準噶爾盆地西北緣沸石發(fā)育特征及成儲機理初探：以瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組為例

連麗霞 ，王 劍 ，馬 聰 ，楊 召 ，羅正江 ，楊生超，張文杰，胡文瑄

1. 中國石油 集團公司礫巖油氣藏勘探開發(fā)重點實驗室，克拉瑪依 834000；2. 新疆礫巖油藏實驗室，克拉瑪依 834000；3. 中國石油 新疆油田分公司實驗檢測研究院，克拉瑪依 834000；4. 南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023

準噶爾盆地是中國重要的大型含油氣盆地之一，其西北緣是該盆地油氣富集地區(qū)。該區(qū)可劃分為西北緣斷階帶、中拐凸起、瑪湖凹陷和昌吉凹陷等幾個次級構造單元（圖1），其中，瑪湖凹陷西斜坡南坡（簡稱瑪南）緊鄰生烴凹陷，構造位置有利（陳波等，2016）。近年來油氣勘探在瑪南地區(qū)百口泉組與烏爾禾組陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了高產井與大油區(qū)，油氣顯示較好，勘探潛力巨大（支東明等，2018）。

圖1 準噶爾盆地西北緣地區(qū)構造位置圖（據Tao et al., 2016和盧志遠等，2019改）Fig. 1 Structural location of the northwestern Junggar Basin

目前勘探結果表明，瑪南地區(qū)烏爾禾組為扇三角洲沉積體系（施小榮等，2008；汪孝敬等，2017），砂礫巖成分成熟度低，泥質含量高，礫石與巖屑主要以凝灰?guī)r與火山巖為主，膠結物主要為沸石類礦物與方解石（朱世發(fā)等，2011），其次為硅質與黏土礦物等。在瑪南鄰區(qū)的中拐地區(qū)，已發(fā)現(xiàn)的油藏或高產井段中沸石膠結物溶蝕孔隙占比較大（韓守華等，2007；郭沫貞等，2016，2017）。在埋藏較深、壓實作用較強的背景下，沸石礦物的次生溶蝕對深層油氣勘探意義重大（韓守華等，2007；陳波等，2016）。然而，目前對瑪南地區(qū)烏爾禾組沸石膠結物的礦物特征、成因機理與成儲機制等方面缺乏系統(tǒng)研究。

沸石作為自生硅酸鹽礦物，其析出、膠結和溶蝕過程對儲層具有重要影響，因而逐漸受到重視（朱世發(fā)等，2011）。迄今已在國內外多個盆地的不同層位開展過研究，可作為研究區(qū)的實例參考與理論借鑒（Mariner and Surdam, 1970; Moncure et al., 1981; Noh and Boles, 1993; Chipera et al., 2008）。例如中國松遼盆地北部白堊系泉頭組（王成等，2004）、四川盆地川中地區(qū)侏羅系下沙溪廟組（楊曉萍等，2006）、酒泉盆地白堊系下溝組（李軍等，2004）、鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組（楊曉萍和裘懌楠等，2002）等。目前在沸石的成因研究中以濁沸石的研究較為系統(tǒng)（郭沫貞等，2016），并提出了以下4種形成途徑：（1） 高嶺石與方解石反應（張立飛，1992）；（2）斜長石、中基性火山巖巖屑及凝灰?guī)r巖屑蝕變（朱國華，1985）；（3）方沸石、片沸石轉化（朱世發(fā)等，2014；李振華等，2014）；（4）低變質作用（張立飛，1992）。隨著更進一步的驗證與分析，第2類與第3類成因逐漸成為了主流觀點。認為沸石類礦物是在富含火山物質、水介質為高pH值、高堿金屬濃度，并在特定溫度與壓力條件下形成的（郭沫貞等，2016）；或者在鈣離子富集、特定溫度和壓力條件下，由早期形成的沸石向片沸石轉化，并進一步轉化為濁沸石（朱世發(fā)等，2011; 2014）。然而，本區(qū)除了濁沸石外，還大量發(fā)育片沸石，其成因機制的研究還鮮有報道。

筆者對研究區(qū)烏爾禾組200余米巖心進行觀察與描述，采集了100余塊樣品，開展了比較系統(tǒng)的鏡下鑒定、掃描電鏡觀測與能譜分析。在此基礎上收集整理研究區(qū)54口井600多張鑄體薄片鏡下鑒定資料，旨在查明研究區(qū)烏爾禾組沸石膠結物的礦物特征，明確沸石膠結物的分布規(guī)律，初步分析沸石膠結物成因機制，揭示沸石膠結物與儲層發(fā)育的關系，進而探討成巖作用過程中沸石膠結物的成儲機理，為研究區(qū)沸石溶蝕型孔隙的預測奠定基礎，也為其他地區(qū)含沸石膠結物儲層的研究提供參考。

1 地質概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，南鄰中拐凸起與達巴松凸起，東接鹽下凸起與英西凹陷，西部與扎伊爾山、哈拉阿拉特山僅隔克百斷裂帶與烏夏斷裂帶（圖1；郭沫貞等，2016；Tao et al., 2016）。受晚石炭世至二疊紀海西運動的影響，準噶爾盆地前緣形成前陸凹陷（朱世發(fā)等，2015），推覆活動引起區(qū)域構造抬升（吳和源等，2017）。此后陸續(xù)受到印支運動、燕山運動以及喜馬拉雅構造運動的影響，瑪湖凹陷及周邊地區(qū)斷裂發(fā)育，并形成多期不整合（楊勇和查明，2007）。

研究區(qū)二疊系發(fā)育有佳木河組、風城組、夏子街組、下烏爾禾組與上烏爾禾組，二疊系各層組向盆地邊緣依次超覆在石炭系地層之上（郭沫貞等，2016）。在強烈的構造活動背景下，烏爾禾組發(fā)育一套扇三角洲沉積體系（汪孝敬等，2017）。其中，下烏爾禾組（P2w）巖心為灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、泥質粉砂巖與灰綠色泥巖互層。上烏爾禾組（P3w）巖心為青灰色泥質砂礫巖、含泥含砂中礫巖、砂質細礫巖與紅棕色粉砂質泥巖互層。

瑪湖凹陷烏爾禾組以產油為主，產氣較少，具有縱向多層含油、平面廣泛成藏的特征（陳波等，2016）。以瑪湖014井為例，下烏爾禾組試油成果為日產油79.12 t，累計產油2615.23 t，是研究區(qū)烏爾禾組油氣勘探的重要突破。

2 儲層中沸石發(fā)育特征

2.1 產狀

瑪南地區(qū)烏爾禾組含沸石類砂礫巖整體上以中礫巖與含礫粗砂巖為主，局部夾含礫中細砂巖。礫石多為青灰色、灰黑色火山巖礫石與凝灰質礫石（圖2）。砂礫巖分選較差至中等，礫石呈次棱角狀—次圓狀，為顆粒支撐至雜基支撐，粒間廣泛發(fā)育有沸石類與碳酸鹽膠結物。通過對研究區(qū)54口井開展巖石薄片與掃描電鏡觀察分析，含火山物質的砂礫巖儲層中見大量沸石礦物，并以膠結物和裂隙充填物的形式產出。在粒間孔隙中，沸石膠結物呈現(xiàn)完好的連晶基底式膠結，或發(fā)生部分溶蝕呈現(xiàn)溶蝕港灣狀。

2.2 沸石礦物學特征

根據沸石的手標本與鏡下特征，結合前人X衍射及電子探針分析，準噶爾盆地西北緣二疊系至三疊系砂礫巖儲層中主要發(fā)育的沸石膠結物類型有片沸石、濁沸石與方沸石三種，含少量斜發(fā)沸石與絲光沸石（韓守華等，2007；朱世發(fā)等2011，2014；連麗霞和楊紅霞，2017）。在瑪南烏爾禾組砂礫巖儲層中，沸石類膠結物以濁沸石和片沸石為主。

2.2.1 片沸石特征

片沸石的化學分子式為(Ca,Na2)Al2Si7O18· 6H2O，在研究區(qū)發(fā)育普遍。手標本觀察發(fā)現(xiàn)，片沸石多為橘紅色或淺褐色，以膠結物的形式充填在砂礫巖粒間孔隙之中，新鮮面較為致密（圖2），質地堅硬而不易刻畫。

圖2 瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組沸石類膠結物巖心照片F(xiàn)ig. 2 Core photographs showing zeolite cements in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

在顯微鏡下片沸石具有鮮亮橘紅色或無色，一級灰白干涉色，主要以基底式膠結與裂隙式充填的形態(tài)產出（圖3a, b）?；资侥z結的連生片沸石晶體為片狀或刃狀沿著顆粒邊緣垂直生長，孔隙中間為板狀或長柱狀常以半充填、全充填方式產出于砂礫巖粒間；裂隙式充填的片沸石常在火山巖碎屑裂縫內以板狀、刃狀充填。兩種產狀片沸石膠結物在靠近顆粒邊緣部位多為橘紅色，靠近孔隙中心部位多為無色，指示了片沸石存在兩期膠結（圖3a）。

通過掃描電鏡能譜進一步分析發(fā)現(xiàn)，片沸石膠結物紅色部分的Fe元素含量較高，而無色部分的Fe元素含量明顯偏低。例如瑪湖11井下烏爾禾組樣品，在紅色區(qū)域，能譜分析指示Fe元素含量約為1.8%，而靠近中心部分的無色區(qū)域，片沸石的Fe元素信號低于檢測限（測試點1，無Fe元素信號），或者含量較低（測試點2，F(xiàn)e元素含量為0.74%），明顯低于邊部橘紅色片沸石（測試點3，F(xiàn)e元素含量為1.8%）（圖4）。因此可以推斷，片沸石染色很可能是Fe元素含量高引起的，早期片沸石富含鐵，晚期片沸石貧鐵。

2.2.2 濁沸石特征

濁沸石的化學分子式為CaAl2Si4O12·4H2O，是研究區(qū)烏爾禾組最為發(fā)育的膠結物類型之一。巖心觀察發(fā)現(xiàn)，濁沸石膠結物多為灰白色至微紅色，絲絹光澤（圖2），礦物固結強度低，質地較軟而易于刻劃與脫落。

圖3 瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組沸石類膠結物礦物特征Fig. 3 Mineralogical characteristics of zeolite in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

圖 4 瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組兩期片沸石膠結物掃描電鏡特征Fig. 4 Scanning electron microscope (SEM) images showing the two-stage zeolite cementation in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

在顯微鏡下，濁沸石多為無色，偶見淺紅色，一級黃白干涉色，自形程度高，呈短柱狀，常呈現(xiàn)基底式或孔隙式膠結（圖3c, d），以半充填至全充填產出于砂礫巖顆粒之間。濁沸石礦物的解理非常發(fā)育，緊密推擠，晶間縫較少，但成巖作用過程中，在成巖成烴流體的改造下，濁沸石形成較多溶蝕孔隙，呈現(xiàn)不規(guī)則的溶蝕港灣狀見于砂礫巖顆粒之間（圖3c, d）?，斈系貐^(qū)，濁沸石膠結物大量產出的層段，可見較好的油氣顯示（圖2c）。

2.3 沸石礦物空間分布特征

2.3.1 縱向分布規(guī)律

依據薄片填隙物組分鑒定結果，瑪南地區(qū)沸石類膠結物在空間上具有一定的分布規(guī)律（表1）。整體上，片沸石主要聚集在下烏爾禾組，濁沸石主要聚集于下烏爾禾組與上烏爾禾組，而百口泉組地層目前未見沸石膠結物產出（表1）。具體而言，片沸石膠結物在下烏爾禾組中含量變化較大，含量范圍為1%～6%，平均含量為3.3%，至上烏爾禾組，片沸石平均含量急劇降低，未有統(tǒng)計數(shù)據。相比之下，濁沸石在瑪南烏爾禾組的分布更加廣泛，其中下烏爾禾組中濁沸石含量在1%～11%之間，平均含量為3.8%，上烏爾禾組濁沸石發(fā)育相對較少，但整體比較集中，含量范圍為6%～8%，平均7.0%。

2.3.2 平面分布規(guī)律

綜合薄片鑒定結果與統(tǒng)計數(shù)據，片沸石膠結物主要發(fā)育區(qū)為黃羊泉扇的瑪湖6井附近，平均含量約為4.5%，其他井段中，片沸石零星產出且含量較低。濁沸石膠結物主要集中在瑪湖6井與靠近中拐扇的克80井兩個井區(qū)范圍，含量范圍在2%～11%，平均含量約為5.0%，其他井段砂礫巖儲層中，整體含量較低。

表1 瑪南地區(qū)二疊系—三疊系沸石膠結物含量統(tǒng)計Table 1 Content of Permian-Triassic zeolite cements in the Manan area

研究區(qū)各類沸石在平面上的展布規(guī)律并不顯著，僅在黃羊泉扇瑪湖6井附近片沸石與濁沸石含量最為富集。從南到北，總體上表現(xiàn)出，濁沸石與片沸石含量逐漸升高的特征。沸石類膠結物的空間分布，可能受控于各個扇體的沉積母巖性質與后期差異性的成巖流體改造，情況復雜，因此非均質性較強，區(qū)域分布規(guī)律不明顯。

3 沸石成因初探

據前人分析，沸石膠結物的形成與母巖成分有關，并受到孔隙水的化學性質、溫度與壓力等多方面因素的共同控制（朱世發(fā)等，2011, 2014），通常形成于中性至堿性的水介質環(huán)境（朱世發(fā)等，2011）。研究表明，母巖組分對研究區(qū)沸石膠結物的類型具有一定的控制作用（郭沫貞等，2016），火山物質特別是凝灰?guī)r組分是沸石礦物形成的主要物質基礎（朱世發(fā)等，2011）。百口泉組沸石類膠結物的含量明顯低于烏爾禾組，這可能與母巖組分的差異有關。為研究富含沸石砂礫巖儲層的物質組成，本次研究將其礫石組分分為4類，分別為凝灰?guī)r礫石、中性—基性火山巖礫石、中酸性—酸性火山巖礫石、正常沉積巖礫石（石英與長石）。

統(tǒng)計結果表明，研究區(qū)烏爾禾組砂礫巖的巖石組分以凝灰?guī)r礫石為主，含少量中性—基性火山巖礫石與部分中酸性—酸性火山巖礫石，沉積巖礫石整體含量較低（圖5）。

圖5 瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組與三疊系百口泉組不同成分礫石含量Fig. 5 Different gravel contents in the Permian Wuerhe Formation and Triassic Baikouquan Formation of the Manan area

通過對沸石膠結物含量大于1 %的樣品開展礫石組分三角投圖分析，探討沸石礦物種類與母巖礫石成分之間的內在聯(lián)系（圖6）。從礫石組分三角圖可見，沸石類膠結物主要富集在凝灰?guī)r礫石含量較高的樣品之中，可見沸石礦物的析出與凝灰?guī)r礫石具有密切聯(lián)系。在膠結物含量上，烏爾禾組沸石類膠結物含量較高，而百口泉組中少見沸石礦物（表1），這與二者在凝灰?guī)r礫石含量上的差異匹配較好（圖5）。在產狀上，烏爾禾組砂礫巖儲層中沸石類膠結物多與凝灰?guī)r與火山巖礫石相伴生，常見凝灰?guī)r礫石內部或者礫石間充填有不同類型沸石膠結物（圖3）。進一步對各類礫石與沸石礦物含量進行交會圖分析，發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r礫石與濁沸石之間具有一定的正相關性，而中酸性火山巖礫石與濁沸石之間具有明顯的負相關性（圖7）。以上證據表明研究區(qū)沸石類膠結物的析出主要受控于母巖中凝灰質組分，而中酸性火山巖礫石不利于濁沸石的發(fā)育，其他火山巖礫石與沸石膠結物的形成無明顯關系。

圖6 瑪南地區(qū)不同沸石膠結物與巖石組分含量關系Fig. 6 Relationship between different zeolite cements and rock compositions in the Manan area

圖7 瑪南地區(qū)濁沸石膠結物與巖石組分交會圖Fig. 7 Crossplot of laumontite cements and rock compositions in the Manan area

綜合分析研究區(qū)各項地質背景，瑪南地區(qū)烏爾禾組沸石類膠結物形成過程可以簡要歸納如下：受構造作用的影響，準噶爾盆地西北緣發(fā)育大量斷裂體系。在相對開放的水文環(huán)境下，成巖流體沿著克百斷裂帶與烏夏斷裂帶不斷進入地層，同時深部成巖與成烴流體從下至上沿斷裂體系充注入砂礫巖地層。研究區(qū)砂礫巖儲層含大量凝灰質組分以及各種火山巖礫石，凝灰?guī)r礫石含有大量不穩(wěn)定的玻璃質或隱晶質組分，在各種流體作用下，凝灰質組分與部分火山巖礫石發(fā)生蝕變，釋放出大量Ca2+、Mg2+、K+、Na+等離子，使得流體的鹽度與堿度不斷升高，有利于各類沸石礦物的形成。

4 對儲層的影響

4.1 沸石礦物的儲層效應

瑪南二疊系烏爾禾組儲層巖性主要為砂礫巖與含礫中—粗砂巖，經歷了強烈的壓實與膠結作用，儲集層屬中低滲型儲層，次生溶蝕孔隙的發(fā)育是在低孔滲背景下改善物性、形成局部優(yōu)質孔隙的重要方式（陳波等，2016）。在準噶爾盆地西北緣已發(fā)現(xiàn)沸石類膠結物發(fā)育較多次生溶蝕孔隙，如中拐地區(qū)的濁沸石溶蝕（李振華等，2014；連麗霞和楊紅霞，2017），烏夏斷裂帶的方沸石溶蝕（韓守華等，2007；朱世發(fā)等，2011, 2014），而片沸石的溶蝕現(xiàn)象相對少見。本次研究中，在瑪南地區(qū)砂礫巖儲層中發(fā)現(xiàn)了大量濁沸石與片沸石膠結物，溶蝕孔隙除了在濁沸石膠結物中較為發(fā)育（圖3c, d），在部分片沸石膠結物中也可見晶間縫與溶蝕孔隙，并且部分溶蝕孔隙被瀝青充填（圖3b），是較好的油氣儲集空間。但相對片沸石而言，濁沸石在研究區(qū)溶蝕程度更高，發(fā)育范圍更廣，是沸石膠結物溶蝕孔隙的主要貢獻者。

薄片觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)發(fā)育的次生溶蝕孔隙主要有三種類型，分別為沸石類膠結物溶蝕孔隙、方解石膠結物溶蝕孔隙與長石碎屑顆粒溶蝕孔隙。進一步地，對研究區(qū)350塊鑄體薄片鏡下觀察分析，劃分三類溶蝕孔隙，并對溶蝕面孔率的相對含量進行統(tǒng)計分析，以期探討不同組分的溶蝕作用對儲集層物性貢獻的相對大?。▓D7）。經統(tǒng)計，相較于方解石膠結物與長石顆粒，沸石類膠結物溶蝕面孔率占比最高，平均為63.82 %，是研究區(qū)次生溶蝕孔隙的主體部分（圖8）。鈉長石溶蝕孔隙面孔率相對占比平均為32.25 %，方解石膠結物的溶蝕作用相對最弱，平均溶蝕面孔率占比為23.00 %（圖8）。由此可見，沸石類膠結物的溶蝕作用在改善研究區(qū)儲集層物性中起到了主導作用。

圖8 瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組平均溶蝕面孔率占比直方圖Fig. 8 Histograms showing the proportion of the average surface porosity of dissolution in the Permian Wuerhe Formation of the Manan area

4.2 沸石溶蝕過程分析

瑪南地區(qū)烏爾禾組沸石類膠結物普遍發(fā)育，沸石礦物的次生溶蝕孔隙是研究區(qū)重要的油氣儲集空間。沸石礦物的形成與溶蝕是一個復雜的成巖作用過程，通過對地質背景進行綜合分析，可以簡化為兩階段特征：

第一階段，正常成巖膠結作用。該階段的流體來源為中成巖作用階段中黏土礦物的脫水或者為沿斷裂帶滲入的大氣淡水。流體與圍巖中凝灰?guī)r礫石或凝灰質雜基反應后，進入到砂礫巖儲層，隨著堿金屬離子濃度增加，堿性逐漸增強，發(fā)生疊加—改造式成巖膠結，形成不同沸石類膠結物。

第二階段，深部流體越層溶蝕—改造作用。該階段的流體為下伏風城組與烏爾禾組烴源巖層中的酸性含油氣流體。酸性含烴流體沿大量發(fā)育的斷裂帶上涌，進入砂礫巖層段，對早期沉淀析出的沸石類膠結物及部分方解石膠結物與長石顆粒進行再溶蝕，該階段是儲層形成的主要階段。由于地層中堿性礦物與礫石較多，且深層酸性流體具有“幕式”上涌特征，因此酸性流體常被中和，發(fā)生溶蝕再沉淀作用。

在地質過程中，上涌的深部流體在性質上是多元化的。從最易于流動的含氣性流體到以水為主的深部黏土礦物脫水流體，最后到生排烴作用相關的酸性含油氣流體，依次沿著斷裂上涌到上部儲層進行改造。膠結物的形成過程屬于“前卷式”運移及溶蝕—沉淀模式，膠結物的含量與種類取決于成巖流體來源多少，后期成巖改造是成儲的關鍵階段。

5 結論

（1）瑪南地區(qū)二疊系烏爾禾組砂礫巖儲層中發(fā)育大量沸石類膠結物，以濁沸石與片沸石為主。片沸石具有兩個不同的膠結期次，早期富含鐵，晚期貧鐵。從烏爾禾組到百口泉組，濁沸石與片沸石含量具有逐漸降低的趨勢，但在平面上，各類沸石的分布規(guī)律不明顯。

（2）研究區(qū)沸石膠結物的形成主要受控于母巖中凝灰質組分，中酸性火山巖礫石不利于濁沸石的形成，其他火山巖礫石與沸石的形成無明顯關系。沸石類膠結物的沉淀與溶蝕經歷了兩階段成巖作用過程，早期正常成巖膠結，晚期深部流體越層溶蝕—改造。

（3）濁沸石發(fā)育較多次生溶蝕孔隙，是研究區(qū)油氣賦存主要的儲集空間類型。深部酸性流體的改造導致沸石的溶蝕是儲集空間形成的關鍵。