弱的特征（图3）。②嘉二段的脱硫系数大于2，存在厚层石膏岩，石膏溶于水后使其脱硫系数远大于其他产层。③对比龙王庙组、长兴组、嘉二段和须家河组脱硫系数-氯镁系数交会图（图4）可知，龙王庙组与雷一1亚段脱硫系数相近，但龙王庙组氯镁系数高于雷一1亚段；须家河组不含SO42-；长兴组只有1 口井投产，并且规律性不强。

图3 不同层位镁钙系数-钠氯系数交会图Fig.3 Cross plot of magnesium calcium coefficient and sodium chlorine coefficient of different layers

图4 氯镁系数-脱硫系数交会图Fig.4 Cross plot of chloro magnesium coefficient and desulfurization coefficient

脱硫系数与水中总固体溶解量（TDS）交会图版也可区分各产层地层水，嘉二段脱硫系数大于2［图5（a）］，龙王庙组、长兴组、雷一1亚段和须家河组脱硫系数均分布于0～1，但其TDS 的范围不同［图5（b）］。

图5 各层脱硫系数-TDS 交会图Fig.5 Cross plot of desulfurization coefficient and TDS of different layers

除此之外，还可以利用微量元素交会法对地层水中的微量元素进行对比分析。各产层地层水中均含有B 和Br 元素，其中雷一1亚段地层中的B 元素含量最高，质量浓度为300～1 050 mg/L，长兴组中的B 元素含量最低，质量浓度为130～140 mg/L；须家河组中的Br 元素含量最高，质量浓度为1 000～1 850 mg/L，长兴组中的Br 元素含量最低，质量浓度为250～370 mg/L（表2）。

表2 各产层地层水判别指标表Table 2 Identification index of formation water in each layer

2.3 地层水氢氧同位素特征

D 和18O 是地层水稳定的同位素，研究地层水的氢氧同位素，有利于确定地层水的水岩作用强度、地层的封闭性和区别各产层地层水的特征［25］，为研究油气运移和储集空间奠定基础。

利用同位素分析仪对取得的地层水样进行测试，同步测量出δ18O 和δD（表3），δ18O 为-1.5‰～9.1‰，δD 为-37.99‰～75.89‰。这些井的δ18O和δD 相较于全球大气降水线均发生了正偏移，δ18O 的正偏移与水岩作用的增强有关。

表3 氢氧同位素检测结果Table 3 Hydro-oxygen isotope test results

龙王庙组地层水和凝析水分布范围区别明显，凝析水中氢同位素含量高于地层水，证实凝析水的存在会干扰地层水同位素的含量，即会影响δ18O 和δD 的数值大小（图6）。

图6 龙王庙组氢-氧同位素含量交会图Fig.6 Cross plot of hydrogen and oxygen isotope content of Longwangmiao Formation

对5 个目的水层水样进行测试和分析，各产层地层水氢氧同位素分布范围差别显著，龙王庙组的δ18O 为9.5‰～10.5‰，δD 为3‰～8‰；雷一1亚段的δ18O 最大，为80‰，δD 为4‰～11‰；嘉二段δ18O为-3‰～-1‰，δD 为8‰～9‰；须家河组δ18O和δD 均为负值，分别为-38‰～-35‰，-0.5‰～-0.4‰，可利用以上标准区分各产层的地层水（图7）。

图7 各层氢-氧同位素含量交会图Fig.7 Cross plot of hydrogen and oxygen isotope content in each layer

3 地层水特征及其与油气聚集的关系

观察地层水化学成分与矿化度在剖面上的变化，有助于了解地层水特征与油气的关系［26］。5 个产层的地层水矿化度均大于50 000 mg/L，但是不同产层的矿化度大小差异明显，结合浓缩变质和水-岩相互作用程度的不同，可知产层均处于相对封闭的沉积环境，储层水保存条件由好到坏依次为须家河组、雷一1亚段、龙王庙组、长兴组、嘉二段（图8）。目的产层的地层水均为典型的卤水类型，龙王庙组、长兴组、雷一1亚段和须家河组的地层水属于Ⅲ类地层水，总体处于与地表水隔绝的封闭环境，封闭性很好；嘉二段的地层水属于Ⅱ类地层水，总体处于半开放—半封闭的地球化学环境。5 个产层的地层水的离子比例系数在纵向上基本都是随着埋藏深度的增加逐渐增高，可见目的层地层水受到的变质浓缩作用均较强，指示地层水环境都比较封闭，有利于油气的储集。

图8 研究区重要层位地层水特征及其地质意义Fig.8 Formation water characteristics and its geological significance of the important strata in the study area

综合以上条件分析可知，川中北部磨溪—高石梯地区的5 个主要产层的天然气保存条件均较好，其中须家河组封闭性最好，岩-水作用最强，天然气运移、聚集和保存条件最好，嘉二段封闭性最差，岩-水作用弱，天然气运移、聚集和保存条件相对来说最差。

地层水离子组成特征、化学特征参数等只能反映地下油气的保存封闭条件，起着指示作用，并不可以直接作为判断有无油气藏的决定性依据，所以在利用地层水特征研究油气藏时，还要结合沉积、构造等实际水文地质条件进行分析研究，以提高油气勘探的准确性［27］。

4 结论

（1）川中北部磨溪—高石梯地区地层水主要由K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Ba2+，Li+，Sr2+，F-，Cl-，HCO3-，NO3-等阴阳离子和I，Br，B 等微量元素组成。水型以CaCl2，MgCl2，NaHCO3和Na2SO4等类型为主，各离子的含量和矿化度存在较大差异。

（2）化学特征参数能够很好地反映地层的封闭性，通过对比川中北部磨溪—高石梯地区各地层水的化学特征参数可知，须家河组封闭性最好，岩-水作用最强，嘉二段封闭性最差，岩-水作用最弱。

（3）川中北部磨溪—高石梯地区龙王庙组δ18O为9.5‰～10.5‰，δD 为3‰～8‰；雷一1亚段δ18O为8‰～80‰，δD 为4‰～11‰；嘉二段δ18O 为-3‰～-1‰，δD 为8‰～9‰；须家河组δ18O 为-38‰～-35‰，δD 为-0.5‰～-0.4‰。各产层地层水中氢氧同位素的分布范围明显不同，可利用图版区分各产层的地层水。

（4）川中北部磨溪—高石梯地区的5 个主要产层的封闭性良好，均有利于天然气的聚集和保存。其中，对天然气成藏最有利的为须家河组，相对最差的是嘉二段。