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摘 要： 摘要:通過薄片觀察、掃描電鏡、電子探針、X衍射等微觀分析手段，對(duì)鄂爾多斯盆地東南緣延長(zhǎng)組發(fā)育的濁沸石膠結(jié)物進(jìn)行研究。研究表明，區(qū)內(nèi)發(fā)育了受控于東北及南部物源兩個(gè)方向的沉積體系，濁沸石分布在這兩個(gè)沉積體系的延長(zhǎng)組下組合中的長(zhǎng)10，長(zhǎng)9油層組中，僅
摘要:通過薄片觀察、掃描電鏡、電子探針、X衍射等微觀分析手段，對(duì)鄂爾多斯盆地東南緣延長(zhǎng)組發(fā)育的濁沸石膠結(jié)物進(jìn)行研究。研究表明，區(qū)內(nèi)發(fā)育了受控于東北及南部物源兩個(gè)方向的沉積體系，濁沸石分布在這兩個(gè)沉積體系的延長(zhǎng)組下組合中的長(zhǎng)10，長(zhǎng)9油層組中，僅在東北沉積體系淺層長(zhǎng)3油層組出現(xiàn)了濁沸石膠結(jié)物。結(jié)合含濁沸石砂巖的巖石學(xué)特征及自生膠結(jié)物的賦存狀態(tài)與其他自生礦物及骨架顆粒之間相互關(guān)系，認(rèn)為研究區(qū)延長(zhǎng)組濁沸石的形成受控于物源區(qū)母巖的特征及成巖流體的演化特征，以此建立濁沸石的成巖模式，明確研究區(qū)濁沸石的成因，進(jìn)一步分析了濁沸石膠結(jié)物對(duì)延長(zhǎng)組儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的雙重影響(即早期堵塞孔隙、晚期因溶蝕而改善儲(chǔ)層)，為延長(zhǎng)組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:鄂爾多斯盆地東南緣;延長(zhǎng)組;濁沸石;成巖模式;優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層
濁沸石(CaAl2SiO12·4H2O)是沸石族礦物中的一種重要類型，同時(shí)也是很多含油氣盆地儲(chǔ)層中較為重要的膠結(jié)物類型。鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組砂巖儲(chǔ)層中的濁沸石膠結(jié)物常以連晶式孔隙充填及不規(guī)則交代斜長(zhǎng)石的特征出現(xiàn)[1-11]。濁沸石是架狀含水的硅鋁酸鹽礦物，其成分和晶體結(jié)構(gòu)與斜長(zhǎng)石非常相似，它的形成與物質(zhì)來源、成巖流體演化、滲透條件以及水巖相互作用有著密切的關(guān)系[6]。因此，濁沸石具有形成環(huán)境不同、分布廣、成因復(fù)雜的特點(diǎn)。前人對(duì)此做了大量的工作[12-16]，例如對(duì)濁沸石的形成溫度和產(chǎn)出狀態(tài)[8，17-18]，濁沸石膠結(jié)物的溶蝕現(xiàn)象對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響的研究[19]等。然而，受研究手段及樣品質(zhì)量的限制，儲(chǔ)層中濁沸石膠結(jié)物的形成時(shí)間、溫度及其成巖流體特征等重要地質(zhì)信息并不能準(zhǔn)確獲取。隨著對(duì)儲(chǔ)層成巖現(xiàn)象的深入研究，在碎屑巖成巖演化過程中，濁沸石的沉淀、膠結(jié)和溶蝕對(duì)油氣儲(chǔ)層儲(chǔ)集物性具有不同程度的破壞和改善作用，因此，搞清其成因機(jī)理成為含濁沸石儲(chǔ)層的研究重點(diǎn)。本文以鄂爾多斯盆地東南緣延長(zhǎng)組含濁沸石砂巖儲(chǔ)層為研究對(duì)象，通過從本區(qū)延長(zhǎng)組濁沸石的物質(zhì)來源、沉淀溫度、時(shí)間等條件出發(fā)，結(jié)合其成巖流體的演化特征及水巖作用模式來明確濁沸石的成因機(jī)制及其在成巖過程中的變化對(duì)儲(chǔ)層性能的影響。
1區(qū)域地質(zhì)背景及濁沸石膠結(jié)物的分布
研究范圍位于陜北斜坡(南部)與渭北隆起帶的過渡帶(見圖1)。晚三疊世延長(zhǎng)期，鄂爾多斯地區(qū)為大型的內(nèi)陸湖盆，厚達(dá)400～1400m的延長(zhǎng)組是鄂爾多斯盆地南部重要的含油氣層系，整體表現(xiàn)出西薄東厚、北薄南厚的沉積特點(diǎn)[20]。研究區(qū)延長(zhǎng)組受北東向(來自陰山古陸富含長(zhǎng)石和黑云母的一套孔慈巖系)及南部物源(來自北秦嶺造山帶由黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、石英巖、中酸性火山巖和大理巖組成的物源)的影響，發(fā)育了來自不同方向的砂體。盆地東南緣范圍內(nèi)的湖盆發(fā)育有三角洲及深湖濁積巖砂體，這些砂巖儲(chǔ)集體以長(zhǎng)石砂巖及巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，具有展布面積廣、沉積厚度大、儲(chǔ)集物性差等特征。
通過對(duì)鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組儲(chǔ)層研究成果的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，濁沸石平面上主要分布在盆地中南部靖安、子長(zhǎng)、姬塬、安塞、坪北、嶗山、七里村、華慶、隴東、富縣、正寧東等地(見圖1);縱向上，長(zhǎng)2，長(zhǎng)3，長(zhǎng)4+5，長(zhǎng)6及長(zhǎng)7油層組中均見濁沸石，但從含量上來看，其主要分布在長(zhǎng)3，長(zhǎng)6油層組中[1，5-7，21-23]。研究區(qū)延長(zhǎng)組自下而上的5段(T3y1～T3y5)共10個(gè)油層組(長(zhǎng)1～長(zhǎng)10)中有長(zhǎng)3，長(zhǎng)9，長(zhǎng)10油層組中發(fā)育有濁沸石膠結(jié)物，平面上濁沸石膠結(jié)物較多地分布在受東北方向物源控制的富縣—黃陵三角洲砂體中(見圖1)。因此，濁沸石分布表現(xiàn)為縱向上的分布不連續(xù)及平面上的分帶性。
2濁沸石膠結(jié)物賦存狀態(tài)及形成條件
2.1賦存狀態(tài)
在盆地內(nèi)部，含濁沸石的砂巖中，濁沸石的膠結(jié)在垂向上是不連續(xù)的，有些鉆井剖面，延長(zhǎng)組砂巖中含濁沸石砂巖與不含濁沸石的砂巖呈互層狀分布。鏡下觀察，濁沸石以膠結(jié)物的形式產(chǎn)出，呈斑狀、板狀、柱狀、大片連晶狀充填于粒度較粗、分選性較好和雜基含量少的砂巖中;濁沸石表面解理發(fā)育，且見沿解理縫形成的大量次生溶蝕孔;在一些粒度相對(duì)偏粗，剩余粒間孔孔徑較大的砂巖中，自生濁沸石的板狀晶形都清晰可見。由于受其晶體生長(zhǎng)習(xí)性的影響，一些粒間孔可能部分被孔隙充填式的濁沸石充填，而部分則未被充填成為剩余粒間孔(見圖2A～F)，有少量以交代長(zhǎng)石或火山碎屑的形式出現(xiàn)(見圖G)。不同地區(qū)及不同層位濁沸石膠結(jié)物的含量變化較大(見表1)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地東南緣濁沸石膠結(jié)物主要分布在受東北物源控制的長(zhǎng)3，長(zhǎng)9及長(zhǎng)10油層組中，其中以長(zhǎng)3油層組中濁沸石含量最高(最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)15.8%)，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.35%，且濁沸石膠結(jié)物的含量具有自北東(6.9%)向南西(0.51%)逐漸減少的趨勢(shì);受南部物源控制的地區(qū)僅在長(zhǎng)10油層組中發(fā)育濁沸石膠結(jié)物，其含量明顯較其他地區(qū)、其他油層組的含量高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了3.67%;受混源影響的地區(qū)僅在長(zhǎng)9油層組中發(fā)育濁沸石膠結(jié)物，其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.53%。
電子探針數(shù)據(jù)表明(見表2)，濁沸石的化學(xué)成分在研究區(qū)的不同地方比較一致，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在50%以上，AL2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在21%左右，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11%左右，與濁沸石中各元素的理論值較接近。數(shù)據(jù)也表明，濁沸石中，Na2O與CaO之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.5923)，濁沸石中K2O與CaO之間幾乎無任何相關(guān)關(guān)系。
2.2形成條件
1)關(guān)于濁沸石的形成，從早期的變質(zhì)相礦物到自生鋁硅酸鹽礦物理論的提升，加上沸石形成條件的熱力學(xué)闡釋以及沸石演化序列的認(rèn)識(shí)，學(xué)者對(duì)于濁沸石的成因從多個(gè)角度進(jìn)行了闡釋。然而，因濁沸石所處區(qū)域的地質(zhì)背景不同使得濁沸石的成因模式有所差異。目前，濁沸石的成因可以概括為4種:方解石與石英反應(yīng)生成濁沸石[21-22]、火山物質(zhì)(中基性火山巖巖屑及凝灰?guī)r巖屑)水化、斜長(zhǎng)石蝕變[1，5，23-24]、方沸石與片沸石轉(zhuǎn)化生成濁沸石[11]。結(jié)合黃思靜等學(xué)者[18，25]對(duì)濁沸石形成的熱力學(xué)溫度計(jì)算的結(jié)果，分析上述成因后發(fā)現(xiàn)，巖石中原始物質(zhì)的組成、地層中孔隙水的組分、物理(溫壓)及其化學(xué)性質(zhì)等因素控制了自生濁沸石的形成。概括來說，濁沸石的形成有以下3種情況:第一，含有較多火山玻璃、火山碎屑即富鈣的沉積物提供濁沸石所需的物質(zhì)來源;第二，具有強(qiáng)堿性的流體介質(zhì)環(huán)境(pH值在9.5～12.0。研究認(rèn)為，一些黏土礦物在pH值小于9.5的流體介質(zhì)環(huán)境中易于形成，而當(dāng)流體介質(zhì)環(huán)境pH值大于12時(shí)則易于沉淀鈉長(zhǎng)石[26]);第三，若成巖環(huán)境為堿性，則碳酸鹽更易形成。當(dāng)成巖環(huán)境中CO2分壓持續(xù)保持較低的條件下，才利于濁沸石的形成，否則只會(huì)沉淀碳酸鹽膠結(jié)物[27];第四，濁沸石不易形成于超高壓的成巖環(huán)境，因此相對(duì)較開放的成巖環(huán)境下可以形成較為平衡的壓力體系，并帶來豐富的物質(zhì)來源，使得成巖環(huán)境較易形成濁沸石。另外，濁沸石是不穩(wěn)定的易溶礦物，當(dāng)孔隙水的化學(xué)性質(zhì)由堿性向酸性轉(zhuǎn)化時(shí)，濁沸石受到不同程度的溶蝕，因此，濁沸石的易形成于有機(jī)質(zhì)成熟之前[22]。
3濁沸石膠結(jié)物與其他礦物的伴生關(guān)系
3.1與綠泥石的關(guān)系
由薄片鑒定及掃描電鏡(見圖2，表1)可以看出，研究區(qū)延長(zhǎng)組中含濁沸石的砂巖中綠泥石膜都非常發(fā)育，鏡下照片中多見濁沸石與薄膜狀的綠泥石共存;由接觸關(guān)系可以看出，濁沸石的形成略晚于綠泥石薄膜的形成，表現(xiàn)為自生濁沸石呈細(xì)晶狀充填生長(zhǎng)于剩余粒間孔中(見圖2H～J)、出現(xiàn)濁沸石充填的孔隙中，測(cè)得呈櫛殼狀生長(zhǎng)在顆粒表面的綠泥石膜厚度約為6μm，未被濁沸石充填的剩余粒間孔其孔壁的綠泥石膜厚度達(dá)20μm(見圖2J)。顯微鏡下普遍表現(xiàn)出綠泥石膜的厚度與濁沸石的沉淀呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，因此，可根據(jù)含濁沸石砂巖中綠泥石膜厚度的變化來區(qū)分剩余粒間孔和由濁沸石完全溶蝕所形成的粒間次生溶孔。前人研究[26-27]認(rèn)為，綠泥石的大量形成與北東方向物源富含鐵、鎂的硅酸鹽礦物有關(guān)(即源自盆地北部陰山造山帶的自大青山及附近的太古代及早元代變質(zhì)巖及火成巖碎屑)。綠泥石屬于富鐵(鎂)的層狀硅酸鹽礦物，常形成于富含二價(jià)鐵且pH值在7～9的堿性還原環(huán)境下。出現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)成熟之前的孔隙襯里的綠泥石和濁沸石的形成條件有很多相似之處，兩者的形成都與火山物質(zhì)來源有關(guān)，且成巖環(huán)境背景是一個(gè)相對(duì)低壓的、開放的堿性成巖環(huán)境，但濁沸石的形成條件較孔隙襯里綠泥石更為苛刻(如濁沸石易形成于pH值在9.5～12的堿性成巖環(huán)境中，而綠泥石形成于pH值低于9的堿性成巖環(huán)境中)，因此鏡下觀察到孔隙襯里綠泥石出現(xiàn)的地方不一定發(fā)育濁沸石，但濁沸石發(fā)育的地方一般都可見綠泥石發(fā)育。
隨著有機(jī)質(zhì)的成熟，有機(jī)酸大量產(chǎn)生，CO2分壓逐漸增大，pH值將會(huì)下降，成巖環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樗嵝原h(huán)境，出現(xiàn)濁沸石的溶蝕或者被碳酸鹽交代的成巖現(xiàn)象。濁沸石對(duì)pH值的降低比綠泥石敏感，因此，鏡下常見到與溶蝕濁沸石伴生的綠泥石一般沒有明顯變化(見圖2K～M)。
3.2與碳酸鹽膠結(jié)物的關(guān)系
鄂爾多斯盆地東南部延長(zhǎng)組儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物以方解石及鐵方解石為主，幾乎不含白云石。大量的薄片觀察發(fā)現(xiàn)，在含濁沸石砂巖的層段，濁沸石與方解石這種碳酸鹽膠結(jié)物常共生(見圖2N，O)，即便濁沸石含量不高，也可見濁沸石與方解石“穿插”生長(zhǎng);這種“伴生”現(xiàn)象的出現(xiàn)與兩者的生成條件非常相似有關(guān):這兩種礦物沉淀時(shí)會(huì)對(duì)Ca2+進(jìn)行爭(zhēng)奪，另外形成均受成巖系統(tǒng)中的Pco2控制。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)(見表1)，研究區(qū)延長(zhǎng)組中含濁沸石砂巖中，濁沸石膠結(jié)物含量與碳酸鹽膠結(jié)物含量有明顯的“此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。碳酸鹽膠結(jié)物在成巖早期和中后期都可以形成。成巖早期，與方解石相比，濁沸石具有更高的標(biāo)準(zhǔn)摩爾自由吉布斯能[28]，因此，此階段Ca2+更易參與到濁沸石的形成中來。成巖過程中，隨著斜長(zhǎng)石向鈉長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化以及有機(jī)質(zhì)中大量的脂肪酸和脂類在分解時(shí)釋放出的大量CO2，使得成巖環(huán)境中CO2分壓增加。通過前人對(duì)方解石和濁沸石溶解的熱力學(xué)計(jì)算表明，濁沸石溶解平衡所需的CO2分壓要遠(yuǎn)大于方解石溶解平衡時(shí)所需要的CO2分壓，且在濁沸石發(fā)生溶解的過程中也可沉淀方解石:CaAl2Si4O12·4H2O+CO2(g)=CaCO3+Al2Si2O5(OH)4+2SiO2+2H2O(當(dāng)平衡常數(shù)>1時(shí)，反應(yīng)向右進(jìn)行，沉淀方解石)。可見，伴隨著CO2分壓的增加(即隨著成巖作用的進(jìn)行)，會(huì)出現(xiàn)濁沸石與方解石共生、濁沸石溶解方解石沉淀及方解石溶解的3個(gè)階段的成巖現(xiàn)象，這樣的理論解釋了鏡下出現(xiàn)的方解石沉淀濁沸石溶解(甚至未見)的成巖現(xiàn)象。
4濁沸石成巖模式探討
有關(guān)濁沸石成因的研究在文獻(xiàn)報(bào)道中多有提及[21-23，27，29-31]。在中國(guó)，其成因基本圍繞著方解石火山物質(zhì)水化、斜長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石化、方解石與高嶺石反應(yīng)以及片沸石的脫水反應(yīng)這4種成因來進(jìn)行研究的。在研究區(qū)，來自砂巖的巖石學(xué)、礦物學(xué)等證據(jù)以及對(duì)本區(qū)濁沸石膠結(jié)物分布特征的研究，認(rèn)為鄂爾多斯盆地東南緣濁沸石的成因表現(xiàn)為多來源特征，這種多元成因可以用下面的成因模式來詮釋(見圖3):晚三疊世早期，華北陸臺(tái)解體，鄂爾多斯盆地進(jìn)入了臺(tái)內(nèi)拗陷階段，形成了閉塞、半閉塞的內(nèi)陸湖盆，整個(gè)延長(zhǎng)組(長(zhǎng)10～長(zhǎng)1)，整個(gè)湖盆經(jīng)歷了發(fā)生、發(fā)展到消亡的過程。在盆地東南緣分別發(fā)育了受北部陰山古陸物源控制的東北沉積體系與受南部北秦嶺物源控制的西南湖泊三角洲沉積體系，自生濁沸石在延長(zhǎng)組中的分布可以概括為，平面上的分布受物源控制，成巖流體演化決定濁沸石膠結(jié)物在縱向上的分布。鄂爾多斯盆地東南緣延長(zhǎng)組濁沸石的形成受到多種因素的影響，受成巖環(huán)境的變化(例如溫度、壓力、成巖流體pH值等)，許多因素在濁沸石形成的過程中都很難保持穩(wěn)定，這對(duì)于研究自生濁沸石膠結(jié)物是難點(diǎn)。本文認(rèn)為，研究區(qū)延長(zhǎng)組中自生濁沸石的形成是一個(gè)長(zhǎng)期且不連續(xù)的過程。
1)東北沉積體系中，自生濁沸石膠結(jié)物縱向上不均勻的分布在長(zhǎng)10，長(zhǎng)9及長(zhǎng)3油層組三角洲前緣砂體上。平面上，濁沸石分布的優(yōu)勢(shì)區(qū)位于垂向上互相疊置的水下分流河道主體中，這種類型的砂體原生孔隙保存多，孔隙連通性好，介質(zhì)流體易于流動(dòng)，因此易于形成濁沸石。綜合所述，東北沉積體系濁沸石的形成有兩種模式:①為上述地層中長(zhǎng)10，長(zhǎng)9，長(zhǎng)3提供物源的是來自盆地北部的陰山古陸，母巖由烏拉爾山群變基性火山巖、鉀長(zhǎng)糜棱巖、花崗閃長(zhǎng)巖及片麻狀花崗巖組成[32]，貢獻(xiàn)了大量的鈣堿性火山物質(zhì)，富含長(zhǎng)石和黑云母。豐富的火成巖和變質(zhì)巖碎屑在水下分流河道等環(huán)境中沉積并發(fā)生水化作用，在蝕變成蒙脫石、伊利石、綠泥石等礦物時(shí)釋放出Ca2+，F(xiàn)e2+，Mg2+等，為早成巖晚期期濁沸石膠結(jié)提供了豐富的鈣質(zhì)、高pH值和SiO2高度化學(xué)活動(dòng)性流體環(huán)境，這個(gè)階段形成的濁沸石成板柱狀充填在粒間孔隙中，常與成巖早期形成的方解石伴。②長(zhǎng)3油層組等淺部層位，火山碎屑含量較深部層位少(變質(zhì)巖巖屑含量較高)，又缺乏凝灰質(zhì)，因此火山物質(zhì)水化對(duì)濁沸石的沉淀貢獻(xiàn)有限。另一方面，長(zhǎng)3油層組的長(zhǎng)石砂巖中富含斜長(zhǎng)石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為42.5%)，鏡下見濁沸石交代長(zhǎng)石的現(xiàn)象，且來自本區(qū)電子探針分析結(jié)果的證據(jù)顯示，研究區(qū)長(zhǎng)3油層組含濁沸石砂巖中的長(zhǎng)石碎屑以鈉長(zhǎng)石為主[27，31]。這些現(xiàn)象表明，成巖流體曾經(jīng)出現(xiàn)過富含Na+的堿性成巖環(huán)境，來自火山物質(zhì)中具有環(huán)帶構(gòu)造的富鈣斜長(zhǎng)石在這種環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)蝕變:蝕變的過程中，位于環(huán)帶狀中心的Ca2+會(huì)被選擇性的交代，環(huán)帶邊部的Na+會(huì)在水解作用下溶于水被帶走，堿性成巖環(huán)境中Ca2+比Na+容易先沉淀形成濁沸石，而Na+會(huì)進(jìn)入斜長(zhǎng)石的晶格中形成鈉長(zhǎng)石:
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