龍鳳山氣田營城組濁沸石膠結(jié)物對儲層的控制機理

胡鑫 ，丁曉琪 ，2，朱穎 ，劉璇

（1.成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川 成都 610059；2.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引言

濁沸石是常見的沸石類礦物，在富火山巖和斜長石的碎屑巖地層中最為發(fā)育［1］。國內(nèi)多個盆地的地層中發(fā)育濁沸石膠結(jié)物，如準(zhǔn)噶爾盆地腹部和西北緣二疊系［2-4］，鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組［5］，四川盆地川中地區(qū)侏羅系下沙溪廟組［6-7］，松遼盆地北部白堊系泉頭組、登婁庫組和營城組［8］等。目前，關(guān)于濁沸石成因主要有5種觀點：1）高嶺石和方解石在一定條件下反應(yīng)生成濁沸石［9］；2）斜長石的鈉長石化過程中產(chǎn)生濁沸石［5，10-12］；3）中基性火山巖巖屑及凝灰?guī)r巖屑蝕變形成濁沸石［2-4］；4）方沸石和片沸石轉(zhuǎn)化為濁沸石［13-14］；5）通過低溫變質(zhì)作用形成濁沸石［9］。

營城組埋深為2 100～4 100 m，沉積厚度500～1 100 m。儲層具有致密低滲、物性變化快、非均質(zhì)性強的特征，局部濁沸石溶蝕砂巖物性好。應(yīng)用鑄體薄片、掃描電鏡、X衍射等技術(shù)，分析了營城組濁沸石的分布規(guī)律及其控儲機理，為下步勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

長嶺斷陷是松遼盆地南部規(guī)模較大的斷陷［15］，形成于晚侏羅世—早白堊世［16］，主要發(fā)育下白堊統(tǒng)火石嶺組（K1h）、沙河子組（K1sh）、營城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）和泉頭組（K1q）［17-18］。 長嶺斷陷經(jīng)歷了早期裂陷、中期坳陷、晚期褶皺三大構(gòu)造演化階段，斷陷期伴隨著強烈的火山活動，使該地區(qū)斷陷層大面積發(fā)育火山巖體［19-21］。龍鳳山氣田位于長嶺斷陷最南部，西鄰保康凸起，東南部受長嶺鼻狀構(gòu)造帶限制（見圖1a），主要含氣層位為營城組。根據(jù)電性、沉積旋回及火山巖發(fā)育特征，含氣層自上而下可細(xì)分為營Ⅰ—Ⅶ7個段，其中營Ⅲ、營Ⅳ、營Ⅴ、營Ⅵ砂組為主力油氣層段［17，22］。

圖1 龍鳳山區(qū)域位置及營城組沉積相分布

重礦物及巖屑資料研究表明，營城組沉積時期受到西南部、南部等多物源體系影響。南部物源以火山巖為主，含少量的變質(zhì)巖（體積分?jǐn)?shù)10%），西南部變質(zhì)巖體積分?jǐn)?shù)升高，可達(dá)20%。南部和西南部物源，火山巖均為安山巖和玄武巖。營城組碎屑巖中廣泛發(fā)育的火山巖巖屑，為濁沸石膠結(jié)物形成提供了豐富物質(zhì)來源。

營城組主要發(fā)育扇三角洲和辮狀河三角洲沉積［22］（見圖1）。其中：西南部發(fā)育辮狀河三角洲，規(guī)模較大，以三角洲平原為主；南部發(fā)育扇三角洲，沉積范圍比西南部辮狀河三角洲明顯小?？傮w上，營城組沉積時期表現(xiàn)為水動力較強的三角洲沉積環(huán)境，呈現(xiàn)出三角洲平原—三角洲前緣—半深湖的沉積序列，其中三角洲前緣為其沉積主體，分布范圍最廣。

三角洲內(nèi)前緣主要發(fā)育在研究區(qū)南部及中部（見圖1b），單層儲層厚度較三角洲平原明顯變薄，主要為砂巖、礫巖與泥巖的不等厚互層，由于離湖盆中心相對較近，湖浪和流水對其改造有限；三角洲外前緣主要發(fā)育在研究區(qū)中部 （見圖1b），范圍較內(nèi)前緣有明顯縮小，主要表現(xiàn)為砂巖（局部可達(dá)到砂礫巖）與泥巖不等厚互層，此處靠近湖盆中心，基本不受大氣、淡水影響。

2 巖石學(xué)特征

2.1 碎屑結(jié)構(gòu)特征與顆粒成分

營城組碎屑顆粒粒度較粗，巖石類型主要為中—細(xì)粒的礫巖、砂礫巖和粗砂巖（見圖2）。碎屑顆粒以巖屑、長石為主，石英體積分?jǐn)?shù)較低，平均約14%，巖屑體積分?jǐn)?shù)最高，平均約67%。巖屑以火山巖巖屑為主，變質(zhì)巖巖屑次之。整體分選磨圓較差，薄片下觀察發(fā)現(xiàn)，營城組砂巖整體壓實較強，為線接觸到凹凸接觸（見圖2a），但方解石和濁沸石膠結(jié)的砂巖壓實較弱，為點接觸。

圖2 龍鳳山營城組砂巖微觀特征

2.2 填隙物特征

營城組填隙物以自生黏土礦物和膠結(jié)物為主。X衍射結(jié)果表明：黏土平均體積分?jǐn)?shù)為14.40%，方解石為3.40%，濁沸石為10.00%。濁沸石主要發(fā)育在靠近湖盆一側(cè)。根據(jù)X衍射分析可知，黏土礦物主要有伊蒙混層和伊利石，而綠泥石和高嶺石體積分?jǐn)?shù)較小。

3 濁沸石的形成與溶蝕

3.1 濁沸石的形成與分布

濁沸石作為碎屑巖地層中的常見礦物，是龍鳳山營城組不容忽視的膠結(jié)物類型之一［23-24］。前人研究表明，濁沸石通常形成于SiO2和Ca2+富集程度相對較高的環(huán)境中，且水體堿性較強（pH 值 9～10）［3，25-27］。

研究區(qū)火山巖屑體積分?jǐn)?shù)高而長石體積分?jǐn)?shù)低，早期火山物質(zhì)蝕變使水體呈較強的堿性，并釋放大量的Fe2+，Mg2+和Ca2+等。形成的濁沸石膠結(jié)物充填于粒間孔隙中，這一方面使儲層孔隙度急劇降低，另一方面濁沸石膠結(jié)物可以承受一部分上覆巖層壓力，減弱了上覆地層對碎屑顆粒的壓實作用。薄片下觀察到碎屑顆粒主要為點-線接觸，這是成巖后期濁沸石被溶蝕后，該類砂巖能夠形成優(yōu)質(zhì)儲層的重要原因。

營城組濁沸石分布主要受成巖階段水體性質(zhì)和沉積相帶的控制，其發(fā)育情況不同區(qū)域存在較大差異，主要分布在三角洲外前緣及濱—淺湖的含礫中—細(xì)砂巖中，體積分?jǐn)?shù)0～21%，平均為10%。通過薄片觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)濁沸石主要有斑塊狀、補丁狀和大片連晶狀3種分布形態(tài)（見圖2b）。

本次研究分別統(tǒng)計了扇三角洲平原、扇三角洲內(nèi)前緣及外前緣濁沸石與綠泥石的發(fā)育情況（見表1）。由表1可以看出：綠泥石與濁沸石的分布呈負(fù)相關(guān)，綠泥石發(fā)育的地方，濁沸石往往不發(fā)育；反之，濁沸石大量分布的區(qū)域，綠泥石體積分?jǐn)?shù)極低或不發(fā)育。從湖盆邊緣到湖盆中心，濁沸石體積分?jǐn)?shù)越來越高。

表1 營城組不同沉積相帶濁沸石和綠泥石分布規(guī)律

研究區(qū)濁沸石發(fā)育分帶主要受控于水體性質(zhì)，而水體pH值受火山物質(zhì)蝕變和大氣淡水注入共同控制，前者增加pH值，后者降低pH值。在扇三角洲平原，雖然火山巖巖屑蝕變使水體呈弱堿性，但受大氣和淡水注入的影響，水體不能達(dá)到濁沸石的形成條件，只能在顆粒間形成一些黏土礦物，如蒙脫石和綠泥石。在扇三角洲內(nèi)前緣，火山巖巖屑繼續(xù)蝕變，水體中Mg2+，F(xiàn)e2＋，Ca2+和SiO2富集程度較高，且該區(qū)域受大氣、淡水的影響很弱，水體達(dá)到濁沸石的形成條件，綠泥石與濁沸石共同發(fā)育。通過觀察綠泥石與濁沸石的接觸關(guān)系可知，濁沸石的形成時間同步或略晚于綠泥石的形成時間（見圖2d）。在靠近湖盆中心的三角洲外前緣，由于水體堿性較強，開始發(fā)育較多的濁沸石膠結(jié)物，為后期溶蝕作用提供了物質(zhì)條件。

3.2 濁沸石的溶蝕

研究表明，在含有機酸的水體中，濁沸石的溶解度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳酸鹽礦物的溶解度［28］。在中成巖階段A期，有機質(zhì)在演化過程中會產(chǎn)生大量有機酸并釋放CO2，使地層水的pH值降低。這些酸性流體會沿著濁沸石解理縫溶解濁沸石。溶蝕過程中，由于溶蝕產(chǎn)物隨地層水帶出反應(yīng)體系，從而在濁沸石發(fā)育的地區(qū)形成大量膠結(jié)物內(nèi)溶蝕孔（見圖2e），大大改善了儲層的物性。

營城組濁沸石溶蝕強度在不同沉積相帶存在差異，從湖盆中心到湖盆邊緣，溶蝕強度逐漸減弱。這是由于湖盆中心靠近生烴中心，有機質(zhì)演化過程中產(chǎn)生的有機酸會就近先溶蝕扇三角洲外前緣的濁沸石膠結(jié)物，從而在靠近生烴中心的濁沸石膠結(jié)區(qū)（如北209井區(qū)）形成次生孔隙發(fā)育帶。未被溶蝕的濁沸石膠結(jié)物可以起到支撐作用，抵消部分上覆地層壓力，有利于已形成的濁沸石溶蝕孔的保存。

通過上述分析，建立了龍鳳山地區(qū)營城組濁沸石膠結(jié)物與綠泥石環(huán)邊分布和濁沸石溶蝕模式（見圖3）。從扇三角洲平原到扇三角洲外前緣，濁沸石體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，綠泥石體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，濁沸石溶蝕強度增強。

4 濁沸石膠結(jié)砂巖物性特征

利用高壓壓汞、恒速壓汞、CT掃描等手段分析了儲層的物性特征，發(fā)現(xiàn)濁沸石膠結(jié)砂巖是物性最好的砂巖類型。早期成因的濁沸石大面積膠結(jié)原生粒間孔，孔隙度急劇降低，變得十分致密，基本喪失儲集能力；中成巖早期由于酸性流體沿濁沸石解理進行溶蝕，使孔隙度增加，最終孔隙度保持在9%左右，進而使該類巖石變?yōu)檠芯繀^(qū)的優(yōu)質(zhì)儲層。

4.1 物性特征

統(tǒng)計不同類型砂巖孔隙度分布發(fā)現(xiàn)：濁沸石膠結(jié)+溶蝕砂巖物性最好 （見圖4a），孔隙度主要分布于8%～12%；綠泥石膠結(jié)砂巖物性比濁沸石膠結(jié)砂巖差，儲層孔隙度主要在6%～10%。覆壓（24.0 MPa）條件下（見圖4b），濁沸石膠結(jié)砂巖滲透率下降幅度為60%～70%，相對較低；而相同覆壓條件下，綠泥石膠結(jié)砂巖滲透率僅為地表滲透率的7%～20%，下降幅度較大。

圖3 龍鳳山營城組濁沸石與綠泥石分布及濁沸石溶蝕模式

圖4 營城組不同類型砂巖孔隙度分布和覆壓下滲透率變化

4.2 孔隙結(jié)構(gòu)特征

對3種不同類型的砂巖進行高壓壓汞實驗，對比各類砂巖的壓汞曲線與孔喉半徑分布（見圖5）可知，濁沸石膠結(jié)砂巖的排驅(qū)壓力與飽和中值壓力較其他2種類型砂巖更低，最大孔喉半徑更大，表明濁沸石膠結(jié)砂巖的滲濾性能更好，為研究區(qū)物性最好的砂巖類型。

圖5 營城組不同類型砂巖毛細(xì)管壓力曲線及孔喉半徑分布

恒速壓汞資料顯示：濁沸石膠結(jié)砂巖孔隙半徑相對較大，可達(dá)145.8 μm，大喉道半徑所占比例較高，平均喉道半徑為2.1 μm。這類砂巖主要發(fā)育孔喉溶孔及溶蝕裂縫。CT掃描顯示其孔喉類型單一，連通性較好（見圖2c）。綠泥石膠結(jié)砂巖平均孔隙半徑為151.5 μm，喉道偏細(xì)，平均喉道半徑僅為0.8 μm。這類砂巖孔隙類型主要為晶間孔與微孔。CT掃描顯示其孔喉連通性較差（見圖 2f）。

5 結(jié)論

1）濁沸石分布主要受水體性質(zhì)控制，自扇三角洲平原至扇三角洲外前緣，濁沸石體積分?jǐn)?shù)逐漸增加。濁沸石溶蝕主要與中成巖早期有機質(zhì)生烴過程中產(chǎn)生的有機酸有關(guān)，從湖盆中心到湖盆邊緣，溶蝕強度逐漸減弱。

2）濁沸石膠結(jié)砂巖物性最好。孔喉類型單一，孔隙類型主要為酸性水溶蝕形成的濁沸石膠結(jié)物內(nèi)溶孔?？缀磉B通性較好，而且該類砂巖中大孔喉所占比重較大，在覆壓條件下，孔喉不閉合，其滲透率下降幅度相對綠泥石膠結(jié)砂巖較低。

3）早期濁沸石膠結(jié)雖然使儲層孔隙度急劇降低，但濁沸石膠結(jié)物增加了巖石的抗壓實強度，使?jié)岱惺z結(jié)砂巖在經(jīng)后期酸性水溶蝕改造后成為營城組的優(yōu)質(zhì)儲層，強濁沸石膠結(jié)+溶蝕的扇三角洲外前緣為后期勘探開發(fā)的重點區(qū)域。

［1］JIN H N，BOLES J R.Origin of zeolite cements in the Miocene sandstones，NorthTejonOilFields，California［J］.JournalofSedimentary Research，1993，63（2）：248-260.

［2］郭沫貞，壽建峰，徐洋，等.準(zhǔn)噶爾盆地中拐-西北緣地區(qū)二疊系沸石膠結(jié)物分布與控制因素［J］.石油學(xué)報，2016，37（6）：695-705.

［3］朱世發(fā)，朱筱敏，吳冬，等.準(zhǔn)噶爾盆地西北緣下二疊統(tǒng)油氣儲層中火山物質(zhì)蝕變及控制因素［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2014，35（1）：77-85.

［4］韓作振，李昊，尉鵬飛，等.惠民凹陷商741區(qū)沙一段火山巖儲層特征［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（1）：47-59.

［5］楊曉萍，裘懌楠.鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組濁沸石的形成機理、分布規(guī)律與油氣關(guān)系［J］.沉積學(xué)報，2002，20（4）：628-632.

［6］盧文忠，朱國華，李大成，等.川中地區(qū)侏羅系下沙溪廟組濁沸石砂巖儲層的發(fā)現(xiàn)及意義［J］.中國石油勘探，2004，9（5）：53-58.

［7］楊曉萍，張寶民，陶士振.四川盆地侏羅系沙溪廟組濁沸石特征及油氣勘探意義［J］.石油勘探與開發(fā)，2005，32（3）：37-40.

［8］王成，邵紅梅，洪淑新，等.松遼盆地北部深層碎屑巖濁沸石成因、演化及與油氣關(guān)系研究［J］.礦物巖石地球化學(xué)通報，2004，23（3）：213-218.

［9］張立飛.陜北三疊系延長統(tǒng)濁沸石的成因及形成條件的理論計算［J］.巖石學(xué)報，1992，8（2）：145-152.

［10］黃思靜，劉潔，沈立成，等.碎屑巖成巖過程中濁沸石形成條件的熱力學(xué)解釋［J］.地質(zhì)論評，2001，47（3）：301-308.

［11］劉長利，劉欣，張莉娜，等.碎屑巖成巖作用及其對儲層的影響：以鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)涇地區(qū)為例［J］.石油實驗地質(zhì)，2017，39（3）：348-354.

［12］高麗華，夏迪，韓作振，等.臨南洼陷北部沙三中亞段砂質(zhì)碎屑流儲層定量分類評價［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（1）：71-81.

［13］朱世發(fā)，朱筱敏，王緒龍，等.準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系沸石礦物成巖作用及對油氣的意義［J］.中國科學(xué)：D輯 地球科學(xué)，2011，41（11）：1602-1612.

［14］李振華，邱隆偉，師政，等.準(zhǔn)噶爾盆地中拐地區(qū)佳二段沸石類礦物成巖作用及其對油氣成藏的意義［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，38（1）：1-7.

［15］余海洋.長嶺斷陷火石嶺組原型盆地恢復(fù)及勘探方向分析［J］.中國石油勘探，2013，18（2）：21-25.

［16］李晶秋，苗宏偉，李立立，等.松遼盆地南部長嶺斷陷深層碎屑巖天然氣成藏特征及主控因素［J］.中國石油勘探，2009，14（4）：34-39.

［17］秦都，黃桂雄，李瑞磊，等.松遼盆地南部斷陷層碎屑巖天然氣成藏主控因素分析：以長嶺斷陷龍鳳山次凹為例［J］.中國石油勘探，2016，21（3）：52-61.

［18］張玉明，李明，李瑞磊.松遼盆地南部深層系天然氣成藏規(guī)律［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2006，27（6）：841-848.

［19］吳聿元，秦黎明，劉池陽，等.長嶺斷陷火山巖儲層流體包裹體分布特征及天然氣成藏期次［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（2）：26-31.

［20］秦黎明，張枝煥，吳聿元，等.松遼盆地南部長嶺斷陷營城組火山巖系儲層固體瀝青的地球化學(xué)特征以及成因分析［J］.礦物巖石，2008，28（3）：96-104.

［21］韓作振，郭志平，高麗華，等.遼寧昌圖地區(qū)下二臺群盤嶺組火山巖年代學(xué)及地球化學(xué)特征［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，35（5）：1-8.

［22］袁靜，王尉，朱建峰，等.松遼盆地長嶺斷陷龍鳳山次凹下白堊統(tǒng)營城組物源與沉積相研究［J］.天然氣地球科學(xué)，2017，28（1）：93-105.

［23］孟元林，梁洪濤，魏巍，等.濁沸石溶蝕過程的熱力學(xué)計算與次生孔隙發(fā)育帶預(yù)測：以徐家圍子斷陷深層為例［J］.沉積學(xué)報，2013，31（3）：509-515.

［24］劉曦翔，張哨楠，楊鵬，等.龍鳳山地區(qū)營城組深層優(yōu)質(zhì)儲層形成機理［J］.巖性油氣藏，2017，29（2）：117-124.

［25］MARINER R H，SURDAM R C.Alkalinity and formation of zeolites in saline alkaline lakes［J］.Science，1970，170（3961）：977-980.

［26］HAY R L.Zeolites and zeolitic reactions in sedimentary rocks［M］.INC New York：Geological Society of America，1966：15-70.

［27］DING X Q，HAN M M，ZHANG S N.The role of provenance in the diagenesis of siliciclastic reservoirs in the Upper Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin，China［J］.Petroleum Science，2013，10（2）：149-160.

［28］付國民，董滿倉，張志升，等.濁沸石形成與分布及其對優(yōu)質(zhì)儲層的控制作用：以陜北富縣探區(qū)延長組長3油層為例［J］.地球科學(xué)，2010，35（1）：107-114.