張光榮，聶海寬，唐 玄，張培先，彭勇民

（1.中國地質大學（北京）,北京100083；2.自然資源部頁巖氣資源戰(zhàn)略評價重點實驗室，北京100083；3.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京100083；4.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京100083；5.中國石化華東油氣分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇南京210011）

四川盆地及其周緣五峰組—龍馬溪組是目前勘探、開發(fā)的重點層系[1]，已經建成威遠—威榮、長寧—昭通—太陽、涪陵等頁巖氣田[1-2]。在頁巖沉積環(huán)境、有機碳含量、熱演化程度、脆性礦物含量、厚度、埋深基本類似的情況下，盆地內外頁巖含氣量、頁巖氣井的產量差異較大[6]，表明盆地內外頁巖氣保存條件不同[7]。頁巖氣保存條件的影響因素主要包括構造作用、演化歷史、地層水條件、蓋層及其微觀性質等[8]，地層水特征能夠指示盆地流體系統(tǒng)的開放性和封閉性[9]。保存較好的頁巖地層水水型以CaCl2和NaCl型為主，以NaHCO3和Na2SO4型為主的地層水與大氣水相貫通，保存條件相對差[10]。四川盆地中目前已經建產的焦石壩、長寧—威遠、昭通頁巖氣田以及丁山地區(qū)，產量較好的井位水型大多以CaCl2和NaCl型為主[10]。地層水化學指標可以間接反映地層水的封閉性[11]，變質系數可以定量判斷地層的封閉性，系數越小反映地層封閉性越好；鈉氯系數反映地層水變質程度和活動性，系數越小地層水的封閉性越好；鈣鎂系數反映地下鹵水變質程度，系數越大，變質程度越高，封閉性也就越好；脫硫系數是地層水氧化還原環(huán)境的重要指標，系數越小反映地層水的封閉性越好；碳酸鹽平衡系數可以定量反映油氣性質和運移方向。

以四川盆地焦石壩、武隆和彭水等地區(qū)部分頁巖氣井為例，采集研究區(qū)8口井五峰組—龍馬溪組的地層水數據。對盆地中地層水礦化度、水型、化學指標、斷裂活動對地層水的影響、古大氣水下滲深度、區(qū)域水動力條件影響等因素綜合分析，探索、研究相關影響因素對頁巖氣保存條件的影響。

1 地質概況

渝東南地區(qū)位于重慶市東南部與湖北省西南部以及湖南省西北部，屬于四川盆地東南部。構造上屬于揚子準地臺內坳陷構造單元，位于齊岳山斷裂中南段，由一系列復背斜和復向斜構成[12]。中上揚子板塊經過加里東期、海西期、印支期等一系列構造運動疊加改造后[13]，缺失泥盆系、石炭系，且三疊系遭受不同程度的剝蝕，導致渝東南地區(qū)不同構造部位保存條件不同[14]。上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組富有機質、富含筆石的黑色泥頁巖，具有巖性致密、埋藏深度不均、有機質含量較高、厚度較大的特點[15]。本次研究所用樣品來自渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組部分頁巖氣井（圖1）。

圖1 渝東南五峰組—龍馬溪組主要頁巖氣田和頁巖氣井（根據參考文獻[16]修改）Fig.1 Major gas fields and typical shale gas wells in Wufeng-Longmaxi Formation in Southeastern Chongqing(According to reference[16])

2 地層水化學特征

地層水化學場特征一定程度上反映地下水流系統(tǒng)的演化和水文地質條件[17]，不同水型反映不同演化歷史和保存條件。本次研究采集PY1HF、PY2HF、PY3HF、PY4HF、LY1、NY1HF、JY1HF、JY1-3HF井五峰組—龍馬溪組（WF2-LM4）[18]地層水數據，水型和采樣時間不同，樣品深度分布在2 136～4 500 m（表1）。以返排時間長、離子含量相對穩(wěn)定的地層水為主進行討論，水型、礦化度等指標具有可比性。

表1 渝東南五峰組—龍馬溪組部分井位采樣數據Table1 Sampling data of some wells in Wufeng-Longmaxi Formation in Southeastern Chongqing

正常地層水礦化度在1 g/L 左右，PY2HF井線性膠以及滑溜水混合液礦化度略大（表2），表明線性膠和滑溜水混合液會影響地層水離子濃度和礦化度；JY1HF井礦化度與之前的研究差別較大，綜合返排時間和壓裂液因素，認為其不反映原始地層水真實情況；而LY1井、JY1-3HF井的采樣時間集中且返排時間較短，只作為對照組。

表2 PY2HF井壓裂液對礦化度影響Table2 Effect of fracturing fluid on salinity of Well-PY2HF（g/L）

2.1 主要離子組成

地層水的離子組成和濃度受水動力特征和水文地球化學環(huán)境控制，能反映頁巖氣保存條件的優(yōu)劣[11]。此次地層水樣品中，主要陰離子有Cl-、SO42-和HCO3-，主要陽離子有K+、Na+、Ca2+、Mg2+。K++Na+的平均值為10.219 g/L，Ca2+平均值為0.445 g/L，Mg2+平均值為0.062 g/L，Cl-平均值為17.599 g/L。不同井位地層水性質存在差異，離子含量差別較大，具體特征見表3。

陽離子中Na+和K+占絕對優(yōu)勢，陰離子中Cl-占絕對優(yōu)勢，次要離子是HCO3-。不同離子的比值可以反映地層水所處的水文地球化學環(huán)境和水—巖相互作用強度[19]，主要包括以下幾個指標（表4）：①變質系數［（rCl--rNa+）/rMg2+，r為離子濃度］：埋藏深度越大、封閉性越好，變質系數就越大。NY1HF井變質系數平均值493.2，PY3HF井變質系數平均值315.75，PY4HF井變質系數平均值279.33，PY1HF井變質系數平均值204.76，PY2HF井變質系數平均值141.42；JY1HF井變質系數平均值206.54，JY1-3HF井變質系數平均值51.67；②鈉氯系數（rNa+/rCl-）：可以判斷地層水的來源、濃縮變質作用程度及水動力條件等[11]。地層水中Na+較易參與化學反應降低濃度，Cl-含量變化不大，因此埋藏過程中該系數趨于降低，若系數變大則反映受外部水影響，不利于油氣保存。標準海水的鈉氯系數平均值為0.85，受外部水影響的系數會大于1。PY4HF井鈉氯系數平均值為0.47，PY3HF井、NY1HF井鈉氯系數平均值為0.51，PY1HF井鈉氯系數平均值0.54，PY2HF井鈉氯系數平均值0.56；LY1井平均值1.024，JY1HF井鈉氯系數平均值0.59；③鈣鎂系數（rCa2+/rMg2+）：反映地下鹵水變質程度，封閉時間越長，封閉性越好，地層水變質程度就越高，鈣鎂系數越大。其分界線是3，深層鹵水的系數一般都大于3。NY1HF井平均值19.83，PY4HF井平均值14.26，PY3HF井平均值13.21，PY1HF井鈣鎂系數平均值11.63，PY2HF井平均值8.33，LY1井平均值為4.35，JY1HF井平均值4.46，JY1-3HF井平均值1.95；④脫硫系數[rSO42-×100/（rCl-+rSO42-）]：地層封閉越好，外界供給SO42-越少且剩余SO42-被還原程度越高，脫硫系數就越小。PY2HF井脫硫系數平均值0.26，PY4HF井脫硫系數平均值0.32，PY3HF井脫硫系數平均值0.33，NY1HF井平均值0.39，PY1HF井脫硫系數平均值1.17，LY1井平均值79.81，JY1HF井平均值6.29，JY1-3HF井平均值19.34；⑤碳酸鹽平衡系數［（rHCO3-+rCO32-）/rCa2+］：反映油氣性質和運移方向，地層封閉性越好且離油氣藏越近，油氣比重就越小，碳酸鹽平衡系數就越小。PY1HF井碳酸鹽平衡系數平均值0.56，PY2HF井碳酸鹽平衡系數平均值1.52，NY1HF井碳酸鹽平衡系數平均值2.60，LY1井平均值3.51，JY1-3HF井碳酸鹽平衡系數平均值7.7，JY1HF井平均值10.47。

表3 渝東南五峰組—龍馬溪組地層水離子含量統(tǒng)計Table3 Ion content of Wufeng-Longmaxi Formation in Southeastern Chongqing

單個化學指標具有不確定性，需綜合幾種化學指標判斷。表4 數據顯示，NY1HF井地層水化學指標最好，其頁巖氣保存條件相對也最好；PY1HF井、PY2HF井、PY3HF井次之，但總體均反映較好的頁巖氣保存條件；PY4HF井相對略差。LY1井、JY1HF井、JY1-3HF井只做參考。通過相關系數綜合分析得出的結論，與現場認識存在一定的差異，分析認為可能受其余因素影響，如LY1井采樣時間較短，相應化學指標可能受到一定的影響。

2.2 地層水礦化度和水型

2.2.1 礦化度

地層水礦化度是地質環(huán)境變遷所導致的地下水動力場和水化學場復雜演化的反映[11]，水體離子含量不同導致地層水礦化度的不同。研究區(qū)地層水的總礦化度（表2、表3）主要為1.4～59.3 g/L，PY1HF井地層水礦化度相對較高，返排456～995 d，礦化度就維持在48 g/L以上，且大多都大于50 g/L。PY2HF井地層水返排4～157 d，礦化度15～39.2 g/L，平均24.64 g/L。PY3HF井地層水返排192～1 005 d，礦化度38～59.3 g/L，平均48.58 g/L。PY4HF井地層水返排10～269 d，礦化度15.1～42.1 g/L，平均36.28 g/L。NY1HF井地層水返排165～543 d，地層水礦化度就穩(wěn)定分布在23.5～38.3 g/L，平均27.26 g/L。LY1井地層水在返排124～133 d，礦化度在33.4 g/L 左右。JY1HF井地層水返排111～137 d，礦化度4.1～6.6 g/L，返排201 d之后，礦化度就在22.4～37.9 g/L。JY1-3HF井投產到返排45 d，礦化度5.4～16.4 g/L，平均10.9 g/L。根據數據顯示，PY3HF井和PY1HF井地層水礦化度最高，保存條件相對較好。而LY1井、JY1HF井和JY1-3HF井可能是返排率較低以及返排時間略短，導致地層水礦化度較低，只具有一定的參考性。

地層水礦化度可以反映儲層封閉條件的好壞[11]，本區(qū)地層水主要離子濃度與總礦化度具有較好的正相關性，Na+、K+與總礦化度相關系數0.941 9，Cl-與總礦化度相關系數0.869 1，Ca2+與總礦化度相關系數0.663，Mg2+與總礦化度相關系數0.272 9（圖2）。

表4 渝東南地區(qū)典型井地化指標Table4 Geochemical index of typical wells in Southeastern Chongqing

2.2.2 水型

CaCl2型地層水為深盆滯留水，分布在區(qū)域水動力相對阻滯區(qū)，地層水經受上覆地層的壓實作用形成離心流泄水，發(fā)生強烈濃縮作用和脫硫作用，使SO42-離子含量急劇減少，而Cl-和Ca2+離子相對富集，反映了儲層封閉條件良好，對頁巖氣藏形成和保存十分有利[17,20]。數據顯示PY1HF井、PY2HF井、PY3HF井、PY4HF井、NY1HF井和JY1HF井的水型以CaCl2型為主，Na2SO4水型和NaHCO3水型為輔，而LY1井水型以Na2SO4水型為主（表4）。

3 地層水對頁巖氣保存條件的影響

大氣水下滲大多會破壞頁巖氣藏，下滲深度不同，對頁巖氣藏的影響程度不同。根據大氣水的下滲深度劃分為三個區(qū)帶：強大氣水下滲帶、弱大氣水下滲帶和地層水滯留帶，分別對應自由交替帶、交替阻滯帶、交替停滯帶[21]。強大氣水下滲帶頁巖氣的保存條件最差，地層水滯留帶對頁巖氣的保存最為有利，弱大氣水下滲帶介于強大氣水下滲帶和地層水滯留帶之間。根據之前對鄂西渝東地區(qū)地層水進行的研究[12,22]及大氣水下滲帶的水化學特征，結合各個井位地層水離子含量變化進行綜合判斷，PY2HF井、LY1井、PY4HF井、PY1HF井和PY3HF井地層水屬于地層水交替阻滯帶，而JY1-3HF井、JY1HF井和NY1井地層水屬于地層水停滯帶，對于頁巖氣保存都較為有利。

3.1 大氣水下滲影響

古大氣水下滲一般對頁巖氣藏破壞較小，但是古大氣水下滲后，地層經歷再沉積、再生烴、新的蓋層進行分割，大氣水下滲的影響程度就需進行新的界定。樓章華、馬永生等[22-23]研究了川東—鄂西地區(qū)燕山—喜馬拉雅期抬升剝蝕和斷裂作用過程中古大氣水下滲的基本特點：鄂西—渝東為1 500～2 200 m（圖3）?？傮w上由西向東古大氣水下滲深度增加，古大氣水下滲深度變化說明地層抬升幅度不均一、斷裂發(fā)育強度差別較大，導致頁巖氣保存條件存在差異性。

圖2 渝東南五峰組—龍馬溪組地層水主要離子濃度隨總礦化度的變化Fig.2 Variation of main ion’s concentration with total salinity of Wufeng-Longmaxi Formation in Southeastern Chongqing

圖3 鄂西—渝東地區(qū)古大氣水下滲平均深度平面分布（根據參考文獻[23]修改）Fig.3 Plane distribution of average depth of paleoatmospheric water infiltration in Western Hubei-Eastern Chongqing（Modified according to reference[23]）

根據古大氣水下滲深度分布（圖3）可以看出，焦石壩地區(qū)古大氣水下滲深度在1 600 m左右，產層埋深2 410 m左右[24]，JY1HF井測試日產氣量達20.3×104m3[25]，可以得知大氣水下滲尚未影響到JY1HF井；NY1HF井古大氣水下滲深度在1 900 m 左右，產層埋深約4 500 m，具有較好的頁巖氣保存條件；PY1HF井古大氣水下滲深度在2 200 m左右，產層埋深在2 260 m左右，地層水平均礦化度43.98 g/L，測試日產氣量達2.52×104m3；LY1井古大氣水下滲深度在2 400 m 左右，產層埋深約2 805 m，測試日產氣量為6.5×104m3。通過對比PY1井和LY1井測試氣產量以及總產氣量，LY1井總產氣量高于PY1井。但是上述地下水化學指標中PY1井優(yōu)于LY1井，可能是存在其他因素的影響。排除大多數因素的影響，從地層水角度來看，古大氣水下滲至頁巖氣藏埋深相近深度時，就開始對頁巖氣藏造成破壞。表明古大氣水下滲深度越深，頁巖氣藏的保存條件越差。

3.2 地層水活動類型對頁巖氣保存條件的影響

針對研究區(qū)存在的斷裂、殘留向斜構造和地層水特征，將其中地層水劃分為大型斷裂發(fā)育區(qū)地層水下滲型和殘留向斜區(qū)地層水向心流型兩種類型。兩種構造類型明顯，大型斷裂區(qū)距離氣藏較近時，會對頁巖氣藏造成破壞；而殘留向斜構造卻可能具有一定的保存條件。大型斷裂發(fā)育區(qū)地層水下滲型頁巖氣藏保存條件可能較差，地表水沿斷裂下滲深度較大，破壞頁巖氣藏的保存，多表現為微含氣或不含氣狀態(tài)；殘留向斜區(qū)地層水向心流型的地層水為向心流，向斜邊緣部位，地表水與地層水形成自由交替帶，頁巖氣藏遭到一定程度的破壞，頁巖含氣性相對較差；越靠近核部地區(qū)，受大氣水下滲影響越弱，保存條件越好。

3.2.1 大型斷裂發(fā)育區(qū)地層水下滲型

區(qū)域構造會對地層水的保存產生影響，不同的斷層對頁巖氣的保存產生不同的影響。新斷層在形成期和活動期屬于開啟狀態(tài)，對頁巖氣的保存產生不利影響；而穩(wěn)定期的斷層狀態(tài)不同，可能會形成封閉斷層，有利于地層水滯留和頁巖氣的保存[26]。鄂西渝東地區(qū)構造穩(wěn)定于燕山期，馬永生等[23]對燕山期構造活動研究發(fā)現：南方海相頁巖遭受斷裂破壞較多，導致其中油氣藏散失，多是油氣沿斷裂散失。其中，鄂西—渝東地區(qū)與建始—彭水、齊岳山和方斗山等大型斷裂接壤的地區(qū)，屬于構造活動區(qū)，地層受構造作用影響較強，形成導水的開放性斷裂，破壞頁巖氣的保存[27]，如YZ1井、LiY1井等，頁巖氣藏受構造作用影響強烈，頁巖含氣量較低甚至不含氣。通過測試出的地層水指標顯示，區(qū)域大斷裂形成的地層水自由交替帶對頁巖氣藏造成破壞更大，例如YZ1井所鄰近的齊岳山斷裂附近的鹽井、卷店構造的Y1井和J1井，水文開啟程度略大，深大斷裂的發(fā)育以及二疊系、三疊系地層的出露，導致二疊系長興組、三疊系飛仙關組和嘉陵江組礦化度極低的地層水甚至淡水[28]，Y1井飛三段以上為自由交替帶，礦化度小于3 g/L，水型為Na2CO3型，對其下方五峰組—龍馬溪組頁巖氣藏的保存造成破壞。YZ1井北部的建南構造，其埋藏深度較大，且三疊系的水型多為CaCl2型，反映區(qū)域蓋層未遭受破壞，頁巖氣保存條件較好（圖4）。

圖4 大型斷裂發(fā)育導致地層水活動破壞頁巖氣的保存Fig.4 Damage caused by formation water activities to shale gas preservation due to large-scale faults development

圖5 殘留向斜中向心流式地層水和頁巖氣藏Fig.5 Formation water of centripetal flow type and shale gas reservoir in residual syncline

3.2.2 殘留向斜區(qū)地層水向心流型

區(qū)域隆起后，地層遭受剝蝕，形成殘留向斜構造，鄂西—渝東地區(qū)的桑柘坪向斜、武隆向斜和白馬向斜均屬于殘留向斜[29]，頁巖氣保存其中形成殘留向斜型常壓頁巖氣藏[30]。這種頁巖氣藏形成后，大氣水沿頁巖層理下滲形成向心流，大氣水下滲向心流在殘留向斜邊部形成大氣水下滲向心流區(qū)，下滲的地層水會導致地層含水量過多，只有通過泄水才能保持物質平衡，形成越流—蒸發(fā)泄水區(qū)，對殘留向斜邊部頁巖氣藏造成破壞，地層含氣量大大降低。隨埋深增加，大氣水下滲與地層水流動形成穩(wěn)定狀態(tài)，進而形成越流泄水區(qū)，這種穩(wěn)定狀態(tài)能夠在一定程度上形成壓力封閉，類似于深盆氣氣水倒置的富集模式[31]，從殘留向斜翼部到向斜核部地區(qū)，大氣水下滲向心流由自由交替帶逐漸過渡到阻滯帶，大氣水下滲影響逐漸減弱，此時頁巖氣富集程度主要受控于向心流的強度和沿上傾方向頁巖氣散失率（主要受控于頁巖水平滲透率）。根據統(tǒng)計出的數據顯示，PY1HF、PY2HF和PY3HF井都為CaCl2水型，結合古大氣水下滲深度判斷，PY4HF井、PY1HF井和PY3HF井地層水屬于地層水阻滯帶（表3、圖5）。各種化學指標也都顯示從向斜翼部的PY4HF井到向斜核部的PY3HF井封閉性逐漸變好，頁巖氣保存條件逐步變好，其壓裂測試產氣量從（1.0～1.2）×104m3/d（PY4HF井）到2.52×104m3/d（PY1HF井），再到3.2×104m3/d（PY3HF井）逐漸增高。

4 結論

1）通過對水型、化學指標、礦化度等進行研究，認為渝東南地區(qū)五峰組—龍馬溪組頁巖地層水礦化度較高、含氣保存條件較好，不與外界相互接觸的地層水水型以CaCl2水型為主，而NaHCO3和Na2SO4型地層水與大氣水有不同程度的貫通，造成含氣保存條件較差。

2）基于渝東南地區(qū)發(fā)育的大型斷裂和殘留向斜構造，結合五峰組—龍馬溪組地層水特征，將其劃分為大型斷裂發(fā)育區(qū)地層水下滲型和殘留向斜區(qū)地層水向心流型兩種類型。大型斷裂發(fā)育區(qū)，地表水沿斷裂下滲對頁巖氣藏造成破壞，多表現為微含氣或不含氣狀態(tài)；殘留向斜區(qū)地層水為向心流，在向斜邊緣地表水與地層水形成自由交替帶，頁巖氣藏的保存條件較差，含氣性較差，越靠近核部地區(qū)受大氣水下滲影響越弱，保存條件越好。

3）根據渝東南地區(qū)多口井的地化指標綜合分析認為：NY1HF井的地層水地化指標相對較好，PY1HF井、PY2HF井和PY3HF井略差，但總體均反映較好的頁巖氣保存條件；PY4HF井保存條件相比NY1HF井、PY1HF、PY2HF和PY3HF略差。此外，由于返排時間段、返排率低等因素的影響，JY1HF井、JY1-3HF井和LY1井地層水化學指標參考意義較差。