王曉潔，張世奇，魏孟吉，慕小水，徐田武

（1.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東 青島266580；2.中國石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽457001）

1 區(qū)域概況

東濮凹陷處于渤海灣盆地臨清坳陷內(nèi)，文留地區(qū)位于東濮凹陷北部，在濮城、衛(wèi)城油田以南，橋口油田以北，東接前梨園洼陷，西鄰胡狀集油田。文東地區(qū)位于文留地區(qū)東部，構(gòu)造延伸方向為北北東，呈北窄南寬的狹長狀（見圖1）。

黃鐵礦為文東地區(qū)沙三段儲層中常見的重礦物之一，然而，前人對東濮凹陷的研究涉及黃鐵礦方面的較少。研究儲層中黃鐵礦的發(fā)育特征和形成過程，對于了解沉積物的形成環(huán)境和成巖作用過程具有理論和實際雙重意義。

2 黃鐵礦分類及特征

黃鐵礦作為儲層中廣泛分布的礦物，按形成時間不同劃分為早期和晚期2 種類型。

圖1 東濮凹陷文東地區(qū)區(qū)域位置

早期黃鐵礦通常形成于沉積同生期和淺埋藏的早成巖階段。在H2S 含量較高的閉塞水體環(huán)境中，黃鐵礦可以在沉積物沉積的同時形成［1-3］；而在一般情況下，淺層壓實、膠結(jié)作用均不強烈，砂巖孔隙度較大且連通性較好，黃鐵礦形成于淺層缺氧的硫酸鹽還原帶中，根據(jù)孔隙的形態(tài)和大小形成各種不規(guī)則形狀的集合體，或隨孔隙水向某部位聚集形成結(jié)核狀［4-6］。若黃鐵礦非常富集，可在巖心中肉眼觀察到其發(fā)育形態(tài)，一般呈金黃色零散分布（見圖2a）。多數(shù)情況下，研究區(qū)沙三段儲層中的黃鐵礦只能通過鑄體薄片進行觀察。薄片中出現(xiàn)的大量粒度較大、不規(guī)則或塊狀的黃鐵礦，正是該階段的產(chǎn)物（見圖2b—2e）。另外，掃描電鏡下的早期黃鐵礦多呈莓狀體結(jié)構(gòu)，這是由許多等軸結(jié)構(gòu)的微晶緊密堆積組成的高度規(guī)則的三維球狀結(jié)構(gòu)，莓狀體形態(tài)一般被認為是早期黃鐵礦的特有結(jié)構(gòu)特征［7-9］。

晚期黃鐵礦一般形成于烴類活動之時［10-12］，中成巖期之后的深埋藏階段，與有機質(zhì)熱演化和硫酸鹽熱還原反應（TSR）有關(guān)。此時儲層經(jīng)歷了壓實、壓溶和膠結(jié)作用，孔隙較小。由于儲層所?？臻g和反應物供應的限制，晚期黃鐵礦個體較小，粒狀散布于砂巖儲層孔縫中，或交代礦物邊緣出現(xiàn)［6，13］。在研究區(qū)沙三段儲層的鑄體薄片中觀察到的黃鐵礦多呈星散分布的球粒狀，有時球粒成串出現(xiàn)，也有充填孔隙并交代礦物邊緣的情況出現(xiàn)（圖2f—2i）。

3 黃鐵礦形成條件與影響因素

3.1 形成條件

3.1.1 早期黃鐵礦

早期黃鐵礦是在淺層硫酸鹽還原帶中發(fā)生硫酸鹽還原反應（BSR）的產(chǎn)物之一。Berner 1972年將早期黃鐵礦的形成過程劃分為3 個階段［14］。第1 階段，溶液中硫酸根被細菌還原成硫化物（H2S 或HS-），同時有機質(zhì)被細菌氧化；第2 階段，硫化物與Fe2+反應，這一階段反應生成FeS 沉淀；第3 階段是FeS 向黃鐵礦的轉(zhuǎn)化［15］。總反應式可以表示為

前人研究得出，BSR 反應通常發(fā)生在低溫缺氧環(huán)境中。1995年，Hans 提出BSR 的反應環(huán)境是溫度為0～60 ℃，Ro為0.2%～0.3%，正常地溫梯度下深度為2 000～2 500 m［16］。1991年，Schoonen 和Barnes 通過實驗證實，在酸性和堿性環(huán)境下，F(xiàn)eS 會通過不同的途徑反應，但最終均生成黃鐵礦［17］。

研究區(qū)沙三段儲層流體pH 值為6～8，是黃鐵礦形成的正常范圍。陳昊等2006年在層序地層學原理的基礎上，分析文東地區(qū)沙三段的沉積相類型認為，這段地層沉積時，深水與淺水環(huán)境交替出現(xiàn)［18］。深水環(huán)境下，沉積物處于還原環(huán)境，更有利于早期黃鐵礦的形成。

3.1.2 晚期黃鐵礦

沉積物埋藏到一定深度后，溫度升高，有機質(zhì)進入儲層，TSR 反應開始發(fā)生。有機質(zhì)作為還原劑與儲層中的其他物質(zhì)發(fā)生反應，將硫酸鹽礦物（如硬石膏）中的SO42-還原為S2-，將Fe3+還原為Fe2+，共同反應生成黃鐵礦［19-21］。反應式可以表示為

TSR 反應環(huán)境為高溫，一般認為反應發(fā)生在溫度為100～200 ℃，Ro為1.0%～1.4%的條件下［22-23］。研究區(qū)沙三段晚期黃鐵礦發(fā)育深度主要在3 100～4 900 m 范圍內(nèi)，在正常地溫梯度下，黃鐵礦出現(xiàn)的溫度在120 ℃以上。結(jié)合研究區(qū)埋藏史的研究結(jié)果，東濮凹陷北部地區(qū)埋深2 500 m 左右普遍到達生烴門限，3 000 m 左右時有機質(zhì)進入成熟階段［24］；因此，3 000 m 以下的儲層中已經(jīng)有烴類充入，且溫度和成熟度都達到TSR 反應所需要的條件，滿足晚期黃鐵礦生成條件。

圖2 東濮凹陷文東地區(qū)沙三段儲層黃鐵礦發(fā)育特征

3.2 影響因素

東濮凹陷北部地區(qū)，除了有原始沉積物為黃鐵礦的形成提供Fe3+等物質(zhì)基礎外，還有以下影響因素。

3.2.1 膏鹽巖發(fā)育

東濮凹陷北部地區(qū)沙三段發(fā)育4 套巨厚膏鹽層［25］。隨著地層埋深增加，溫度達90 ℃以上時，膏巖層和泥膏層中的石膏開始脫水向硬石膏轉(zhuǎn)化，脫出大量堿性富含Ca2+離子的束縛水和結(jié)晶水，同時釋放SO42-。這些離子和反應生成的硬石膏可以作為后續(xù)TSR 反應中的反應物，成為黃鐵礦的硫源。研究區(qū)沙三段儲層中，有晚期黃鐵礦發(fā)育的層位上方都有巨厚膏巖層，鑄體薄片中也常見硬石膏呈現(xiàn)連晶狀膠結(jié)或不規(guī)則充填于孔隙中，這種富含硫酸鹽的環(huán)境為研究區(qū)儲層中黃鐵礦的形成提供了充足的物質(zhì)基礎。

3.2.2 烴類活動

有機質(zhì)成熟后開始向油氣轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化過程中排出的有機酸進入儲層，同時將相鄰泥巖層中溶解的物質(zhì)（如Fe3+）帶入砂巖儲層中。隨著有機質(zhì)成熟度升高，大量油氣生成，在動力驅(qū)替下油氣開始向儲層運移，大量Fe3+，SO42-和Ca2+等隨著油氣運移向儲層中聚集，同時，烴類還可以作為必要的還原劑參與到TSR 反應中。進入高成熟期，原油發(fā)生裂解，產(chǎn)生的H2S 又參與反應生成黃鐵礦，造成瀝青與黃鐵礦共生的現(xiàn)象。鑄體薄片中可以觀察到，在含有殘余瀝青的砂巖中，瀝青中會有分散粒狀的黃鐵礦發(fā)育（見圖3a—3d）。

3.2.3 微裂縫發(fā)育

東濮凹陷3 200 m 以下地層中普遍發(fā)育異常高壓帶，造成異常高壓的原因，主要有不均勻壓實作用以及大面積發(fā)育的膏鹽巖封閉作用［26-29］。異常高壓造成的幕式排烴，導致儲層中發(fā)育許多微裂縫。這些縫隙為流體及油氣的運移提供了通道和儲集空間，裂縫附近富集了有機質(zhì)及Fe2+，SO42-等，形成的黃鐵礦便充填在裂縫中，或沿裂縫分布，如文210 井3 878.60 m 深度儲層中可觀察到充填在裂縫中的黃鐵礦微晶（見圖3e，3f），在文233 井3 202.00 m 深度儲層中可觀察到裂縫附近星散分布的黃鐵礦球粒（見圖3g，3h）。

圖3 東濮凹陷文東地區(qū)沙三段儲層中黃鐵礦分布特征

4 黃鐵礦發(fā)育對環(huán)境的反映

上述研究表明，黃鐵礦的發(fā)育與地層所處環(huán)境的關(guān)系非常密切，只有在一定的流體環(huán)境及溫度條件下才會有黃鐵礦的富集；因此，儲層中出現(xiàn)的黃鐵礦對沉積及成巖時的環(huán)境具有一定的指示作用，可以用來協(xié)助判斷儲層所處環(huán)境。

4.1 沉積環(huán)境

早期黃鐵礦形成于缺氧的還原環(huán)境中，需要沉積物中含有充足的有機質(zhì)和含鐵礦物。一般而言，泥質(zhì)中含有較多的有機質(zhì)和含鐵物質(zhì)，因此，沉積物粒度越細，含有機質(zhì)越多，越有利于早期黃鐵礦的生成。研究區(qū)沙三段儲層中保留下來的早期黃鐵礦個體較大，這反映了沉積初期為還原環(huán)境；發(fā)育早期黃鐵礦的儲層深度段中普遍含有較多的泥質(zhì)，以及鮞粒和藻球粒等富含有機質(zhì)顆粒［29］，這也反映了該段地層沉積時水動力較弱，屬于低能環(huán)境。

4.2 成巖作用與流體環(huán)境

對東濮凹陷沙三段儲層物性研究發(fā)現(xiàn)，儲層的孔滲性在縱向上具有分帶性，可以劃分出4 個次生孔隙發(fā)育帶，文東地區(qū)也具有同樣的分帶特征。結(jié)合晚期黃鐵礦發(fā)育深度可以發(fā)現(xiàn)，黃鐵礦在第1 異常孔隙發(fā)育帶范圍內(nèi)（3 500～3 700 m）非常發(fā)育。根據(jù)對該地區(qū)儲層成巖階段的劃分，第1 異?？紫栋l(fā)育帶主要處于中成巖作用A 期，形成原因主要為有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化過程中釋放含有機酸和CO2的酸性水，進入儲層中造成巖石組分的大量溶解，形成次生溶蝕孔隙［30-32］。而有機酸和CO2還可以作為還原劑參與TSR 反應，反應中有黃鐵礦的生成。由此可以看出，晚期黃鐵礦的大量出現(xiàn)對應于深部次生孔隙的發(fā)育，并標志著油氣運聚活動的開始。

除了在第1 異?？紫稁е械母患? 000 m 左右，接近第2 異常壓力孔隙帶處也有較多晚期黃鐵礦的發(fā)育。這是由于地層埋深到4 000 m 以下，有機質(zhì)達到高成熟期，原油裂解開始發(fā)生，裂解產(chǎn)生的H2S 又與Fe2+反應生成黃鐵礦，即深部黃鐵礦的相對富集對應于深部裂解氣的生成。

值得注意的是，在黃鐵礦富集的深度段內(nèi)，碳酸鹽礦物的體積分數(shù)同樣很高［12-13，33-37］，并且含鐵碳酸鹽的體積分數(shù)在黃鐵礦富集的深度處也達到高峰（見圖4）。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，雖然有機酸對長石等鋁硅酸鹽造成溶蝕，但同時脫羧轉(zhuǎn)化為烴類，使有機酸濃度不斷降低，這一階段中流體pH 保持在5～6。在這種環(huán)境下，有機酸脫羧，不斷產(chǎn)生CO2，結(jié)果促進了碳酸鹽礦物的生成［30，33］，而Ca2+，Mg2+反應過程中與溶液中的Fe2+結(jié)合，便生成了大量的含鐵碳酸鹽礦物。

圖4 東濮凹陷文東地區(qū)沙三段儲層中黃鐵礦與碳酸鹽體積分數(shù)之間的關(guān)系

5 黃鐵礦形成模式

在對薄片中黃鐵礦發(fā)育特征觀察研究的基礎上，綜合研究區(qū)成巖作用和烴類充注史，同時結(jié)合前人對黃鐵礦形成機制的研究，總結(jié)出沙三段儲層中早期和晚期黃鐵礦的形成模式（見圖5）。

圖5 東濮凹陷文東地區(qū)儲層中黃鐵礦形成模式

東濮凹陷文東地區(qū)沙三段地層沉積時，湖盆為較封閉的咸水環(huán)境，在半干旱的氣候條件下形成了大套的膏鹽巖。沉積物埋藏至淺層硫酸鹽還原帶時，沉積在泥質(zhì)及藻類球粒中的有機物作為還原劑參與細菌還原硫酸鹽反應，在Fe2+的參與下生成黃鐵礦球粒或結(jié)核。在此過程中，有機質(zhì)產(chǎn)生的大量CO32-與地層中的Ca2+，Mg2+結(jié)合，生成早期碳酸鹽膠結(jié)物。

地層埋藏深度繼續(xù)增大，石膏開始脫水形成硬石膏膠結(jié)物，Ca2+和SO42-伴隨堿性溶液進入儲層中。有機質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化生成的有機酸進入儲層，在100 ℃以上的環(huán)境中發(fā)生TSR 反應，在Fe2+的參與下生成晚期的黃鐵礦小球粒，同時生成晚期碳酸鹽膠結(jié)物和含鐵碳酸鹽膠結(jié)物。溫度繼續(xù)升高，發(fā)生原油裂解，生成的H2S 也會與儲層中殘余的Fe2+生成黃鐵礦，富集在含油的孔隙及裂縫附近。

6 結(jié)論

1）研究區(qū)沙三段儲層中發(fā)育的黃鐵礦有早、晚期之分，早期黃鐵礦形成于淺層細菌硫酸鹽還原帶中，晚期黃鐵礦是TSR 反應產(chǎn)物之一，兩者產(chǎn)出特征差異較大，前者個體較大，礦物形態(tài)受空間和物質(zhì)限制較小。

2）影響該區(qū)黃鐵礦分布和發(fā)育的因素有3 個：鹽膏巖的廣泛分布，為黃鐵礦的形成提供了良好的物質(zhì)基礎；烴類向儲層中的充注，促進了黃鐵礦的生成；儲層中發(fā)育的溶蝕縫及微裂縫，為流體和烴類提供了運移通道和儲集空間，是黃鐵礦發(fā)育的富集區(qū)域。

3）研究區(qū)沙三段儲層中黃鐵礦的發(fā)育一般伴隨碳酸鹽礦物的形成。早期黃鐵礦標志水動力較弱的還原性沉積環(huán)境；晚期黃鐵礦富集深度與深部次生孔隙帶一致，反映油氣運聚活動開始和高溫裂解作用的進行。

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