吴小奇　王 萍　潘文蕾　黎华继　王 君　陈迎宾　赵国伟

1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所　2.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院3.浙江大学海洋学院

川西坳陷新场构造须五段地层水地球化学特征及其成因

吴小奇1王 萍1潘文蕾1黎华继2王 君3陈迎宾1赵国伟1

1.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所2.中国石化西南油气分公司勘探开发研究院3.浙江大学海洋学院

吴小奇等.川西坳陷新场构造须五段地层水地球化学特征及其成因.天然气工业，2016,36(2):22-29.

四川盆地川西坳陷中段新场构造上三叠统须家河组五段气藏的气水关系复杂，对其地层水成因和来源认识的不足限制了天然气勘探的拓展和深入。为此，对该区须五段地层水的矿化度、地球化学特征参数、微量元素和氢氧同位素等进行了分析，进而与该区其他层位地层水的上述特征进行比对，最终明确了须五段地层水的成因和来源。研究结果表明：①须五段水气比较为稳定，气水分异不明显，试采初期受压裂液和凝析水的影响，产出水矿化度较低，主要为压裂液和地层水的混合物，而后期随着返排率升高，产出水主要为地层水；②该层段的地层水均为CaCl2型，矿化度介于50.806～96.319 g/L，整体表现出自北向南逐渐升高的特征；③地层水在埋藏过程中经历了浓缩变质作用，地层封闭性好，有利于天然气的保存；④须五段地层水的来源既有下伏的海相地层水，也有其自身陆相泥页岩的压释水，白云岩化作用是须五段最主要的水岩相互作用方式；⑤须五段地层水的δD值介于-67‰～-65‰、δ18O值介于-3.1‰～-1.0‰，与该区其他层位地层水具有明显的区别，表明其经历了强烈的水岩反应，自成独立体系。

四川盆地 川西坳陷 新场地区 晚三叠世 地层水 成因 地球化学特征 总矿化度 氢氧同位素

川西坳陷是四川盆地天然气勘探的重点区域之一，上三叠统须家河组（T3x）煤系烃源岩为须家河组自生自储气藏和上覆侏罗系次生气藏提供了充足的气源[1-2]。新场构造带位于川西坳陷中段，其形成源自中三叠世末的新场运动，结束了四川盆地海相克拉通盆地的发育，开启了中新生代陆相盆地的发展阶段，奠定了川西中段中新生代“一隆两坳”的构造格局[3]。新场构造带呈北东东向展布，在古隆起上形成了包括孝泉、新场、合兴场、丰谷等在内的多个次级含气构造。

勘探开发研究成果表明，新场构造带须家河组气水关系及分布控制因素异常复杂，前人对新场构造带陆相地层水的分布特征及控制因素[4-6]、地层水成因和来源[7-8]、水岩相互作用机制[4,9]、水化学特征与天然气保存的关系[5,10]等开展了广泛深入的研究，对川中地区须家河组地层水地球化学特征、成因及水溶气特征等也进行了详细探讨[11-13]。然而，这些研究主要侧重于须二段（T3x2）、须四段（T3x4）及侏罗系，对须五段（T3x5）则关注较少。须五段是川西陆相重要的烃源层系之一，近年来在川西坳陷中段新场地区的勘探结果表明，须五段气水同产，气水关系复杂，对地层水成因和来源认识的薄弱制约了对该区天然气保存条件的认识，也限制了勘探的拓展和深入。笔者拟在对新场地区须五段地层水总矿化度（Total Dissolved Solids，缩写为TDS）、水化学特征参数和氢氧同位素特征等分析的基础上，与其他层位地层水特征进行对比，探讨须五段地层水的成因和来源，以期为后续天然气勘探领域的拓展提供有益的信息。

1　地层水生产特征

新场地区须五段气井从投产初期就产水，不同气井之间其气水产量、水气比和Cl-含量的变化趋势基本一致，日产水量与产气量均具有逐渐递减的特征且基本同步降低，表现出较为稳定的水气比。以XY-2井为例，其水气比基本稳定在10 m3/104m3左右（图1），与须二段有明显的不同。新场构造须二段试采初期水气比很低（小于0.1 m3/104m3），以气为主，表明气藏中气水分异较为明显；后期随着开发过程中地层压力的降低，地层水逐渐侵入，水气比稳定在10 m3/104m3左右[14]。须五段在开发过程中水气比基本保持稳定，与须二段后期的水气比相近，表明须五段中气水同层，气水分异不明显。

图1　XY-2井气水生产特征与Clￚ含量关系图

新场构造须五段投产初期，产出水中Cl-浓度相对较低，随着开发过程的持续，产出水中Cl-含量逐渐升高并趋于稳定（图1），并且不同井的氯根监测均表现出类似的特征。如XY-2井，Cl-含量在投产初期约为25 g/L，后期逐渐升高并稳定在50 g/L左右（图1）。Cl-是须五段地层水中最主要的阴离子，并且其含量与矿化度具有明显的正相关关系（详见后文）。因此须五段地层水矿化度的变化趋势与Cl-含量类似，逐渐升高并趋于稳定。而新场气田须二段产出水初期主要为矿化度非常低（小于1 g/L）的凝析水，后期随着地层水逐渐侵入气藏，矿化度均逐渐升高并稳定在100 g/L左右[14]。因此，新场须五段产出水特征与须二段有明显的不同，须五段试采初期返排率较低，产出水的Cl-含量和矿化度相对较低，但仍显著高于须二段初期产出的凝析水，表明其主要为压裂液和地层水的混合物，可能有少量凝析水的参与；后期随着返排率升高，产出水主要为地层水。

2　地层水化学组成

本次工作采集了新场地区须五段地层水样品共12个，常量组分和微量元素含量分析在国土资源部南京矿产资源监督检测中心进行。同时搜集了新场地区不同层位的地层水数据进行对比，考虑到压裂液和凝析水的影响，笔者剔除了明显异常、数据缺失以及返排率较低时的水样品分析数据。

2.1地层水矿化度

统计表明，新场须五段地层水pH值介于5.91～7.36，平均值为6.51，主体表现出弱酸性。该区须五段地层水中阳离子主要为Na+，其次为Ca2+和Mg2+，K+平均含量最低；阴离子主要为Cl-，其次为和，不含。根据苏林分类法，新场地区须五段地 层水水型均为CaCl2型，指示封闭条件较好。

须五段地层水矿化度介于50.806～96.319 g/ L，平均为76.044 g/L，且 Na++K+浓度和Cl-浓度均与矿化度呈现明显的正相关性（图2）。有研究认为，川西坳陷中段须五段地层水的矿化度介于25.128～76.761 g/L，主体低于50 g/L，平均仅为43.773 g/L[4]，明显低于本次研究中的值；结合XY-2井产出水中氯离子含量变化特征（图1），推测其可能未剔除试采初期受压裂液和凝析水影响导致矿化度较低的水样数据。

由于对地层水矿化度数据选取的差异，使得对新场地区地层水垂向具体分带认识并不一致[4-5]，但不同层位地层水的化学特征具有差异已是普遍共识，如侏罗系地层水的化学特征表现出垂直分带性[15]，须二、须四段地层水矿化度随埋深增加而逐渐增大[5]，为典型的深度变质作用的沉积水[8]，但相关研究较少关注须五段。新场地区须五段地层水矿化度整体与须四段接近，明显高于该区中上侏罗统地层水，主体低于须二段地层水矿化度（图2）。结合地层水化学特征垂直分带[5]可以看出，新场地区须家河组地层水具有正向分带性，是正向变质作用的结果。

新场地区须五段地层水矿化度整体表现出自北向南逐渐升高的特征，由于须五段顶面断裂不发育，底面沟通至须四段的断裂发育程度也很低，因此须五段地层水处于相对封闭的体系，矿化度的变化幅度相对较为平缓（图2），与须二段和沙溪庙组等受断裂影响的地层水其矿化度平面变化比较剧烈[5]有明显的不同，而与须四段地层水矿化度变化趋势[8]基本一致。

图 2　新场地区不同层位地层水钠钾离子含量和氯离子含量与矿化度相关图

2.2地层水化学特征参数

新场地区须五段地层水钠氯系数rNa+/rCl-主体小于0.87，表明其具有较好的封闭性[16]，其分布范围与须四段地层水基本一致，普遍高于中侏罗统千佛崖组（J2q）地层水的值，但略低于须二段和沙溪庙组地层水的值，而蓬莱镇组地层水钠氯系数明显偏高，基本大于1（图3-a）。新场地区须五段地层水的脱硫系数（100×rSO42-/rCl-）均小于1，表现出较好的封闭性，除蓬莱镇组地层水主体显著高于1、沙溪庙组部分样品高于1外，其余层系地层水脱硫系数分布范围均与须五段类似（图3-a）。

新场地区须五段地层水的变质系数[(rCl-－rNa+)/rMg2+]均大于0，表明水岩作用的强度大，油气藏封闭性好，有利于油气的保存；除蓬莱镇组主体和沙溪庙组少量样品变质系数小于0外，新场地区其余层位地层水主体均具有较高的变质系数（大于0）（图3-b）。须五段地层水的盐化系数普遍较高（大于100），与千佛崖组和须二段、须四段地层水的值基本一致，反映出埋藏浓缩作用的影响；而蓬莱镇组和沙溪庙组地层水其盐化系数普遍较低（小于100），表明其可能受到了大气水下渗的影响（图3-b）。

因此，各类水化学特征参数均表明，新场须五段地层水在埋藏过程中经历了浓缩变质作用，地层封闭性好，有利于天然气的保存；千佛崖组和须二、须四段地层水与须五段地层水化学特征参数较为一致，而蓬莱镇组地层水化学特征参数与之明显不同，表现出相对较差的保存条件。

图3　新场地区不同层位地层水脱硫系数和钠氯系数相关图（a）以及盐化系数与变质系数相关图（b）

2.3地层水成因和来源

在地层水化学演化和矿物溶解—沉淀相关研究中，常采用海水蒸发曲线和海水—河水混合线来判断不同离子的富集或亏损。尽管Br-常被用于与其他离子含量进行对比来示踪地层水化学组分演化[17]，但溴虽然可以来自于海相沉积的高浓缩膏盐岩，但更多来自陆生植物所形成的富有机质泥岩和页岩[18]。因此，对于煤系地层而言，不宜采用其他离子与Br-的相关性来示踪地层水化学组分演化[19]。由于Clￚ化学性质稳定，在海水蒸发曲线上，当Cl-浓度增加到100 g/L之前不会发生沉淀[17]。新场地区须五段地层水中Cl-与矿化度呈正相关，Cl-最高浓度仅为61.7 g/L（图2-b），远低于100 g/L，且须五段未发现盐层，因此可以认为地层水在演化过程中未发生Cl-的沉淀。须五段地层水中Cl-浓度的变化主要源自地层水蒸发浓缩，因此可以利用其他离子组分含量相对Cl-含量的变化，来分析地层水化学演化和各种离子的富集或亏损。

新场地区中上侏罗统地层水中Cl-和Na+的浓度普遍低于海水的值，基本沿海水—河水混合线分布；而须二段地层水与须四、须五段地层水一致，均沿海水蒸发线分布（图4-a），且Cl-和Na+的浓度普遍高于海水的值，表明须五段地层水具有海水的特点，且经历了明显的蒸发浓缩作用，其中须二段地层水浓缩程度最高。由于新场地区须五段以滨浅湖—三角洲前缘沉积为主，缺少海相环境，原始沉积水为淡水背景，因此须五段地层水主体可能为来自下伏的海相地层水。

微量元素含量常被用于指示地层水的成因[20]，如高含量的Sr元素主要发育于高浓缩的海相地层水或膏盐岩地层中，B元素主要赋存在浓缩的膏盐岩地层水或海相泥岩中，I元素主要来自海生生物等[12,18]。四川盆地须家河组地层水中Sr、Ba、B、I、Fe、Mn等微量元素含量较高，表明其主要来自下伏海相雷口坡组上段高浓缩的地层水[12]。新场地区须五段地层水中同样具有较高的Sr、Ba、B、I、Fe、Mn等微量元素含量（表1），普遍高于海水和海洋沉积物中的含量，也反映其主体为浓缩的海相地层水。

此外，新场须五段地层水在Cl-—Br-相关图（图4-b）上落在海水蒸发线右下方，表现出Br-的相对富集。须五段地层水中Br含量介于365～765 mg/L，平均为564 mg/L，远高于海水中Br的含量（65 mg/ L[21]），与新场地区须二、须四段[7]及四川盆地其他地区须家河组地层水[12]特征类似，主要为陆相泥页岩压释水，而不仅仅来自海水的蒸发浓缩。因此，新场地区须五段地层水既有下伏海相地层水，也有须五段自身陆相泥页岩压释水。

图4　新场地区不同层位地层水Cl-与Na-、Mg2+、Ca2+、Br-等离子浓度关系图

表1　新场地区须五段地层水微量元素和氢氧同位素组成表

2.4对水岩相互作用的启示

地层水中的离子含量及相互关系可以为研究水岩相互作用提供有益的信息。前人针对川西坳陷中段须家河组二、须四段，提出了多种水岩相互作用类型，包括钙长石的钠长石化、绿泥石化、白云岩化、碳酸盐矿物的溶解以及钠长石的溶解等[4,7-9]，对地层水中离子特征认识的差异使得对须家河组水岩相互作用类型的认识存在分歧，如须二、须四段地层水中Ca2+的相对富集究竟是来自白云岩化作用[7]，还是来自钙长石的钠长石化[4,8]；Mg2+的亏损究竟来自绿泥石化[4]还是白云岩化[7]。

川西坳陷中部须五段致密砂岩主要发育碳酸盐矿物胶结，不同于须二、须四段发育绿泥石、硅质矿物和碳酸盐矿物胶结；孔隙发育程度很低，平均仅为2.06%，岩石组分中长石含量（小于1%）明显低于须二、须四段，长石中仅发育少量溶蚀孔[22]。因此，绿泥石化和长石的溶蚀并不是须五段最主要的水岩相互作用类型。

川西坳陷中部须二、须四段地层水在Ca2+与Na+的相关图上表现出Na+相对Ca2+亏损的特征，因而钙长石的钠长石化曾被认为是其最主要的水岩相互作用方式[4,8]。然而，新场地区须二、须四、须五段地层水在Cl-与Na+相关图（图4-a）上均沿海水蒸发线分布，并未表现出明显的Na+相对Cl-的亏损或富集，而是反映出蒸发浓缩作用的影响。这些地层水样品在Clￚ与Ca2+相关图（图4-c）上均位于蒸发曲线右侧，表现出Ca2+的相对富集；而在Clￚ与Mg2+相关图（图4-d）上位于蒸发曲线左上方，表现出Mg2+的亏损。由此可见，一方面，Na+并未表现出异常，其相对Ca2+的亏损主要源自Ca2+的富集，并不是Ca2+置换了地层水中的Na+。因此钙长石的钠长石化并不是须家河组最主要的水岩相互作用方式；另一方面，成岩过程中的白云岩化作用会导致地层水中Ca2+增加而Mg2+减少[17]。

在Ca2+/Fe2+与Ca2+/Mg2+相关图上，新场地区须五段地层水与须四段地层水类似，主体表现出白云石化趋势，少部分表现出铁白云石化的影响（图5）。考虑到须五段致密砂岩的胶结物主要为方解石和白云石[22]。因此，新场地区须五段地层水中Ca2+的富集和Mg2+的亏损主要源自成岩过程中的白云岩化作用，即白云岩化作用是新场地区须五段最主要的水岩相互作用方式。

图5　新场地区须家河组地层水Ca2+/Fe2+与Ca2+/Mg2+相关图

3　氢氧同位素组成

地层水的氢氧同位素组成分析是研究水岩反应和大气降水影响程度的重要手段。全球大气降水的δD与δ18O之间呈线性相关（δD=8δ18O+10）[23]，表现出明显的纬度效应，δD与δ18O值均随着纬度的升高而变轻，且水岩反应会使得地层水的δ18O值增大而发生氧同位素漂移[24]。因此地层水δ18O值可用于指示水岩反应的程度，进而反映油气保存条件[5]。本次工作中须五段地层水氢氧同位素组成分析在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所进行，分析结果见表1。

新场须五段地层水δD值介于－67‰～－65‰（表1），低于须二、须四段地层水的值（图6）。这可能是由于须家河组沉积末期川西北隆升剥蚀，侏罗纪早期地表水的影响使其氘同位素变轻；也可能是新场构造晚期的隆升使得气藏冷却产生部分凝析水，而凝析水的产生也可使其氘同位素变轻。

图6　新场地区不同层位地层水氢氧同位素组成相关图

新场地区须五段地层水δ18O值介于－3.1‰～－1.0‰（表1），明显高于中上侏罗统地层水的值，在δD与δ18O相关图上远离大气降水线分布（图6），反映其经历了强烈的水岩反应，地层封闭性良好，与中上侏罗统地层水可能受大气降水影响有明显不同。同时，新场地区须五段地层水在δD与δ18O相关图上与其他层位地层水有明显的区别（图6），表明须五段地层水自成独立体系。

4　结论

1）新场地区须五段水气比较为稳定，表明须五段中气水同层，气水分异不明显。试采初期受压裂液和凝析水的影响，产出水矿化度较低；后期随着返排率升高，产出水主要为地层水，水型均为CaCl2型，矿化度介于50.806～96.319 g/L，整体表现出自北向南逐渐升高的特征。须五段地层水钠氯系数主体小于0.87，脱硫系数均小于1，变质系数均大于0，盐化系数大于100，表明须五段地层水在埋藏过程中经历了浓缩变质作用，地层封闭性好，有利于天然气的保存。

2）常量组分和微量元素含量综合表明，新场地区须五段地层水既有下伏海相地层水，也有须五段自身陆相泥页岩压释水；白云岩化作用是须五段最主要的水岩相互作用方式。新场须五段地层水δD值和δ18O值分别介于－67‰～－65‰和－3.1‰～－1.0‰，在δD值和δ18O值相关图上与其他层位地层水具有明显的区别，远离大气降水线分布，表明须五段地层水自成独立体系，经历了强烈的水岩反应。

致谢：样品采集和资料收集得到了中国石化西南油气分公司的大力支持，中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所和国土资源部南京矿产资源监督检测中心协助完成了样品的分析测试，在此一并深表谢意！

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（修改回稿日期2015-11-06编 辑罗冬梅）

Geochemical characteristics and origin of formation water in the 5thMember of the Upper Triassic Xujiahe Fm in Xinchang structure, West Sichuan Depression

Wu Xiaoqi1, Wang Ping1, Pan Wenlei1, Li Huaji2, Wang Jun3, Chen Yingbin1, Zhao Guowei1
(1. Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, Sinopec Petroleum Exploration and Production Research Institute, Wuxi, Jiangsu 214126, China; 2. Exploration and Development Research Institute, Sinopec Southwest Branch Company, Chengdu, Sichuan 610041, China; 3. College of Ocean, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.22-29, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

The gas-water relationship is complicated in the gas reservoir in the 5thMember of Upper Triassic Xujiahe Fm (T3x5) at Xinchang structure in the central part of the West Sichuan Depression, Sichuan Basin. In this gas reservoir, exploration cannot proceed further because the formation water is not understood sufficiently in terms of its origins and sources. In this paper, an analysis was performed on the salinity, geochemical parameters, trace elements and hydrogen and oxygen isotopes. Then, these characteristics of T3x5were compared with those of other horizons in the area. Finally, origins and sources of T3x5formation water were confirmed. Research results show the following: first, the water-gas ratio of T3x5is relatively stable without obvious gas-water differentiation. At the early stage of production test, the produced water was mainly the mixture of fracturing fluid and formation water with lower total dissolved solids (TDS) due to the effect of fracturing fluid and condensate water. With the increase of flowback rate, however, the produced water was mainly composed of formation water at the late stage. Second, the T3x5formation water is of CaCl2type with the TDS of 50.806-96.319 g/L, which increases gradually from north to south. Third, the T3x5formation water at Xinchang structure experienced concentration metamorphism, and the T3x5stratum presents a good sealing performance, which is favorable for the preservation of natural gas. Forth, the T3x5formation water is derived from both the underlying marine formation water and the compaction-released water from the T3x5continental mud shale. Dolomitization is the leading water-rock interaction mode in T3x5. The δD and δ18O values of T3x5formation water are in the range of -67‰−-65‰ and -3.1‰−-1.0‰, respectively, and they are remarkably different from those of other formation water in this area, which indicates that the T3x5formation water is an independent system that experienced strong water-rock interaction.

Sichuan Basin; West Sichuan Depression; Xinchang structure; Late Triassic; Formation water; Origin; Geochemical characteristics; Total dissolved solids (TDS); Hydrogen and oxygen isotopes

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.004

国家自然科学基金青年基金项目（编号：41302118）。

吴小奇，1982年生，高级工程师，博士；从事油气地球化学研究工作。地址：（214126）江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道2060号。ORCID:0000-0002-6935-3811。E-mail:xqwu@163.com