玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组沸石成因及溶蚀机制

2020-08-12雷海艳鲜本忠杨红霞

岩性油气藏 2020年5期

雷海艳，樊顺，鲜本忠，孟颖，杨红霞，晏奇，齐婧

（1.中国石油天然气集团有限公司砾岩油气藏勘探开发重点实验室，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油新疆油田分公司百口泉采油厂，新疆克拉玛依 834000；4.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；5.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

玛湖凹陷沉积岩多为砾岩、砂岩和泥岩，由于受区域沉积和构造运动的双重条件控制，凹陷内形成的油藏往往为构造背景下的砾岩油藏，主力产层集中在三叠系百口泉组和二叠系上、下乌尔禾组，多套砂体叠置连片，各个砂体的特征存在差异，大面积含油，形成了多个油藏群。现阶段已先后探明玛北、盐北、达巴松、艾湖和玛南等5 个油藏群，具有巨大的勘探潜力。通过对二叠系下乌尔禾组进行精细研究，可发现地层中含大量的沸石族矿物，不同种类和成因的沸石，其分布特征及溶蚀程度差异较大，各井所钻遇的储层质量差异明显，试油试采产能差异大。试油结果表明，含浊沸石储层既有高产、也有低产；片沸石胶结带的岩石致密，溶蚀孔隙不发育，油气产量低。研究区关于沸石族矿物对储层性质及产量的影响研究较为薄弱。

学者们对沸石的成因、转化和成岩改造进行过详细的研究。Hay［1］对世界多地沸石族矿物的成因和分布进行了分析，认为沸石族矿物主要是由火山物质转化而来。Moncure 等［2］对美国内华达州沸石类矿物的纵向分带性展开了系统研究，查明了影响该分带性的具体原因，且对沸石的成岩序列和成岩模式开展了精细刻画。张立飞［3-4］对陕北三叠系延长统浊沸石成因进行了详细解剖，认为该区浊沸石是埋藏变质过程中砂岩孔隙被堵塞或隔绝后，在没有外来组分（H2O 和CO2除外）的加入和带出的条件下，由胶结物间或胶结物与碎屑矿物间反应所形成。朱国华［5-6］研究了陕北延长组砂体中浊沸石的形成机理，发现浊沸石形成温度的上限低于80.0 ℃，从此打破了浊沸石带是石油勘探死亡线的观点，同时发现浊沸石溶蚀带多为油气高产区。朱世发等［7-8］、孙玉善等［9］对准噶尔盆地西北缘克-夏地区二叠系的沸石族矿物的形成和溶蚀作用也开展了研究，认为该区沸石族矿物以方沸石为主，其次为片沸石和浊沸石，并划分了各类沸石在平面上的主要分布区，且认为方沸石溶蚀对储层质量改善较为明显，片沸石胶结易导致储层致密。上述研究确认了储层质量、试油产能与储层中沸石种类、含量及其溶蚀程度关系密切，但是对于不同沸石族矿物之间的共生分布关系和溶蚀规律方面的研究尚不够深入，对于沸石溶蚀作用与油气富集之间的关系认识程度低。为了明确玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组沸石族矿物的分布规律与差异溶蚀机理，笔者对研究区目的层开展系统取样和分析测试工作，以期深化含沸石类储层研究和指导其油气勘探与开发。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，晚石炭—早二叠世，由于受哈萨克斯坦板块的俯冲和碰撞，准噶尔盆地西北缘形成了碰撞隆起带和相邻的大型陆内坳陷，玛湖凹陷初现雏形，其间伴随着大量火山岩的喷发和岩浆侵入。到二叠纪中后期，由于持续性构造隆升作用，东北部的陆梁隆起带和西北部的扎伊尔山和哈拉阿拉特山持续为凹陷区提供着充足的物源。玛北地区下乌尔禾组（P2w）发育了4个砾岩扇群，分别是玛东斜坡的夏盐扇和玛东扇、玛西斜坡的夏子街扇和黄羊泉扇（图1）。地层由下至上化分为4 段，分别为乌一段、乌二段、乌三段和乌四段，本次研究将乌四段作为主要研究对象。

图1 玛湖凹陷地理位置（a）及研究层段综合柱状图（b）Fig.1 Location of the study area（a）and stratigraphic column of target layer（b）in Mahu Depression

2 储层特征

通过对玛湖凹陷内34 口取心井长度约为516 m的岩心进行观察，磨制了近400 个岩石薄片和荧光薄片，并进行显微镜鉴定，结合场发射扫描电镜、电子探针、能谱分析和包裹体测试等实验技术对工区内的沸石族矿物进行了深入研究（表1）。

2.1 岩石学特征

玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组以粗粒沉积为主，岩性包括粗砂岩、砾质砂岩、砂质砾岩和砾岩，另见少量呈薄层分布的粉—细砂岩和泥岩，砾石结构成熟度低，次棱角—次圆状，杂基或颗粒支撑，具牵引流和重力流交互沉积的特征（图2）。

表1 研究资料统计数据Table 1 Research data statistics

岩石薄片鉴定结果显示，砾石成分以火山岩、火山碎屑岩为主，其中火山物质中又以凝灰岩岩屑为主［图3（a）］。砾石粒径为4～64 mm，分选差，混杂结构，碎屑（砂、砾）支撑和杂基支撑，成分成熟度低。沸石族矿物为储层中的主要胶结物，其中浊沸石出现频率最高，片沸石次之［图3（b）］。

2.2 储集空间类型和物性

图2 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组典型岩心照片（a）砾石呈叠瓦状排列，牵引流沉积，玛009 井，3 732.50 m；（b）正粒序，牵引流沉积，玛009 井，3 726.60 m；（c）砾石呈漂浮状，泥质杂基支撑，碎屑流沉积，玛西1 井，3 745.65 m；（d）砾石呈漂浮状，碎屑流沉积，玛18 井，4 069.80 mFig.2 Typical core photographs of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

图3 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组储层岩石矿物组分（a）及各扇体的胶结物含量（b）Fig.3 Rock mineral components（a）and cement content of each fan（b）of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

玛湖凹陷下乌尔禾组孔隙类型包括原生粒间孔和次生溶蚀孔2 类［10］，次生溶蚀孔又以浊沸石溶孔为主，见少量微裂缝。岩心样品的物性分析结果显示，孔隙度为5.00%～19.10%，平均为8.42%，渗透率为0.01～1 428.20 mD，平均为2.78 mD（图4），整体上可划归为低孔低渗型储层。

图4 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组储层孔隙度（a）和渗透率（b）分布直方图Fig.4 Histogram of porosity（a）and permeability（b）distribution of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3 沸石族矿物及成因

3.1 沸石族矿物

玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组中沸石族矿物类型以浊沸石为主、片沸石次之，二者常伴生出现。通过偏光显微镜、扫描电镜和能谱等多手段检测，个别井中见到斜发沸石、方沸石以及辉沸石。沸石族矿物普遍以胶结物和裂隙充填物的形式产出。

浊沸石的自形程度较高，常呈板柱状和连片状晶体，主要以半充填—全充填的形式在粒间孔隙中析出，其形成时期多晚于绿泥石和片沸石［图5（a）］，早于方解石。成岩后期经过地层水和有机酸双重作用，浊沸石发生全部溶蚀或部分溶蚀，呈现出不规则形态的溶蚀孔隙［图5（b）］。场发射扫描电镜下，浊沸石常为自形的板状或板柱状，多期沸石的接触部位常见微小的晶间缝发育［图6（a）］，在裂缝发育层段常见浊沸石发生溶蚀［图6（b）］。

图5 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组沸石族矿物微观特征（a）砾岩，浊沸石溶孔和绿泥石膜，夏盐2 井，4 717.90 m，单偏光；（b）砂质砾岩，浊沸石溶孔，玛607 井，4 103.50 m，铸体薄片，单偏光；（c）砂质砾岩，片沸石与残留凝灰质，盐北2 井，4 468.70 m，单偏光；（d）中粒岩屑砂岩，片沸石膜，玛218 井，4 008.83 m，正交偏光；（e）细粒岩屑砂岩，片沸石交代长石，盐北2 井，4 290.44 m，单偏光；（f）砂质砾岩，方沸石与残留凝灰质，玛3 井，3 342.50 m，单偏光；（g）砾岩，穿插双晶辉沸石，玛009 井，3 782.30 m，正交偏光；（h）砾岩，斜发沸石，玛217 井，4 005.80 m，正交偏光；（i）砾岩，浊沸石与火山物质杂基，夏盐2 井，4 718.00 m，单偏光；（j）砂质砾岩，绿泥石与浊沸石，玛201 井，3 636.06 m，单偏光；（k）砾岩，示顶底结构，盐北4 井，3 913.20 m，单偏光；（l）泥质细砂岩，成岩缝充填浊沸石，盐北4 井，3 646.75 m，正交偏光Fig.5 Micro characteristics of zeolite group minerals of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

图6 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组岩石微观特征（a）中粗粒岩屑砂岩，浊沸石中的裂缝，扫描电镜照片，玛607 井，4 104.75 m；（b）中粗粒岩屑砂岩，浊沸石溶孔，玛607 井，4 104.75 m，扫描电镜照片；（c）砾岩，辉沸石与伊蒙混层共生，玛009 井，3 782.30 m，扫描电镜照片；（d）砂质砾岩，片状斜发沸石，玛009 井，3 939.50 m，扫描电镜照片；（e）砾岩，多期浊沸石，盐北4 井，3 915.00 m，扫描电镜照片；（f）砾岩，浊沸石中的包裹体盐001 井，5 985.20 m；（g）砾岩，浊沸石中的包裹体，玛201 井，3 648.18 m；（h）砂质砾岩，早期油，玛201 井，3 649.64 m，荧光薄片；（i）砂质砾岩，晚期油，玛217 井，4 004.32 m，荧光薄片Fig.6 Micro characteristics of rocks of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

片沸石在扇三角洲平原较为发育，多见于杂基含量较高的砾岩中，显微镜正交偏光下多呈褐色和黄褐色。片沸石常呈现出2 种形态：他形泥晶片沸石，呈半充填或全充填于细粒砂岩中的碎屑颗粒间［图5（c）］；自形细—中晶片沸石，多出现在粒径较粗的砂岩或砾岩中，多垂直颗粒边缘生长，与其他类型填隙物一起充填于孔隙中［图5（d）］。偶见片沸石交代长石碎屑和岩屑［图5（e）］。

方沸石在研究区不太发育，仅见于靠近湖盆边缘的玛3 井中。研究区所见方沸石与蚀变凝灰质共生［图5（f）］，扫描电镜下观测到溶蚀现象不明显。朱世发等［7-8］认为准噶尔盆地西北缘二叠系方沸石最为发育，且方沸石溶蚀带为该区次生孔隙的发育带，其采样井85453 井和85095 井位于湖盆边缘的克百五—八区，而本次研究的区域则位于玛湖凹陷内部，由此可见，从湖盆边缘往内部过渡，方沸石有逐渐减少的趋势。

辉沸石见于玛009 井附近，晶体常呈平行的板状或片状，单偏光下为灰色和灰黄色，正交偏光下干涉色为一级黄白，负延性，负低突起，可见穿插双晶［图5（g）］，与方解石伴生充填于孔隙中。扫描电镜下可见辉沸石多为刀片状，与伊蒙混层共生［图6（c）］。

斜发沸石在研究区也不发育，偶见于个别井段（玛009 井和玛218 井）。晶体多为细小针柱状，多为浅黄褐色，负低—中突起，正延性，多与片沸石共生［图5（h）］。扫描电镜下斜发沸石多为片状［图6（d）］。能谱分析结果显示，斜发沸石含少量的铁。

3.2 浊沸石包裹体均一温度

通过对玛湖凹陷4 口井二叠系下乌尔禾组17个浊沸石包裹体进行测温分析，发现研究区浊沸石形成温度为54.4～115.6 ℃，与前期研究的西北缘克-夏地区沸石形成温度一致（表2）。包裹体宿主矿物颗粒较粗，填隙物主要为浊沸石和绿泥石。包裹体主要分布在浊沸石颗粒表面，单个或成串分布，整体丰度低，单相多，气液两相包裹体相对较少，包裹体直径普遍偏小，一般在1～5 μm 左右，最大不超过8 μm，为无机相［图6（f）—（g）］。

表2 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组浊沸石中包裹体特征及相关测试数据Table 2 Characteristics of inclusions in laumontite and related test data of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3.3 沸石成因分析

朱国华［5］认为80.0 ℃可以作为划分浊沸石高、低温成因的分界标准，由此可见，玛湖地区下乌尔禾组砂砾岩中浊沸石既存在高温成因，也存在低温成因。将浊沸石包体均一温度低于80.0 ℃者归为埋藏早期的低温成因，高于80.0 ℃者归于埋藏晚期的高温成因，且同一口井同一深度的浊沸石内各包裹体均一温度差异较大，最低温度为56.4 ℃，最高温度为115.6 ℃，为不同成岩时期形成，即同一个样品中浊沸石的成因可能存在2 期或以上。

准噶尔盆地西北缘沸石的成因可分为以下2种：第1 种是矿物转化成因［5，11-13］，斜长石的钠长石化过程中，生成浊沸石，其化学方程式为：

这种成因与长石的压溶作用密切相关，其形成的必要基础条件是岩石中必须含有大量的长石，但研究区的岩石类型以砾岩为主，骨架颗粒成分主要是凝灰岩，其次为安山岩，见少量的霏细岩和花岗岩等，长石体积分数普遍低于10%。因此该类型的矿物转化形成的沸石在研究区是极少的。第2 种是火山物质蚀变成因［8，14-19］，在火山碎屑水化蚀变为绿鳞石的过程中，形成了碱性环境和活化SiO2，同时生成含水较多的斜发沸石。通过岩石薄片鉴定、场发射扫描电镜分析、能谱分析和电子探针元素分析等发现，研究区砾岩中斜发沸石多与片沸石共生。李振华等［20］研究认为，斜发沸石后期会向片沸石和方沸石转化。因此，火山物质蚀变为研究区沸石的主要成因，且晚期高温成因的沸石主要为孔隙水结晶而成。

3.3.1 火山物质蚀变成因

火山物质蚀变成因的沸石多形成于早成岩期，沸石呈粒状集合体，多与黏土矿物共生，且黏土矿物还保留火山尘的特性［图5（i）］，此类沸石胶结的岩心疏松易散，填隙物中火山物质蚀变成因矿物按结晶先后顺序依次为片沸石、绿泥石和浊沸石，这种结晶顺序与铁元素含量有关（表3）。研究区的片沸石最早结晶，且普遍含铁，呈现橘红色等氧化色［图5（d）］；随着环境中含铁量的降低，浊沸石逐渐结晶，含少量铁元素，偏光显微镜下呈一级灰干涉色，少量浊沸石解理缝偶呈淡橘红色［图5（j）］。

表3 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组各类型沸石的电子探针元素分析数据Table 3 EPMA element analysis of different types of zeolites of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3.3.2 孔隙水结晶成因

晚成岩期孔隙水结晶成因的沸石主要为浊沸石，多呈大型板状集合体，干净无杂质［21-22］。由于凝灰质密度较大，优先沉淀聚集在矿物碎屑表面，浊沸石在后期富集，作为胶结物析出，可见明显的示顶底结构［参见图5（k）］。在偏光显微镜和扫描电镜下观察，可见浊沸石呈多期次性，因早期的浊沸石受酸性流体的溶蚀作用，后期孔隙水在溶蚀孔洞中富集，促成了第2 期沸石的形成［参见图6（e）］。成岩缝中的浊沸石与孔隙中的浊沸石在正交偏光下的消光特征基本一致，应为同期浊沸石大晶体溶蚀再胶结而成［参见图5（l）］。含孔隙水结晶成因沸石的岩心大多较为致密，不易松散。构造高部位的浊沸石多为早期蚀变成因，溶蚀孔发育，储层质量较好。溶蚀形成的矿物离子随孔隙水下渗，在构造低部位重结晶，导致相对深部的岩石胶结致密，储层质量较差，从而导致该类浊沸石胶结段的含油性较差。

3.4 沸石分布特征

图7 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组片沸石（a）和浊沸石（b）的平面分布特征Fig.7 Plane distribution characteristics of heulandite（a）and laumontite（b）of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

通过岩石薄片鉴定结果统计，玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组四段沸石在空间分布上具有以下特征：①扇三角洲平原亚相的砾岩储层中，泥质组分为粒间主要填隙物，沸石族矿物含量较少（图7）；②扇三角洲平原亚相前端的碎屑颗粒，受到水体不断的淘洗，砾岩颗粒间发育少量孔隙，见大量的火山物质杂基沉淀，主要发育片沸石和少许的浊沸石；③扇三角洲前缘亚相的砾岩，由于原始物性较好，地层流体交换频繁，有利于自生浊沸石的析出，浊沸石含量较高；④扇三角洲前缘亚相远端的岩石，由于埋深较大，成岩作用强烈，主要为钠长石发育区。

研究区片沸石主要见于玛005 井、玛002 井、玛东2 井、玛218 井和玛217 井，其体积分数平均为0.5%～5.0%。由扇三角洲平原到前缘，浊沸石平均含量有依次增高的趋势，主要发育于以下4 个区域：①玛东斜坡夏盐2 井和盐001 井一带，浊沸石体积分数为0.5%～6.0%；②玛东斜坡区盐北4 井、玛217 井和玛218 井一带，体积分数为1.0%～7.0%；③玛北斜坡区玛003 井和玛4 井一带，浊沸石体积分数为0.5%～4.0%；④玛北斜坡区玛607 井一带，浊沸石体积分数为0.5%～5.0%。

4 沸石族矿物的溶蚀作用

4.1 沸石族矿物的溶蚀差异性

玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组不同区域和不同深度储层中，沸石矿物的溶蚀作用存在较大差异。夏盐2 井4 717.76 m 岩心中，浊沸石发育较多的溶蚀孔隙，后期被沥青质充填，而该井4 978.00 m 岩心中，孔隙水结晶成因的浊沸石大量发育，岩石胶结致密，溶蚀孔不发育。盐北7 井3 881.39 m 岩心为含砂砾岩，浊沸石胶结物体积分数为14.0%，岩石有效孔隙度为10.90%；该井3 885.84 m 岩心为含砂砾岩，浊沸石胶结物体积分数为4.0%，片沸石体积分数为2.0%，岩石有效孔隙度为4.30%。

浊沸石相对片沸石更容易遭受后期的溶蚀作用，片沸石基本上不发生溶蚀。各类型沸石胶结物的分布直接控制着溶蚀孔隙的发育。因此，泥质和片沸石发育的扇三角洲平原亚相的岩石，其溶蚀程度明显小于扇三角洲前缘内环带浊沸石发育区的岩石。

4.2 溶蚀作用的主控因素

沉积相带控制着沸石矿物的类型及分布，进而可能影响沸石矿物的溶蚀程度和储层质量。除此之外，有机酸流体的长期和充分供给为沸石的溶蚀提供了有利条件［23-28］。结合研究区浊沸石油水包裹体测试结果、荧光薄片分析数据和原油物性分析，可以判断研究区曾发生过2 期油气充注。同一地区同一层系中不同期次的油气充注的岩心，在荧光显微镜下呈现不同的颜色，早期充注的油气，在荧光下发黄色光［参见图6（h）］，晚期充注的油气在荧光下发亮蓝色光［图6（i）］。盐北1井二叠系下乌尔禾组4 029.00～4 052.00 m 原油密度为0.875 g/cm3，为成熟原油；玛202 井二叠系下乌尔禾组3 778.00～3 802.00 m 原油密度为0.834 g/cm3，为高成熟原油。多期原油充注可为地层持续提供有机酸，并为储层改造创造了良好条件。

浅层浊沸石胶结段位于烃源岩的上倾方向，低密度的有机酸向上运移可以导致浅层段浊沸石发生溶蚀作用，致使岩石疏松，而深层浊沸石胶结的岩石较为致密（图8）。显微镜下可见上部火山物质蚀变普遍，浊沸石多以片状集合体的形式产出，晶体之间存在较大缝隙，溶蚀现象普遍，孔隙较为发育，脱水干裂易散；下部浊沸石为后期孔隙水成因，晶体多呈大型板状，溶蚀孔不发育，岩石较为致密。

图8 玛湖凹陷二叠系下乌尔禾组2 种成因浊沸石的胶结程度对比Fig.8 Comparison of cementation degree between two kinds of turbidites of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression