四川盆地水化學特征標準剖面的建立及其與天然氣成藏的關系

趙澤君 張全林 劉巖 伍德全 王敏

1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院 2.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學

四川盆地水化學特征標準剖面的建立及其與天然氣成藏的關系

趙澤君1張全林1劉巖2伍德全1王敏1

1.中國石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院 2.“油氣藏地質及開發(fā)工程”國家重點實驗室·成都理工大學

為了深入研究氣田的氣水關系特征，根據(jù)斯蒂夫水化學相圖理論方法，以判別不同地層水化學特征差異為理論基礎，基于四川盆地各含油氣構造4 000余件地層水水質全分析資料，建立了該區(qū)上白堊統(tǒng)灌口組—中三疊統(tǒng)雷口坡組的地層水斯蒂夫相圖標準剖面，解決了各構造流體的歸屬性問題。研究發(fā)現(xiàn)：新場、洛帶地區(qū)上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組氣藏的地層水水化學相圖與其他區(qū)域同組地層水的化學相圖不能對比，卻與下伏上三疊統(tǒng)須家河組水化學相圖相似，從油氣成藏角度推斷認為川西地區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組氣藏的聚集形成，存在受下伏深源氣沿裂縫垂向上升補給氣源的可能；地層水的演化特征與油氣成藏具有極為密切的關系，在今后的油氣勘探開發(fā)過程中，可利用水化學相圖作為尋找天然氣礦藏的指示標志之一；該區(qū)某些蓬萊鎮(zhèn)組氣藏開發(fā)氣井的地層水呈現(xiàn)深部碳酸鹽巖地層（雷口坡組）水化學相圖特征，可視為深部碳酸鹽巖地層作為烴源巖參與淺層氣藏形成的證據(jù)之一。

四川盆地 地層水 化學特征 斯蒂夫水化學相圖 標準剖面 天然氣成藏 關系 碳酸鹽巖

從生成石油的有機物堆積開始到石油的生成、運移、最后形成油氣藏的整個過程中，地下水都在其中起著巨大的作用。地層水在與石油、天然氣以及圍巖的長期接觸過程中，發(fā)生一系列的地球化學變化，不僅改變了原有地層水的面貌，還使地層水中富集了與油氣有關的特征組分。因此研究地層水水文地球化學特征及其與油氣運移聚集的關系具有重要意義。

鑒于四川盆地地層水原生沉積和后期地史過程中的水巖演變狀況，在油氣田地層水化學特征的研究中，常規(guī)水化學特征研究方法 （圖解法、離子法等）不能有效解決不同層系氣田水的判別及其水化學組分源點分析，局部構造范圍內(nèi)的相圖對比已無法滿足后期研究的需要，必須以四川盆地地層水化學基本格架為背景進行對比研究。根據(jù)前期對新場氣田地層水水化學特征研究［1］，白堊系地層水存在類似灌口組（K2g）和天馬山組（K1t）硝水和鹽水相圖呈層狀分布；上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）地層水在洛帶、新都、豐谷構造上也與盆地相應層系水化學相圖類同。但隨油氣的勘探開發(fā)，各氣田均顯示有下伏上三疊統(tǒng)須家河組（T3x）甚至深部碳酸鹽地層的中三疊統(tǒng)雷口坡組（T2l）水化學相圖出現(xiàn)，如洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組龍2井、龍3井、龍20井、龍28井等，新場氣田239井、淺12井、淺5井、川孝284井、合興場137井等地層水相圖，均顯示下部須家河組地層水相圖特征。X851等井水化學相圖隨天然氣開發(fā)時間演繹出早期有深部流體被垂向“攜掠”的上升特征，后期有原須家河組地層水在地層橫向壓力失衡后出現(xiàn)向井筒周圍“彈性回反”特征。筆者認為在建立全盆地層水標準剖面的基礎上，通過對比分析可以明確盆地各構造地層水間是否存在流體動力聯(lián)系，對天然氣運移成藏研究具有重要指導意義。

1 四川盆地地層水斯蒂夫相圖的建立

地層水水化學相圖，是由美國水文地質教授洛瓦克（Novak）在研究阿巴拉契壓含油氣盆地天然氣鉆井地層水中提出［2］，該方法的原理是首先選用氣田水中常見的主要陽離子（K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋）和陰離子（HCO3－、SO42－、Cl－）為基礎，對不同氣田水離子當量比值數(shù)據(jù)進行判別分析，以數(shù)理統(tǒng)計判別分析結果為基礎，將各層系氣田的離子當量系數(shù)以Ca／Mg、Na／Ca、Na／Mg、Na／Cl、K／Cl、Na／K、Mg／K、Ca／K、Cl／Mg、Cl／Ca和Na＋K／Ca＋Mg共11組離子當量系數(shù)輸入計算機，采用逼近計算方法，經(jīng)多組判別分析后得出的判別分析函數(shù)的一種新方法。根據(jù)最終獲得的6個用以判別不同地層水來源的判別分析系數(shù)（Na／Ca、Na／Mg、Ma／K、Ca／Mg、Na＋K／Ca＋Mg、Na／K），并以斯蒂夫（Stiff）相圖表示，即相同的水化學相圖來自相同的地層水源，或相同的流體動力聯(lián)系。由于深部流體（油、氣、水）在異常高地層壓力和高溫高壓條件下并非是“氣走氣道，水走水路”的運移狀態(tài)［3］，故通過對地層水水化學面貌的研究，結合地質資料進行分析或推論，可推斷出油氣的遷移軌跡。該方法不同于通常傳統(tǒng)的圖解法和離子系數(shù)法，具有更合理完善的科學性和實踐性。試驗結果表明，該方法對氣田水分布層系的判定是可行的，已在川中地區(qū)須家河組氣田水層的判別應用中取得成功。

鑒于該方法在局部構造地層水化學研究中取得了成功，筆者認為可將此方法推廣至整個盆地，建立起四川盆地白堊系灌口組至三疊系雷口坡組水化學相圖標準剖面［4］，這有利于氣田成藏、開發(fā)出水期地層水源頭的準確跟蹤分析，以判定不同層系氣田水對油氣田鉆進、開采過程中的影響。為此收集了四川盆地不同地層4 000余件油氣田水化學分析報告，以實驗數(shù)據(jù)數(shù)量的眾多性和區(qū)域分布的廣泛性來保證判別分析的有效性。其中建立白堊系灌口組（K2g）和天馬山組（K1t）標準水化學相圖時選用了天全構造、眉山構造、雅安構造、新津構造等數(shù)百口鉆井地層水樣構成；侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）選用了自流井、綿陽、三臺、簡陽、龍女寺、五通橋等構造500余件水分析數(shù)據(jù)；三疊系須家河組（須上盆地、須下盆地）選用了威西、興隆場、建南、合江、自貢、五通橋等構造上千件水分析資料。三疊系雷口坡組（T2l）則選用了川東北黃金口背斜、資中雙河構造、磨溪構造、中壩構造等水分析資料。經(jīng)整理、計算、標繪編制了四川盆地地層水水化學相圖標準剖面（白堊系—中三疊統(tǒng)）（圖1）。值得注意的是中三疊統(tǒng)雷口坡組地層水化學標準相圖有2種：①正常沉積壓實過程中，地層沉積壓實上浮產(chǎn)生的水化學相圖；②由的地層于成巖作用過程中，巖石白云石化產(chǎn)生相對低鎂富鉀水化學相圖，其成因是由于沉積作用階段，地層巖石產(chǎn)生了白云化作用，造成地層水中大量鎂元素的丟失。

圖1 四川盆地地層水水化學相圖標準剖面圖

2 水化學相圖標準剖面與天然氣成藏的關系

2.1 蓬萊鎮(zhèn)組地層水洛瓦克水化學相圖平面分布背景圖

下面以四川盆地侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）地層水研究為例，詳細論述此方法的應用情況。

將做好的四川盆地各構造蓬萊鎮(zhèn)地層水相圖標注在平面構造圖上，就得出了四川盆地蓬萊鎮(zhèn)組地層水化學特征區(qū)域背景示意圖（圖2）。

圖2 蓬萊鎮(zhèn)組地層水化學特征區(qū)域背景示意圖

由圖2可見，盆地內(nèi)分布于天全、安居、三臺、簡陽、武勝龍女寺以及洛帶氣田開發(fā)前的蓬萊鎮(zhèn)組地層水相圖均完全相似。這充分說明盆地內(nèi)蓬萊鎮(zhèn)組地層水特征基本一致，可作為四川盆地蓬萊鎮(zhèn)組地層水水化學相圖區(qū)域背景相圖使用。而新場氣田蓬萊鎮(zhèn)組自開發(fā)揭露后就未見與區(qū)域背景圖相似的水化學相圖出現(xiàn)，自始至今新場氣田數(shù)千件地層水分析樣均為下伏地層水化學相圖，說明該區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組氣田水均曾受到下伏須家河組深部流體的改造或影響，并在成藏上形成與盆地其他各構造相應層段上的極大差異。

2.2 新場氣田蓬萊鎮(zhèn)組水化學動態(tài)演繹特征

為了查明新場氣田蓬萊鎮(zhèn)組地層水來源問題，對新場氣田蓬萊鎮(zhèn)組140個地層水分析資料進行了統(tǒng)計分析，并繪制其斯蒂夫水化學相圖（圖3）。

對比盆地水化學相圖標準剖面可以看出：該區(qū)氣田水隨開發(fā)時間的推移，其水化學特征由深部水相向淺部水化學相特征轉變，即地層水顯現(xiàn)出須下盆地水相逐漸過渡為須上盆地水相特征。

按照這種特征，分析認為在氣田開采前期首先排出的是成藏過程中天然氣攜帶的“深層水”相地層水［5－6］，伴隨進一步的天然氣開發(fā)，深部地層水補給不足或根本無水力聯(lián)系，沉積孔隙中原生沉積的“殘余可動水”在地層壓力失衡，以及上覆地層壓力荷載越來越大的情況下擠壓釋出。整體上表現(xiàn)早期深部流體被垂向“攜掠”上升，后期有原須家河組地層水在地層橫向壓力失衡后出現(xiàn)向井筒周圍“彈性回反”的特征。由于這種原生沉積水淡化作用，使得早期的“深水相”逐漸演繹變化并呈現(xiàn)后期的淺水相過程。

圖3 蓬萊鎮(zhèn)組氣藏水化學特征隨開發(fā)時間演繹特征圖

2.3 水化學相圖與天然氣成藏關系分析

從川西坳陷主要含氣構造蓬萊鎮(zhèn)組氣藏地層水化學相圖（圖4）可以看出，新場氣田蓬萊鎮(zhèn)組開發(fā)氣井中幾乎全表現(xiàn)為下伏須家河組、甚至是雷口坡組地層水化學相圖，從未出現(xiàn)過與區(qū)域背景相圖相似的水相圖，這種情況在洛帶氣田也存在。

圖4 川西坳陷主要含氣構造蓬萊鎮(zhèn)組氣藏地層水化學特征相圖

綜合分析研究認為，凡獲得工業(yè)性氣藏構造或鉆井，均與下伏須家河組“水相圖”有聯(lián)系。這一規(guī)律暗示著地層水的演化特征與油氣成藏具有極為密切的關系。在地層成巖過程中，保留這部分沉積封存自身地層水，與現(xiàn)今的氣田水相比略顯淡鹽水特征。伴隨燕山運動發(fā)生，地層水發(fā)生大規(guī)模自西向東運移［7－9］，溶解在地層水中的天然氣脫溶并沿裂縫系統(tǒng)發(fā)生垂向運移，產(chǎn)生了游離氣對上覆層地層水（主要是沙溪廟組、蓬萊鎮(zhèn)組）的排驅充填，垂向上升運移而來的天然氣不可避免地攜帶了下伏地層的“氣溶水”，從而使得該層地層水化學特征呈現(xiàn)下伏深部地層水相圖面貌，實際生產(chǎn)中表現(xiàn)為產(chǎn)出的地層水往往表現(xiàn)為受“邊水”影響較?。?0－12］。

深部碳酸鹽地層（雷口坡組）水相圖在某些鉆井地層水中的出現(xiàn)，說明與深層水產(chǎn)生了水化學、水動力聯(lián)系［13－14］，其運移途徑隨構造裂隙的連通程度和連通條件而定。因此在四川盆地油氣勘探開發(fā)過程中，在認可上三疊統(tǒng)須家河組作為主要烴源巖外［15－18］，也要考慮到深部碳酸鹽巖作為淺層氣源巖的可能性。這對拓寬四川盆地油氣勘查領域，尋找深部氣源有著十分重要的現(xiàn)實意義。

3 結論

1）全面系統(tǒng)建立了四川盆地地層水水化學相圖背景剖面，為研究各含油氣構造地層水與盆地相應層位流體對比分析提供了參照比對標準。

2）通過新場氣田、洛帶氣田蓬萊鎮(zhèn)組氣藏水化學相圖動態(tài)分析，從水化學相圖角度分析天然氣成藏過程，發(fā)現(xiàn)該區(qū)蓬萊鎮(zhèn)組氣田水均曾受到下伏須家河組深部流體的改造或影響。

3）從川西坳陷蓬萊鎮(zhèn)組生產(chǎn)井得出地層水的演化特征與油氣成藏具有極為密切的關系，在今后油氣勘探開發(fā)過程中，可利用水化學相圖作為尋找天然氣礦藏的指示標志之一。

4）該區(qū)某些蓬萊鎮(zhèn)組開發(fā)氣井的地層水呈現(xiàn)深部碳酸鹽巖地層（雷口坡組）水化學相圖特征，可視為深部碳酸鹽巖地層作為烴源巖參與淺層氣藏形成的證據(jù)之一。

致謝：研究過程中得到中國石油西南油氣田公司王蘭生教授、關玉梅老師的指導和協(xié)助，在此深表感謝！

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Relationship between hydro－chemical characteristics and gas pooling in the Sichuan Basin

Zhao Zejun1，Zhang Quanlin1，Liu Yan2，Wu Dequan1，Wang Min1

（1.Exploration and Development Research Institute of Sinopec Southwest Branch Company，Chengdu，Sichuan 610081，China；2.State Key Laboratory of Oil ＆Gas Reservoir Geology and Exploitation／／ChengduUniversity of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 3，pp.49－52，3／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

In order to thoroughly study the gas－water relationship at gas fields，we introduced the theoretical method of Steve hydrochemical facies to identify the differences of chemical properties of water in different strata.We collected water quality analysis data of more than 4000 samples from different strata with oil－bearing structures in the Sichuan Basin.These data were used to build the standard section of Steve hydrochemical facies for the formation water in the upper Cretaceous Guankou Formation－Middle Triasic Leikoupo Formation in the study area.These standard sections were successfully applied to determine the origin of fluids in each structure.The hydrochemical facies of the formation water in the Penglaizhen Formation gas reservoir in the Xinchang and Luodai areas can not be correlated with those of the same strata in other areas.However，they are similar to those of the underlying Xujiahe Formation.This indicates that the deep－sourced gas possibly have migrated vertically upward along fractures and contributed to gas accumulation in the Penglaizhen gas reservoir in the western Sichuan Basin.The evolution characteristics of formation water are closely related to hydrocarbon accumulation，thus hydrochemical facies can be used as an indicator of gas reservoirs in future exploration and development.The formation water in some wells produced from the Penglaizhen gas reservoirs show some similar features in hydrochemical facies like that in the deep carbonate reservoirs（the Leikoupo Formation），which indicates that the deep carbonate as source rocks have contributed to gas accumulation in the shallow reservoirs.

Sichuan Basin，formation water，chemical property，Steve hydrochemical facies map，standard section，gas accumulation，relationship，carbonates

國家科技重大專項專題“四川盆地中新生代構造演化及裂縫分布規(guī)律研究”（編號：2008ZX05002－004－001）。

趙澤君，1952年生，高級工程師；從事油氣田水化學研究工作。地址：（610081）四川省成都市一環(huán)路北四段116號。電話：（028）83355360。E－mail：zgzzj－4＠163.com

趙澤君等.四川盆地水化學特征標準剖面的建立及其與天然氣成藏的關系.天然氣工業(yè)，2012，32（3）：49－52.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.011

（修改回稿日期 2012－01－29 編輯 羅冬梅）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.03.011

Zhao Zejun，senior engineer，born in 1952，is dedicated to research of oil／gas field water chemistry.

Add：No.116，North Sec.4，1stCircle Rd.，Chengdu，Sichuan 610081，P.R.China

Tel：＋86－28－8335 5360 E－mail：zgzzj＿4＠163.com