湘中坳陷XY－1井地层水化学特征及水型变化原因分析

彭 柳，张婷婷，靳雅夕，田 佳，袁 艺，陈 磊

（1．中国石化华东分公司石油勘探开发研究院，江苏扬州225007；2．中国石化华东分公司采油厂）

地下水是地下流体的重要组成部分，其地球化学性质是地质体演化过程的记录与结果，地下水的地球化学性质与油气的运移、聚集和油气藏的破坏存在密切的关系［1－2］。从20世纪30年代，Sulin等人系统地提出将地层水分为4种基本类型（NaHCO3、Na2SO4、MgCl2、CaCl2）［3］。通过对现今地层水化学特征的分析，可以反映油气藏形成和保存的历史，为油气勘探提供重要的信息［4－5］。我国南方海相地层自印支运动以来遭受多次破坏与改造，油气保存条件是南方海相油气勘探的关键［6］。

XY－1井是湘中坳陷的一口页岩气井，通过压裂改造前注入CO2等手段，已在目的层段试气点火成功。在该井排采过程中发现，地层水水型由氯化钙型转变成了碳酸氢钠型。本文研究了XY－1井排采产出的地层水化学特征，根据钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数、氯镁系数、矿化度和水型来判断水文地质条件和封闭状况，进而判断油气的保存条件。

1 地层水化学组成特征

1．1 地层水主要化学成分及水型

地层水的无机组成包括常量组分和微量组分。在常规水分析资料中，常用 Na＋（K＋）、Ca2＋、Mg2＋和Cl－、SO42－、HCO3－（CO32－）等6个阳、阴离子，代表常量无机组成。这些离子可以反映地层水的来源并能指示封闭的沉积环境，如HCO3－反映的是一种氧化环境，Cl－则反映的是一种还原环境［7］。为了利用地层水化学特征研究XY－1井的保存条件，在XY－1井采取了水样进行分析，水质分析和水型分类方法参照SY／T5523－2006《油田水分析方法》执行水质分析结果见表1。

从表1可知，XY－1井的地层水主要化学成分具有以下特点：①矿化度较高，远远高于现代河水矿化度值。在排采初期矿化度下降较快，后期日趋平缓。②主要阴离子中，Cl－含量最高，HCO3－次之，SO42－最小。Cl－含量低于海水值，SO42－含量远低于海水，HCO3－含量总体高于海水，最高可高达14倍。③主要阳离子中，Na＋（K＋）含量最高，Ca2＋次之，Mg2＋最小，排采初期Ca2＋是海水中的2～3倍，后期下降较快，Mg2＋含量也呈下降趋势。④排采初期地层水为氯化钙型，之后转变为碳酸氢钠型，而现今海水为氯化镁型。

1．2 地层水的矿化度

由表1可知，XY－1井地层水矿化度较高，基本都在10 000 mg／L以上，属于强咸水。淡水矿化度一般低于1 000 mg／L，现代河水平均组成矿化度为98 mg／L［9］。排采出的地层水受地表淡水影响的可能性较低。排采初期矿化度快速降低可能与CO2消耗大量Ca2＋、Mg2＋生成碳酸盐化合物有关。

1．3 地层水的主要离子比例系数

只利用地层水矿化度及水型对环境条件的判断，尤其是对油气运聚、保存环境条件的判断会存在一定的偏差，因此还应结合离子比例系数进行综合判断。离子比例系数相对于矿化度及水型更具有继承性，能真实地反映地层水的运移、变化及其赋存状态。目前，运用最多的离子比例系数有钠氯系数（rNa＋／rCl－）、脱硫系数（rSO42－×100／rCl－）、碳酸盐平衡系数（［rHCO3－＋rCO32－］／rCl－）、氯镁系数（rCl－／rMg2＋）等［8－11］。XY－1井地层水主要离子比例系数见表2。

表1 水质分析结果

表2 主要离子比例系数

钠氯系数（rNa＋／rCl－）是地层封闭性、地层水变质程度和活动性的重要指标，属于环境指标。现代海水中此值为0．87，地下水的钠氯系数若小于此值，表明发生了浓缩变质作用，代表保存条件好；反之，为保存条件差［11－12］。XY－1井地层水钠氯系数在排采初期低于0．87，表明保存条件良好。

rSO42－×100／rCl－值为脱硫系数，该值越小，表示地下水脱硫作用越强，处于还原环境，保存条件好，地层水中SO42－和Cl－的变化直接影响脱硫系数的变化［13］。XY－1井脱硫系数较低，均低于现今海水平均值。

［rHCO3－＋rCO32－］／rCl－值为碳酸盐平衡系数。该值越小，表明保存条件越好，越靠近油气藏［13－14］。XY－1井地层水碳酸盐平衡系数较低，均低于现代河水。

rCl－／rMg2＋值为氯镁系数，该值越大表明地层水封闭条件越好，浓缩变质程度越强。XY－1井地层水氯镁系数最小为4．46，最大为20．50，说明其保存条件良好。

研究表明，地层水矿化度、水型的变化与油气保存有着密切关系。矿化度、氯镁系数大，钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数小，地层水处于交替停止带，则有利于油气保存［15］。综合各离子比例系数可以看出，现今XY－1井地层水总体处于封闭环境，地层封闭条件较好，形成一种与外界隔绝的还原环境，这为油气聚集创造了一个良好的环境。

2 地层水的水型变化原因分析

从表1可知，XY－1井地层水在排采过程中发生了水型变化，由之前的氯化钙型转变为碳酸氢钠型。数据分析表明，地层水中Ca2＋、Mg2＋都呈下降趋势，HCO3－先降后升，碳酸盐平衡系数在后期明显升高。这可能与注入的CO2有关。

地层水中的HCO3－一般来源于成岩过程中有机质分解的CO2［11］，注入的CO2溶于地层水也会形成 HCO3－。

XY－1井在压裂施工前向地层注入了一定量的CO2，在地层条件下CO2溶于地层水，并发生了复杂的化学反应，消耗大量Ca2＋、Mg2＋，同时生成了新的HCO3－，进而引起水型的转变。

为了进一步分析注入CO2是否对水型变化产生影响，将水质分析数据进行重新处理。忽略水中的HCO3－，利用差减法计算Na＋，重新计算钠氯系数和水型（表3）。从表3、图1可知，忽略掉水中HCO3－的影响，水型仍为氯化钙型，与转变前的水型一致（表1）。数据分析表明，地层水矿化度较高，地层水的水型变化可能主要受注入CO2影响，而不是沟通地表淡水所引起。

表3 水型重新处理结果

图1 钠氯系数和水型变化

3 结论与建议

（1）XY－1井地层水矿化度较高，属于强咸水；主要阴离子中Cl－含量最高；主要阳离子中Na＋（K＋）含量最高；排采初期地层水为氯化钙型，之后转变为碳酸氢钠型。

（2）XY－1井地层水矿化度、氯镁系数大，钠氯系数、脱硫系数、碳酸盐平衡系数小，地层水处于交替停止带，总体处于封闭环境，地层水化学特征表明地层封闭条件较好。地层水的水型变化可能主要受注入CO2影响，而不是沟通地表淡水所引起。

（3）本文从地层水化学特征角度研究了XY－1井的保存条件，对于整体封闭保存条件研究，还需评价区域性盖层和受其控制的侧向水动力封闭系统所组成的立体式封闭体系，通过“源－盖”匹配关系研究，进一步确定盖层封盖油气的动态有效性。

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