四川盆地南川地區及鄰區頁巖氣保存差異的流體響應特征

樓章華，張欣柯，吳宇辰，高玉巧，張培先，金愛民，朱蓉

（1.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021；2.中國石化華東油氣分公司勘探開發研究院，江蘇 南京 210011）

中國海相頁巖氣資源豐富，主要分布在四川盆地及周緣地區，已建成涪陵、昭通、長寧—威遠等上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組國家級頁巖氣示范區[1?7]。雖然具有自生自儲、吸附而不易擴散等特征，使得頁巖氣相對于常規天然氣而言保存條件的要求降低，但勘探實踐證明，保存條件依然制約了頁巖氣的分布和富集。

構造作用、頂底板條件、地層壓力特征和頁巖含氣性等是評價頁巖氣保存條件的主要條件[2，4?5]。地層流體特征在常規油氣保存條件的定量評價中具有重要作用，高礦化度、CaCl2型地層水反映了封閉的水文地質環境[8?15]，如何從地層流體角度分析頁巖氣保存條件值得探索。但是經歷深埋的頁巖層物性致密，地層水處于束縛水狀態，尤其是富氣頁巖層含水飽和度較低，通常難以獲得原始地層水化學資料，而大量壓裂液的存在又使得直接利用、分析現今地層水化學特征與頁巖氣保存關系存在一定困難。因此，目前研究地層流體與頁巖氣成藏保存關系的工作非常少。何順等[16]統計認為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。姜磊等[17]通過裂縫充填方解石脈鍶、碳和氧同位素特征測試，揭示了構造帶不同位置古流體活動與頁巖氣保存的關系。黎瓊等[18]則對渝東南地區五峰組—龍馬溪組頁巖氣儲層流體地球化學特征進行了研究，認為頁巖氣逸散的主要時間是從晚白堊世開始。張光榮[19]等嘗試性做了基于地層水指標的頁巖氣保存條件評價，認為存在大型斷裂發育區地層水下滲型和殘留向斜區地層水向心流型兩種大氣水下滲作用模式，CaCl2水型反映良好的頁巖氣保存條件。利用開發過程中產出水化學特征的動態變化判識地層流體的成因，進而結合古流體性質，綜合分析南川—彭水地區頁巖氣的差異保存和富集規律。

1 地質背景

南川及鄰區屬于四川盆地東南部的隔槽隔擋過渡帶，受陽春溝、烏江—大千、大耳山—茶園、胡家園和彭水5條走滑大斷裂控制，由一系列復背斜和復向斜組成（圖1），平橋、東勝背斜位于齊岳山斷裂帶以西的盆內緣，武隆、桑柘坪、道真等向斜分布在齊岳山斷裂帶以東的盆外緣，共同經歷了加里東期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期構造運動，不同區塊變形強度、構造樣式和斷裂發育以及隆升剝蝕幅度都有較大差異。盆內的南川構造帶自東向西：①構造遞進變形，改造強度東強西弱，抬升幅度東高西低；②構造樣式由沖斷構造帶（石門）過渡到逆沖推覆帶（平橋、東勝），再到滑脫變形帶（南川斷鼻、神童壩向斜）；③控邊斷層的斷距逐漸變??；④上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組的頁巖埋深1 500～5 000 m，自東向西、從南向北逐步變深，平橋構造帶主體埋深2 000～3 800 m，東勝構造帶主體埋深2 000～4 200 m。盆外的武隆—彭水地區形成一系列線型?弧形斷褶帶，由NE 向的背斜和向斜相間構成，其頁巖主要分布于殘留向斜，埋深適中（1 500～4 000 m）[20]。

圖1 南川地區主要斷裂分級分布Fig.1 Graded distribution of major faults in the Nanchuan Area

2 產出水化學性質

用于油氣勘探研究的地下水通常為無污染的沉積地層水，其水化學性質一般在地層測試過程中獲得，反映了油氣賦存的水文地質環境。與常規油氣田地下水不同，由于頁巖氣開發過程中大量注水，返排率普遍不超過50%。因此，現有采集分析的水樣都是受壓裂液不同程度影響的地層水，但即使如此，依然可以分析得出一些內在的成因性規律。

南川及鄰區采集水樣Cl?為主，1 000～30 500 mg/L，其次是Na+，1 000～22 500 mg/L，Ca2+、Mg2+、SO42?、HCO3?基本都小于2 000 mg/L，礦化度為4 000～50 000 mg/L，且隨時間變化而逐漸增加。開采初期，出水量大，推測是低礦化度的返排壓裂液，開采1～2個月后，產出水的礦化度超過20 000 mg/L，水化學特征明顯有別于壓裂液[19]，且隨著開發過程的持續，產出水礦化度具有逐漸增大至50 000 mg/L 的總體趨勢，Cl?也有相應的變化規律（圖2），說明頁巖中原有的地層水開始逐漸進入井筒。因此，可以推測頁巖內賦存地層水的礦化度超過50 000 mg/L。

圖2 南川及鄰區頁巖氣井產出水化學特征Fig.2 Geochemical features diagram of produced water from shale gas wells in Nanchuan and its adjacent blocks

產出水樣的水型主要為CaCl2型，其次是NaHCO3型，還有部分MgCl2型和Na2SO4型?？紤]到壓裂液的影響，通常出現在開發初期的Na2SO4型和NaHCO3型水樣，并不能反映其采樣井所在地區處于水文地質開放環境體系，或者說頁巖氣保存條件已被徹底破壞。但開采中后期總體以CaCl2型為主，可以反映頁巖層的水文地質封閉環境，即使是盆外緣的武隆、桑柘坪、道真向斜，依然存在CaCl2型水，這也體現了強改造區頁巖氣保存條件通常比常規天然氣保存條件要好。比較特殊的是，在盆內緣保存條件良好的高壓富氣區，后期穩產后普遍產出NaHCO3型水，礦化度也低于30 000 mg/L（表1），如焦頁1井、焦頁194?3井、焦頁195?3井、勝頁2井和焦頁10井等，涪陵礁石壩焦頁1井和焦頁1?3井甚至低于10 000 mg/L，結合其產氣量、出水量、返排率、氣水比以及氘、氧同位素特征等，可以判識為凝析水，如焦頁1 井連續兩年日產氣量在5×104m3以上，而日產水量則都在1 m3以內（圖3）。因此，高壓富氣區高產氣，低產水，礦化度低，產出水樣水型為NaHCO3型和CaCl2型。

表1 南川及鄰區部分頁巖氣井生產數據統計Table 1 Production data statistics of shale gas well in Nanchuan and its adjacent blocks

圖3 焦石壩焦頁1HF井五峰組—龍馬溪組一段試采曲線Fig.3 Production test curve of Well-Jiaoye-1HF in the first member of Wufeng-Longmaxi Formation in Jiaoshiba

3 產出水氘、氧同位素特征

結合產出水化學性質、返排率等，產出水氘、氧同位素特征可以進一步有效判識流體的成因或來源，進而分析頁巖氣保存條件的差異。早期返排率低，壓裂液為主，產出水普遍低礦化度，氘、氧同位素落點于或鄰近大氣降水線。隨著開采后返排率增加，不同保存條件區塊產出水的礦化度和氘、氧同位素隨時間變化存在較大差異。

焦頁195?3井位于平橋背斜主體區，區域封存條件好，壓力系數1.32，測試產氣量為31.7×104m3/d。初期產出水礦化度為19 000 mg/L，MgCl2水型、CaCl2水型。隨著時間延長，礦化度相對穩定，現今為22 000 mg/L，NaHCO3水型。產液量一直較低，小于5 m3/d。氘、氧同位素總體隨時間變化而逐漸偏離大氣降水線，反映了壓裂液到沉積埋藏地層水為主的成因變化（圖4a）。

圖4 南川及鄰區產出水氘、氧同位素隨時間變化關系Fig.4 Relationship between produced water deuterium oxygen isotopes and time change in Nanchuan and its adjacent blocks

焦頁205?1 井位于平橋背斜西區的斷層控制帶，保存條件受到一定影響，雖然壓力系數1.35，但測試產氣量只有10.7×104m3/d。初期產出水礦化度為20 000 mg/L，NaHCO3水型，主要為壓裂液，之后產出水礦化度也逐漸增大，并穩定在31 500 mg/L左右，CaCl2水型。產出水氘、氧同位素落點總體也隨時間變化而逐漸偏離大氣降水線（圖4b），但產液量一直較高，最初近300 m3/d，生產超過1 000 d后，仍然穩定在15 m3/d，返排率約50%，明顯有別于無斷裂發育區頁巖氣井的產液量（變化）。因此，推測后期產出水主要來自西側的平橋西斷裂（縫）帶。

盆外武隆向斜的保存條件明顯受到區域性破壞，普遍常壓，測試產氣量都低于10×104m3/d。隆頁2 井早期受壓裂液影響，產出水礦化度較低，為26 000 mg/L，之后逐漸增加至35 000 mg/L，水型為CaCl2型。后期礦化度又明顯下降為10 000 mg/L，水型變為NaHCO3型。但氘、氧同位素一直落點于大氣降水線附近，且氘同位素隨時間延長而變輕，可能有（古）下滲大氣水的混入（圖4c）。

4 地層古流體活動特征

裂縫充填脈體是后期構造抬升改造過程中古流體活動的重要證據，可以測定其流體包裹體物理化學性質分析古大氣水下滲作用對頁巖氣保存條件的影響。南川及周緣地區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組的裂縫主要分布在頁巖層底部，且不同構造單元（帶）都發育有不同搓揉程度的網狀方解石脈體（圖5）。

圖5 南川及鄰區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖底部裂縫發育與方解石脈充填分布Fig.5 Distribution diagram of shale bottom fracture development and calcite vein filling in Upper Ordovician Wufeng Formation to Lower Silurian Longmaxi Formation in Nanchuan and its adjacent blocks

裂縫充填方解石脈低溫流體包裹體反映了后期抬升剝蝕過程中低溫成巖作用的地質環境[21]。南川及鄰區方解石脈流體包裹體均一溫度分布范圍90～240 ℃（圖6），分3 期形成，第1 期均一溫度超過200 ℃，這部分數據較少，彭頁5 井由于樣品測試中包裹體溫度沒有均一而未能測出，第2 期為140～200 ℃，第3期在90～140 ℃，反映了研究區自早燕山期開始擠壓抬升運動以來流體賦存環境溫度的逐步降低變化過程。流體包裹體均一溫度低，說明裂縫流體充填時期晚，埋藏深度淺，破壞時間長，保存條件差。顯然，盆外樣品的均一溫度普遍低于盆內，如洛淺1井為道真向斜東側二疊系殘留區的淺井，均一溫度數據集中在90～110 ℃，反映了盆外尤其是背斜高部位的現今頁巖氣保存條件已受嚴重破壞。

圖6 南川地區方解石脈包裹體均一溫度頻率分布Fig.6 Homogenization temperature frequency distribution of calcite veins inclusions in Nanchuan area

流體包裹體液相無機化學特征能夠進一步體現古大氣水下滲作用對地層水化學性質的影響。測試結果表明（表2），南川及鄰區上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組裂縫充填方解石脈流體包裹體中陰離子以SO4

表2 南川區塊裂縫充填方解石脈流體包裹體水化學特征與測試關系Table 2 Relationship between the geochemical characteristics of fluid inclusions in calcite veins filling fractures and testing in the Nanchuan Block

2?為主，其次為Cl?，陽離子以Na+（包括K+）為主，其次為Ca2+、Mg2+，這說明在后期構造改造過程中因古大氣水下滲作用強烈影響而形成了Na2SO4型地層水。流體包裹體所含鹽水變質系數（rNa+/rCl?）的分布范圍是0.88～23.29。高壓保存富集區包裹體鹽水變質系數普遍小于7.0，而保存條件一定程度破壞地區的包裹體鹽水出現較大的變質系數，如焦頁10?10井高者為16.87，勝頁3井最大為23.29。

5 結論

不同頁巖氣保存條件區塊的地層流體特征具有明顯差異。

1）穩定保存區塊，高壓富氣，頁巖層內由于含氣飽和度高，高產氣，低返排，地層水礦化度普遍較低，甚至出現凝析水特征；改造復雜區塊，常（弱低）壓貧氣，頁巖層內由于含氣飽和度低，低產氣，高返排，地層水礦化度普遍較高，隨著開發持續，產出水礦化度逐漸增大，推測頁巖內賦存地層水的礦化度應該超過50 000 mg/L；

2）產出水氘、氧同位素特征表明，隨著開發時間的持續，高壓富氣區氘、氧同位素落點逐漸偏離全球大氣降水線，反映了保存條件良好地區頁巖里屬于沉積地層水；常（弱低）壓區氘、氧同位素始終落點于全球大氣降水線附近，表明保存條件破壞地區頁巖里賦存的地層水已受到大氣水下滲的影響；

3）裂縫充填方解石脈賦存包裹體的古流體特征表明，穩定深埋區域，包裹體鹽水變質系數普遍較低，包裹體形成古溫度偏高于140 ℃；破碎淺埋地區，包裹體鹽水變質系數不同程度出現高值，形成古溫度也偏低于140 ℃。

需要注意的是，壓裂液始終是分析地層水成因時需要綜合考慮的影響因素。