准噶尔盆地西北缘沸石发育特征及成储机理初探：以玛南地区二叠系乌尔禾组为例

连丽霞 ，王 剑 ，马 聪 ，杨 召 ，罗正江 ，杨生超，张文杰，胡文瑄

1. 中国石油 集团公司砾岩油气藏勘探开发重点实验室，克拉玛依 834000；2. 新疆砾岩油藏实验室，克拉玛依 834000；3. 中国石油 新疆油田分公司实验检测研究院，克拉玛依 834000；4. 南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023

准噶尔盆地是中国重要的大型含油气盆地之一，其西北缘是该盆地油气富集地区。该区可划分为西北缘断阶带、中拐凸起、玛湖凹陷和昌吉凹陷等几个次级构造单元（图1），其中，玛湖凹陷西斜坡南坡（简称玛南）紧邻生烃凹陷，构造位置有利（陈波等，2016）。近年来油气勘探在玛南地区百口泉组与乌尔禾组陆续发现了高产井与大油区，油气显示较好，勘探潜力巨大（支东明等，2018）。

图1 准噶尔盆地西北缘地区构造位置图（据Tao et al., 2016和卢志远等，2019改）Fig. 1 Structural location of the northwestern Junggar Basin

目前勘探结果表明，玛南地区乌尔禾组为扇三角洲沉积体系（施小荣等，2008；汪孝敬等，2017），砂砾岩成分成熟度低，泥质含量高，砾石与岩屑主要以凝灰岩与火山岩为主，胶结物主要为沸石类矿物与方解石（朱世发等，2011），其次为硅质与黏土矿物等。在玛南邻区的中拐地区，已发现的油藏或高产井段中沸石胶结物溶蚀孔隙占比较大（韩守华等，2007；郭沫贞等，2016，2017）。在埋藏较深、压实作用较强的背景下，沸石矿物的次生溶蚀对深层油气勘探意义重大（韩守华等，2007；陈波等，2016）。然而，目前对玛南地区乌尔禾组沸石胶结物的矿物特征、成因机理与成储机制等方面缺乏系统研究。

沸石作为自生硅酸盐矿物，其析出、胶结和溶蚀过程对储层具有重要影响，因而逐渐受到重视（朱世发等，2011）。迄今已在国内外多个盆地的不同层位开展过研究，可作为研究区的实例参考与理论借鉴（Mariner and Surdam, 1970; Moncure et al., 1981; Noh and Boles, 1993; Chipera et al., 2008）。例如中国松辽盆地北部白垩系泉头组（王成等，2004）、四川盆地川中地区侏罗系下沙溪庙组（杨晓萍等，2006）、酒泉盆地白垩系下沟组（李军等，2004）、鄂尔多斯盆地上三叠统延长组（杨晓萍和裘怿楠等，2002）等。目前在沸石的成因研究中以浊沸石的研究较为系统（郭沫贞等，2016），并提出了以下4种形成途径：（1） 高岭石与方解石反应（张立飞，1992）；（2）斜长石、中基性火山岩岩屑及凝灰岩岩屑蚀变（朱国华，1985）；（3）方沸石、片沸石转化（朱世发等，2014；李振华等，2014）；（4）低变质作用（张立飞，1992）。随着更进一步的验证与分析，第2类与第3类成因逐渐成为了主流观点。认为沸石类矿物是在富含火山物质、水介质为高pH值、高碱金属浓度，并在特定温度与压力条件下形成的（郭沫贞等，2016）；或者在钙离子富集、特定温度和压力条件下，由早期形成的沸石向片沸石转化，并进一步转化为浊沸石（朱世发等，2011; 2014）。然而，本区除了浊沸石外，还大量发育片沸石，其成因机制的研究还鲜有报道。

笔者对研究区乌尔禾组200余米岩心进行观察与描述，采集了100余块样品，开展了比较系统的镜下鉴定、扫描电镜观测与能谱分析。在此基础上收集整理研究区54口井600多张铸体薄片镜下鉴定资料，旨在查明研究区乌尔禾组沸石胶结物的矿物特征，明确沸石胶结物的分布规律，初步分析沸石胶结物成因机制，揭示沸石胶结物与储层发育的关系，进而探讨成岩作用过程中沸石胶结物的成储机理，为研究区沸石溶蚀型孔隙的预测奠定基础，也为其他地区含沸石胶结物储层的研究提供参考。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，南邻中拐凸起与达巴松凸起，东接盐下凸起与英西凹陷，西部与扎伊尔山、哈拉阿拉特山仅隔克百断裂带与乌夏断裂带（图1；郭沫贞等，2016；Tao et al., 2016）。受晚石炭世至二叠纪海西运动的影响，准噶尔盆地前缘形成前陆凹陷（朱世发等，2015），推覆活动引起区域构造抬升（吴和源等，2017）。此后陆续受到印支运动、燕山运动以及喜马拉雅构造运动的影响，玛湖凹陷及周边地区断裂发育，并形成多期不整合（杨勇和查明，2007）。

研究区二叠系发育有佳木河组、风城组、夏子街组、下乌尔禾组与上乌尔禾组，二叠系各层组向盆地边缘依次超覆在石炭系地层之上（郭沫贞等，2016）。在强烈的构造活动背景下，乌尔禾组发育一套扇三角洲沉积体系（汪孝敬等，2017）。其中，下乌尔禾组（P2w）岩心为灰色砂砾岩、含砾粗砂岩、泥质粉砂岩与灰绿色泥岩互层。上乌尔禾组（P3w）岩心为青灰色泥质砂砾岩、含泥含砂中砾岩、砂质细砾岩与红棕色粉砂质泥岩互层。

玛湖凹陷乌尔禾组以产油为主，产气较少，具有纵向多层含油、平面广泛成藏的特征（陈波等，2016）。以玛湖014井为例，下乌尔禾组试油成果为日产油79.12 t，累计产油2615.23 t，是研究区乌尔禾组油气勘探的重要突破。

2 储层中沸石发育特征

2.1 产状

玛南地区乌尔禾组含沸石类砂砾岩整体上以中砾岩与含砾粗砂岩为主，局部夹含砾中细砂岩。砾石多为青灰色、灰黑色火山岩砾石与凝灰质砾石（图2）。砂砾岩分选较差至中等，砾石呈次棱角状—次圆状，为颗粒支撑至杂基支撑，粒间广泛发育有沸石类与碳酸盐胶结物。通过对研究区54口井开展岩石薄片与扫描电镜观察分析，含火山物质的砂砾岩储层中见大量沸石矿物，并以胶结物和裂隙充填物的形式产出。在粒间孔隙中，沸石胶结物呈现完好的连晶基底式胶结，或发生部分溶蚀呈现溶蚀港湾状。

2.2 沸石矿物学特征

根据沸石的手标本与镜下特征，结合前人X衍射及电子探针分析，准噶尔盆地西北缘二叠系至三叠系砂砾岩储层中主要发育的沸石胶结物类型有片沸石、浊沸石与方沸石三种，含少量斜发沸石与丝光沸石（韩守华等，2007；朱世发等2011，2014；连丽霞和杨红霞，2017）。在玛南乌尔禾组砂砾岩储层中，沸石类胶结物以浊沸石和片沸石为主。

2.2.1 片沸石特征

片沸石的化学分子式为(Ca,Na2)Al2Si7O18· 6H2O，在研究区发育普遍。手标本观察发现，片沸石多为橘红色或浅褐色，以胶结物的形式充填在砂砾岩粒间孔隙之中，新鲜面较为致密（图2），质地坚硬而不易刻画。

图2 玛南地区二叠系乌尔禾组沸石类胶结物岩心照片Fig. 2 Core photographs showing zeolite cements in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

在显微镜下片沸石具有鲜亮橘红色或无色，一级灰白干涉色，主要以基底式胶结与裂隙式充填的形态产出（图3a, b）。基底式胶结的连生片沸石晶体为片状或刃状沿着颗粒边缘垂直生长，孔隙中间为板状或长柱状常以半充填、全充填方式产出于砂砾岩粒间；裂隙式充填的片沸石常在火山岩碎屑裂缝内以板状、刃状充填。两种产状片沸石胶结物在靠近颗粒边缘部位多为橘红色，靠近孔隙中心部位多为无色，指示了片沸石存在两期胶结（图3a）。

通过扫描电镜能谱进一步分析发现，片沸石胶结物红色部分的Fe元素含量较高，而无色部分的Fe元素含量明显偏低。例如玛湖11井下乌尔禾组样品，在红色区域，能谱分析指示Fe元素含量约为1.8%，而靠近中心部分的无色区域，片沸石的Fe元素信号低于检测限（测试点1，无Fe元素信号），或者含量较低（测试点2，Fe元素含量为0.74%），明显低于边部橘红色片沸石（测试点3，Fe元素含量为1.8%）（图4）。因此可以推断，片沸石染色很可能是Fe元素含量高引起的，早期片沸石富含铁，晚期片沸石贫铁。

2.2.2 浊沸石特征

浊沸石的化学分子式为CaAl2Si4O12·4H2O，是研究区乌尔禾组最为发育的胶结物类型之一。岩心观察发现，浊沸石胶结物多为灰白色至微红色，丝绢光泽（图2），矿物固结强度低，质地较软而易于刻划与脱落。

图3 玛南地区二叠系乌尔禾组沸石类胶结物矿物特征Fig. 3 Mineralogical characteristics of zeolite in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

图 4 玛南地区二叠系乌尔禾组两期片沸石胶结物扫描电镜特征Fig. 4 Scanning electron microscope (SEM) images showing the two-stage zeolite cementation in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

在显微镜下，浊沸石多为无色，偶见浅红色，一级黄白干涉色，自形程度高，呈短柱状，常呈现基底式或孔隙式胶结（图3c, d），以半充填至全充填产出于砂砾岩颗粒之间。浊沸石矿物的解理非常发育，紧密推挤，晶间缝较少，但成岩作用过程中，在成岩成烃流体的改造下，浊沸石形成较多溶蚀孔隙，呈现不规则的溶蚀港湾状见于砂砾岩颗粒之间（图3c, d）。玛南地区，浊沸石胶结物大量产出的层段，可见较好的油气显示（图2c）。

2.3 沸石矿物空间分布特征

2.3.1 纵向分布规律

依据薄片填隙物组分鉴定结果，玛南地区沸石类胶结物在空间上具有一定的分布规律（表1）。整体上，片沸石主要聚集在下乌尔禾组，浊沸石主要聚集于下乌尔禾组与上乌尔禾组，而百口泉组地层目前未见沸石胶结物产出（表1）。具体而言，片沸石胶结物在下乌尔禾组中含量变化较大，含量范围为1%～6%，平均含量为3.3%，至上乌尔禾组，片沸石平均含量急剧降低，未有统计数据。相比之下，浊沸石在玛南乌尔禾组的分布更加广泛，其中下乌尔禾组中浊沸石含量在1%～11%之间，平均含量为3.8%，上乌尔禾组浊沸石发育相对较少，但整体比较集中，含量范围为6%～8%，平均7.0%。

2.3.2 平面分布规律

综合薄片鉴定结果与统计数据，片沸石胶结物主要发育区为黄羊泉扇的玛湖6井附近，平均含量约为4.5%，其他井段中，片沸石零星产出且含量较低。浊沸石胶结物主要集中在玛湖6井与靠近中拐扇的克80井两个井区范围，含量范围在2%～11%，平均含量约为5.0%，其他井段砂砾岩储层中，整体含量较低。

表1 玛南地区二叠系—三叠系沸石胶结物含量统计Table 1 Content of Permian-Triassic zeolite cements in the Manan area

研究区各类沸石在平面上的展布规律并不显著，仅在黄羊泉扇玛湖6井附近片沸石与浊沸石含量最为富集。从南到北，总体上表现出，浊沸石与片沸石含量逐渐升高的特征。沸石类胶结物的空间分布，可能受控于各个扇体的沉积母岩性质与后期差异性的成岩流体改造，情况复杂，因此非均质性较强，区域分布规律不明显。

3 沸石成因初探

据前人分析，沸石胶结物的形成与母岩成分有关，并受到孔隙水的化学性质、温度与压力等多方面因素的共同控制（朱世发等，2011, 2014），通常形成于中性至碱性的水介质环境（朱世发等，2011）。研究表明，母岩组分对研究区沸石胶结物的类型具有一定的控制作用（郭沫贞等，2016），火山物质特别是凝灰岩组分是沸石矿物形成的主要物质基础（朱世发等，2011）。百口泉组沸石类胶结物的含量明显低于乌尔禾组，这可能与母岩组分的差异有关。为研究富含沸石砂砾岩储层的物质组成，本次研究将其砾石组分分为4类，分别为凝灰岩砾石、中性—基性火山岩砾石、中酸性—酸性火山岩砾石、正常沉积岩砾石（石英与长石）。

统计结果表明，研究区乌尔禾组砂砾岩的岩石组分以凝灰岩砾石为主，含少量中性—基性火山岩砾石与部分中酸性—酸性火山岩砾石，沉积岩砾石整体含量较低（图5）。

图5 玛南地区二叠系乌尔禾组与三叠系百口泉组不同成分砾石含量Fig. 5 Different gravel contents in the Permian Wuerhe Formation and Triassic Baikouquan Formation of the Manan area

通过对沸石胶结物含量大于1 %的样品开展砾石组分三角投图分析，探讨沸石矿物种类与母岩砾石成分之间的内在联系（图6）。从砾石组分三角图可见，沸石类胶结物主要富集在凝灰岩砾石含量较高的样品之中，可见沸石矿物的析出与凝灰岩砾石具有密切联系。在胶结物含量上，乌尔禾组沸石类胶结物含量较高，而百口泉组中少见沸石矿物（表1），这与二者在凝灰岩砾石含量上的差异匹配较好（图5）。在产状上，乌尔禾组砂砾岩储层中沸石类胶结物多与凝灰岩与火山岩砾石相伴生，常见凝灰岩砾石内部或者砾石间充填有不同类型沸石胶结物（图3）。进一步对各类砾石与沸石矿物含量进行交会图分析，发现凝灰岩砾石与浊沸石之间具有一定的正相关性，而中酸性火山岩砾石与浊沸石之间具有明显的负相关性（图7）。以上证据表明研究区沸石类胶结物的析出主要受控于母岩中凝灰质组分，而中酸性火山岩砾石不利于浊沸石的发育，其他火山岩砾石与沸石胶结物的形成无明显关系。

图6 玛南地区不同沸石胶结物与岩石组分含量关系Fig. 6 Relationship between different zeolite cements and rock compositions in the Manan area

图7 玛南地区浊沸石胶结物与岩石组分交会图Fig. 7 Crossplot of laumontite cements and rock compositions in the Manan area

综合分析研究区各项地质背景，玛南地区乌尔禾组沸石类胶结物形成过程可以简要归纳如下：受构造作用的影响，准噶尔盆地西北缘发育大量断裂体系。在相对开放的水文环境下，成岩流体沿着克百断裂带与乌夏断裂带不断进入地层，同时深部成岩与成烃流体从下至上沿断裂体系充注入砂砾岩地层。研究区砂砾岩储层含大量凝灰质组分以及各种火山岩砾石，凝灰岩砾石含有大量不稳定的玻璃质或隐晶质组分，在各种流体作用下，凝灰质组分与部分火山岩砾石发生蚀变，释放出大量Ca2+、Mg2+、K+、Na+等离子，使得流体的盐度与碱度不断升高，有利于各类沸石矿物的形成。

4 对储层的影响

4.1 沸石矿物的储层效应

玛南二叠系乌尔禾组储层岩性主要为砂砾岩与含砾中—粗砂岩，经历了强烈的压实与胶结作用，储集层属中低渗型储层，次生溶蚀孔隙的发育是在低孔渗背景下改善物性、形成局部优质孔隙的重要方式（陈波等，2016）。在准噶尔盆地西北缘已发现沸石类胶结物发育较多次生溶蚀孔隙，如中拐地区的浊沸石溶蚀（李振华等，2014；连丽霞和杨红霞，2017），乌夏断裂带的方沸石溶蚀（韩守华等，2007；朱世发等，2011, 2014），而片沸石的溶蚀现象相对少见。本次研究中，在玛南地区砂砾岩储层中发现了大量浊沸石与片沸石胶结物，溶蚀孔隙除了在浊沸石胶结物中较为发育（图3c, d），在部分片沸石胶结物中也可见晶间缝与溶蚀孔隙，并且部分溶蚀孔隙被沥青充填（图3b），是较好的油气储集空间。但相对片沸石而言，浊沸石在研究区溶蚀程度更高，发育范围更广，是沸石胶结物溶蚀孔隙的主要贡献者。

薄片观察发现，研究区发育的次生溶蚀孔隙主要有三种类型，分别为沸石类胶结物溶蚀孔隙、方解石胶结物溶蚀孔隙与长石碎屑颗粒溶蚀孔隙。进一步地，对研究区350块铸体薄片镜下观察分析，划分三类溶蚀孔隙，并对溶蚀面孔率的相对含量进行统计分析，以期探讨不同组分的溶蚀作用对储集层物性贡献的相对大小（图7）。经统计，相较于方解石胶结物与长石颗粒，沸石类胶结物溶蚀面孔率占比最高，平均为63.82 %，是研究区次生溶蚀孔隙的主体部分（图8）。钠长石溶蚀孔隙面孔率相对占比平均为32.25 %，方解石胶结物的溶蚀作用相对最弱，平均溶蚀面孔率占比为23.00 %（图8）。由此可见，沸石类胶结物的溶蚀作用在改善研究区储集层物性中起到了主导作用。

图8 玛南地区二叠系乌尔禾组平均溶蚀面孔率占比直方图Fig. 8 Histograms showing the proportion of the average surface porosity of dissolution in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

4.2 沸石溶蚀过程分析

玛南地区乌尔禾组沸石类胶结物普遍发育，沸石矿物的次生溶蚀孔隙是研究区重要的油气储集空间。沸石矿物的形成与溶蚀是一个复杂的成岩作用过程，通过对地质背景进行综合分析，可以简化为两阶段特征：

第一阶段，正常成岩胶结作用。该阶段的流体来源为中成岩作用阶段中黏土矿物的脱水或者为沿断裂带渗入的大气淡水。流体与围岩中凝灰岩砾石或凝灰质杂基反应后，进入到砂砾岩储层，随着碱金属离子浓度增加，碱性逐渐增强，发生叠加—改造式成岩胶结，形成不同沸石类胶结物。

第二阶段，深部流体越层溶蚀—改造作用。该阶段的流体为下伏风城组与乌尔禾组烃源岩层中的酸性含油气流体。酸性含烃流体沿大量发育的断裂带上涌，进入砂砾岩层段，对早期沉淀析出的沸石类胶结物及部分方解石胶结物与长石颗粒进行再溶蚀，该阶段是储层形成的主要阶段。由于地层中碱性矿物与砾石较多，且深层酸性流体具有“幕式”上涌特征，因此酸性流体常被中和，发生溶蚀再沉淀作用。

在地质过程中，上涌的深部流体在性质上是多元化的。从最易于流动的含气性流体到以水为主的深部黏土矿物脱水流体，最后到生排烃作用相关的酸性含油气流体，依次沿着断裂上涌到上部储层进行改造。胶结物的形成过程属于“前卷式”运移及溶蚀—沉淀模式，胶结物的含量与种类取决于成岩流体来源多少，后期成岩改造是成储的关键阶段。

5 结论

（1）玛南地区二叠系乌尔禾组砂砾岩储层中发育大量沸石类胶结物，以浊沸石与片沸石为主。片沸石具有两个不同的胶结期次，早期富含铁，晚期贫铁。从乌尔禾组到百口泉组，浊沸石与片沸石含量具有逐渐降低的趋势，但在平面上，各类沸石的分布规律不明显。

（2）研究区沸石胶结物的形成主要受控于母岩中凝灰质组分，中酸性火山岩砾石不利于浊沸石的形成，其他火山岩砾石与沸石的形成无明显关系。沸石类胶结物的沉淀与溶蚀经历了两阶段成岩作用过程，早期正常成岩胶结，晚期深部流体越层溶蚀—改造。

（3）浊沸石发育较多次生溶蚀孔隙，是研究区油气赋存主要的储集空间类型。深部酸性流体的改造导致沸石的溶蚀是储集空间形成的关键。