中央背斜带地层水离子浓度和水型分布规律及影响因素探讨

张莉莉，李久娣

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

地层水中的离子浓度和水型是反映油气运聚与保存条件的重要水化学因素。按照苏林分类法，水型主要分为硫酸钠型、碳酸氢钠型、氯化镁、氯化钙型。氯化钙型多分布于区域水动力相对阻滞区，地下水强烈地浓缩，并发生脱硫作用，使SO42-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。硫酸钠型和碳酸氢钠型的特征是 “大规模水交替的地质层”，即自流水循环的特征，反映储层封闭条件较差。通过对现今地层水离子浓度及水型的分析结果可反映油气藏形成和保存的历史，为后续油气开发提供重要的信息[1-3]。

而目前中央背斜带各生产井产出水氯离子浓度及水型存在明显区域分带差异，导致生产井生产特征差异明显。中南部地区地层水氯离子浓度达到7 000～10 000 ppm，水型多为氯化钙型，一旦产水，水量大、水气比高、产水上升速度快、产气量明显受气井产水影响，需尽量避免初期采气速度大，影响无水采气期及最终采收率。而北部地区氯离子浓度仅为2 000～3 000 ppm时即已产出地层水，水型多为碳酸氢钠型，水量小，水气比小，产水上升速度慢，生产受产水的影响小，初期可相应的提高采气速度生产。

本次通过分析中央背斜带不同区域储层物性和深度同水型的关系及地层水的地球化学特征，综合确定影响离子浓度和水型分布规律的主要因素，在以后气田的生产过程中可根据气井产水矿化度、水型等多要素综合判断产水对气井生产可能的影响，来确定该井合理的生产制度，未来也可通过各储层地层水的研究成果，寻找封闭性较好的储层，以利于后期的稳定开发。

1 区域简介

中央背斜带构造复杂，断裂发育，容易形成通道，导致地层流体再分配。它由四个挤压背斜带组成，呈右行雁行状错列分布，剖面上具有西陡东缓的挤压背斜和西翼断裂发育等特征。发育有NNE和NWW向两组断裂体系，且以NNE向为主，早期断裂控制地层的沉积及凹陷的东西分带，中期断裂促使局部构造的形成并对油气的运聚有重要的通道作用，而晚期断裂则使构造进一步复杂化，导致地层流体的再分配。

沉积环境影响水型形成。中央背斜带中南部渐新统花港组以陆相河流三角洲为主，北部始新统平湖组中上段以潮坪、三角洲为主，不同的沉积环境导致水型差异。

中央背斜带南北储层埋深差异大。中南部地区凝析气藏主要分布于3 200 m以上的中浅层，储层以中孔中渗储层为主。而北部地区凝析气藏主要分布在3 200 m以下的花港组下段及平湖组，储层以中低-低孔、中低渗-低渗为主[2]。

2 中央背斜带地层水离子浓度和水型分布规律

中央背斜带自南向北包括六个在产油气田，分别为A气田、C气田、CX气田、CXB气田、HY1-1气田、HY2-2气田。总结该区带各气田水型分布规律主要有以下四个方面：（1）从水型上看，平面上中南部气田水型多为CaCl2型，而北部气田多为NaHCO3型（表1）；（2）从氯离子浓度看，中南部气田氯离子浓度高，达到7 000～10 000 ppm，而北部地区则低得多，仅为2 000～3 000 ppm（图1）；（3）从氯离子浓度与地层深度变化规律看，随着地层埋深的增加，氯离子浓度呈现出明显下降的趋势，水型也发生了明显的变化，浅层（3 200 m以上）基本为氯化钙型，而深层（3 200 m以下）基本为碳酸氢钠型（图2、图3）；（4）从氯离子浓度与生产水气比变化规律看，相对而言北部气田地区氯离子浓度与水气比均较低，而中南部气田氯离子浓度高与水气比均较高；中南部地区单井生产水气比最高可达40 m3/104m3，而北部地区最高水气比仅在3 m3/104m3左右。

表1 中央背斜带单井水型表Table 1 Water types of single well in Central Anticline Zone

图1 各气田氯离子含量图Fig. 1 Content of Chloride ion in each gas field

图2 氯离子浓度同深度关系图Fig. 2 Relationship between Chloride ion concentration and depth

图3 水型同深度关系图Fig. 3 Relationship between water type and depth

3 影响离子浓度和水型分布规律因素研究

根据前述观点，中央背斜带地层水水型呈现出南北分带、深浅不一的变化特征，且在生产过程中，最高水气比、水侵强度差异大，生产动态差异明显。通过对比分析并结合调研，上述氯离子浓度和水型分布规律主要与气田生产层位的深度、物性、构造演化和沉积环境有关。

3.1 深度和物性影响氯离子浓度和水型

随着储层埋深的增加，氯离子浓度呈现出明显下降的趋势，水型也由氯化钙型转为碳酸氢钠型（图2、图3），因此储层深度可能是影响水型的一大要素，当深度加深时，有机质进入高成熟阶段或有机酸生成量减少，溶蚀作用减弱，胶结作用增强，使得地层水氯离子浓度降低。

物性差的储层可能本身含盐量低。图4为路易斯安那州Manchester油田中砂岩和页岩中水的含盐量随深度的变化状况。由于页岩物性极差，总体而言页岩含盐量较低。而砂岩在浅层由于其物性好，储层含盐量比页岩高出数倍，但随着深度的变化，物性变差，压力上升，砂岩含盐量骤然降低，10 kft之下，基本降至与页岩同一水平。因此可能物性差的储层本身含盐量较低。

图4 砂岩和页岩中隙间水含盐量随深度变化图（Schmidt）Fig. 4 Variation of salt content of interstitial water with depth in sandstone and shale (Schmidt)

根据上述分析，中央背斜带北部气田与中南部气田水型及氯离子浓度差异的原因主要包括以下两个方面：一是北部储层深度较中南部气田储层深度深，使得氯离子浓度变低；二是深度和物性之间关系较为密切，埋深较大程度影响了储层的渗透率，北部地区深度增加导致储层物性变差（储层测试渗透率仅为（0.5～0.9）×10-3μm2），从而使得储层本身含盐量较低，氯离子浓度低。

3.2 构造演化和沉积环境影响氯离子含量和水型

根据苏林分类法，原生水一般不含有重碳酸盐和硫酸盐成分，仅大气水存在重碳酸盐成分。目前中央背斜带北部气井产出水氯离子含量低、水型为碳酸氢钠型，分析可能与储层的构造演化和沉积环境有关。本次主要从地层水矿化度、常规离子组成、成因系数和微量元素的差异性综合分析构造演化和沉积环境对地层水水型和氯离子浓度的影响[4-6]。

3.2.1 水型、矿化度与常规离子组成特征差异性

3.2.1.1 矿化度

地层水的矿化度反映了环境的封闭性，高矿化度地层水反映了地层有较好封闭性，低矿化度则反映有地表水参与的开放型环境。

由表1所知，中央背斜带自CXB气田开始水型以碳酸氢钠型为主，矿化度较低，普遍小于海水35 g/L，说明曾经受到过明显的淡化改造作用，封闭性较差；中南部多为氯化钙型，矿化度较高，保存条件好于北部区块（CXB气田、HY1-1气田、HY2-2气田）。

3.2.1.2 阴阳离子组成

中南部区块地层水阴离子大多表现为Cl-＞HCO3-＞SO42-，阳离子表现为Na+＞Ca2+＞Mg2+，总体表现出类似于大洋水的特征（图5、图6）。北部区块地层水阴离子存在两种表现，一种表现为HCO3-＞Cl-＞SO42-，阳离子Na+＞Ca2+＞Mg2+；另一种为Cl-＞HCO3-＞SO42-，阳离子表现为Na+＞Ca2+＞Mg2+，相比中南部区块HCO3-增加，Cl-减少，表明北部区块地层水受到的淡化作用强于中南部区块[7]。

图5 中南部地区离子含量曲线Fig. 5 Curve of ion content in central and southern China

图6 北部地区离子含量曲线Fig. 6 Curve of ion content in northern China

3.2.1.3 Na-Cl、Br-Cl关系

Na-Cl关系显示，几乎所有花港组和平湖组地层水的数据投点都分布在海水蒸发曲线（SET）上，说明各气田地层水都属于蒸发浓缩残留成因[8]。

Br-Cl关系图上，南部区块数据点均位于蒸发曲线上方，高于海水的Br/Cl比值；因Br在海水蒸发过程中不形成自己的矿物，随着残留卤水浓度的增加，Br含量几乎呈直线上升，反映南部区块各气田地层水是海水蒸发残余，现今整体为沉积封存水（埋藏水），保存条件较好，后期构造运动淡水改造相对较小。

北部区块数据投点基本位于蒸发曲线的左侧及左下方部位），属于比值偏低区域，分析原因可能与构造运动淡水改造，及后期再次封存蒸发浓缩尚未完全有关（图7）。

图7 各气田地层水中主要阴离子与钠及溴关系图Fig. 7 Relationship of main anions with sodium and bromine in formation water of each gas field

3.2.2 成因系数与微量元素差异性

3.2.2.1 成因系数[9-10]

该区带中南部区块和北部区块地层水变质系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数等成因系数（图8）存在差异。中南部区块变质系数、脱硫系数小，盐化系数高；北部区块变质系数、脱硫系数大，盐化系数低。

图8 不同区块地层水变质系数、脱硫系数、盐化系数柱状图Fig. 8 Histogram of formation water metamorphic coefficient, desulfurization coefficient and salinization coefficient in different blocks

中南部区块和北部区块变质系数均大于0.87（图9），表明均经历了明显的逆变质作用，但两区块逆变质作用程度不同。总体来说，中南部区块逆变质作用程度不大，北部区块逆变质作用强烈。变质系数和脱硫系数越小，表明地层水受渗入水影响越弱，地层越封闭，对烃类保存越有利。反之则地层水受渗入水影响越强，对烃类保存不利。从目前来看，ZYBX带中南部地区受渗入水影响小，保存条件较好；北部区块相对较差，而造成这种情况可能同构造运动与古沉积环境有关。

图9 不同区块地层水变质系数与脱硫系数关系对比图Fig. 9 Correlation between formation water metamorphic coefficient and desulfurization coefficient in different blocks

构造运动时必然产生断裂，断裂是地层水与外界沟通的通道，从而改变了水型。中南部地区砂体厚，砂体连续性好，断层侧向封堵性强，大气水淡化改造弱。而北部区块从始新世裂谷期开始发育的共轭正断层持续发育到中新世龙井运动，虽是油气垂向运移的唯一通道，控制了油气在垂向上的分布，但可能也导致了与外界的不断沟通，因而造成矿化度较低。

沉积环境对地层水也有很重要的影响，如水下扇沉积，其环境可能以封闭性的氯化钙水型为主；河流相则水型既有支流间湾的弱相，也有河道水流急的砂体相。弱相以还原环境为主，水型以氯化钙为主；而砂体在河流的干涸期则以开放环境为主；水型以碳酸氢钠为主；稳流期以还原环境为主，以氯化钙水型为主。

该区带中南部花港组砂体主要为浅水三角洲-滨浅湖滩坝沉积，且以水下分流河道、河口坝发育为特征。北部区块仅花上段H5段的三角洲前缘水下分流河道相砂体普遍发育，其它层段的砂体都不连续，仅在局部发育。不同的沉积环境与砂体发育程度造成了水型的差异。

3.2.2.2 微量元素

图10为不同区块地层水溴和碘含量关系对比图，从图10可以看出，不同区块地层水微量元素组成也存在差异。中南部区块地层水Br与I含量明显高于北部区块，表明一方面原始沉积水中微量元素含量存在差异，即沉积环境存在差异；另一方面浓缩作用存在差异，表明地层水改造过程存在差异。

图10 不同区块地层水溴和碘含量关系对比图Fig. 10 Comparison of bromine and iodine contents in formation water of different blocks

4 结论

（1）中央背斜带两区块间地层水存在差异，中南部气井/气田产水后产水量大，水气比高，而北部产水量小，水气比低；从水型上看，中南部地层水多为氯化钙型，而北部地区多为碳酸氢钠型。

（2）在封闭体系下，地层水浓度存在类似的蒸发浓缩作用，当深度加深时，有机质进入高成熟阶段或有机酸生成量减少，溶蚀作用减弱，胶结作用增强，使得地层水矿化度降低。

（3）物性相对较差的储层，本身地层水的含盐量低，氯离子浓度低，水型偏向碳酸氢钠型。

（4）中央背斜带中南部和北部沉积环境不同，而沉积环境决定了地层水的原始属性。构造运动也对地层水进行改造，构造运动形成的断裂通道对地层水进行了淡化改造，而这种改造两区块间存在差异，北部地区强于中南部地区，中南部地区地层封闭性好，大气水淡化改造不明显，北部区块地层封闭性差，导致淡化改造作用明显。