瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組沸石成因及溶蝕機制

雷海艷，樊 順，鮮本忠，孟 穎，楊紅霞，晏 奇，齊 婧

（1.中國石油天然氣集團有限公司礫巖油氣藏勘探開發重點實驗室，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田分公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依 834000；4.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249；5.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

瑪湖凹陷沉積巖多為礫巖、砂巖和泥巖，由于受區域沉積和構造運動的雙重條件控制，凹陷內形成的油藏往往為構造背景下的礫巖油藏，主力產層集中在三疊系百口泉組和二疊系上、下烏爾禾組，多套砂體疊置連片，各個砂體的特征存在差異，大面積含油，形成了多個油藏群。現階段已先后探明瑪北、鹽北、達巴松、艾湖和瑪南等5 個油藏群，具有巨大的勘探潛力。通過對二疊系下烏爾禾組進行精細研究，可發現地層中含大量的沸石族礦物，不同種類和成因的沸石，其分布特征及溶蝕程度差異較大，各井所鉆遇的儲層質量差異明顯，試油試采產能差異大。試油結果表明，含濁沸石儲層既有高產、也有低產；片沸石膠結帶的巖石致密，溶蝕孔隙不發育，油氣產量低。研究區關于沸石族礦物對儲層性質及產量的影響研究較為薄弱。

學者們對沸石的成因、轉化和成巖改造進行過詳細的研究。Hay［1］對世界多地沸石族礦物的成因和分布進行了分析，認為沸石族礦物主要是由火山物質轉化而來。Moncure 等［2］對美國內華達州沸石類礦物的縱向分帶性展開了系統研究，查明了影響該分帶性的具體原因，且對沸石的成巖序列和成巖模式開展了精細刻畫。張立飛［3-4］對陜北三疊系延長統濁沸石成因進行了詳細解剖，認為該區濁沸石是埋藏變質過程中砂巖孔隙被堵塞或隔絕后，在沒有外來組分（H2O 和CO2除外）的加入和帶出的條件下，由膠結物間或膠結物與碎屑礦物間反應所形成。朱國華［5-6］研究了陜北延長組砂體中濁沸石的形成機理，發現濁沸石形成溫度的上限低于80.0 ℃，從此打破了濁沸石帶是石油勘探死亡線的觀點，同時發現濁沸石溶蝕帶多為油氣高產區。朱世發等［7-8］、孫玉善等［9］對準噶爾盆地西北緣克-夏地區二疊系的沸石族礦物的形成和溶蝕作用也開展了研究，認為該區沸石族礦物以方沸石為主，其次為片沸石和濁沸石，并劃分了各類沸石在平面上的主要分布區，且認為方沸石溶蝕對儲層質量改善較為明顯，片沸石膠結易導致儲層致密。上述研究確認了儲層質量、試油產能與儲層中沸石種類、含量及其溶蝕程度關系密切，但是對于不同沸石族礦物之間的共生分布關系和溶蝕規律方面的研究尚不夠深入，對于沸石溶蝕作用與油氣富集之間的關系認識程度低。為了明確瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組沸石族礦物的分布規律與差異溶蝕機理，筆者對研究區目的層開展系統取樣和分析測試工作，以期深化含沸石類儲層研究和指導其油氣勘探與開發。

1 地質概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，晚石炭—早二疊世，由于受哈薩克斯坦板塊的俯沖和碰撞，準噶爾盆地西北緣形成了碰撞隆起帶和相鄰的大型陸內坳陷，瑪湖凹陷初現雛形，其間伴隨著大量火山巖的噴發和巖漿侵入。到二疊紀中后期，由于持續性構造隆升作用，東北部的陸梁隆起帶和西北部的扎伊爾山和哈拉阿拉特山持續為凹陷區提供著充足的物源。瑪北地區下烏爾禾組（P2w）發育了4個礫巖扇群，分別是瑪東斜坡的夏鹽扇和瑪東扇、瑪西斜坡的夏子街扇和黃羊泉扇（圖1）。地層由下至上化分為4 段，分別為烏一段、烏二段、烏三段和烏四段，本次研究將烏四段作為主要研究對象。

圖1 瑪湖凹陷地理位置（a）及研究層段綜合柱狀圖（b）Fig.1 Location of the study area（a）and stratigraphic column of target layer（b）in Mahu Depression

2 儲層特征

通過對瑪湖凹陷內34 口取心井長度約為516 m的巖心進行觀察，磨制了近400 個巖石薄片和熒光薄片，并進行顯微鏡鑒定，結合場發射掃描電鏡、電子探針、能譜分析和包裹體測試等實驗技術對工區內的沸石族礦物進行了深入研究（表1）。

2.1 巖石學特征

瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組以粗粒沉積為主，巖性包括粗砂巖、礫質砂巖、砂質礫巖和礫巖，另見少量呈薄層分布的粉—細砂巖和泥巖，礫石結構成熟度低，次棱角—次圓狀，雜基或顆粒支撐，具牽引流和重力流交互沉積的特征（圖2）。

表1 研究資料統計數據Table 1 Research data statistics

巖石薄片鑒定結果顯示，礫石成分以火山巖、火山碎屑巖為主，其中火山物質中又以凝灰巖巖屑為主［圖3（a）］。礫石粒徑為4～64 mm，分選差，混雜結構，碎屑（砂、礫）支撐和雜基支撐，成分成熟度低。沸石族礦物為儲層中的主要膠結物，其中濁沸石出現頻率最高，片沸石次之［圖3（b）］。

2.2 儲集空間類型和物性

圖2 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組典型巖心照片（a）礫石呈疊瓦狀排列，牽引流沉積，瑪009 井，3 732.50 m；（b）正粒序，牽引流沉積，瑪009 井，3 726.60 m；（c）礫石呈漂浮狀，泥質雜基支撐，碎屑流沉積，瑪西1 井，3 745.65 m；（d）礫石呈漂浮狀，碎屑流沉積，瑪18 井，4 069.80 mFig.2 Typical core photographs of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

圖3 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組儲層巖石礦物組分（a）及各扇體的膠結物含量（b）Fig.3 Rock mineral components（a）and cement content of each fan（b）of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

瑪湖凹陷下烏爾禾組孔隙類型包括原生粒間孔和次生溶蝕孔2 類［10］，次生溶蝕孔又以濁沸石溶孔為主，見少量微裂縫。巖心樣品的物性分析結果顯示，孔隙度為5.00%～19.10%，平均為8.42%，滲透率為0.01～1 428.20 mD，平均為2.78 mD（圖4），整體上可劃歸為低孔低滲型儲層。

圖4 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組儲層孔隙度（a）和滲透率（b）分布直方圖Fig.4 Histogram of porosity（a）and permeability（b）distribution of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3 沸石族礦物及成因

3.1 沸石族礦物

瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組中沸石族礦物類型以濁沸石為主、片沸石次之，二者常伴生出現。通過偏光顯微鏡、掃描電鏡和能譜等多手段檢測，個別井中見到斜發沸石、方沸石以及輝沸石。沸石族礦物普遍以膠結物和裂隙充填物的形式產出。

濁沸石的自形程度較高，常呈板柱狀和連片狀晶體，主要以半充填—全充填的形式在粒間孔隙中析出，其形成時期多晚于綠泥石和片沸石［圖5（a）］，早于方解石。成巖后期經過地層水和有機酸雙重作用，濁沸石發生全部溶蝕或部分溶蝕，呈現出不規則形態的溶蝕孔隙［圖5（b）］。場發射掃描電鏡下，濁沸石常為自形的板狀或板柱狀，多期沸石的接觸部位常見微小的晶間縫發育［圖6（a）］，在裂縫發育層段常見濁沸石發生溶蝕［圖6（b）］。

圖5 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組沸石族礦物微觀特征（a）礫巖，濁沸石溶孔和綠泥石膜，夏鹽2 井，4 717.90 m，單偏光；（b）砂質礫巖，濁沸石溶孔，瑪607 井，4 103.50 m，鑄體薄片，單偏光；（c）砂質礫巖，片沸石與殘留凝灰質，鹽北2 井，4 468.70 m，單偏光；（d）中粒巖屑砂巖，片沸石膜，瑪218 井，4 008.83 m，正交偏光；（e）細粒巖屑砂巖，片沸石交代長石，鹽北2 井，4 290.44 m，單偏光；（f）砂質礫巖，方沸石與殘留凝灰質，瑪3 井，3 342.50 m，單偏光；（g）礫巖，穿插雙晶輝沸石，瑪009 井，3 782.30 m，正交偏光；（h）礫巖，斜發沸石，瑪217 井，4 005.80 m，正交偏光；（i）礫巖，濁沸石與火山物質雜基，夏鹽2 井，4 718.00 m，單偏光；（j）砂質礫巖，綠泥石與濁沸石，瑪201 井，3 636.06 m，單偏光；（k）礫巖，示頂底結構，鹽北4 井，3 913.20 m，單偏光；（l）泥質細砂巖，成巖縫充填濁沸石，鹽北4 井，3 646.75 m，正交偏光Fig.5 Micro characteristics of zeolite group minerals of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

圖6 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組巖石微觀特征（a）中粗粒巖屑砂巖，濁沸石中的裂縫，掃描電鏡照片，瑪607 井，4 104.75 m；（b）中粗粒巖屑砂巖，濁沸石溶孔，瑪607 井，4 104.75 m，掃描電鏡照片；（c）礫巖，輝沸石與伊蒙混層共生，瑪009 井，3 782.30 m，掃描電鏡照片；（d）砂質礫巖，片狀斜發沸石，瑪009 井，3 939.50 m，掃描電鏡照片；（e）礫巖，多期濁沸石，鹽北4 井，3 915.00 m，掃描電鏡照片；（f）礫巖，濁沸石中的包裹體鹽001 井，5 985.20 m；（g）礫巖，濁沸石中的包裹體，瑪201 井，3 648.18 m；（h）砂質礫巖，早期油，瑪201 井，3 649.64 m，熒光薄片；（i）砂質礫巖，晚期油，瑪217 井，4 004.32 m，熒光薄片Fig.6 Micro characteristics of rocks of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

片沸石在扇三角洲平原較為發育，多見于雜基含量較高的礫巖中，顯微鏡正交偏光下多呈褐色和黃褐色。片沸石常呈現出2 種形態：他形泥晶片沸石，呈半充填或全充填于細粒砂巖中的碎屑顆粒間［圖5（c）］；自形細—中晶片沸石，多出現在粒徑較粗的砂巖或礫巖中，多垂直顆粒邊緣生長，與其他類型填隙物一起充填于孔隙中［圖5（d）］。偶見片沸石交代長石碎屑和巖屑［圖5（e）］。

方沸石在研究區不太發育，僅見于靠近湖盆邊緣的瑪3 井中。研究區所見方沸石與蝕變凝灰質共生［圖5（f）］，掃描電鏡下觀測到溶蝕現象不明顯。朱世發等［7-8］認為準噶爾盆地西北緣二疊系方沸石最為發育，且方沸石溶蝕帶為該區次生孔隙的發育帶，其采樣井85453 井和85095 井位于湖盆邊緣的克百五—八區，而本次研究的區域則位于瑪湖凹陷內部，由此可見，從湖盆邊緣往內部過渡，方沸石有逐漸減少的趨勢。

輝沸石見于瑪009 井附近，晶體常呈平行的板狀或片狀，單偏光下為灰色和灰黃色，正交偏光下干涉色為一級黃白，負延性，負低突起，可見穿插雙晶［圖5（g）］，與方解石伴生充填于孔隙中。掃描電鏡下可見輝沸石多為刀片狀，與伊蒙混層共生［圖6（c）］。

斜發沸石在研究區也不發育，偶見于個別井段（瑪009 井和瑪218 井）。晶體多為細小針柱狀，多為淺黃褐色，負低—中突起，正延性，多與片沸石共生［圖5（h）］。掃描電鏡下斜發沸石多為片狀［圖6（d）］。能譜分析結果顯示，斜發沸石含少量的鐵。

3.2 濁沸石包裹體均一溫度

通過對瑪湖凹陷4 口井二疊系下烏爾禾組17個濁沸石包裹體進行測溫分析，發現研究區濁沸石形成溫度為54.4～115.6 ℃，與前期研究的西北緣克-夏地區沸石形成溫度一致（表2）。包裹體宿主礦物顆粒較粗，填隙物主要為濁沸石和綠泥石。包裹體主要分布在濁沸石顆粒表面，單個或成串分布，整體豐度低，單相多，氣液兩相包裹體相對較少，包裹體直徑普遍偏小，一般在1～5 μm 左右，最大不超過8 μm，為無機相［圖6（f）—（g）］。

表2 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組濁沸石中包裹體特征及相關測試數據Table 2 Characteristics of inclusions in laumontite and related test data of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3.3 沸石成因分析

朱國華［5］認為80.0 ℃可以作為劃分濁沸石高、低溫成因的分界標準，由此可見，瑪湖地區下烏爾禾組砂礫巖中濁沸石既存在高溫成因，也存在低溫成因。將濁沸石包體均一溫度低于80.0 ℃者歸為埋藏早期的低溫成因，高于80.0 ℃者歸于埋藏晚期的高溫成因，且同一口井同一深度的濁沸石內各包裹體均一溫度差異較大，最低溫度為56.4 ℃，最高溫度為115.6 ℃，為不同成巖時期形成，即同一個樣品中濁沸石的成因可能存在2 期或以上。

準噶爾盆地西北緣沸石的成因可分為以下2種：第1 種是礦物轉化成因［5，11-13］，斜長石的鈉長石化過程中，生成濁沸石，其化學方程式為：

這種成因與長石的壓溶作用密切相關，其形成的必要基礎條件是巖石中必須含有大量的長石，但研究區的巖石類型以礫巖為主，骨架顆粒成分主要是凝灰巖，其次為安山巖，見少量的霏細巖和花崗巖等，長石體積分數普遍低于10%。因此該類型的礦物轉化形成的沸石在研究區是極少的。第2 種是火山物質蝕變成因［8，14-19］，在火山碎屑水化蝕變為綠鱗石的過程中，形成了堿性環境和活化SiO2，同時生成含水較多的斜發沸石。通過巖石薄片鑒定、場發射掃描電鏡分析、能譜分析和電子探針元素分析等發現，研究區礫巖中斜發沸石多與片沸石共生。李振華等［20］研究認為，斜發沸石后期會向片沸石和方沸石轉化。因此，火山物質蝕變為研究區沸石的主要成因，且晚期高溫成因的沸石主要為孔隙水結晶而成。

3.3.1 火山物質蝕變成因

火山物質蝕變成因的沸石多形成于早成巖期，沸石呈粒狀集合體，多與黏土礦物共生，且黏土礦物還保留火山塵的特性［圖5（i）］，此類沸石膠結的巖心疏松易散，填隙物中火山物質蝕變成因礦物按結晶先后順序依次為片沸石、綠泥石和濁沸石，這種結晶順序與鐵元素含量有關（表3）。研究區的片沸石最早結晶，且普遍含鐵，呈現橘紅色等氧化色［圖5（d）］；隨著環境中含鐵量的降低，濁沸石逐漸結晶，含少量鐵元素，偏光顯微鏡下呈一級灰干涉色，少量濁沸石解理縫偶呈淡橘紅色［圖5（j）］。

表3 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組各類型沸石的電子探針元素分析數據Table 3 EPMA element analysis of different types of zeolites of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

3.3.2 孔隙水結晶成因

晚成巖期孔隙水結晶成因的沸石主要為濁沸石，多呈大型板狀集合體，干凈無雜質［21-22］。由于凝灰質密度較大，優先沉淀聚集在礦物碎屑表面，濁沸石在后期富集，作為膠結物析出，可見明顯的示頂底結構［參見圖5（k）］。在偏光顯微鏡和掃描電鏡下觀察，可見濁沸石呈多期次性，因早期的濁沸石受酸性流體的溶蝕作用，后期孔隙水在溶蝕孔洞中富集，促成了第2 期沸石的形成［參見圖6（e）］。成巖縫中的濁沸石與孔隙中的濁沸石在正交偏光下的消光特征基本一致，應為同期濁沸石大晶體溶蝕再膠結而成［參見圖5（l）］。含孔隙水結晶成因沸石的巖心大多較為致密，不易松散。構造高部位的濁沸石多為早期蝕變成因，溶蝕孔發育，儲層質量較好。溶蝕形成的礦物離子隨孔隙水下滲，在構造低部位重結晶，導致相對深部的巖石膠結致密，儲層質量較差，從而導致該類濁沸石膠結段的含油性較差。

3.4 沸石分布特征

圖7 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組片沸石（a）和濁沸石（b）的平面分布特征Fig.7 Plane distribution characteristics of heulandite（a）and laumontite（b）of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

通過巖石薄片鑒定結果統計，瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組四段沸石在空間分布上具有以下特征：①扇三角洲平原亞相的礫巖儲層中，泥質組分為粒間主要填隙物，沸石族礦物含量較少（圖7）；②扇三角洲平原亞相前端的碎屑顆粒，受到水體不斷的淘洗，礫巖顆粒間發育少量孔隙，見大量的火山物質雜基沉淀，主要發育片沸石和少許的濁沸石；③扇三角洲前緣亞相的礫巖，由于原始物性較好，地層流體交換頻繁，有利于自生濁沸石的析出，濁沸石含量較高；④扇三角洲前緣亞相遠端的巖石，由于埋深較大，成巖作用強烈，主要為鈉長石發育區。

研究區片沸石主要見于瑪005 井、瑪002 井、瑪東2 井、瑪218 井和瑪217 井，其體積分數平均為0.5%～5.0%。由扇三角洲平原到前緣，濁沸石平均含量有依次增高的趨勢，主要發育于以下4 個區域：①瑪東斜坡夏鹽2 井和鹽001 井一帶，濁沸石體積分數為0.5%～6.0%；②瑪東斜坡區鹽北4 井、瑪217 井和瑪218 井一帶，體積分數為1.0%～7.0%；③瑪北斜坡區瑪003 井和瑪4 井一帶，濁沸石體積分數為0.5%～4.0%；④瑪北斜坡區瑪607 井一帶，濁沸石體積分數為0.5%～5.0%。

4 沸石族礦物的溶蝕作用

4.1 沸石族礦物的溶蝕差異性

瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組不同區域和不同深度儲層中，沸石礦物的溶蝕作用存在較大差異。夏鹽2 井4 717.76 m 巖心中，濁沸石發育較多的溶蝕孔隙，后期被瀝青質充填，而該井4 978.00 m 巖心中，孔隙水結晶成因的濁沸石大量發育，巖石膠結致密，溶蝕孔不發育。鹽北7 井3 881.39 m 巖心為含砂礫巖，濁沸石膠結物體積分數為14.0%，巖石有效孔隙度為10.90%；該井3 885.84 m 巖心為含砂礫巖，濁沸石膠結物體積分數為4.0%，片沸石體積分數為2.0%，巖石有效孔隙度為4.30%。

濁沸石相對片沸石更容易遭受后期的溶蝕作用，片沸石基本上不發生溶蝕。各類型沸石膠結物的分布直接控制著溶蝕孔隙的發育。因此，泥質和片沸石發育的扇三角洲平原亞相的巖石，其溶蝕程度明顯小于扇三角洲前緣內環帶濁沸石發育區的巖石。

4.2 溶蝕作用的主控因素

沉積相帶控制著沸石礦物的類型及分布，進而可能影響沸石礦物的溶蝕程度和儲層質量。除此之外，有機酸流體的長期和充分供給為沸石的溶蝕提供了有利條件［23-28］。結合研究區濁沸石油水包裹體測試結果、熒光薄片分析數據和原油物性分析，可以判斷研究區曾發生過2 期油氣充注。同一地區同一層系中不同期次的油氣充注的巖心，在熒光顯微鏡下呈現不同的顏色，早期充注的油氣，在熒光下發黃色光［參見圖6（h）］，晚期充注的油氣在熒光下發亮藍色光［圖6（i）］。鹽北1井二疊系下烏爾禾組4 029.00～4 052.00 m 原油密度為0.875 g/cm3，為成熟原油；瑪202 井二疊系下烏爾禾組3 778.00～3 802.00 m 原油密度為0.834 g/cm3，為高成熟原油。多期原油充注可為地層持續提供有機酸，并為儲層改造創造了良好條件。

淺層濁沸石膠結段位于烴源巖的上傾方向，低密度的有機酸向上運移可以導致淺層段濁沸石發生溶蝕作用，致使巖石疏松，而深層濁沸石膠結的巖石較為致密（圖8）。顯微鏡下可見上部火山物質蝕變普遍，濁沸石多以片狀集合體的形式產出，晶體之間存在較大縫隙，溶蝕現象普遍，孔隙較為發育，脫水干裂易散；下部濁沸石為后期孔隙水成因，晶體多呈大型板狀，溶蝕孔不發育，巖石較為致密。

圖8 瑪湖凹陷二疊系下烏爾禾組2 種成因濁沸石的膠結程度對比Fig.8 Comparison of cementation degree between two kinds of turbidites of Lower Urhe Formation of Permian in Mahu Depression

5 結論

（1）瑪湖地區二疊系下烏爾禾組發育5 種類型的沸石礦物，其中濁沸石和片沸石含量較多，常見濁沸石與片沸石共生，偶見少量的方沸石、輝沸石和斜發沸石。

（2）瑪湖地區二疊系下烏爾禾組沸石主要包括2 種成因類型：早成巖期以火山物質蝕變為主，該類沸石膠結的巖石多疏松易散；晚成巖期以孔隙水結晶為主，該類沸石膠結的巖石多致密。

（3）瑪湖地區二疊系下烏爾禾組沸石類型及含量受控于沉積相帶，沸石的溶蝕程度主要受控于有機酸的供給。扇三角洲前緣相帶，濁沸石較發育，扇三角洲平原相帶，片沸較發育；緊鄰深水烴源巖發育區的三角洲前緣相帶或裂縫發育帶附近的砂礫巖儲層中，濁沸石溶蝕程度高、儲層質量好。