川西坳陷新场气田须二气藏地层水成因研究——水化学和锶同位素证据

山俊杰,毕有益,邓美洲,严焕榕,周小荣,郑 艳,3

(1. 中国石化西南油气分公司 勘探开发研究院, 四川 成都 610041; 2. 中国石化西南油气分公司 博士后工作站, 四川 成都 610041; 3. 中国石化西南油气分公司 地质中心实验室, 四川 成都 610081)

在沉积盆地中,地层水与油气共存于地下岩石的孔隙或裂隙中,是油气生成的参与物,特别是油气运移、聚集及成藏等有关的物理、化学过程,都是在地层水介质内发生的,其蕴含着丰富的成岩、沉积、成藏等信息(Wells and Price 2015; 周新平等, 2021)。盆地演化过程中不管是岩石的胶结与溶蚀,还是有机质降解反应及其混合作用等,都会有地层水提供载体和动力,而这些作用过程和油气聚集都有着密不可分的联系(康保平等, 2018)。另外,地层水是影响气田产能开发的重要因素之一,气井遇水会降低储层气相渗透率,从而导致气产量迅速下降,严重制约单井产能的提高(史洪亮等, 2016)。因此地层水的深入研究,不仅对于厘清油气运移、聚集和保存规律具有重要的实际意义,同时可为气藏勘探开发提供重要的理论依据。

川西坳陷自20世纪80年代末陆续发现7个气田后,成为四川盆地主要的天然气生产基地(段永明等, 2016)。须二气藏作为新场气田深部最重要的天然气产层,至今已有近20年的勘探开发历程,在地层水水化学分带(汪珊, 2003)、地层水与岩石相互作用(沈忠民等, 2011)、地层水矿化度分布与气藏保存(吴浩等, 2012; 邓大平, 2015)、地层水-气横纵向变化(李进山等, 2012)、地层凝析水地球化学(尚长健等, 2015; 陆正元等, 2015)等方面均有了有益的研究成果。须二气藏地层水仍存在以下几个问题: ① 储集层致密化严重(孔隙度平均值均<5%,渗透率平均值<1×10-3μm2),含水饱和度较高(宫亚军等, 2010); ② 水赋存层段多,含水系统地层水发生过多期次跨层运动,并且长期气水同产,产出水的化学性质有较大差异(黎华继等, 2015); ③ 埋藏深度大(>3 500 m),水体赋存状态与空间分布规律不清(王翘楚, 2018)。在过去的几十年中,学者们围绕以上问题在该气藏进行了大量的科学研究。

随着须二气藏新井投产和不断的滚动开发,之前的实验结果已经不能反映目前气藏地层水的实际情况,并且之前已有的研究对须二气藏地层水的物质来源本来就存在着一定争议,为此,本文以川西坳陷新场气田须二气藏钻井地层水为研究对象,在整理长期监测的钻井地层水水化学数据基础上,利用锶同位素(87Sr/86Sr)受到温度、压力、微生物作用等发生分馏较弱的特征(Fanetal., 2018),对须二气藏地层水进行了主微量元素和锶同位素组成特征方面的系统性分析,深入探讨了须二气藏地层水水岩相互作用、物质来源及成因,以期更有效地为该气藏稳水采气和赋水层位预测提供理论依据和技术支撑。

1 区域地质概况

四川盆地作为一个多旋回的复合沉积盆地,是扬子板块中一个重要的次级构造单元(邓煜霖等, 2018; 詹宏宇等, 2023; 李宸等, 2023)。川西坳陷位于四川盆地西部,其面积约4×104km2,呈北东向展布。川西坳陷西邻龙门山推覆构造带,东靠川中隆起区,主要受这两个区带的控制和影响,形成了一系列大致平行的构造和断裂,其中尤其西侧龙门山推覆构造带对川西坳陷的影响最为明显(图1a)。自印支期至喜山期,由于盆地经历了不同方向、多期次的应力挤压(刘成川等, 2020),堆积了较厚的陆源碎屑岩(约5 km),使得川西坳陷成为盆地内碎屑岩气田发育的有利地区(李忠平, 2014)。

图1 川西坳陷构造单元分布(a)、研究区示意图(b)及地层综合柱状图(c)[据陈洪德等(2021)修改]Fig.1 Structural map of Western Sichuan Depression (a), study area(b) and composite stratigraphic column of the Xujiahe Formation in Western Sichuan Depression (modified by Chen Hongde et al., 2021)

根据构造演化特征可将川西坳陷划分为龙门山前构造带、新场北东向构造带、知新场南北向构造带、梓潼凹陷、成都凹陷和中江斜坡(图1a)。研究区新场气田处于川西坳陷新场构造带中部,整体呈NEE向长轴复式背斜 (图1b),构造控制着气藏的聚集和运移,对勘探开发有着深远的影响。

2 样品采集与分析

须二气藏作为新场气田深部最重要的天然气产层,自2000年10月第一口勘探井获得高产(测试获得151×104m3/d的无阻流量)后,拉开了新场气田须二气藏勘探开发的序幕。在须二气藏不断的滚动评价及工艺试验和评价建产的研究基础上,本文依据最新生产动态特征,剔除了凝析水、返排率低等不利因素,整理了11口生产井的水化学数据。

3 结果

3.1 水化学组成

表1 研究区地层水样品的水化学、锶同位素组成特征Table 1 The hydrochemical compositions, Sr isotopes of formation water in the study area

3.2 锶同位素组成

本次研究共分析了9件地层水样品的锶同位素组成(表1),它们的87Sr/86Sr值分布在0.715 27～0.721 77之间,平均为0.720 07。从结果来看,所测地层水锶同位素组成较为接近。

4 讨论

4.1 水化学特征

图2 川西须二气藏地层水的Na+和Cl-含量对数分布图(a)、Cl-和Br-对数分布图(b) (据Carpenter, 1978) Fig.2 Logarithm distributions of Na+ and Cl- content (a), Cl-and Br- content in formation water of Xu2 gas reservoir in Western Sichuan(after Carpenter, 1978)A—海水; B—石膏沉淀; C—石盐析出; D—泻利盐沉淀; E—钾石盐沉淀A—means seawater; B—means precipitation of gypsum; C—means precipitation of halite; D—means precipitation of epsomite; E—means precipitation of sylvite

值得关注的是,须二气藏地层水微量元素Br、Sr具有较高的离子含量(平均含量分别为1 164.74 mg/L、1 218.33 mg/L)。微量元素Br一般不独立成矿,主要以离子形式存在,难溶于硅质岩石中(孔维刚等, 2021),常随卤水蒸发浓缩富集在残留液中,另一部分Br以类质同象形式置换矿物中的Cl,形成具有更高Br含量的盐类矿物,如氯化钾和水氯镁石。而Sr2+由于离子半径稍大于Ca2+,碳酸盐、硫酸盐、长石和其他造岩矿物中的Ca容易被Sr以类质同象的方式替代。相比较于海水(陈郁华, 1983),不难发现须二气藏地层水Br-、Sr2+的含量均远远高于海水,显然具有富Br-、Sr2+的特征。Sr2+含量与Br-含量在研究区的分布规律高度相似(图3,R2=0.68),证明两个元素之间可能经历过类似的水岩相互作用,指示二者具有相似的物质来源。

图3 川西须二气藏地层水Br-和Sr2+含量关系图Fig. 3 Br- and Sr2+ concentrations plots of Xu2 formation water in Western Sichuan

海水在蒸发浓缩过程中,Cl作为溶液中稳定的组分,受到吸附、沉淀等作用的影响较小,因而当卤水与淡水相混合时,其离子间的系数比值会有规律地演化。研究区具有相对较高的n(Na)/n(Cl)值(0.68～0.99)和100n(Br)/n(Cl)值(5.93～13.42),反映出地层较好的封闭性和地层水富溴的特征。另外,从研究区地层水投点与海水蒸发轨迹线来看,地层水投点均落在海水蒸发线的石膏沉积阶段之下(图2),这与须二段地层岩性以砂泥岩互层为主、未见硫酸盐岩等蒸发岩的沉积特征一致(图1)。研究区地层水落在Na/Cl海水蒸发线(SET)(图2a)与Br/Cl海水稀释线和淡水稀释线(图2b)附近,说明研究区地层水可能受到海水和淡水淡化稀释的影响。但是往往如此高含量的Br地层水可能不仅仅是蒸发浓缩作用的结果,更有可能跟深部地层水与沉积物有机质或岩石长期地相互作用有着密切相关。

4.2 水岩相互作用特征

Davisson和Criss(1996)通过对全球沉积盆地流体的研究,发现水岩相互作用造成流体中阳离子Na+、Ca2+之间的线性关系发生变化,提出Ca富集和Na亏损的盆地流体线(BFL, basinal fluid line):

Caexcess=0.967 Nadeficit+140.3(R=0.98)

(1)

并且建立了Ca富集和Na亏损的关系式:

Caexcess=(2/40.08) [Cameans-(Ca/Cl)swClmeans]

(2)

Nadeficit=(1/22.99)[(Na/Cl)swClmeans-Nameans]

(3)

式中,sw代表海水的离子含量(mg/L),means代表测得地层水的离子含量(mg/L)。地层水的阳离子相较于海水的亏损与富集关系能预测水岩相互作用的过程。根据公式(1)可得,盆地流体线斜率接近于1,代表钠长石化过程中Ca2+和Na+发生交换。由图4可知,研究区的地层水表现出相对Ca富集和Na亏损的特征,那么 Ca的富集可能与砂岩储层中以方解石和白云石为主胶结物的自生成岩矿物的溶解有关。另外,沈忠民等(2011)在研究区通过扫描电镜发现钠长石的存在,同时也证实了钙长石的钠长石化会造成Na亏损和Ca富集,关系式如下。

图4 川西须二气藏地层水Caexcess和Nadeficit关系图 (据Davisson and Criss, 1996)Fig. 4 Caexcess and Nadeficit plot of Xu2 formation water in Western Sichuan (modified by Davisson and Criss, 1996)

CaAl2Si2O8+4 SiO2+2 Na+→2 NaAlSi3O8+Ca2+

(4)

上文中已经提到研究区地层水在海水蒸发轨迹线上的投点均落在石膏沉积阶段之下,并且陈郁华(1983)的海水等温蒸发实验表明,当海水浓缩的Br-含量达到1 164.74 mg/L时,对应的浓缩阶段为泻利盐开始沉积阶段(矿化度为340.95 g/L)。显然研究区地层水较高的Br-含量和低TDS不符合这一特征。根据Edmunds(1996)研究分析,发现有机质对溴元素起到了富集的作用,并且溴会随着成岩演化阶段进入地层水。另外,沈忠民等(2010)调研得出泥岩在异常高压状态下具有半渗透膜,在其反渗透作用下会促进地层水中离子发生交换,可以进一步改变地层水的化学成分。前人研究早已发现通过深部水岩相互作用可以获得更多的Br含量(王春连等, 2020)。综上,沉积物有机质作用和深部水岩相互作用是导致研究区富Br的主要原因。

4.3 锶同位素特征

前人对须二气藏地层水来源开展了深入研究,形成了不同的认识,目前认为须二气藏地层水的来源主要有3个: 原始地层沉积水、海相水侵入、上覆陆相水混入。陈冬霞等(2010)认为须二地层水型主要为CaCl2型,属于高封闭环境下的原生地层水,具有串珠状残留地层水的特点。而康保平等(2018)根据氢氧同位素特征等得出须二气藏地层水来源整体为海相水的侵入。由此可见,学者们对须二地层水的来源仍存在一定争议。地层水作为孔隙流体的重要组成部分,在沉积盆地的演化过程中还主要受控于地层水与岩石的相互作用,因此,诸多的影响因素造成很难判断须二气藏地层水的来源。锶同位素受温度、压力、微生物作用、蒸发作用和化学作用的影响而发生的分馏较弱,可以用来进一步约束地层水的来源,较好地解决此类问题(Tanetal., 2017; Shanetal., 2020; 朱正杰等, 2021)。

通常来说,受地幔物质的影响或参与深部循环的水体87Sr/86Sr值较低,受地壳物质的影响或与地球表面大气水溶解的水体87Sr/86Sr值较高。数据显示上三叠统海相碳酸盐岩87Sr/86Sr值范围为0.707 50～0.708 30(图5),研究区地层水87Sr/86Sr值范围为0.715 27～0.721 77(图5、表1),表明其区别于海相碳酸盐岩。由于研究区属于致密砂岩储层(平均基质孔隙度3.4%,平均基质渗透率0.07×10-3μm2)且埋深大于3 500 m(商晓飞等, 2022),大气降水无法对该地区530 m以下的地层造成影响(沈忠民等, 2011)。周训(2013)也认为该区地层水处于深埋、致密环境下,不会参与现代水的循环。综合上述讨论,排除了地表水对研究区地层水的影响,研究区地层水Sr同位素来源更符合砂岩风化特征,这也与研究区实际地层岩石学特征是一致的。将地层水投影到锶同位素组成与Sr含量及TDS分布图(图6),发现地层水具有低TDS、高Sr含量和87Sr/86Sr特征。基于以上数据和认识,地层水这种低TDS,高Br、Sr含量和87Sr/86Sr值的特征,说明了地层水Ca的富集主要与砂岩储层成岩自生矿物的溶解有关,并非由海相碳酸盐岩的溶解所致;在深部水岩相互作用下, Sr离子以类质同象的方式代替Ca离子并且获取了有机质中的Br,同时使得Br更加富集。

图5 天然地质环境样品和研究区锶同位素组成(据高旭波等, 2020)Fig. 5 Strontium isotope composition in samples from natural geological settings and study area(modified by Gao Xubo et al., 2020)

图6 川西须二气藏地层水87Sr/86Sr-Sr2+含量分布图(a)和87Sr/86Sr-TDS含量分布图(b)Fig. 6 Plots of 87Sr/86Sr-Sr2+ (a) and 87Sr/86Sr-TDS (b) of Xu2 formation water in Western Sichuan

5 结论

本文以川西坳陷新场气田须二气藏地层水为研究对象,应用水化学、锶同位素等分析手段进行了研究,获得了以下认识:

(1) 须二气藏地层水溶解性总固体(TDS)相对较低,其含量在55 166.00～122 547.41 mg/L之间,水型均为CaCl2型;Br-、Sr2+的含量分布范围分别为642.00～1 711.00 mg/L和670.00～1 780.00 mg/L,平均值分别为1 164.74 mg/L和1 218.33 mg/L。Sr2+与Br-含量在研究区的分布规律高度相似,证明两个元素之间可能经历过类似的水岩相互作用,指示二者具有相似的物质来源。

(2) 研究区地层水的Nadeficit和Caexcess关系图表现出Ca富集和Na亏损的特征,可能与砂岩储层成岩自生矿物的溶解和钙长石的钠长石化有关。沉积物有机质作用和深部水岩相互作用是导致研究区富Br的主要原因。

(3) 研究区地层水具有低TDS,高Br-、Sr2+含量和87Sr/86Sr值的特征,87Sr/86Sr值范围为0.715 27～0.721 77,表明研究区内Sr同位素非来源于海相碳酸盐岩,更符合砂岩风化特征。基于以上数据和认识,认为地层水Ca的富集主要与砂岩储层成岩自生矿物的溶解有关,而非海相碳酸盐岩的溶解所致;在深部水岩相互作用下, Sr以类质同象的方式代替Ca离子并且获得了有机质中的Br,同时使得Br更加富集。