川西坳陷中段侏罗系次生气藏地层水化学特征及与油气运聚关系

叶素娟，李 嵘，张世华

(1.中国石化 西南油气分公司勘探开发研究院，成都 610041;2.成都地质矿产研究所，成都 610081)

地层水是油气运移、聚集的重要载体，在油气生成、运移、聚集和保存过程中都起到重要作用。由于地层水化学组成及其同位素构成包含了大量与油气藏形成和保存相关的信息[1－8］，开展油气田水化学特征研究对分析评价油气藏的形成、分布规律和保存条件，指导油气勘探开发具有重要意义。

川西坳陷位于四川盆地西部，陆相层系中油气显示普遍，纵向上发育上三叠统、中上侏罗统等多套含气层段。其中，中、上侏罗统蓬莱镇组和沙溪庙组为该区主力含油气层系，天然气主要来自下伏上三叠统须家河组暗色含煤泥页岩，属于典型的远源次生气藏[9－11］。由于侏罗系地层具较高泥地比，且泥岩致密化程度较高，通过扩散作用向上运移的天然气量非常有限，来自须家河组的天然气需要通过沟通上三叠统烃源岩和侏罗系储层的烃源断层向上运移，并在侏罗系的有利砂体中聚集成藏[12－14］。早期观点认为侏罗系气藏主要分布在断层附近的构造高部位，凹陷、斜坡区以产水为主[10］。但是，随着川西地区勘探开发工作的不断推进，在成都凹陷低洼、斜坡地带的什邡、广汉、金堂等地区取得了天然气勘探的重大突破，一方面证实研究区侏罗系发育大面积岩性圈闭气藏，另一方面表明侏罗系气藏内无统一气水界面，气水关系复杂。前人针对川西地区陆相地层水开展了一系列的研究工作，分析了地层水的纵向变化特征，探讨了地层水成因及水岩作用机制[15－18］。但是，这些研究主要集中在新场构造带上三叠统须家河组，对于凹陷、斜坡区侏罗系地层水尚未开展系统、深入的研究，且有关地层水化学与次生气藏形成、分布等方面的认识还不够深入。本文以川西坳陷侏罗系地层水为主要研究对象，通过分析地层水化学性质垂向、平面分布规律，并结合水—岩作用特征、构造发育及油气水分布情况，系统研究了地层水成因以及与油气分布的关系，为川西侏罗系次生气藏成藏机理及成藏主控因素研究提供了新的思路。

1 地质背景

川西坳陷位于扬子地块西北缘，西邻龙门山造山带，向外过渡到松潘—甘孜褶皱带，北东与昆仑—秦岭东西向构造带相接，南抵峨眉、乐山，向南过渡到康滇南北向构造带，东连川中隆起，大致呈北东向延伸(图1)。根据边界断裂、构造特征及位置，可以将川西盆山构造划分为松潘—甘孜褶皱带、龙门山推覆构造带和川西前陆盆地。其中，川西前陆盆地又可分为前陆隐伏冲断带、前陆坳陷带以及前陆隆起带[19］(图1)。研究区位于川西前陆坳陷带中段，呈现“三隆两凹一坡”的构造格局，即龙门山前构造带、新场构造带、知新场构造带、成都凹陷、梓潼凹陷和中江斜坡(图1)。

图1 川西前陆盆地构造背景[19－20］Fig.1 Location and tectonic settings of Western Sichuan Foreland Basin

区内断层均为逆断层，以NE、NNE、NEE方向为主(图1)，其中关口断层、彭县断层、龙泉山断层、马井断层和新都断层是区域性的控制断层，对川西地区中浅层次生气藏的形成起到关键作用。

川西坳陷沉积了巨厚的上三叠统—白垩系陆相地层，自下而上包括上三叠统须家河组(T3x)，下侏罗统白田坝组(J1b)，中侏罗统千佛崖组(J2q)、下沙溪庙组(J2x)和上沙溪庙组(J2s)，以及上侏罗统遂宁组(J3sn)和蓬莱镇组(J3p)[20］。其中，中、上侏罗统沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组为该区主力含油气层系，已经建成孝泉、新场、合兴场、马井—什邡、新都—洛带等多个大、中型气田，提交探明储量超过4 000×108m3。

2 地层水地球化学特征

2.1 主要离子组成及矿化度

根据518口井地层水资料统计分析，川西坳陷侏罗系地层水总矿化度(TDS)主要为12～30 g/L，平均23 g/L，明显低于上三叠统须家河组地层(表1)，总体具有较低矿化度的特点。pH值为6～6.5，平均6.28，在坳陷内部以弱酸性地层水为主。

川西坳陷侏罗系地层水阳离子主要有K+、Na+、Ca2+、Mg2+，阴离子主要包括 Cl－、HCO3－(表1)。阳离子含量顺序为Na+＞Ca2+＞K+＞Mg2+，Na+离子占绝对优势，平均含量7 002 mg/L;阴离子含量顺序为Cl－＞＞HCO3－＞，Cl－离子占绝对优势，平均含量12 327 mg/L。除和离子外，其它离子含量均低于下伏须家河组(表1)。

表1 川西坳陷侏罗系及上三叠统地层水化学特征Table 1 Chemical compositions of Jurassic and Upper Triassic formation waters，Western Sichuan Depression

图2 川西坳陷中、上侏罗统地层水水型直方图Fig.2 Histogram showing types of Middle and Upper Jurassic formation waters in Western Sichuan Depression

表2 川西侏罗系地层水离子系数统计Table 2 Ionic ratios of Jurassic formation waters in Western Sichuan Depression

总体上，侏罗系地层水以 CaCl2型为主(图2)，显示地层水封闭条件相对较好。其中，上侏罗统蓬莱镇组见较多Na2SO4型地层水，特别在新场、孝泉地区以Na2SO4型地层水为主，矿化度中等偏低(表1，图2)，反映其相对开放的地层水环境。

地层水离子参数可以反映地层水所处的水文地球化学环境和水岩相互作用的强度。其中，钠氯系数可以反映地层水的浓缩变质程度，脱硫系数可以表征脱硫酸作用的程度，变质系数可以说明水岩作用的强度和离子交替置换的程度。钠氯系数、脱硫系数越小，变质系数越大，表明地层水封闭性越好。川西侏罗系地层水钠氯系数一般为0.5 ～0.75，变质系数为18 ～75，脱硫系数为0 ～0.28(表2)，总体上属于原始沉积—变质水，油气保存条件较好。

2.2 地层水化学垂向分布特征

地层水在形成演化过程中受到大气水下渗、泥岩及黏土矿物压实脱水等淡化作用、水岩反应与蒸发、渗滤等浓缩作用的共同影响[1］。多种因素的共同作用导致地层水化学在垂向和平面上表现出明显的垂直分带性和平面分区性。

对应川西坳陷弱形变区的成都凹陷，中等形变区的孝泉—新场以及强形变区的合兴场、知新场、龙门山前构造带，侏罗系地层水矿化度、主要离子浓度随深度增加有3种变化类型。

2.2.1 成都凹陷区

中侏罗统沙溪庙组地层水具有较低的矿化度(表1，图3)。成都凹陷地层水矿化度的垂向变化特征与通常浅层受大气淡水影响较大而具有较低矿化度的规律不相一致，一方面表明该区蓬莱镇组受大气水下渗淡化作用影响较小，另一方面说明该区沙溪庙组相对较低的地层水矿化度与地表渗入水关系不大，而是主要与黏土矿物大量脱水淡化有关。离子表现出随埋深增大先变大再减小的趋势(表1，图3)。总体上，沙溪庙组地层水离子浓度明显低于蓬莱镇组。埋深小于500 m井段，由于大气水下渗以及泥岩压实排水淡化离子浓度较低;随着埋深和温度的增大，脱硫作用减弱，从而导致离子浓度增加;埋深大于2 000 m时，由于硫酸盐还原作用离子浓度降低，一般低于500 mg/L。Ca2+离子含量具有随埋深增大而增大的特点(表1，图3)。地层水水型统计显示沙溪庙组地层水几乎均为CaCl2型，蓬莱镇组则见较多Na2SO4型地层水(图2)。川西地区烃源岩主要分布在下伏须家河组地层中。须家河组，特别是须五段有机质成熟过程中产生的酸性流体可能进入邻近的中下侏罗统地层中，从而导致地层中碳酸盐矿物的溶解以及地层水中Ca2+浓度的增加。与上侏罗统蓬莱镇组和遂宁组比较，中侏罗统沙溪庙组具有明显较低的碳酸盐矿物含量(表3)，与地层水中Ca2+离子含量的变化趋势是一致的。HCO－3含量随埋深增加变化不明显(表1，图3)。

2.2.2 孝泉和新场地区

侏罗系地层水总矿化度随埋深增加呈现增大的趋势，即中侏罗统地层水矿化度高于上侏罗统(表1，图3)。其它离子垂向分布规律与成都凹陷区基本相同。

2.2.3 合兴场、知新场及龙门山前地区

图3 川西坳陷侏罗系地层水化学特征垂向分布Fig.3 Plots of TDS，，Ca2+，and HCO3－versus depth for Jurassic formation waters in Western Sichuan Depression

表3 川西坳陷侏罗系砂岩全岩及黏土X射线衍射分析结果Table 3 X-ray diffraction results of Jurassic sandstones and clay samples，Western Sichuan Depression

侏罗系地层水总矿化度随埋深增加呈现增大的趋势，且增大幅度明显(表1，图3)。中侏罗统沙溪庙组地层水的矿化度总体较高，平均大于35 g/L(表1)。这些地区位于构造形变强烈地区，断裂非常发育且多为通天断层(图1)，但沙溪庙组地层水并没有表现出低矿化度的特征，说明这些地区中侏罗统沙溪庙组受地表渗入水的影响较小，地层水封闭性较好，同时也表明可能存在深层矿化度较高的地层水的上侵。这些地区沙溪庙组地层水离子浓度极低，普遍低于20 mg/L，与须家河组二段、四段地层水近似(表1)，同样证实可能有深部地层水的加入。上侏罗统蓬莱镇组地层水与中侏罗统差别较大，具有较高的、HCO3－离子浓度，与须家河组五段相似(表1)，而与须四段和须二段地层水差异较大，说明上侏罗统地层水受深部地层水影响较小。地层水HCO3－含量随深度增大呈现降低的趋势，可能与这些地区发育的通天断层有关，断层开启导致地层压力下降，方解石等自生矿物沉淀，HCO3－浓度降低。

2.3 地层水化学平面分布特征

总体上，地层水矿化度、Na+和 Cl－浓度表现出与构造一致的特点，即构造位置较低的凹陷区具有相对较高的地层水矿化度(图4)。同时，地层水矿化度和主要化学组分浓度又受断裂系统控制，表现出断层越流淡化地层水的特征。其中，蓬莱镇组矿化度较低的地层水主要分布在构造位置较高或邻近烃源断层的马井、什邡、新场、新都地区，表明这些地区上侏罗统地层水受大气水下渗淡化作用影响，同时中下侏罗统和须五段黏土矿物转化析出的大量层间水沿断层上涌也会导致地层水的淡化;沙溪庙组矿化度较低的地层水主要分布在马井、新场、孝泉、高庙子、中江地区，同样表现出断层附近矿化度降低的趋势。但是，在形变强度大、断层非常发育的合兴场、知新场、龙门山前等地区，由于断层可能沟通深部高矿化度的地层水，造成这些地区地层水具有较高的矿化度。坳陷东坡回龙地区沙溪庙组砂体多呈北东—南西或南北向展布，砂体与西部龙泉山断层近于平行，须五段黏土矿物转化析出的低矿化度层间水无法沿断层进入砂体，该区以越流—蒸发泄水、浓缩为特征，矿化度和离子浓度明显高于其他地区。

HCO3－浓度在平面上的分布特征与矿化度相反，构造位置较高或断层较发育的孝泉、新场、马井等地区地层水具有较高的HCO3－浓度(图5)。凹陷带烃源岩中心须家河组五段湖相泥岩随着有机质热演化和脱硫作用，产生CO2，CO2溶解于水导致HCO3－浓度的增加。具较高HCO3－浓度的地层水沿断层上涌，在断层附近形成了HCO3－浓度的相对高值区。一般来说，凹陷周缘构造较高区域为大气水下渗向心流淡化区。由于大气水的渗入淡化以及地层压力降低导致的方解石等自生矿物沉淀，这些地区通常具有较低的HCO3－浓度[21］。研究区新场、合兴场等地区蓬莱镇组却没有表现出此特征，反映这些地区上侏罗统仍然处于相对封闭的地层水环境。凹陷内部温江、郫县地区尽管位于生烃中心，但是由于断层欠发育，来自须五段有机质热演化及硫酸盐还原形成的HCO3－无法上侵进入中侏罗统，导致这些地区沙溪庙组地层水呈现弱碱性且HCO3－浓度较低。该区上侏罗统蓬莱镇组地层水同时具有较高的矿化度和HCO3－浓度(图4，5)，反映HCO3－浓度与地层中碳酸盐矿物的溶解有关。位于龙泉山东、西2条大断层所夹持的合兴场、知新场地区，中侏罗统沙溪庙组地层水矿化度较高(图4)，地层水离子系数也显示其封闭性较好(表2)，其中较低的HCO－3浓度可能与地层压力降低导致的碳酸盐矿物沉淀有关。

图4 川西坳陷沙溪庙组、蓬莱镇组地层水矿化度平面分布Fig.4 Distribution of total dissolved solids(TDS)of formation waters in Shaximiao and Penglaizhen Formations，Western Sichuan Depression

图5 川西坳陷沙溪庙组、蓬莱镇组地层水HCO3－浓度平面分布Fig.5 Distribution of HCO3－concentration of formation waters in Shaximiao and Penglaizhen Formations，Western Sichuan Depression

图6 川西坳陷上三叠统及侏罗系地层水氘、氧同位素关系Fig.6 Cross plots of D and18O of Upper Triassic and Jurassic formation waters in Western Sichuan Depression

2.4 地层水同位素特征

川西坳陷侏罗系地层水同位素分析结果表明，侏罗系地层水具有相似的同位素组成(图6)氘同位素 δDSMOW值，为 －79‰ ～ －48‰，平均 －62.0‰，氧同位素δ18OSMOW值为 －9.8‰ ～ －1.5‰，平均 －4.97‰，氘、氧同位素呈现较明显的线性关系，且与大气降水线相交(图6)，反映地层水具有典型大气淡水来源特征，与海水来源地层水差异较大，这与研究区侏罗系地层的总体陆相沉积背景是一致的。对地层水来说，其受大气降水的影响越大、时间越晚，氘、氧同位素距大气降水线(δD=8δ18O+10)越接近[16，21］。研究区地层水同位素组成数据显示，自上三叠统到中上侏罗统，地层水氘、氧同位素逐渐变轻，并与大气降水线逐渐接近，反映大气淡水的影响在不断增加。总体上，侏罗系地层水样品点位于大气降水线右边，介于大气降水线和须家河组样品点之间，且δ18O值普遍低于－2‰，表现出原始地表来源水与深部须家河组地层水的混合以及一定程度的水—岩反应，地层水整体封闭性较好。

3 地层水化学特征与油气藏关系

3.1 侏罗系地层水处于封闭的流体动力环境

川西坳陷侏罗系气藏属于典型的远源次生气藏，来自须家河组的天然气需要通过沟通须家河组烃源岩和侏罗系储层的烃源断层向上运移，并在侏罗系的有利砂体中聚集成藏。因此，断层的输导对地层水及天然气的运移具有关键控制作用。断层一方面可以作为油气运移的通道，另一方面断层断开层位新或通天，也会造成保存条件变差。

川西侏罗系地层水以CaCl2型为主，地层水钠氯系数一般为0.5～0.75，变质系数为18～75，脱硫系数为0～0.28，总体上属于原始沉积—变质水，地层水封闭条件较好，有利于油气的聚集和保存。地层水氘、氧同位素数据也显示地层水整体封闭性较好。此外，不同地区、不同层系地层水的流体动力环境存在差别，中侏罗统地层水的封闭性好于上侏罗统，凹陷和断层不发育地区的地层水封闭性好于隆起和断层发育区(表1，2，图2)。相对而言，新场构造带上侏罗统受大气降水影响较大。但是，研究显示造成该区上侏罗统地层水低矿化度的原因主要有3个，包括:(1)大气水下渗淡化;(2)须家河组五段湖相泥岩黏土矿物转化析出的大量层间水沿断层上涌;(3)相对较弱的水—岩相互作用。因此，研究区较低的地层水矿化度并不一定意味着气藏的破坏。例如新场构造带新浅102井，蓬莱镇组地层水矿化度2.5 g/L，Na2SO4水型，钠氯系数1.21，脱硫系数 0.61，变质系数 －5.88，根据通常的标准属于相对开放的流体动力环境，不利于油气的聚集与保存，但该井加砂压裂测试获得8.05×104m3/d的工业气流，实测地层压力系数1.24，均表明其较好的封闭条件。

3.2 较低矿化度、较高HCO－3离子浓度地层水与气藏分布密切相关

地层水作为油气运移、聚集的重要载体，其水型、矿化度、离子特征与油气藏的形成分布密切相关。一般来说，油气的运移、聚集与离心流及其末端的越流泄水区紧密相关[3］。具有较高矿化度、K+、Na+、Cl－浓度和盐化系数以及较低HCO－3浓度的汇合越流浓缩区位于流体汇合和地下水泄水区域，有利于油气的聚集和大型油气田的形成。在断层发育、地层较为破碎的大气水下渗淡化区，地层水矿化度、Cl－浓度较低，而HCO－3浓度较高，油气保存条件较差，总体上不利于油气的聚集和保存。因此，矿化度升高的方向一般也是油气运移、聚集的方向。中国目前发现的大部分油气田，如吐哈盆地、塔里木盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、准噶尔盆地等地油气藏的分布均遵循此规律[2，22－24］。鄂尔多斯盆地则表现出相反的特征，气藏内部未见高矿化度地层水[25－26］。王运所等[25］根据烃源岩演化程度与地层水矿化度以及气藏分布的关系研究提出，现今鄂尔多斯盆地上古生界气藏含气边界与山西组二1煤Ro为1.25% ～1.4%等值线一致;Ro＜1.25%的区域，地层温度低于140℃，原始地层水未经“汽化”过程，地层以含水为主，地层水矿化度大于40 g/L;Ro＞1.25%的区域对应气藏分布区，地层古温度超过140℃，地层水经历“汽化”的过程，导致大部分盐离子析出，地层水矿化度小于40 g/L。

与中国大部分油气田不同，川西坳陷侏罗系气藏主要分布在矿化度小于30 g/L，HCO－3浓度大于300 mg/L的区域(图4，5)，与鄂尔多斯盆地相似。但是，鄂尔多斯盆地上古生界气藏具有源储大面积直接接触，近源、短距离运聚的特点，而川西侏罗系气藏则属于典型的下生上储远源次生气藏，来自下伏须家河组的天然气需要通过沟通烃源的气源断层向上运聚成藏。气藏类型及成藏机理的差异导致这2个地区低矿化度地层水具有不同的成因。

4 结论

(1)川西侏罗系地层水矿化度较低，以CaCl2型为主，其中上侏罗统蓬莱镇组见较多Na2SO4型地层水，结合地层水离子系数，表明侏罗系气藏总体上具有较好的保存条件。

(2)对应川西坳陷弱、中等、强形变三类区，侏罗系地层水矿化度、主要离子浓度随深度增加有3种变化类型。弱形变区中侏罗统沙溪庙组相对较低的地层水矿化度主要与黏土矿物大量脱水淡化有关。在中等及强形变区，侏罗系地层水总矿化度随埋深增加呈现增大的趋势，且强形变区增大幅度明显。强形变区中侏罗统地层水则具有明显较高的矿化度离子浓度极低，显示存在深部三叠系流体通过大断层的沟通向浅部侏罗系的越流。

(3)平面上，地层水矿化度、主要离子浓度总体表现出与构造一致的特点，即构造位置较低的凹陷区具有相对较高的地层水矿化度。同时，地层水矿化度和主要化学组分浓度又受断裂系统控制，表现出断层越流淡化地层水的特征。构造位置较高或邻近烃源断层的地区，侏罗系地层水受大气水下渗淡化作用和须家河组五段湖相泥岩黏土矿物脱水淡化作用影响，且随着埋深的增大，后者的影响程度不断增强。烃源断层不发育地区，须五段黏土矿物转化析出的低矿化度层间水无法沿断层进入砂体，地层水矿化度和离子浓度明显高于其它地区。

(4)与中国大部分油气田不同，川西坳陷侏罗系次生气藏主要分布在矿化度小于30 g/L，HCO－3浓度大于300 mg/L的区域。下伏须家河组五段黏土矿物转化析出的大量低矿化度层间水与有机质热演化和硫酸盐还原作用形成的烃类和CO2气体，在断层沟通下上涌进入侏罗系储层，导致低矿化度、高HCO－3浓度地层水的分布范围与气藏分布具有较好的一致性。在断层欠发育地区，地层垂向连通性差，侏罗系次生气藏难以形成，且地层水具有较高的矿化度和较低的HCO－3浓度。

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