东濮凹陷文东地区沙三段黄铁矿特征及形成模式

2015-06-15王晓洁张世奇魏孟吉慕小水徐田武

断块油气田 2015年2期

关键词：成岩黄铁矿矿物

王晓洁，张世奇，魏孟吉，慕小水，徐田武

（1.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛266580；2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳457001）

1 区域概况

东濮凹陷处于渤海湾盆地临清坳陷内，文留地区位于东濮凹陷北部，在濮城、卫城油田以南，桥口油田以北，东接前梨园洼陷，西邻胡状集油田。文东地区位于文留地区东部，构造延伸方向为北北东，呈北窄南宽的狭长状（见图1）。

黄铁矿为文东地区沙三段储层中常见的重矿物之一，然而，前人对东濮凹陷的研究涉及黄铁矿方面的较少。研究储层中黄铁矿的发育特征和形成过程，对于了解沉积物的形成环境和成岩作用过程具有理论和实际双重意义。

2 黄铁矿分类及特征

黄铁矿作为储层中广泛分布的矿物，按形成时间不同划分为早期和晚期2 种类型。

图1 东濮凹陷文东地区区域位置

早期黄铁矿通常形成于沉积同生期和浅埋藏的早成岩阶段。在H2S 含量较高的闭塞水体环境中，黄铁矿可以在沉积物沉积的同时形成［1-3］；而在一般情况下，浅层压实、胶结作用均不强烈，砂岩孔隙度较大且连通性较好，黄铁矿形成于浅层缺氧的硫酸盐还原带中，根据孔隙的形态和大小形成各种不规则形状的集合体，或随孔隙水向某部位聚集形成结核状［4-6］。若黄铁矿非常富集，可在岩心中肉眼观察到其发育形态，一般呈金黄色零散分布（见图2a）。多数情况下，研究区沙三段储层中的黄铁矿只能通过铸体薄片进行观察。薄片中出现的大量粒度较大、不规则或块状的黄铁矿，正是该阶段的产物（见图2b—2e）。另外，扫描电镜下的早期黄铁矿多呈莓状体结构，这是由许多等轴结构的微晶紧密堆积组成的高度规则的三维球状结构，莓状体形态一般被认为是早期黄铁矿的特有结构特征［7-9］。

晚期黄铁矿一般形成于烃类活动之时［10-12］，中成岩期之后的深埋藏阶段，与有机质热演化和硫酸盐热还原反应（TSR）有关。此时储层经历了压实、压溶和胶结作用，孔隙较小。由于储层所剩空间和反应物供应的限制，晚期黄铁矿个体较小，粒状散布于砂岩储层孔缝中，或交代矿物边缘出现［6，13］。在研究区沙三段储层的铸体薄片中观察到的黄铁矿多呈星散分布的球粒状，有时球粒成串出现，也有充填孔隙并交代矿物边缘的情况出现（图2f—2i）。

3 黄铁矿形成条件与影响因素

3.1 形成条件

3.1.1 早期黄铁矿

早期黄铁矿是在浅层硫酸盐还原带中发生硫酸盐还原反应（BSR）的产物之一。Berner 1972年将早期黄铁矿的形成过程划分为3 个阶段［14］。第1 阶段，溶液中硫酸根被细菌还原成硫化物（H2S 或HS-），同时有机质被细菌氧化；第2 阶段，硫化物与Fe2+反应，这一阶段反应生成FeS 沉淀；第3 阶段是FeS 向黄铁矿的转化［15］。总反应式可以表示为

前人研究得出，BSR 反应通常发生在低温缺氧环境中。1995年，Hans 提出BSR 的反应环境是温度为0～60 ℃，Ro为0.2%～0.3%，正常地温梯度下深度为2 000～2 500 m［16］。1991年，Schoonen 和Barnes 通过实验证实，在酸性和碱性环境下，FeS 会通过不同的途径反应，但最终均生成黄铁矿［17］。

研究区沙三段储层流体pH 值为6～8，是黄铁矿形成的正常范围。陈昊等2006年在层序地层学原理的基础上，分析文东地区沙三段的沉积相类型认为，这段地层沉积时，深水与浅水环境交替出现［18］。深水环境下，沉积物处于还原环境，更有利于早期黄铁矿的形成。

3.1.2 晚期黄铁矿

沉积物埋藏到一定深度后，温度升高，有机质进入储层，TSR 反应开始发生。有机质作为还原剂与储层中的其他物质发生反应，将硫酸盐矿物（如硬石膏）中的SO42-还原为S2-，将Fe3+还原为Fe2+，共同反应生成黄铁矿［19-21］。反应式可以表示为

TSR 反应环境为高温，一般认为反应发生在温度为100～200 ℃，Ro为1.0%～1.4%的条件下［22-23］。研究区沙三段晚期黄铁矿发育深度主要在3 100～4 900 m 范围内，在正常地温梯度下，黄铁矿出现的温度在120 ℃以上。结合研究区埋藏史的研究结果，东濮凹陷北部地区埋深2 500 m 左右普遍到达生烃门限，3 000 m 左右时有机质进入成熟阶段［24］；因此，3 000 m 以下的储层中已经有烃类充入，且温度和成熟度都达到TSR 反应所需要的条件，满足晚期黄铁矿生成条件。

图2 东濮凹陷文东地区沙三段储层黄铁矿发育特征

3.2 影响因素

东濮凹陷北部地区，除了有原始沉积物为黄铁矿的形成提供Fe3+等物质基础外，还有以下影响因素。

3.2.1 膏盐岩发育

东濮凹陷北部地区沙三段发育4 套巨厚膏盐层［25］。随着地层埋深增加，温度达90 ℃以上时，膏岩层和泥膏层中的石膏开始脱水向硬石膏转化，脱出大量碱性富含Ca2+离子的束缚水和结晶水，同时释放SO42-。这些离子和反应生成的硬石膏可以作为后续TSR 反应中的反应物，成为黄铁矿的硫源。研究区沙三段储层中，有晚期黄铁矿发育的层位上方都有巨厚膏岩层，铸体薄片中也常见硬石膏呈现连晶状胶结或不规则充填于孔隙中，这种富含硫酸盐的环境为研究区储层中黄铁矿的形成提供了充足的物质基础。

3.2.2 烃类活动

有机质成熟后开始向油气转化，转化过程中排出的有机酸进入储层，同时将相邻泥岩层中溶解的物质（如Fe3+）带入砂岩储层中。随着有机质成熟度升高，大量油气生成，在动力驱替下油气开始向储层运移，大量Fe3+，SO42-和Ca2+等随着油气运移向储层中聚集，同时，烃类还可以作为必要的还原剂参与到TSR 反应中。进入高成熟期，原油发生裂解，产生的H2S 又参与反应生成黄铁矿，造成沥青与黄铁矿共生的现象。铸体薄片中可以观察到，在含有残余沥青的砂岩中，沥青中会有分散粒状的黄铁矿发育（见图3a—3d）。

3.2.3 微裂缝发育

东濮凹陷3 200 m 以下地层中普遍发育异常高压带，造成异常高压的原因，主要有不均匀压实作用以及大面积发育的膏盐岩封闭作用［26-29］。异常高压造成的幕式排烃，导致储层中发育许多微裂缝。这些缝隙为流体及油气的运移提供了通道和储集空间，裂缝附近富集了有机质及Fe2+，SO42-等，形成的黄铁矿便充填在裂缝中，或沿裂缝分布，如文210 井3 878.60 m 深度储层中可观察到充填在裂缝中的黄铁矿微晶（见图3e，3f），在文233 井3 202.00 m 深度储层中可观察到裂缝附近星散分布的黄铁矿球粒（见图3g，3h）。

图3 东濮凹陷文东地区沙三段储层中黄铁矿分布特征

4 黄铁矿发育对环境的反映

上述研究表明，黄铁矿的发育与地层所处环境的关系非常密切，只有在一定的流体环境及温度条件下才会有黄铁矿的富集；因此，储层中出现的黄铁矿对沉积及成岩时的环境具有一定的指示作用，可以用来协助判断储层所处环境。

4.1 沉积环境

早期黄铁矿形成于缺氧的还原环境中，需要沉积物中含有充足的有机质和含铁矿物。一般而言，泥质中含有较多的有机质和含铁物质，因此，沉积物粒度越细，含有机质越多，越有利于早期黄铁矿的生成。研究区沙三段储层中保留下来的早期黄铁矿个体较大，这反映了沉积初期为还原环境；发育早期黄铁矿的储层深度段中普遍含有较多的泥质，以及鲕粒和藻球粒等富含有机质颗粒［29］，这也反映了该段地层沉积时水动力较弱，属于低能环境。

4.2 成岩作用与流体环境

对东濮凹陷沙三段储层物性研究发现，储层的孔渗性在纵向上具有分带性，可以划分出4 个次生孔隙发育带，文东地区也具有同样的分带特征。结合晚期黄铁矿发育深度可以发现，黄铁矿在第1 异常孔隙发育带范围内（3 500～3 700 m）非常发育。根据对该地区储层成岩阶段的划分，第1 异常孔隙发育带主要处于中成岩作用A 期，形成原因主要为有机质向油气转化过程中释放含有机酸和CO2的酸性水，进入储层中造成岩石组分的大量溶解，形成次生溶蚀孔隙［30-32］。而有机酸和CO2还可以作为还原剂参与TSR 反应，反应中有黄铁矿的生成。由此可以看出，晚期黄铁矿的大量出现对应于深部次生孔隙的发育，并标志着油气运聚活动的开始。

除了在第1 异常孔隙带中的富集，在4 000 m 左右，接近第2 异常压力孔隙带处也有较多晚期黄铁矿的发育。这是由于地层埋深到4 000 m 以下，有机质达到高成熟期，原油裂解开始发生，裂解产生的H2S 又与Fe2+反应生成黄铁矿，即深部黄铁矿的相对富集对应于深部裂解气的生成。

值得注意的是，在黄铁矿富集的深度段内，碳酸盐矿物的体积分数同样很高［12-13，33-37］，并且含铁碳酸盐的体积分数在黄铁矿富集的深度处也达到高峰（见图4）。出现这一现象的原因是，虽然有机酸对长石等铝硅酸盐造成溶蚀，但同时脱羧转化为烃类，使有机酸浓度不断降低，这一阶段中流体pH 保持在5～6。在这种环境下，有机酸脱羧，不断产生CO2，结果促进了碳酸盐矿物的生成［30，33］，而Ca2+，Mg2+反应过程中与溶液中的Fe2+结合，便生成了大量的含铁碳酸盐矿物。

图4 东濮凹陷文东地区沙三段储层中黄铁矿与碳酸盐体积分数之间的关系

5 黄铁矿形成模式

在对薄片中黄铁矿发育特征观察研究的基础上，综合研究区成岩作用和烃类充注史，同时结合前人对黄铁矿形成机制的研究，总结出沙三段储层中早期和晚期黄铁矿的形成模式（见图5）。

图5 东濮凹陷文东地区储层中黄铁矿形成模式

东濮凹陷文东地区沙三段地层沉积时，湖盆为较封闭的咸水环境，在半干旱的气候条件下形成了大套的膏盐岩。沉积物埋藏至浅层硫酸盐还原带时，沉积在泥质及藻类球粒中的有机物作为还原剂参与细菌还原硫酸盐反应，在Fe2+的参与下生成黄铁矿球粒或结核。在此过程中，有机质产生的大量CO32-与地层中的Ca2+，Mg2+结合，生成早期碳酸盐胶结物。

地层埋藏深度继续增大，石膏开始脱水形成硬石膏胶结物，Ca2+和SO42-伴随碱性溶液进入储层中。有机质向烃类转化生成的有机酸进入储层，在100 ℃以上的环境中发生TSR 反应，在Fe2+的参与下生成晚期的黄铁矿小球粒，同时生成晚期碳酸盐胶结物和含铁碳酸盐胶结物。温度继续升高，发生原油裂解，生成的H2S 也会与储层中残余的Fe2+生成黄铁矿，富集在含油的孔隙及裂缝附近。

6 结论

1）研究区沙三段储层中发育的黄铁矿有早、晚期之分，早期黄铁矿形成于浅层细菌硫酸盐还原带中，晚期黄铁矿是TSR 反应产物之一，两者产出特征差异较大，前者个体较大，矿物形态受空间和物质限制较小。

2）影响该区黄铁矿分布和发育的因素有3 个：盐膏岩的广泛分布，为黄铁矿的形成提供了良好的物质基础；烃类向储层中的充注，促进了黄铁矿的生成；储层中发育的溶蚀缝及微裂缝，为流体和烃类提供了运移通道和储集空间，是黄铁矿发育的富集区域。

3）研究区沙三段储层中黄铁矿的发育一般伴随碳酸盐矿物的形成。早期黄铁矿标志水动力较弱的还原性沉积环境；晚期黄铁矿富集深度与深部次生孔隙带一致，反映油气运聚活动开始和高温裂解作用的进行。

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