致密砂岩气藏地层水水化学特征及其地质意义——以川西坳陷新场气田为例

山俊杰,黄仕林,毕有益,邓美洲,严焕榕,衡 勇,郑 艳

(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)

致密砂岩气作为目前天然气开发规模最大的非常规天然气资源之一,不仅在保证能源供给中扮演着越来越重要的角色,也促使更多国家揭开了致密气勘探开发的序幕。目前国内外关于致密砂岩气藏的定义没有形成统一的分类评价标准,美国在1978年将平均气相渗透率≤0.1 mD的含气储层定义为致密气藏,以此用于获得政府税收抵免;我国最新的《致密砂岩气地质评价方法,GB/T30501-2014》国家标准将覆压基质渗透率≤0.1 mD的砂岩储层划归为致密气藏,因此该类型气藏通常需要通过大规模地层压裂或者储层改造等技术措施下获得工业天然气产量(张杰, 2021)。

全球致密气资源量丰富且广泛分布,目前已发现致密气盆地大约有70个,资源量约210×1012m3(Holditch, 2006; 邹才能等, 2015)。我国的致密气分布极不均衡,主要分布在鄂尔多斯、四川、塔里木、松辽等多个沉积盆地。据统计,我国陆上致密气总资源量为21.85×1012m3,其中仅鄂尔多斯盆地上古生界资源量占总资源量的60%以上(贾爱林等, 2022)。四川盆地(中国石化探区)侏罗系沙溪庙组及三叠系须家河组作为陆上致密气资源增储上产重点的接替区,保有大量的难动用储量,具有较大的勘探开发潜力(郑和荣等, 2021; 郭旭升等, 2021),但该探区由于富集高产规律不清、气水关系复杂,仅实现了中浅层侏罗系沙溪庙组气藏效益开发。而属于深层特低孔致密砂岩的须家河组气藏,在国内外暂无可借鉴的成熟技术,面临着难动用储量规模效益开发的巨大挑战。

前人持续深化了研究区致密气富集高产规律(段永明等, 2019; 郭彤楼等, 2023)、裂缝体精细刻画(李王鹏等, 2021; 刘志远等, 2021; 刘君龙等, 2023)、气水分布主控因素(熊亮等, 2022; 衡勇等, 2022)等认识,打开了难动用储量效益开发的新局面。然而随着深入的滚动勘探开发,中浅层沙溪庙组气藏和深层须家河组气藏气井产水已严重制约了气井产能,研究区高低部均有气井产地层水,且气井到达中后期阶段普遍产水,部分井甚至因水淹而停产,已严重制约了该类气藏的效益开发。基于致密砂岩储层中地层水研究的重要性,本文整理了新场气田沙溪庙组气藏和须家河组气藏部分钻井地层水水化学数据,系统分析了研究区中浅层地层水与深层地层水之间的演化关系、地层水与油气保存特征、地层水与气藏成藏演化特征,旨在为川西坳陷致密砂岩气资源效益开发及长期稳产提供更多实证数据。

1 气藏地质概况

四川盆地是在上扬子克拉通基础上发展起来的多旋回叠合盆地(邓煜霖等, 2018; 詹宏宇等, 2023; 李宸等, 2023),油气资源较为丰富,作为我国陆上重要的含油气盆地之一,有着6亿年的漫长地质历史,总面积约为18×104km2(张道伟, 2021)。川西坳陷位于盆地西部(图1a),是晚三叠世以来形成的前陆盆地(周孝鑫等, 2015),先后经历了印支运动、燕山运动、喜马拉雅运动多期构造运动而形成现在的基本构造形态(张国印, 2019)。新场气田位于新场北东向构造带上,主要受到了晚侏罗世构造运动和喜马拉雅晚期运动两个阶段的改造而形成的构造-岩性气藏(楼章华等, 2021)。

川西坳陷紧邻龙门山前缘,晚三叠世至始新世陆相碎屑岩沉积厚度巨大,主要以河流、冲积扇、三角洲沉积为主。研究区内的地层主要为上三叠统马鞍塘组、小塘子组、须家河组,下侏罗统白田坝组,中侏罗统千佛崖组、上沙溪庙组和下沙溪庙组,以及上侏罗统遂宁组和蓬莱镇组等(图1b)。生烃能力强且烃源岩较为发育的层段为马鞍塘组、小塘子组、须家河组三段和须家河组五段,但其他层段内少量薄煤层或炭质泥岩也可贡献部分烃源。须家河组二段、须家河组四段和上沙溪庙组以砂岩储集层为主。须家河组作为盆地内陆相地层天然气产量最为丰富的储层,具有埋深大(平均埋深大于4 900 m)、特低孔、特低渗(平均孔隙度3.7%,平均渗透率0.07 mD)的特征,为典型致密储层;而沙溪庙组气藏具有埋深中等(平均埋深2 450 m)、低孔、低渗(平均孔隙度9.7%,平均渗透率0.16 mD)的特征,为致密储层(刘成川, 2007; 段永明等, 2016)。

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

2 样品采集与测试

研究对象为川西坳陷新场气田中浅层沙溪庙组气藏和深层须家河组气藏,本文收集并整理了新场气田气井返排率较高的34口气井189组地层水水化学数据,其中沙溪庙组气藏23口气井,须家河组气藏11口气井(表1)。

表 1 研究区地层水样品的水化学组成特征Table 1 The hydrochemical compositions of formation water in the study area

3 水化学组成结果

3.1 沙溪庙组气藏

剔除凝析水(矿化度小于15 000 mg/L)、受酸液影响(pH<6.5)、返排率较低(<100%)等地层水数据,选取沙溪庙组气藏23口气井101组地层水水化学数据。数据显示沙溪庙组气藏地层水矿化度分布在15 332.53～41 632.50 mg/L之间,平均值19 095.71 mg/L,大多数地层水属于咸水级别。阴阳离子以Cl-和Na+为主,含量分别为9 506.79～24 858.50 mg/L 和3 750.00～13 386.00 mg/L,平均值分别为6 006.65 mg/L和11 489.76 mg/L,按苏林分类法,水型以CaCl2为主。微量元素Ba2+、Sr2+离子含量分布范围分别为42.60～161.50 mg/L和79.04～138.63 mg/L,平均值分别为104.37 mg/L和72.56 mg/L(表1)。

3.2 须家河组气藏

4 讨论

4.1 地层水离子含量特征

微量元素Ba、Sr同为碱土金属,具有较为相似的化学性质。垂向特征来看,沙溪庙组气藏地层水Ba2+、Sr2+含量平均值(分别为104.37 mg/L和72.59 mg/L)远远小于须家河组气藏地层水Ba2+、Sr2+含量平均值(分别为883.75 mg/L和961.29 mg/L)。而原始水体中Ba2+、Sr2+含量都非常低,例如青海湖湖水Ba2+、Sr2+含量分别为0.02 mg/L和0.04 mg/L、海水Ba2+、Sr2+含量分别为0.006 mg/L和8 mg/L(孙大鹏等, 1995)。虽然蒸发浓缩可以使水体中Ba、Sr元素逐渐富集(陈郁华, 1983),但是须家河组气藏地层水如此高的Ba2+、Sr2+含量更有可能是深部水岩相互作用和蒸发浓缩共同作用的结果(李延飞, 2015)。

值得注意的是,须家河组气藏地层水含有Li、Rb等战略性关键矿产资源元素,含量分别为24.06 mg/L和2.71 mg/L, 达到综合利用的开采工业指标(樊馥等, 2012),具有潜在的资源开采意义。尽管须家河气藏地层水的Li+和Rb+含量均低于国内已知的大型沉积盆地,例如湖北江汉盆地(Li+和Rb+含量平均值分别为52.0 mg/L和60.0 mg/L)(余小灿等, 2022)、江西吉泰盆地(Li+和Rb+含量平均值分别为95.0 mg/L和4.5 mg/L)(王春连等, 2020)、柴达木盆地南翼山(Li+和Rb+含量平均值分别为128.0 mg/L和29.2 mg/L)(李建森等, 2022),但其矿化度仅相当于海水浓缩的碳酸盐岩沉积阶段,Li+和Rb+含量却远超碳酸盐岩沉积阶段的数倍甚至几十倍(陈郁华, 1983)。从Li+与Rb+和Cl-含量的关系图来看(图2),Li+和Rb+之间较好的正相关关系表明它们具有同源性,而Li+和Cl-含量未呈现较好的正相关关系,指示须家河组地层水的Li+和Rb+含量的富集不完全受控于水体的蒸发浓缩。前人研究中也得出,Li、Rb等资源的富集更多的与深部物质来源有关(王春连等, 2018)。

图 2 研究区地层水Rb+-Li+含量(a)和Cl--Li+含量(b)关系图Fig. 2 Rb+-Li+ plots (a) and Cl--Li+ plots (b) of formation water in study area

4.2 地层水离子系数组合特征

海水蒸发过程中的离子系数呈规律性变化, 因此海水蒸发曲线被广泛应用于研究水的成因和水岩相互作用 (Carpenter, 1978)。 通过钾氯系数在黄海海水蒸发曲线上的投点可发现,须家河组气藏地层水和少部分沙溪庙组气藏地层水明显高于黄海海水蒸发曲线图(3a),由于未在研究区地层中发现含钾的盐类矿物,说明这部分地层水K+的来源主要为储层自生成岩矿物的溶解;钠氯系数在黄海海水蒸发曲线上的投点显示(图3b),部分位于蒸发曲线上的沙溪庙组气藏地层水和须家河组气藏地层水代表地层水Na+含量相对较为富集,造成这一现象的主要原因与储层中钠长石的溶解有关;反之位于蒸发曲线下的沙溪庙组气藏地层水和须家河组气藏地层水则代表Na+含量较为贫化,这与钙长石的钠长石化有关,导致大量的Na+被消耗,如关系式(1)。这些对比也说明,部分沙溪庙组气藏地层水和须家河组气藏地层水水化学特征具有一定的相似性。

CaAl2Si2O8+4 SiO2+2 Na+→2 NaAl2Si3O8+Ca2+

(1)

图 3 研究区地层水钾氯系数(a)和钠氯系数(b)与黄海海水蒸发曲线对比图Fig. 3 The comparisons of n(100 K+/Cl-)-Cl- (a) and n(Na+/Cl-)-Cl- (b) of formation water with the evaporated Huanghai seawater

图 4 研究区地层水脱硫系数/钠氯系数(a)和变质系数/钙镁系数(b)组合比值关系图Fig. 4 The comparisons of n(100 ratios (a) and n[(Cl--Na+)/Mg2+]-n(Ca2+/Mg2+) ratios (b) of formation water in study area

4.3 地层水与气藏成藏演化特征

新场气田陆相地层经历过多期构造运动,最具影响力的包括喜马拉雅期、燕山期和印支末期构造运动(李王鹏等, 2021),直接导致层系间流体混合作用强烈及天然气成藏地质背景复杂。进而致使学者们对于储层致密化与气藏成藏关系也存在着较大分歧,主流观点根据储层的致密化时间和有机烃的充注时间划分为： ① 先成藏后致密型,气水关系一直为顺置状态,伴随着储层致密气藏逐渐开始贫化,直至干层的形成(图5a)(曹烈等, 2005); ② 先致密

图 5 孔隙演化过程中孔隙流体组成示意图(据尚长健, 2013修改)Fig. 5 Sketch map of the pore fluid composition in pore evolution process (modified after Shang Changjian, 2013)

后成藏型： 前期缺少天然气充注,储层为水层。进一步储层致密化后,气藏驱替部分储层中的水,形成气水同层。随着天然气持续充注,储层中孔隙主要为束缚水和天然气共存,当孔隙接近为零,天然气无法充注,形成干层(图5b)(张金川等, 2008)。

结合前人对新场气田气藏成藏演化史的研究成果(陈冬霞等, 2016; 康保平等, 2018),认为须家河组气藏印支晚期开始生烃,直至燕山中期,生烃达到高峰(图6),由于多期压实作用和胶结作用的共同影响,储层在燕山中期变为致密;而中浅层沙溪庙组是典型的深源浅聚的次生致密砂岩气藏,气源来自于须家河组(叶素娟等, 2014; 张庄, 2016),生烃高峰期在燕山晚期—喜马拉雅期,储层致密化时间在燕山晚期;进入喜马拉雅期,规模较大、延伸距离较长的南北走向断层对须家河组气藏和沙溪庙组气藏进行了沟通和改造(冯英等, 2021),形成了先成藏后致密再改造的气藏成藏演化特征(图6)。断层的沟通也导致深层须家河组气藏地层水的大量上涌,使断层附近高渗的砂体被充注,在水动力等驱动作用下,天然气以游离相或水溶相沿断裂带进行垂向高效运移(周孝鑫等, 2015; 郭彤楼等, 2023)。因此,上述数据显示了新场气田气藏成藏演化过程中断层对地层水的沟通和输导发挥了关键的作用,致使部分沙溪庙组气藏地层水与须家河组气藏地层水具有相似的水化学特征,沙溪庙组气藏较高矿化度的地层水应该是与深层须家河组气藏地层水的混合所致。随着埋深逐渐增大,储层致密化加剧,深层须家河组气藏得到更好的油气保存条件,并且经历了更为复杂的水岩相互作用,不同程度地使得K、Ba、Sr、Li、Rb等元素更加富集。

图 6 川西坳陷新场气田气藏成藏演化图(据康保平等, 2018修改)Fig. 6 Reservoir formation and evolution of Xinchang gas field in Western Sichuan Depression (modified after Kang Baoping et al., 2018)

5 结论

(1) 新场气田沙溪庙组气藏地层水矿化度为15.33～41.63 g/L,平均19.10 g/L,大多数地层水属于咸水级别。须家河组气藏地层水矿化度为53.02～152.72 g/L,平均76.83 g/L,达到卤水级别。垂向特征上显示几乎所有元素离子含量符合地层水随着埋深增大离子含量逐渐增大的特征。须家河组气藏地层水Li+、Rb+元素含量平均值分别为24.06 mg/L和2.71 mg/L,达到综合利用的开采工业指标,具有潜在的资源开采意义。

(2) 研究区较高钾氯系数的地层水说明K+的来源主要为储层自生成岩矿物的溶解;而较高钠氯系数的地层水指示Na+含量相对较为富集主要与储层中钠长石的溶解有关;反之较低钠氯系数的地层水则代表Na+含量较为贫化,这与钙长石的钠长石化有关,导致大量的Na+被消耗。离子系数组合特征显示相比较于沙溪庙组气藏,须家河组气藏具有较好的油气保存条件。

(3) 新场气田气藏成藏演化过程中断层对地层水的沟通和输导发挥了关键作用,致使部分沙溪庙组气藏地层水与须家河组气藏地层水具有相似的水化学特征。随着埋深逐渐增大,储层致密化加剧,深层须家河组气藏经历了更为复杂的水岩相互作用,不同程度地使得K、Ba、Sr、Li、Rb等元素更加富集。