从实例中(表 1)不难看出, 由方沸石胶结的成岩岩相(张璞瑚, 1985; 孙玉善, 1988; 张丽娟等, 2003; 韩守华等, 2007; 刘振宇等, 2008; 朱世发等, 2011), 除了克拉玛依五— 八区二叠系乌尔禾组是发育在洪积扇的砾岩和砂砾岩外, 其他地区基本上是发育在扇三角州和辫状河三角洲的前缘亚相砂体中(图 1)。胶结的岩性以较粗的砾状砂岩、中细砂岩为主, 其次为细粒砂岩和少量的粗粉砂岩。砂岩岩石类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩, 颗粒组分中的岩屑(包括砾岩中的砾石)多源于火山岩系, 以凝灰岩、酸性和基性火山岩岩屑为主。由此可见, 不同地区和不同层位的(含)方沸石胶结相在沉积相、物源和岩性特征上基本受控一个相同的地质作用, 其中相同的火山岩系物源, 是方沸石在这一沉积相带中生成的关键物质基础。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 中国西部地区方沸石胶结相沉积体系与物源特征 Table 1 Sedimentary system and provenance characteristics of analcite cementation facies in western China 地区 发育层位 沉积相带 主要岩性 岩石类型 主要岩屑组分 准噶尔盆地克拉玛依五— 八区 二叠系乌尔禾组 洪积扇 砾岩, 砂砾岩 火山质粗碎屑岩 火山岩 准噶尔盆地西北缘夏子街— 玛湖西斜坡 三叠系克拉玛依组 扇三角洲 扇三角洲前缘 细、中、粗砂岩, 砾砂岩 岩屑长石砂岩、岩屑砂岩 火山岩 准噶尔东部火烧山 二叠系平地泉组 扇三角洲前缘 细、中、粉砂岩, 砾砂岩, 砂砾岩 长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩 火山岩 塔里木盆地塔北羊塔— 英买力 白垩系巴什基奇克组、古近系库姆格列木群底砂岩段 扇三角洲前缘、辫状河三角洲前缘 细、中、中细砂岩, 粉砂岩, 砾状砂岩 长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩 火山岩

表1 中国西部地区方沸石胶结相沉积体系与物源特征 Table 1 Sedimentary system and provenance characteristics of analcite cementation facies in western China

图1

Fig.1

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	图1 羊塔— 英买力地区古近系沉积相与含方沸石胶结相分布(据张丽娟等, 2003, 修编)Fig.1 Distribution of the Paleogene sedimentary facies and analcite-bearing cementation facies in Yangta-Yingmaili area(modified from Zhang et al., 2003)

成岩早期与自生方沸石共生的矿物组合标志为方解石— 石膏和泥— 粉晶白云石— 菱铁矿2种组合(张璞瑚, 1985; 孙玉善, 1988; 张丽娟等, 2003; 韩守华等, 2007; 刘振宇等, 2008; 朱世发等, 2011), 该标志不同程度地反映出与干旱环境下的盐湖盆地沉积有一定的相关性, 成岩环境处于碱性水介质, 由图2足以证实, 成岩同生期和早成岩A期是方沸石及其组合矿物的析出期(国家经济贸易委员会, 2003), 在成岩岩石学特征上它们不论在结构还是在构造上, 均为第1期析出的自生矿物(胶结物)。其中方沸石常以自形粒状沿孔隙边缘连续或非连续分布(图 3-1), 亦呈连晶状全充填式分布(图 3-2), 具基底式胶结的颗粒多呈点状和漂浮状接触。同层中的泥— 粉晶白云石、菱铁矿常呈镶边状和顺层透镜状、团块状分布(图 3-3), 方解石和石膏与方沸石胶结形式一样, 受后期成岩作用的影响具重结晶和硬石膏化(图 3-4)。从胶结形式上不难看出, 早期浅埋藏碱性环境下的强胶结作用, 对碎屑骨架在成岩后期深埋下的抗压实起到了关键作用, 为后期以方沸石胶结物为主的溶蚀改造奠基了基础。

图2

Fig.2

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	图2 方沸石析出、溶蚀与碱性水介质(碱性水介质)碎屑岩成岩阶段关系Fig.2 Relationship between precipitation, dissolution of analcite and diagenesis stage of clastic rocks in alkaline water

图3

Fig.3

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	图3 方沸石胶结形式与共生矿物组合特征照片Fig.3 Photos showing cementation types and paragenetic-mineral associations of analcite

上述方沸石胶结相不论从沉积相带、物源组分还是成岩环境, 各区均有类似性, 由此表明碎屑岩方沸石胶结相的形成缺一不可, 其优势因素为:

1)扇(辫状)三角洲前缘, 成岩早期均处于浅埋藏环境, 流体压力和负载压力相等和接近于相等的机会也常发育在该相(韩守华等, 2007; 朱世发等, 2011), 此时在高渗透作用下, 水岩作用可以快速而源源不断地提供有利于胶结物析出的物质成分。

2)由于二叠纪火山岩的发育, 在其之后的陆相碎屑岩含有不同含量的火山碎屑物, 尤其是扇(辫状)三角洲前缘处于物源的中端, 碎屑岩的成分成熟度较低, 岩屑组分中大量的火山岩碎屑主要来自于凝灰岩、酸性和基性火山岩母岩区。当地层水介质达到一定的条件时, 就会从这些组分中溶解出大量的钠、铝、硅等离子, 并在适当的温度和压力下生成方沸石(戴长禄, 1982; 张璞瑚, 1985; 韩守华等, 2007; 朱世发等, 2011)。另据, 由于火山岩类型的不同, 方沸石生成的硅铝比也有所不同, 例如克拉玛依二叠系储集层中的方沸石由于岩屑组分以中— 基性火山岩为主, 形成的方沸石以低硅为主, 硅铝比值在2.2左右(孙玉善, 1993a), 而塔里木盆地羊塔— 英买力地区岩屑组分是以酸性流纹岩为主, 该区多为高硅方沸石, 硅铝比值在2.7左右(张丽娟等, 2003)。由此可见, 无论与基性火山岩还是酸性火山岩有关的方沸石, 与架状铝硅酸盐自生矿物相比, 其硅铝比质均属偏低范畴, 也就是说方沸石在早成岩阶段SiO₂活度较低的环境下就可生成。

3)沉积环境和早期成岩环境均处于碱性介质条件下, 畅通的水岩作用为火山岩等碎屑的溶解和方沸石、方解石、石膏等自生矿物的析出, 提供了充分的物质条件, 并能在浅埋藏未— 半压实前完成胶结作用。

方沸石具开放的架状结构, 密度为2.0~2.2 g/cm³, 由表2可以看出(中国地质科学院地质矿产所, 1977), 碎屑岩中常见的自生矿物无论是硅酸盐、氧化物、碳酸盐还是硫酸盐等, 以方沸石比重为最小。方沸石由于晶格空腔大可吸取和过滤大小不同的其他物质的分子, 工业上将这一特点称之为分子筛(北京大学地质学系岩矿教研室, 1979), 所以其易被溶蚀的优势大于其他常见的自生矿物; 其硬度为5.5, 在抗压实方面则大于碳酸盐和硫酸盐矿物, 同等条件下方沸石胶结相可提供的渗流作用大于碳酸盐和硫酸盐胶结相。显然对成岩中期有机酸的进入及优先溶蚀方沸石而形成优质储集层是十分有利的。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 碎屑岩常见自生矿物物理性质(据中国地质科学院地质矿产所, 1977) Table2 Physical properties of common authigenic minerals in clastic rocks (after Institute of Geology of Chinese Academy of Geological Sciences, 1977) 物理性质 方沸石 浊沸石 钠长石 石英 方解石 白云石 石膏 硬石膏 密度/g· cm-3 2.0~2.2 2.32 2.61~2.63 2.65 2.71 2.87 2.3~2.37 2.9~3.0 硬度 5.5 6 6~6.5 7 3 3.5~4 2 3~3.35

表2 碎屑岩常见自生矿物物理性质(据中国地质科学院地质矿产所, 1977) Table2 Physical properties of common authigenic minerals in clastic rocks (after Institute of Geology of Chinese Academy of Geological Sciences, 1977)

方沸石被溶蚀形成的次生储集体, 无论是产层还是非产层的岩样, 在荧光显微镜下均能观察到不同程度的荧光显示, 表明该类矿物的溶蚀机理与含有机质的酸类溶剂物有着比较密切的关系(孙玉善, 1993a)。有人指出导致碳酸盐特别是铝硅酸盐的溶解的是地下水中的羧酸, 有机酸(主要是二元羧酸)中的羧基与铝硅酸盐的Al³⁺相络合形成稳定的络合物, 从而使之溶解形成次生孔隙(Surdam et al., 1989)。但铝硅酸盐因矿物系列的不同溶蚀程度也具一定的差异, 例如火烧山油田薄片资料显示, 溶蚀孔发育最为显著的是碱性系列的铝硅酸盐矿物, 除方沸石易被溶蚀外, 碎屑组分中的钠长石、钾长石等溶蚀程度远远超过钙质系列的铝硅酸盐矿物(孙玉善, 1993a)。又如Thomas等(1986)也曾指出在有机酸的作用下, 碱性的钾长石、钠长石比非碱性的斜长石易发生溶解, 而Ca²⁺含量高的(钙长石分子含量大于32%)长石则不易发生溶解。由此可见铝硅酸盐尤其是碱性系列的铝硅酸盐, 最适宜于有机酸的溶蚀, 换言之在方沸石胶结相的横向或纵向上只要有烃源岩的存在, 当进入有机质成熟的成岩阶段时, 就能形成一套有机— 无机反应最佳的成岩体系, 即与方沸石有关的次生优质储集层的形成机理。

前已述及, 方沸石胶结相的溶蚀与有机酸的关系极为密切, 并受控于时间和空间的配置关系, 从实例中可看出:时间上所获得产能的储集层, 其成藏成岩阶段主要处于中成岩A阶段, 据成岩阶段划分标志不完全统计, 火烧山二叠系平地泉组镜质体反射率数据多集中在0.66%~1.08%, 准噶尔西北缘夏子街地区三叠系百口泉组和克拉玛依组镜质体反射率数据集中在0.5%~1.15%, 克拉玛依地区乌尔禾组镜质体反射率数据多集中在0.55%~1.2%, 塔里木盆地羊塔— 英买力地区, 白垩系巴什基奇克组和古近系库姆格列木群底砂砾岩段中, 石英碎屑愈合缝及其晚期方解石捕获的盐水包裹体均一化温度变化在97~147 ℃之间(孙玉善, 1988; 张丽娟等, 2003; 韩守华等, 2007; 刘振宇等, 2008; 甘贵元等, 2009; 朱世发等, 2011), 各区析出的自生矿物均为含铁和不含铁的亮晶方解石及亮晶白云石, 石英自生加大Ⅰ 至Ⅱ 级。此阶段正是有机质的成熟阶段, 也是大量次生孔隙的发育阶段(图 2); 空间上烃源岩的发育与展布依次为同层二叠系平地泉组、同层和非同层二叠系风城组、非同层侏罗系中统恰克马克组。从侧向、侧向— 垂向上它们与近邻的三角洲前缘方沸石胶结相, 构成了一个较为完整的有机— 无机反应的成岩体系, 时间和空间的配置使方沸石胶结相的溶蚀和油气的聚集显得十分吻合。

1)克拉玛依油田五— 八区乌尔禾组中段发育有方沸石、钠沸石(?)、片沸石, 方沸石— 片沸石和方沸石— 钠沸石(?)— 片沸石胶结相区, 其中方沸石和钠沸石(?)胶结相区均获得产能(张璞瑚, 1985), 尤其是检乌1、检乌3井方沸石胶结相区, 平均油层厚度346.0 m, 面积约60 km²(检乌3井油层厚度可达423.0 m), 而方沸石— 钠沸石(?)— 片沸石胶结相区相对较差, 片沸石胶结相区更差(图 4)。这一特征充分证实了方沸石和含方沸石组合的胶结相区, 能获得产能是由于方沸石被溶蚀的结果。据镜下统计, 方沸石和含方沸石组合的胶结相区, 粒间溶蚀剩余方沸石含量加之溶蚀掉的次生空间可达10%~20%, 次生溶蚀作用致使孔隙度增加了5%~12%, 是当年获得工业油流的主要因素之一。

图4

Fig.4

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	图4 克拉玛依五— 八区二叠系乌尔禾组中段自生沸石分布(据张璞瑚, 1985, 修编)Fig.4 Distribution of authigenic zeolites at the Middle Member of Permian Wuerhe Formation in Wuyiba area, Karamay(modified from Zhang, 1985)

2)准噶尔东部火烧山油田二叠系平地泉组(孙玉善, 1988), 也是早期方沸石胶结后期被溶的整装油田, 该油田处于一个较为完整的背斜构造带内, 平地泉组由上至下分为4段, 油气显示分布在平二段至平四段。受构造圈闭、埋藏和有机质演化作用(成岩阶段)的控制, 溶蚀强度由下至上逐渐减弱, 形成了方沸石全溶蚀带、方沸石半溶蚀带和方沸石未溶蚀3个带(图 5)。据镜下残余方沸石和方沸石溶蚀后的面孔率统计, 其含量平均为13%, 最高达25%; 方沸石全溶蚀带的孔隙度为14.5%~21.30%, 其中方沸石被溶的次生面孔率可占总面孔率的60%~70%。自1983年发现以来至今仍然开采, 原油月产量近万吨。

图5

Fig.5

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	图5 火烧山油田平地泉组自生方沸石纵向溶蚀与物性特征图(据孙玉善, 1988, 修编)Fig.5 Vertical dissolution and physical properties of authigenic analcite at the Pingdiquan Formation in Huoshaoshan Oilfield(modified from Sun, 1988)

3)塔里木盆地羊塔— 英买力地区, 白垩系巴什基奇克组和古近系库姆格列木群底砂砾岩段埋深在4500~5400 m之间, 储集层自生矿物较为复杂, 分别由方沸石、方解石、石膏和白云石形成了多种组合式胶结和单一胶结的成岩相带, 其中在含有方沸石组合的相带中, 溶蚀作用十分发育(图 1, 图6), 纵向上方沸石溶蚀残余含量由上至下呈减少趋势, 最高值由12%降至4.5%。从物性参数也可以看出, 白垩系巴什基奇克组的储集性能较上覆的古近系库姆格列木群底砂砾岩段好, 如白垩系巴什基奇克组9口井的孔隙度发育在11.07%~21.00%之间, 平均为18.0%, 渗透率发育在8.18× 10^-3~679.06× 10^-3μ m²之间, 平均为353.26× 10^-3μ m²; 古近系库姆格列木群底砂砾岩段8口井的孔隙度发育在12.28%~20.26%之间, 平均为16.38%, 渗透率平均发育在130.59× 10^-3~358.94× 10^-3μ m²之间, 平均为198.01× 10^-3μ m。2目前该地区油、气日产量约1113 t和654.16× 10⁴ m³。

图6

Fig.6

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	图6 方沸石溶蚀后次生孔隙发育特征Fig.6 Development characteristics of secondary pores from dissolved analcites

实例中不论在纵向或在横向上, 方沸石溶蚀孔的发育都具一定的分带性, 显然与方沸石的含量和溶蚀作用有关, 前者表现在横向上受沉积相带和物源的控制, 而后者则表现在纵向上受埋深成岩作用(有机质热演化作用)的控制。据方沸石含量与其物性参数分析, 方沸石的溶蚀对次生孔隙度的贡献率变化在50%~75%之间, 充分表明方沸石胶结相不仅次生孔隙发育几率占绝对优势, 而且还能形成良好的油气集聚带。

综上所述, 从成岩早期方沸石胶结作用到成岩中期的方沸石溶蚀, 乃至油气充注成藏, 均受相同地质条件的制约, 总结和探索这些地质条件的规律性便能准确进行预测。比如扇(辫状河)三角洲前缘、碱性成岩环境和火山岩物源, 是形成方沸石胶结相的3个先决条件; 邻近烃源岩的发育与否是方沸石胶结相次生优质储集层发育和油气充注的基础条件; 输导体系和圈闭的发育则是成藏的关键条件。其要素的掌握对含油气次生储集体预测, 便是一套简便实用的方法。例如上世纪90年代初, 笔者就方沸石溶蚀机理而形成含油气储集体进行过预测, 在当年勘探区域范围内认为“ 克拉玛依百口泉至乌尔禾区间, 二叠系方沸石分布较广, 含量有所增高, 与风城地区二叠系底部(风城组)厚层生油岩又相距不远, 已具备了有机— 无机反应的成岩体系基础条件, 因此在这一地区寻找以溶蚀方沸石为主要储集层的油气藏应予特别重视” (孙玉善, 1993b)。随着勘探领域向北东方向的转移, 韩守华等(2007)发现并认为, 乌尔禾地区北东相邻的夏子街和玛北地区三叠系百口泉组及克拉玛依下亚组, 就发育以溶蚀方沸石为主的次生含油气储集体(图 7)。该储集体因受沉积环境和火山岩物源的影响, 方沸石含量和被溶蚀度在平面上具有差异性, 依据溶蚀孔隙度大小划分出方沸石溶孔发育带、方沸石溶孔较发育带和方沸石溶孔不发育3个带。该区域当年获得探明储量近3000× 10⁴ t。

图7

Fig.7

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	图7 夏子街— 玛北地区方沸石溶孔发育分布(据韩守华等, 2007, 修编)Fig.7 Development and distribution of analcite cementation dissolution pores in Xiazijie-Mabei area(modified from Han et al., 2007)