四川盆地新场构造带上三叠统须家河组二段地层水化学动态特征及其成因

楼章华，苏一哲，朱 蓉，刘一锋，徐士林，李王鹏

(1.浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021； 2.中国石化 石油勘探开发研究院，北京100083)

四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组气藏是中国天然气勘探开发的重点对象[1-4]，川西坳陷须家河组气藏产气层位埋藏深度普遍较大(>3 500 m)，平均孔隙度小于5%，平均渗透率小于0.1×10-3μm2，属于典型的深层致密砂岩气藏[5-10]。须家河组气藏现今气、水分布非常复杂，几乎所有须家河组钻井产气的同时都或多或少有地层水产出，且气、水分布不均。

前人对须家河组地层水研究多侧重于地层水化学特征、成因及与油气的关系等[11-14]。如宫亚军等通过分析地层水常量离子组成及离子参数，研究了川西须家河组地层水的垂向分布特征[11]；陈冬霞等分析了须家河组二段(须二段)地层水化学资料，认为须二段地层水属于高封闭环境下的地层水[12]。林耀庭、熊亮等通过诺瓦克相图法分别研究了川中地区和大邑地区须家河组地层水的分布层系[15-16]。

新场构造带是川西须二段致密砂岩气主要分布区，新场须二段地层水化学呈现出复杂的变化特征，矿化度从0.05 g/L到165 g/L，变化幅度大。同一口井在不同时间采集的水样，水化学特征也有明显差异，反映其地层水来源可能发生变化。本文在收集、整理川西新场须家河组共39口井水化学数据的基础上，总结了各层系典型的水化学特征，建立了地层水分布层系判别指标；结合气藏开发动态，分析典型井在开发过程中地层水化学特征的动态变化，判断地层水可能的来源。研究成果对揭示致密砂岩储层地层水成因及其来源具有重要的意义。

1 地质背景

新场构造带位于川西坳陷孝泉背斜向北东东方向延伸的鼻状构造上，西北翼较缓，东南翼略陡，为孝泉一新场复式背斜的局部圈闭(图1)。新场气田是经历了晚侏罗世发展、喜马拉雅运动晚期改造两个阶段而形成的构造-岩性气藏[17]。研究区分布广泛的高有机质丰度、高品质、厚度大的烃源岩为本区气藏的形成提供了充足的气源[18]。新场构造带主要产气层段自下而上依次为须二段、须四段、上沙溪庙组和蓬莱镇组等。新场须二段作为须下盆的主要储层，其天然气产量在须家河组储层中最为丰富，其主力产层为一砂组(Tx2(1))、二砂组(Tx2(2))和四砂组(Tx2(4))，烃源岩主要来自下部马鞍塘组和小塘子组。须家河组下伏地层为雷口坡组海相地层，川西地区雷口坡组除了顶部雷四段部分地层被剥蚀外，整体上发育完全[19-21]。

图1 川西坳陷新场构造带位置(a)及井位分布(b)

新场须二段气-水关系复杂，气井在生产过程中或多或少都会伴随有地层水产出，从测井解释资料来看，须家河组储层内部水层、含气水层、气层等基本不连通，没有形成统一的气-水界面。学者们对须家河组现今气-水关系主要有以下两种解释：第一种观点认为，须家河组早期形成的是气在上、水在下的常规气藏，后来经历了多次构造运动，部分地区由构造高部位变为构造低部位，从而导致原有的气-水界面被破坏，形成现在的复杂状态[22]；第二种观点认为，新场气田是边水气藏，储层成岩作用的不均匀影响形成了一些分布杂乱无章的“残留地层水”，使得现今气-水关系复杂[23]。须四上亚段气、水分异不彻底，导致储层内部普遍含水，下亚段含气性好于上亚段[24]。

2 须二段地层水化学特征

新场须二段致密气藏是川西致密气开发的主战场，自2000年10月以来已有33口完钻井。新场地区须二段地层水分布广泛，气水关系复杂。须二段气井产出水矿化度变化大，新851井产出水矿化度仅有0.12～0.46 g/L，联150井产出水矿化度为1.39～7.82 g/L，新856井开采初期矿化度也只有0.09～0.58 g/L。这些矿化度极低的产出水均为NaHCO3型水，据前人研究认为属于凝析水[25-27]。凝析水是气田开发中的常见现象，是指在地层高温高压条件下，以气态或雾状液滴方式与天然气共存[28-29]，当采至井筒或地面后由于压力和温度降低才凝聚为液态的水。凝析水矿化度一般小于10 g/L，大部分小于1 g/L[30]。凝析水并不是真正意义上的地层水，此外除联150井一直产凝析水外，其他产凝析水的井通常只在开采初期短暂出凝析水，之后以产地层水为主。因此，分析地层水化学特征时应将凝析水数据剔除。本文收集并整理了新场须二段、须四段共计39口井水化学数据，排除了凝析水、受泥浆水或压裂液污染等不能真实反映地层水的数据，选取了617个水化学数据，其中须二段22口井448个数据，须四段17口井169个数据。

大部分井在生产过程中地层水矿化度都稳定在70～110 g/L，但部分井在某个时间段内矿化度会远远低于或者高于这个范围，比较明显的有新856井、新2井、新10-1H井和新5井(图2)。这4口井在生产过程中地层水矿化度都发生了比较明显的变化，导致地层水矿化度变化的原因较多，如注水或酸化压裂等生产工艺因素及水-岩反应、地层水来源发生变化等等[31-35]。经过井史分析，排除了生产工艺方面的原因；气井生产持续时间相对于水岩反应而言较短，水岩反应对矿化度的影响基本可以忽略，着重考虑生产过程中地层水来源发生变化从而导致矿化度变化，这些“异常”值揭示了须二段地层水可能存在不同来源。对于须二段地层水，可能的来源主要有3个:一是须二段本身；二是来自下部地层，如雷口坡组；三是来自上部地层，如须四段。要搞清楚矿化度异常的水到底来自哪个层位，首先要确定每个层位地层水的水化学特征。

图2 川西坳陷新场构造带上三叠统须二段地层水矿化度随时间变化

3 地层水分层系判定

3.1 矿化度、氯镁系数、变质系数判别指标

本文选取须二段新209、川合100、川合127等12口井和须四段新882、川丰563、新203等11口典型井进行对比分析。储层岩性均以中粒岩屑石英砂岩、中粒岩屑砂岩为主，少量细粒岩屑砂岩，局部夹黑色页岩、粉砂质页岩，沉积相以河流点砂坝为主。选井原则一是单井的水化学数据尽可能多，且时间跨度尽可能长；二是每口井在生产过程中水化学特征都较为稳定，这可以说明生产过程中地层水来源没有发生变化。

各井水化学数据如表1，可以看出，须二段地层水矿化度、氯镁系数、变质系数均高于须四段。须二段地层水矿化度平均值在67.19～116.78 g/L，氯镁系数平均值在71.41～204.05，变质系数平均值在9.70～20.80；须四段地层水矿化度平均值在50.22～91.76 g/L，氯镁系数平均值在24.96～36.23，变质系数平均值在3.66～8.36。

表1 川西坳陷新场构造带上三叠统须二段和须四段地层水矿化度、氯镁系数、变质系数对比

通过对研究区大量水化学数据进行对比分析，发现须四段地层水矿化度主要集中在50～90 g/L，氯镁系数通常小于50，变质系数通常小于10；须二段地层水矿化度主要集中在70～110 g/L，氯镁系数大于50，变质系数大于10。

3.2 诺瓦克系数相图判别指标

1996年美国水文地质学家诺瓦克首次提出了诺瓦克系数判定法来判定地层水的来源[3]。该方法利用地层水中常见阳离子的离子当量关系组成了6组判别系数：Na/Ca，Na/Mg，Mg/K，Ca/Mg，(Na+K)/(Ca+Mg)和Na/K，通过对比其所呈相图的形状来判断地层水的来源，具有较强的科学性和实践性[15]。

诺瓦克使用该方法对美国克灵通砂岩气田产出水来源进行判定，结果成功区分了气田地层水和工业污水[36]。中国学者也利用诺瓦克系数法进行地层水研究并取得了一些成果，林耀庭通过诺瓦克相图法成功判别了川中地区须家河组地层水的分布层系[15]。熊亮通过诺瓦克相图法成功判别了大邑地区须家河组地层水的分布层系[16]。

本次研究分析了39口井共计617个水化学数据。文中选取须二段新3井、新853井和须四段新场22井、新21-1H井进行对比分析。四口典型井经过整理后共计92组水化学数据，分别做诺瓦克相图(图3)，由于篇幅原因，每口井只选取6张诺瓦克相图。

从图中可以看出，新3井、新853井代表的须二段地层水和新场22、新21-1H代表的须四段地层水诺瓦克相图差异比较明显，可分别作为须二段和须四段地层水标准诺瓦克相图，并据此标准相图判断地层水来源。此外，深部雷口坡为海相地层，其地层水化学特征与须家河组差异较为明显。雷口坡组地层水矿化度较高且一般会检测出高浓度的溴离子、碘离子等，表现出较典型的海相地层水特征。

4 须二段地层水化学动态变化及其成因

依据前述地层水判别指标，对新场须二段水化学数据进行分析。研究发现，新场须二段地层水化学特征在生产过程中基本保持稳定，其诺瓦克相图相似度高，表明新场须二段地层水来源较为一致，以须二段同层水为主。有部分井在生产过程中地层水化学特征发生变化，诺瓦克相图也出现明显差异(图4)，如新856井、新2井、新10-1H井、新5井等。通过分析地层水化学动态变化特征，可以判断开发过程中产出水的成因及其来源，从而针对不同出水来源采取相应的稳气控水措施。此外，依据地层水来源的变化还可以判断断层的连通性。

4.1 须二段地层水化学动态变化及成因

新856井是位于新场构造五朗泉高点的一口评价井，为构造圈闭控制的异常高压、孔隙-裂缝型底水干气气藏。该井地层水矿化度在2008年5月12日之前在90.03～101.02 g/L，汶川地震后地层水矿化度急剧增加，2008年6月17日达到160 g/L(图2)，且检测出Br-，浓度高达1 445.00 mg/L；2008年7月9日地层水矿化度依然达到120 mg/L，Br-浓度1 422.20 mg/L；之后地层水矿化度逐渐下降，恢复到地震之前的范围区间，Br-浓度也降为0(表2)。地震后两个月内地层水诺瓦克相图也较地震前有明显不同。此外，新856井在汶川地震前2周内平均每天产水82.72 m3，汶川地震后两周内平均每天产水109.70 m3，表明在汶川地震后地层水来源发生了变化，不再是单一的须二段地层水。

表2 川西坳陷新场构造带新856和新2井上三叠统须二段地层水化学特征

新2井为新场构造五郎泉高点北翼的一口定向预探井，为构造圈闭控制的异常高压、孔隙-裂缝型底水干气气藏。该井和新856井类似，地层水化学特征及诺瓦克相图均在汶川地震前后发生了较为明显的变化(图4)，反映地层水来源发生了变化。新2井在汶川地震前2周内平均每天产水63.63 m3，汶川地震后两周内平均每天产水72.81 m3，产水量也有明显上升。根据地层水化学特征的差异变化，结合诺瓦克相图，推测新856和新2井在汶川地震后有深部雷口坡组海相地层水混入。

新5井是孝泉-丰谷构造带罗江高点的一口预探井，为高压、裂缝-孔隙型低产含水气层，该井地层水矿化度在2009年2月10—23日普遍在98.80～104.28 g/L(图2)，氯镁系数50.56～71.66，变质系数9.82～12.09；2010年2月26日矿化度降至68.67 g/L(图2)，一直到2011年11月10日矿化度都比较低，介于24.91～68.67 g/L(图2)，氯镁系数11.69～33.91，变质系数5.36～8.56，地层水化学特征接近须四段地层水；之后地层水矿化度上升，达到94.36～95.98 g/L(图2)，氯镁系数69.19～97.97，变质系数7.68～11.29(图5)。此外，2010年2月26日—2011年11月10日期间地层水诺瓦克相图也发生明显变化(图4)，和须四段地层水诺瓦克相图非常相似。根据地层水化学特征的变化，结合诺瓦克相图，推测新5井在该时间段内有浅部须四段地层水混入。

新10-1H井是孝泉-丰谷构造带七郎庙高点西南翼的一口预探井，为低产气层。该井地层水在2010年5月30日矿化度为29.82 g/L(图2)、氯镁系数24.34、变质系数2.96，2010年6月1日矿化度为28.58 g/L(图2)、氯镁系数23.86、变质系数3.66，地层水化学特征接近须四段地层水，这两个水样的诺瓦克相图也和后期水样有明显差异(图4)；2010年6月23日—2011年6月8日地层水矿化度为61.20～79.38 g/L，氯镁系数为101.26～123.96，变质系数为13.19～19.80(图5)。根据地层水化学特征的变化，结合诺瓦克相图，推测新10-1H井在2010年5月30日—6月1日期间有浅部须四段地层水混入。

4.2 地层水运移通道

从新856井产能曲线(图6)可以看出，汶川地震使得该井原有的稳定生产状态被打破，地层能量下降导致油压、套压显著降低，日产气从22.49×104m3降至11×104m3，产水量则在一个月内由地震前的79.2 m3/d急剧上升到140 m3/d，水气比大幅升高。结合水化学动态变化特征，明显揭示有新的来源地层水进入产层。川西新场须二段属于致密砂岩储层，具有“低孔-低渗”的特征。晚三叠世以来经历了多期构造运动，在须二段顶部共计形成20余条大断层，印支运动晚期主要形成EW向断裂，燕山中、晚期主要形成NE-SW向断裂，喜马拉雅期多形成SN向断裂[1,37]。断裂及其周缘的裂缝可能是地层水垂向跨层运移的主要通道。根据地震资料解释，新856井附近分布有3条断层(图6)：西侧一条SN向喜马拉雅期大断层F1，长度5 737 m，断裂面向东倾斜，Tx2(2)距离断层396 m、Tx2(4)距离断层345 m，断深向上至须4段底、向下至雷口坡组；东侧一条SN向喜马拉雅期小断层F2，断深向上至须2顶、向下至须2段中-下亚段，未断至雷口坡组；东侧还发育一条SN向喜马拉雅期大断层F3，长度3 450 m，断裂面向西倾斜，Tx2(2)距离断层582 m、Tx2(4)距离断层486 m，断深向上至须三段、向下至雷口坡组。推测由于汶川地震的影响，导致断至雷口坡组的断层重新活动，地层能量下降，深部雷口坡组海相地层水沿着断层上涌进入须二段，使得须二段地层水矿化度急剧升高且检测出高浓度溴离子，产水量及水气比大幅上升；之后地震影响逐渐减弱，断层通道再次关闭，须二段地层水化学特征逐渐恢复到震前的水平，钻井生产状态也逐渐稳定。

图6 川西坳陷新场构造带新856井附近断层分布及产能曲线(数据来源于中石化石油勘探开发研究院四川中心)

新2井西侧发育一条形成于喜马拉雅期、长5 737 m的SN向大断层，断裂面向东倾斜，新2井2砂组距离该断层386 m，3砂组距离该断层372 m，断层断深向上至须四段下部、向下至雷口坡组。新2井在汶川地震前后，其生产状态及地层水化学特征均发生显著变化，推测同样由于汶川地震影响导致断层活动开启，深部雷口坡组海相地层水沿断层进入须二段。

新5井西侧176 m处发育一条形成于喜马拉雅期的SN向断层，断层向上断至须四段，推测该断层为新5井须四段地层水进入须二段的运移通道。同样，新10-1H井西侧48 m处发育了一条形成于喜马拉雅期的SN向断层，断层向上断至须四段，推测该断层为新10-1H井地层水跨层运移的主要通道。

5 结论

1)须四段地层水矿化度主要集中在50～90 g/L，氯镁系数通常小于50，变质系数通常小于10；须二段地层水矿化度主要集中在70～110 g/L，氯镁系数通常大于50，变质系数通常大于10。两者地层水诺瓦克相图差异也较为明显。因此，矿化度、氯镁系数、变质系数和诺瓦克相图可作为地层水分布层系判别指标。

2)新场须二段地层水来源较为一致，以须二段同层水为主。部分井生产过程中地层水化学特征发生动态变化，反映其地层水来源发生变化。新856井和新2井在汶川地震后有深部雷口坡组海相地层水混入，新5井和新10-1H井有浅部须四段地层水混入。