準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油儲(chǔ)層方沸石成因與甜點(diǎn)意義

馬 聰，王 劍，潘曉慧，陳 俊，尚 玲，劉 金

(1.新疆頁(yè)巖油勘探開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國(guó)石油 新疆油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

方沸石作為烴類(lèi)演化過(guò)程中的基本物質(zhì)響應(yīng)，記錄了豐富的油氣地質(zhì)信息，可以為判斷含油氣性提供重要依據(jù)[1]。朱世發(fā)等[2]利用鑄體薄片和掃描電鏡對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地二疊系碎屑巖中方沸石的溶蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究，證實(shí)方沸石溶蝕帶可作為尋找有利油氣儲(chǔ)層發(fā)育的目標(biāo)區(qū)。孫玉善等[3]利用偏光顯微鏡及掃描電鏡分析了中國(guó)西部盆地碎屑巖儲(chǔ)層中方沸石的成因及溶蝕作用，證明方沸石溶蝕貢獻(xiàn)了碎屑巖儲(chǔ)層孔隙度的50%～75%，對(duì)形成良好的油氣集聚帶具有促進(jìn)意義。張躍等[4]對(duì)滄東凹陷孔二段致密砂巖中的自生方沸石進(jìn)行了巖石薄片鑒定和X射線(xiàn)衍射全巖分析，證明方沸石可指示鹽堿性的沉積水體環(huán)境，且對(duì)致密儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的改善具有十分重要的意義。

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組是中國(guó)當(dāng)前頁(yè)巖油勘探的熱點(diǎn)地區(qū)[5]。本文對(duì)該區(qū)蘆草溝組頁(yè)巖油儲(chǔ)層甜點(diǎn)段中的方沸石礦物進(jìn)行研究，探討了其成因與意義，以期對(duì)前人的研究進(jìn)行補(bǔ)充完善，并加深對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層甜點(diǎn)形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為勘探部署提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷位于盆地東部的西南段，北鄰沙奇凸起，西接北三臺(tái)凸起，南鄰阜康斷裂帶，東靠古西凸起[6](圖1)。凹陷北部在石炭紀(jì)末期受海西運(yùn)動(dòng)影響抬升，形成吉木薩爾斷裂；而從三疊紀(jì)末期至新生代，印支、燕山、喜馬拉雅一系列大的構(gòu)造活動(dòng)均以東南抬升為主，形成了當(dāng)今西深東淺、西斷東超的箕狀形態(tài)[7-9]。蘆草溝組沉積期處于快速穩(wěn)定裂陷期，凹陷常處于東高西低、北高南低的狀態(tài)，內(nèi)部構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較弱，主體勘探部位相對(duì)平緩，凹陷在下石炭統(tǒng)褶皺基底上形成了一套較為齊全的沉積地層。在快速穩(wěn)定裂陷的背景下，蘆草溝組沉積期水體較深，沉降速率大于沉積速率，但深部斷裂帶成了水下火山噴溢的活動(dòng)通道，巖漿—地慢流體上升爆噴，因此，蘆草溝組不同于一般湖相沉積，在暗色泥頁(yè)巖烴源巖中發(fā)育大量火山噴溢體及基性火山灰[10]。整體地層厚度大(平均250 m)，但由于火山噴溢期與泥頁(yè)巖烴源巖沉積期交錯(cuò)復(fù)雜，地層分層性極強(qiáng)，共發(fā)育980個(gè)小層，單層厚度平均0.25 m，毫米級(jí)層理發(fā)育。自下而上劃分為2段：蘆草溝組一段(P2l1)和二段(P2l2)，這兩段的底部均存在頁(yè)巖油富集段，分別對(duì)應(yīng)下甜點(diǎn)體和上甜點(diǎn)體。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油勘探現(xiàn)狀示意

2 巖石學(xué)特征

蘆草溝組沉積時(shí)期發(fā)育特殊的巖漿—熱液噴流型的沉積組合[11]。該沉積組合可進(jìn)一步細(xì)分為54種巖性，包括碳酸鹽巖、碎屑巖、泥巖、火山碎屑巖、火山巖等5大類(lèi)11小類(lèi)，研究區(qū)蘆草溝組主要含油巖性有以下4類(lèi)。

(1)凝灰質(zhì)白云巖。泥晶白云石與凝灰物質(zhì)不同比例混合形成紋層狀凝灰質(zhì)白云巖，礦物組成以白云石為主，其次為石英、斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石，顯微鏡下可見(jiàn)富含藻類(lèi)、緊密鑲嵌的自形—半自形白云石集合體均勻分布(圖2a，b)。

(2)碳酸鹽巖質(zhì)凝灰?guī)r。礦物組成以晶屑和碳酸鹽巖巖屑為主，其次為鈉長(zhǎng)石，巖心觀察中常見(jiàn)碳酸鹽巖脈體貫穿于凝灰?guī)r中(圖2c)。

(3)沉凝灰?guī)r。紋層狀構(gòu)造較為發(fā)育，在個(gè)別樣品中見(jiàn)透鏡狀構(gòu)造、生物潛穴構(gòu)造發(fā)育，礦物組成為斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、石英、蒙脫石、方解石和白云石。凝灰物質(zhì)在熒光下發(fā)黃色光，表明研究區(qū)沉凝灰?guī)r的含油性較好(圖2d，e)。

(4)堿性—過(guò)堿性的安山質(zhì)凝灰?guī)r。礦物組分以鈉長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石和石英為主，缺乏陸源碎屑組分和黏土礦物，晶屑和基質(zhì)見(jiàn)強(qiáng)烈的溶蝕港灣(圖2f)，原生孔隙和溶孔發(fā)育且含油性好。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組含油段巖心照片及顯微鏡下巖石學(xué)特征

除常見(jiàn)的造巖礦物外，本次工作首次在頁(yè)巖油儲(chǔ)層中觀察到方沸石和少量霓石等特殊的“示烴礦物”。目前主要在吉木薩爾凹陷吉174井、吉37井和吉31井的頁(yè)巖油層中觀察到了較為富集的方沸石礦物(圖1)，平均含量為14.5%，最高含量達(dá)59%。全巖礦物X衍射分析顯示方沸石主要分布在P2l1底部，僅有個(gè)別幾例出現(xiàn)在了P2l2底部。薄片觀察過(guò)程中，僅在吉174井中見(jiàn)到一例方沸石巖(巖石中方沸石礦物的含量大于50%)，多數(shù)時(shí)候方沸石賦存于沉凝灰?guī)r、碳酸鹽巖質(zhì)凝灰?guī)r，個(gè)別出現(xiàn)在凝灰質(zhì)白云巖中。

3 方沸石礦物學(xué)特征

方沸石(Na[AlSi2O6]·H2O)為鋁硅酸鹽礦物，其化學(xué)組成特點(diǎn)為富含鈉離子[11]。方沸石為典型的等軸晶系礦物，常呈立方體與四角三八面體的聚形的單晶體；在偏光鏡下為均質(zhì)礦物，突起表現(xiàn)為負(fù)低，平面上呈六角形、八角形或不規(guī)則粒狀。方沸石在正交鏡下表現(xiàn)為全消光，在插入石青板后呈現(xiàn)出紫紅色[11-12]。研究區(qū)內(nèi)方沸石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造現(xiàn)象豐富，產(chǎn)狀多樣，本文主要利用電子探針顯微成像、主量元素分析，結(jié)合偏光顯微鏡下觀察分析，將吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石依據(jù)賦存狀態(tài)分為4類(lèi)。

3.1 紋層狀方沸石

在沉凝灰?guī)r層中，多見(jiàn)紋層狀方沸石，方沸石與巖石中的凝灰物質(zhì)或白云石形成互層。紋層狀方沸石多呈連續(xù)性好的泥晶狀，其泥晶粒徑在0.01～0.5 mm之間，正交偏光鏡下呈全消光。粒度相對(duì)較粗的方沸石常具等粒結(jié)構(gòu)，顆粒表面糙點(diǎn)明顯，常與鐵白云石微晶、含鎂菱鐵礦共生，也與透長(zhǎng)石交生(圖3a，b)。在單偏光鏡下，可見(jiàn)方沸石晶體內(nèi)部發(fā)育紅褐色的礦物集合體，成分分析結(jié)果為氟碳鈰類(lèi)礦，在常麗華等人的研究中被認(rèn)為是偏堿性巖或相關(guān)熱液礦床的產(chǎn)物[12]，因此表明該類(lèi)方沸石的形成與堿性巖漿的熱液活動(dòng)有關(guān)。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石顯微巖石學(xué)特征

3.2 球粒方沸石

在連續(xù)取心的吉174井的3 202～3 204 m發(fā)現(xiàn)了大量球粒狀方沸石，粒徑約2～5 mm。按照球粒核部、邊部的成分及方沸石狀態(tài)可以分為3種：第一種球粒核部為自形—半自形的方沸石均質(zhì)體，而白云石形成了球粒的環(huán)邊，使得球粒方沸石互不接觸，呈現(xiàn)近乎懸浮的狀態(tài)，在正交偏光顯微鏡下球粒核部的方沸石呈全消光(圖3c)；第二種球粒與第一種相似，見(jiàn)于方沸石質(zhì)白云巖中，球粒核部的方沸石均質(zhì)體完全懸浮于白云巖中(圖3d)；第三種球粒的核部則由方沸石、殘余正長(zhǎng)石構(gòu)成，在方沸石中心清晰可見(jiàn)“交代殘余”的正長(zhǎng)石礦物和蒙脫石，他形微晶方沸石則構(gòu)成了球粒的環(huán)邊，整個(gè)球粒懸浮于蒙脫石中，說(shuō)明方沸石的形成晚于蒙脫石(圖3e-g)。

3.3 塊狀方沸石

該類(lèi)方沸石主要見(jiàn)于方沸石巖中，呈厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于火成巖中的塊狀結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)大顆粒自形—半自形的塊狀方沸石(圖3h)，連晶狀分布的方沸石結(jié)晶集合體較為少見(jiàn)，這與成巖快速掩埋過(guò)程中的余熱導(dǎo)致的重結(jié)晶有關(guān)。鏡下可見(jiàn)典型方沸石形態(tài)為六角形和八角形，與周緣的細(xì)粒碎屑顆粒之間邊界明顯、清晰，因此其晶體普遍呈現(xiàn)出光滑且平直的斷面。

3.4 脈狀方沸石

在巖石的網(wǎng)狀裂縫中，含鈉質(zhì)鋁硅酸鹽的熱液流入結(jié)晶形成脈狀方沸石。研究區(qū)內(nèi)的方沸石脈較為少見(jiàn)，呈較細(xì)的單脈狀，脈寬約0.3～1 mm。脈體中方沸石呈半自形顆?；蜻B晶集合體，晶面干凈平整，見(jiàn)少量他形白云石與其共生(圖3i)。

4 方沸石成因

4.1 方沸石形成的物質(zhì)來(lái)源

形成方沸石的礦物成分必須包括SiO2、Al2O3、Na，因此依據(jù)物質(zhì)成分，方沸石的成因可分為3類(lèi)。第一類(lèi)為非火山物質(zhì)成因，在鹽堿性湖盆中，水體為堿性，且富含鈉離子，當(dāng)沉積物進(jìn)入此類(lèi)湖盆中后，蒙脫石、長(zhǎng)石、似長(zhǎng)石、高嶺石等富鋁礦物會(huì)與富鈉堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鈉離子、鋁離子析出結(jié)合，進(jìn)而產(chǎn)生硅鋁酸鹽類(lèi)礦物，即方沸石[3]；第二類(lèi)為火山物質(zhì)成因，即在火山活躍期，噴發(fā)出的火山玻璃進(jìn)入富鈉堿性水體中后，快速產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，首先生成了絲光沸石、斜發(fā)沸石，這兩類(lèi)沸石經(jīng)由成巖轉(zhuǎn)化形成方沸石，此種成因的方沸石在自然界較為多見(jiàn)[4]；第三種為湖相熱水沉積，即陸相裂谷盆地中湖底熱泉噴流而后發(fā)生沉積作用形成[13]。

吉木薩爾凹陷具有特殊的構(gòu)造背景，方沸石的產(chǎn)狀豐富，綜合分析認(rèn)為有2種物質(zhì)來(lái)源。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組含方沸石層段礦物含量

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石含量與黏土礦物(a)、斜長(zhǎng)石(b)含量關(guān)系

(2)火山物質(zhì)來(lái)源。研究認(rèn)為研究區(qū)中的次生方沸石與火山物質(zhì)蝕變有關(guān)，火山物質(zhì)既包括火山玻璃，也包括火山碎屑中的鈉長(zhǎng)石。研究區(qū)沉積物中火山碎屑物質(zhì)極為豐富，常見(jiàn)典型形態(tài)結(jié)構(gòu)的晶屑和玻屑，這就為此類(lèi)成因的方沸石提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。在火山噴發(fā)期，富鈉堿性巖漿與熱液物質(zhì)噴出，玻屑、晶屑為此類(lèi)方沸石提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。而熱液中富含的氣體、液體與玻屑、晶屑等火山物質(zhì)經(jīng)過(guò)反應(yīng)可形成大量的高硅方沸石[14-15]。研究區(qū)的塊狀方沸石自形—半自形的晶體顆粒較大，晶體邊緣邊界清晰，熱液與火山物質(zhì)反應(yīng)速度快、礦物生成量大(圖3h)；紋層狀方沸石在局部尤為富集，單晶呈現(xiàn)自形—半自形，少量方沸石顆粒邊緣見(jiàn)溶蝕港灣狀，粒內(nèi)見(jiàn)溶孔發(fā)育(圖3h)，均為熱液溶蝕的證據(jù)。

在快速穩(wěn)定裂陷的背景下，蘆草溝組沉積期存在間歇性火山噴發(fā)，熱液噴流存在多期次的特點(diǎn)[11]。在火山活動(dòng)的停歇時(shí)期，埋藏作用下堿性長(zhǎng)石及部分蒙脫石類(lèi)黏土成巖轉(zhuǎn)化形成自生方沸石，在火山噴發(fā)活動(dòng)期，噴流出的熱液與玻屑、晶屑等火山物質(zhì)發(fā)生溶蝕作用形成次生方沸石，火山物質(zhì)成因和非火山物質(zhì)成因形成方沸石的過(guò)程伴隨熱液噴流的多期次過(guò)程交替發(fā)生。

4.2 方沸石析出的環(huán)境條件

COOMBS等[16]依據(jù)Si/Al值將不同成因的方沸石分為3類(lèi)：火山玻璃與堿性溶液反應(yīng)生成的高硅方沸石(Si/Al值為2.7左右)、經(jīng)沉積變質(zhì)作用形成的中硅方沸石(Si/Al值為2.4左右)和由富堿性水與沉積物相互作用生成的低硅方沸石(Si/Al值在2.2～2.0)。電子探針數(shù)據(jù)(表1)表明，吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石中的SiO2平均含量為63.04%，比標(biāo)準(zhǔn)值54.58%要高一些；Al2O3平均含量為20.88%，比標(biāo)準(zhǔn)值23.16%略低；Na2O的平均含量為7.63%，比標(biāo)準(zhǔn)值13.5%低。經(jīng)計(jì)算研究區(qū)方沸石的Si/Al的平均值為2.56，最高值為2.73，最低值為2.34，屬于中—高硅方沸石(表1)。這既表明了其析出環(huán)境為富含大量活性SiO2的堿性環(huán)境，也再次證實(shí)了研究區(qū)方沸石的形成既與埋藏變質(zhì)作用有關(guān)，也和火山物質(zhì)與堿性水反應(yīng)有關(guān)，與前文所述的2種物質(zhì)來(lái)源相吻合。此外，富含Ca2+、Na+、K+離子證明了析出環(huán)境的鹽度較高。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石電子探針化學(xué)組分

方沸石析出的環(huán)境溫度十分廣泛，可在4～50 ℃的深部低溫海水的沉積物中析出，也可在大于200 ℃的高溫?zé)嵋涵h(huán)境中經(jīng)由低級(jí)變質(zhì)作用析出[17]。吉木薩爾凹陷蘆草溝組產(chǎn)出的方沸石具有紋層狀、與泥晶碳酸鹽巖共生的微觀特征，這證實(shí)了方沸石析出于成巖共生期和早成巖A期。根據(jù)孫玉善的研究，準(zhǔn)噶爾盆地在該時(shí)期的古地溫處于古常溫(約85 ℃)，屬于低溫環(huán)境[3]。

綜上所述，吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石形成于高鹽度、堿性、低溫的熱液條件下，在埋藏過(guò)程中，堿性長(zhǎng)石及部分蒙脫石類(lèi)黏土成巖轉(zhuǎn)化形成自生方沸石；在火山噴發(fā)活躍期，火山物質(zhì)經(jīng)過(guò)熱液反應(yīng)與蝕變形成次生方沸石，2種成因形成的方沸石過(guò)程交替發(fā)生。

5 油氣地質(zhì)意義

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷研究區(qū)蘆草溝組方沸石形成于成巖階段早期A段，意味著尚處于淺埋藏開(kāi)放的成巖環(huán)境，方沸石析出的孔隙水條件恰能夠代表蘆草溝組沉積期的水體環(huán)境。結(jié)合前文對(duì)析出環(huán)境的分析，有利于方沸石沉淀的條件是高鹽度、堿性水體介質(zhì)條件，富含Ca2+、Na+、K+離子，指示了蘆草溝組沉積時(shí)期吉木薩爾凹陷為鹽堿性湖盆。因此方沸石可以作為指示鹽堿性沉積環(huán)境的“指相礦物”。

此外，方沸石的富集與頁(yè)巖油甜點(diǎn)段的分布往往具有較好的對(duì)應(yīng)性。以吉31井為例，方沸石主要富集在該井P2l1底部(2 852～2 865 m)和P2l2底部(2 815～2 822 m附近)，正好分別處于該井頁(yè)巖油下甜點(diǎn)段和上甜點(diǎn)段，且方沸石發(fā)育的層段核磁孔隙度、覆壓滲透率和含油飽和度均較高(圖6a)。方沸石對(duì)頁(yè)巖油層的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在兩方面：一是膠結(jié)作用，硬度為5.5的方沸石在抗壓實(shí)方面大于碳酸鹽和硫酸鹽礦物，早期淺埋藏堿性環(huán)境下發(fā)生方沸石的強(qiáng)膠結(jié)作用(圖6b)，保護(hù)了早期形成的碎屑骨架，為成巖后期深埋作用下的抗壓實(shí)起到了關(guān)鍵作用，進(jìn)而保護(hù)了原生孔；二是溶蝕作用，方沸石具有開(kāi)放的架狀結(jié)構(gòu)、低比重的物理性質(zhì)，導(dǎo)致其具有易溶蝕的特點(diǎn)，成巖中后期方沸石溶蝕形成的次生溶孔大幅提升了頁(yè)巖油層的儲(chǔ)集性能(圖6c，d)，這一點(diǎn)通過(guò)方沸石含量與孔隙度呈現(xiàn)正相關(guān)性得以證明(圖7)。方沸石與頁(yè)巖油甜點(diǎn)段在分布上的對(duì)應(yīng)性及其對(duì)頁(yè)巖油層儲(chǔ)集性能的改善作用，均代表了它可以作為頁(yè)巖油領(lǐng)域良好的“示烴礦物”。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷吉31井蘆草溝組測(cè)井綜合柱狀圖

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷吉174井蘆草溝組方沸石含量與孔隙度關(guān)系

6 結(jié)論

(1)首次在準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁(yè)巖油層中發(fā)現(xiàn)了大量方沸石，主要集中分布在P2l1底部，僅有個(gè)別幾例出現(xiàn)在了P2l2底部。方沸石主要賦存于沉凝灰?guī)r、碳酸鹽巖質(zhì)凝灰?guī)r中，個(gè)別出現(xiàn)在凝灰質(zhì)白云巖中，方沸石巖極為少見(jiàn)。

(2)吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石在巖石中的賦存狀態(tài)主要包括紋層狀、球粒狀、塊狀、脈狀。紋層狀方沸石夾于沉凝灰?guī)r層中，多呈連續(xù)性好的泥晶狀，常與鐵白云石微晶、含鎂菱鐵礦共生；球粒狀方沸石按照核部、邊部的成分及方沸石狀態(tài)可進(jìn)一步分為3種；塊狀方沸石呈厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)自形—半自形大顆粒；脈狀方沸石賦存于巖石裂縫中，由含鈉質(zhì)鋁硅酸鹽的熱液流入結(jié)晶形成，脈體中方沸石顆粒呈半自形或連晶狀。

(3)吉木薩爾凹陷蘆草溝組方沸石形成于高鹽度、堿性、低溫的熱液條件下，在埋藏過(guò)程中，堿性長(zhǎng)石及部分蒙脫石類(lèi)黏土成巖轉(zhuǎn)化形成自生方沸石；在火山噴發(fā)活躍期，火山物質(zhì)經(jīng)過(guò)與熱液的反應(yīng)和蝕變形成次生方沸石，2種形成的方沸石的過(guò)程交替發(fā)生。

(4)具有鹽堿性沉積環(huán)境“指相意義”的方沸石，同時(shí)具有抗壓性強(qiáng)和易溶蝕的特點(diǎn)，成巖早期形成的大量方沸石膠結(jié)物，既起到了抗壓實(shí)作用進(jìn)而保護(hù)原生孔，又為成巖中后期次生溶孔的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)，大幅提升了頁(yè)巖油層的儲(chǔ)集性能，因而可表征為頁(yè)巖油甜點(diǎn)的“示烴礦物”。