准噶尔盆地阜东斜坡梧桐沟组储层沸石分布特征及成因机制

2021-04-01史燕青季汉成张国一王剑宋兴国刘尽贤

石油科学通报 2021年1期

关键词：沸石梧桐斜坡

史燕青，季汉成 *，张国一，王剑，宋兴国，刘尽贤

1 中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249

2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

3 中国石油吉林油田勘探开发研究院，吉林松原 138000

4 中国石油新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000

5 中国石化集团华东油气分公司泰州采油厂，江苏泰州 225300

0 引言

沸石类矿物通常在碎屑岩﹑特别是火山碎屑岩中集中发育。沸石对油气储层的储集性能具有重要的影响。一方面，沸石类矿物的析出会充填孔隙，破坏原始孔隙结构，减少原生孔隙储集空间；另一方面，在成岩后期沸石胶结物会在酸性孔隙流体或有机酸的作用下发生溶蚀，形成次生孔隙，明显改善储集层的物性条件[1]；沸石类胶结物被溶蚀形成的次生孔隙对储层质量的改善具有重要意义，如鄂尔多斯盆地的安塞油田和静安油田三叠系延长组的主要储集空间为浊沸石胶结物被溶蚀后形成的次生溶孔[1]；在准噶尔盆地西北缘的二叠系储层中，储集空间50%以上的孔隙为沸石类﹑长石类矿物溶蚀作用贡献[2]。

由于沸石类矿物对油气储层储集空间的重要作用，沸石的形成﹑蚀变以及成岩作用得到了国内外学者广泛的关注。沸石类的研究在国外起步较早，Hay[3]首先对世界各地沉积岩中沸石矿物的分布和形成进行统计研究，提出沸石类矿物的形成与火山物质密切相关；后来有学者在美国内华达州帕猶特方山系统研究了沸石的垂向分带性，并提出了沸石成岩模式及成岩序列[4]；在后续的研究中，Iijima[5]系统综述了在油气储层中的沸石矿物，研究了沸石矿物对储层物性的影响。国内对于沸石矿物的研究多集中在鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地，学者们先后对鄂尔多斯盆地三叠系延长组和四川盆地沙溪庙组内沸石的成因机制﹑溶蚀过程进行了研究，并且预测了受控于沸石溶蚀的有利储层区带的分布特征[1,6-7]；前人对准噶尔盆地沸石的研究主要集中在准西北缘，如克拉玛依油田储层中沸石的分布规律以及成因机制[8]；后来又有学者对准噶尔盆地西北缘二叠系储层中沸石的分布规律﹑分带性﹑成岩作用﹑成因以及对储层质量的影响过程进行了大量的研究[2,9-10]。另外准噶尔盆地东南缘，例如吉木萨尔凹陷目前是油气勘探开发的热点，尤其是对致密油﹑页岩油储层[11-12]。

沸石类矿物的形成过程复杂，目前对于沸石成因机制取得了一定的进展。一，沸石矿物的形成及分布与物源﹑孔隙流体的pH以及沉积相的发育有关。沸石类矿物在碱性孔隙流体环境下形成，当pH值为7～9时，主要发育硅铝比值高的矿物，如斜发沸石等；当pH值大于9 时，则发育硅铝比值较低的矿物，如片沸石﹑浊沸石﹑方沸石等[3]。二，在原生孔隙发育较好的沉积微相中，孔隙流体在这些沉积微相中流通性更好，有利于流体与颗粒之间的离子交换和沸石的胶结[6-7]。三，随着埋藏深度的增加，储层中发生着火山岩屑—斜发沸石—方沸石—片沸石—浊沸石的转化序列，在垂向上出现沸石垂直分带的特征[2-3]。四，关于沸石的成因机制，除了主要认为的火山物质蚀变转化来源和沸石之间的转化之外，还有一些其他的成因。如斜长石的钠长石化可以形成浊沸石﹑斜长石可以直接水化形成浊沸石﹑孔隙水结晶可以形成浊沸石﹑蒙脱石和方解石的反应也可以形成浊沸石[10,13-15]。

本次研究的对象为准噶尔盆地南缘阜康凹陷东斜坡的上二叠统梧桐沟组，该层系是准南缘的重要油气储层层系，富含沸石类矿物，目前针对该地区和层位的沸石研究仍然是空白。本研究通过铸体薄片﹑扫描电镜﹑能谱及电子探针等技术方法，结合大量的统计工作和前人研究成果，研究了阜东斜坡梧桐沟组中沸石类矿物的类型﹑含量﹑岩石学特征及其对储层质量的影响，进一步探讨了各类沸石的成因机制。

1 区域地质背景

准噶尔盆地构造演化极其复杂，早期演化受古亚洲洋的开裂和闭合的控制，晚期则受到了特提斯洋的关闭和青藏高原隆升的影响[14-18]。盆地的演化先后经历碰撞成盆阶段﹑压陷挠曲阶段﹑挠曲—坳陷阶段﹑坳陷—沉降阶段和再生前陆盆地阶段[19]。石炭纪末至第四纪，经历了晚海西﹑印支﹑燕山及喜山等多旋回的构造运动，形成了现今的复合叠加盆地属性和隆凹格局。阜康凹陷位于准噶尔盆地东南缘，北接东道海子凹陷，南临北天山山前冲断带，西接莫南凸起，东临北三台凸起。阜康凹陷是准南缘从早二叠世开始发育的东西走向的凹陷，中生代早期进一步沉降，在印支期﹑燕山期和喜山期经过了多次构造叠加改造[19]。阜康凹陷东斜坡(阜东斜坡)是指准噶尔盆地阜康断裂带以北，北三台凸起西南侧﹑西侧广大的西倾斜坡带，位于昌吉凹陷东端与博格达山山前冲断带北侧的结合部，是阜康生油凹陷的东侧上倾部位，构造位置十分有利(图1)。

阜东斜坡自石炭系至第四系都有发育，记录了盆地复杂的沉积—构造演化历史。本次研究的层位是上二叠统梧桐沟组，该组顶部与三叠系韭菜园子组整合接触，与中二叠统平地泉组呈不整合接触。

图1 准噶尔盆地构造分区图Fig. 1 Tectonic zoning map of the Junggar Basin

图2 阜东斜坡梧桐沟组单井沉积相剖面图(XQ026 井)Fig. 2 Sedimentary facies profile of the Wutonggou Formation in the eastern slope of the Fukang Sag(well XQ026)

准南缘梧桐沟组的沉积相研究目前还没有达成共识，王厚坤等(2010)[20]认为梧桐沟组以湖泊沉积为主，夹河流和三角洲沉积。不同时期，纵向上沉积相发育存在差异；早期为扇三角洲—湖底扇—滨浅湖沉积体系，中期为滨浅湖—滨岸滩坝沉积体系，晚期为湖泊相，滩坝变小；李玲等(2015)[21]认为北三台地区梧桐沟组发育曲流河沉积，主要为河道亚相；姚宗全等(2015)[22]对北三台地区进行研究认为梧桐沟组沉积期主要发育扇三角洲和冲积扇；近期在对北三台凸起和吉木萨尔凹陷梧桐沟组沉积环境的综合研究认为，该组主要发育冲积扇—扇三角洲沉积[21]，梧桐沟组的中上段在阜东斜坡主体为扇三角洲沉积，进一步可划分出两个大的正旋回(图2)。梧桐沟组储层以细砂岩﹑中砂岩和含砾砂岩为主，按成分主要为岩屑质砂岩和长石质岩屑砂岩(图3)，岩屑以中基性岩屑为主；胶结类型以沸石胶结﹑钙质胶结以及泥质胶结为主；黏土矿物以伊蒙混层﹑高岭石为主。储层成岩作用类型主要有压实﹑胶结﹑溶解和交代等，处于中成岩A期[19]。储集空间类型以原生粒间孔﹑粒内溶孔和剩余粒间孔为主；储层孔隙度总体以中孔为主，渗透率以低渗﹑特低渗为主，属于中孔低渗类储层[21]。沉积的物源主要来自于博格达山石炭系火山岩基底，部分来自东北天山早古生代岛弧火山岩，为沉积区提供了充足的火山碎屑物质[22]。

2 沸石类矿物的岩石学特征与分布特征

本研究选取了阜东斜坡11 口井的梧桐沟组岩心样品磨制薄片150 块，通过光学显微镜和扫描电子显微镜进行识别鉴定，一共识别出4 种沸石矿物，分别为浊沸石﹑方沸石，部分片沸石以及少量斜发沸石。

2.1 沸石的岩石学特征

2.1.1 浊沸石

化学分子式为CaAl2Si4O12·4H2O，浊沸石在研究区内含量最高，部分薄片中含量最高可达18%，约占总体沸石含量的60%。浊沸石主要以长轴柱状(图4a，4b)的形式产出，在镜下常可见一组解理，部分发育两组解理。浊沸石在中砂﹑细砂岩中较发育，常以胶结物的形式充填粒间孔隙，部分交代长石和岩屑。在粉砂岩和泥岩中发育较少，只在部分裂缝或溶孔中有浊沸石以胶结的形式发育。浊沸石的硅铝比偏低，对孔隙流体pH值变化敏感，耐酸性差，容易发生溶蚀，形成次生溶蚀。在研究区，普遍可见浊沸石胶结物被溶蚀(图4a)，以及浊沸石溶孔被方解石充填的现象(浊沸石溶解可为方解石的析出提供Ca2+)。

2.1.2 方沸石

图3 阜东斜坡梧桐沟组储层砂岩碎屑成分投点图Fig. 3 Sandstone clastic composition distribution of the Wutonggou Formation reservoir in the eastern slope of the Fukang Sag

图4 阜东斜坡梧桐沟组主要沸石类型及显微下特征Fig. 4 Main zeolites types and microscopic characteristics in Wutonggou Formation in the eastern slope of the Fukang Sag

化学分子式为NaAlSi2O6·H2O，浊沸石在研究区较为常见，部分薄片中含量可达13%，占沸石总体含量的30%左右。方沸石部分以等轴粒状形式产出，大部分以连生状晶体(图4c, 4d)的形式发育。属于均质体矿物，在单偏光下白色或半透明，不发育解理，在正交偏光下全消光。与浊沸石类似，方沸石在粒度较粗的中﹑细砂岩中较发育，在粉砂岩和泥岩中较少见。以均质状(连生晶体)充填孔隙(图4c)的形式发育为主，部分(自形粒状颗粒)为半充填形式。类似于浊沸石，属于硅铝比低的矿物，耐酸性差，容易发生溶蚀作用，产生次生溶孔。

2.1.3 片沸石

化学分子式为( Ca, Na2) Al2Si7O18·6H2O，片沸石在研究区出现较少，部分薄片中含量可达5%，占沸石总体含量的10%左右。以片状或板状(图4e, 4f)形态产出，在镜下可见一组完全解理。片沸石大部分以垂直于颗粒边缘(图4e)的形式充填孔隙，且板条状晶体之间存在晶间孔隙。相较于浊沸石和方沸石，片沸石属于高硅铝比矿物，耐酸性较强，相对较难被酸性流体溶蚀。

2.1.4 斜发沸石

化学分子式为(Na, K, Ca)2～3Al3(Al, Si)2Si13O36·12H2O，在研究区储层中含量少，占沸石总体含量小于5%。斜发沸石主要以板条状﹑纤维状和针柱状充填孔隙(图4g, 4h)，属于火山岩屑溶解后早期析出的沸石，研究区中大部分已经发生转化，可能转化为方沸石[2]。

2.2 沸石类矿物的分布特征

图5 阜东斜坡梧桐沟组沉积微相及沸石含量分布图Fig. 5 Distribution of sedimentary microfacies and zeolites content in Wutonggou Formation in the eastern slope of the Fukang Sag

沸石矿物的分布特征主要受沉积微相﹑物源﹑沉积物岩性以及孔隙流体性质等因素的影响。对阜东斜坡不同井位的沸石含量统计，与沉积相的平面分布叠置关系显示，阜东斜坡二叠系梧桐沟组沸石的分布受到沉积微相的控制，沸石一般发育在物性较好，原生孔隙较发育的微相中，如三角洲前缘的水下分流河道(图5)；在前三角洲和滨浅湖微相中，则沸石发育相对较少(图5)。在纵向上叠置的多期水下分流河道砂体中，受压实作用相对较弱，原生孔隙发育保留较好，孔隙流体的流通性好，流体与火山岩屑发生离子交换，更利于沸石类矿物的形成。而在前三角洲与滨浅湖微相中，岩性以粉砂岩和泥岩为主，受压实作用影响更大，原生孔隙保留较少，不利于孔隙流体的流动以及离子交换，故不利于沸石矿物的析出。物源对沸石的分布特征也有一定影响，靠近物源方向的区域沸石含量相对较高。研究区梧桐沟组沉积期的物源主要是受到南部博格达山的控制，总体上靠近南部区域的沸石含量比其他区域要高(图5)，造成这种现象的原因可能是博格达山广泛发育的火山岩基底为阜东斜坡的梧桐沟组提供了大量的火山物质，为沸石的产生提供了物质基础。

结合研究区沸石分布特征以及地层水特点，可分析得出孔隙流体的特征在一定程度能够控制沸石的分布。对阜东斜坡不同井位的地层水特征和沸石的含量对应关系统计显示(表1)，在CaCl2型地层水环境下，沸石的含量明显高于在NaHCO3型和MgCl2型地层层水的环境。原因是在CaCl2型地层水环境中，富钙型沸石(如浊沸石和片沸石)更易析出，这也和阜东斜坡梧桐沟组普遍高的浊沸石含量相符；相应的，在NaHCO3型地层水条件下，富钠型沸石(如方沸石和斜发沸石)含量更高。

3 沸石与储层物性的关系

沸石作为自生硅铝酸盐矿物，在成岩演化过程中，其析出﹑胶结和溶蚀对于油气储层储集性能有不同程度的破坏和改善作用。通常沸石的析出和充填，破坏了原始孔隙结构，使原生孔隙减少，降低了储集性能；而后期沸石溶蚀所产生的次生孔隙，会明显改善储集层的物性条件[7,10]；同时沸石类矿物与火山玻璃﹑方解石等存在一定的转化关系，同样可对储层物性造成明显影响，例如沸石类矿物蚀变形成方解石，后期富镁卤水交代，形成白云石，是云质岩类的最主要成因类型，方解石后期溶蚀，也会形成一定量的溶蚀孔隙；沸石类蚀变形成黏土矿物，后期转化为大量的绿泥石，是裂缝和气孔主要的充填物。

本研究结合储层的物性测试结果与储层薄片的镜下观察，研究了沸石对储层物性的影响。可见沸石的溶蚀作用对于阜东斜坡梧桐沟组储层具有明显的影响，例如在XQ17 的3415.3 m处，沸石胶结物发生轻微溶蚀，而该处储层的孔隙度渗透率都比较低(图6a)，有效孔隙度为13.7%，渗透率为2.27 mD；而随着沸石胶结物溶蚀程度的增加，储层的物性发生明显改善，例如在F21 的1607.8 m处(图6b)，沸石胶结物溶蚀较严重，而储层的有效孔隙度达到18.6%，渗透率达到38.4 mD；在F23 的1696.45 m处，梧桐沟组储层的有效孔隙度为26.4%，渗透率达到1090 mD，而在镜下可见，沸石胶结物几乎全部被溶蚀(图6c)。

进一步统计了储层中沸石的含量与孔隙度﹑渗透率的关系可见，在高沸石含量的情况下(＞5%)，沸石的含量与孔隙度呈负相关关系﹑与渗透率呈一定的指数负相关关系(图7)，说明沸石胶结物的溶蚀作用，对储层的物性和储集性能，具有明显的改善作用。

4 沸石类矿物的成因机理探讨

目前对于沸石类矿物的成因，普遍认为和火山物质密切相关[2]，成岩作用早期，大气降水进入地层后，火山碎屑物质大量被溶解，且向孔隙流体释放了大量Ca2+﹑Na+﹑Mg2+等碱性金属离子，同时地层水性质也逐渐变为碱性。随着埋深的增加，地层温度升高，火山碎屑物质溶解速率也不断增快，地层水中离子矿化度也不断升高。孔隙流体达到过饱和状态后，首先从流体中析出的矿物是蒙脱石，随后由于火山碎屑物质的水解速率持续增加，在孔隙流体盐碱度足够高的条件下，斜发沸石是最早析出的沸石类矿物，斜发沸石的析出改变孔隙水比率，斜发沸石开始向方沸石转化，随后在钙离子富集的情况下，早期形成的斜发沸石和富钠的方沸石开始向片沸石转化[2]，片沸石进一步转化为浊沸石[24-26]，这一过程就是目前所共识的火山岩屑—斜发沸石—方沸石—片沸石—浊沸石的演化序列。然而，目前对于沸石的形成过程，大多局限于宏观的理论推测，缺乏细致的矿物学研究。本研究中，通过显微镜下初步鉴定，进一步进行扫描电镜图像采集和能谱分析，准确鉴定了浊沸石﹑方沸石﹑片沸石﹑钠长石﹑钾长石等主要矿物(图8)，在此基础上，开展图像分析和能谱分析，研究了沸石类矿物与相关矿物之间的转化关系，探讨了各类沸石的成因机制。

表1 阜东斜坡梧桐沟组地层水特征Table 1 Formation water characteristics of Wutonggou Formation in the eastern slope of the Fukang Sag

图6 阜东斜坡梧桐沟组储层岩石薄片镜下特征(左为单偏光，右为正交光)Fig. 6 Microscopic characteristics of Wutonggou Formation reservoir rocks in the eastern slope of the Fukang Sag (PPL on the left, XPL on the right)

图7 阜东斜坡梧桐沟组沸石含量与孔隙度、渗透率关系图Fig. 7 The relation diagram of zeolite content, porosity and permeability in the eastern slope of the Fukang Sag

4.1 浊沸石

浊沸石是阜东斜坡梧桐沟组储层中含量最高的胶结物，通过大量的扫描电镜研究发现以下规律，浊沸石的出现通常和钠长石密切共生，通常柱状的浊沸石在长石颗粒间自形生长(图9)，而长石则通常发生溶蚀，周缘呈现港湾状，表面发育溶蚀孔。一些情况下，可见浊沸石以长轴柱状形态充填孔隙，沿着钠长石颗粒边缘逐步交代钠长石(图9a，9b和图9c)；而一些情况下，自形的浊沸石晶体内部，可见残余的钠长石残余物(图9c)；在一些情况下甚至可见钠长石向浊沸石过渡结构(图9d)。上述现象说明，阜东斜坡梧桐沟组浊沸石的成因与斜长石密切相关，而不是由片沸石转化而来[2]。目前的研究表明，浊沸石可以由石英和斜长石在孔隙水的参与下形成[27-28]，具体表现为富钙的斜长石在碱性条件下发生钠长石化，伴随形成富钙的浊沸石，具体反应式为：

在鄂尔多斯盆地上三叠统延长组和松辽盆地深层碎屑岩储层以及四川盆地侏罗系沙溪庙组，均见到了浊沸石交代斜长石，并且斜长石和沸石过渡转化的现象[1,6,10,13]，类似现象均被解释为斜长石钠长石化进而产生浊沸石。在太平洋沿岸的中生代和新生代沉积盆地中的浊沸石，以及加利福尼亚North Tejon油田的中新统储层中的浊沸石，也被解释为上述成因模式[27-28]。

4.2 方沸石

方沸石为典型的富钠沸石，目前研究主要认为方沸石来源于斜发沸石的转化[2]，而通过对阜东斜坡梧桐沟组大量的扫描电镜观察研究发现，研究区的方沸石与钾长石密切伴生(图10)，通常可见方沸石自形生长并填充胶结钾长石颗粒(图10a)，而钾长石则发生溶蚀，呈现出港湾状形态(图10b)，在一些情况下，可见方沸石穿插入钾长石并且交代钾长石的现象(图10c和10d)。

从理论上讲，碱性长石和方沸石都属于架状硅铝酸盐，成分和结构相似，在孔隙流体中Na+丰富的情况下，钾长石可逐渐向方沸石进行转化。其反应式可表述为：

4.3 片沸石

片沸石在阜东斜坡梧桐沟组发育较少，对于片沸石的成因，目前研究较少，目前有研究认为片沸石由火山物质水解的斜发沸石直接转化或者由方沸石在一定的温压条件下转化而来[2,10]。而在本研究中没有见到沸石相互转化的现象，反而常见片沸石与钠长石密切伴生，可见片沸石以自形状态充填钠长石颗粒之间的孔隙(图11)。片沸石与浊沸石相似，都属于富钙沸石，而研究区的片沸石与浊沸石有类似的产出状态和矿物共生关系。前面的讨论中得出，阜东斜坡梧桐沟组的浊沸石主要来自于斜长石在碱性条件下的钠长石化，可以推测片沸石的产生也与长石的转化密切相关，片沸石中的Ca离子来自于长石颗粒，具体反应式可表述为：

图8 阜东斜坡梧桐沟组沸石与长石矿物能谱分析部分结果(Wt% 质量百分比；At%原子百分比)Fig. 8 The energy spectrum analysis of zeolite and feldspar in the Wutonggou Formation in the eastern slope of the Fukang Sag (Wt%-mass percentage; At%-atomic percentage)

图9 浊沸石及周围矿物电子探针及扫描电镜照片(L: 浊沸石; Al: 钠长石; a 为电子探针照片，bcd为扫描电镜照片)Fig. 9 SEM photographs of laumontite and surrounding minerals (L: laumontite; Al: albite; a: EPMA; bcd: SEM)

图10 方沸石及周围矿物扫描电镜照片(A: 方沸石；Kf: 钾长石)Fig. 10 SEM photographs of the analcite and surrounding minerals (A: analcite; Kf: orthoclase)

图11 片沸石及周围矿物SEM照片(H: 片沸石；Al: 钠长石)Fig. 11 SEM photographs of heulandite and surrounding minerals (H: heulandite; Al: albite)

目前在准噶尔盆地中关于沸石矿物成因机制的研究主要集中在准西北缘玛湖凹陷的二叠系储层，主体认为准噶尔盆地二叠系的沸石是由火山物质蚀变并依次转化而来[2,10]，近期的研究中，将准西北缘二叠系的沸石划分为高温成因和低温成因两种，高温成因即凝灰物质的蚀变并转化，而低温成因则为孔隙水结晶而来，即早期的浊沸石受酸性流体的溶蚀，后期孔隙水在溶蚀孔隙中富集结晶形成两期沸石[29],。本文的研究表明，准南缘阜东斜坡梧桐沟组中，斜发沸石含量极少，同时没有见到沸石相互转化的证据。相应的，阜东斜坡梧桐沟中发现了沸石和长石转化的证据，表明沸石矿物的形成与长石矿物有密切联系，可见浊沸石与钠长石存在明显的共生和转化关系，方沸石与钾长石密切伴生，片沸石与钠长石密切伴生。因此阜东斜坡梧桐沟组中的沸石矿物可能不同于常规的火山物质水化并转化成因，而是来源于长石的转化。而梧桐沟组砂岩中含量丰富的长石碎屑(图2)为沸石的形成提供了物质基础。