蘇北盆地金湖凹陷戴南組成巖階段劃分及其油氣地質(zhì)意義

張 琴，朱筱敏，董國棟，毛 凌，楊立干，陳青云

(1.油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249;2.中國石化江蘇油田分公司 地質(zhì)科學(xué)研究院，江蘇揚(yáng)州 225009)

金湖凹陷位于蘇北盆地鹽阜坳陷西南緣，北起建湖隆起，南至天長凸起、菱塘橋低凸起，西接張八嶺隆起，東臨柳堡低凸起，地跨江蘇、安徽兩省，面積約5 000 km2，是一個(gè)南斷北超、南陡北緩的箕狀凹陷(圖1)[1－2］。凹陷內(nèi)古近系和上白堊統(tǒng)泰州組最大充填累計(jì)厚度達(dá)5 000 m，其中戴南組(E2d)最大厚度達(dá)1 000 m。

圖1 蘇北盆地金湖凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐謸?jù)吳東勝[6］，2005，有修改。Fig.1 Tectonic division of Jinhu Sag，Northern Jiangsu Basin

近年來隨著金湖凹陷戴南組油氣的不斷發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)戴南組的沉積相[2－3］及成藏條件分析[4－6］也越來越多，成巖作用和儲(chǔ)層研究也越來越受重視。本文主要通過普通薄片、鑄體薄片、掃描電鏡、X－射線衍射分析等資料，分析戴南組成巖作用的類型，根據(jù)各種成巖標(biāo)志判斷目前所處的成巖階段及其劃分，對(duì)于預(yù)測(cè)有機(jī)質(zhì)演化程度、推斷孔隙類型及演化規(guī)律、分析成巖類型和成巖序列及還原埋藏演化歷史、預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層的縱橫向分布都具有一定的科學(xué)和實(shí)踐意義。

1 成巖階段劃分方法及依據(jù)

碎屑巖成巖階段是指碎屑沉積物沉積后經(jīng)各種成巖作用改造直至變質(zhì)作用之前所經(jīng)歷的不同地質(zhì)史演化階段[7］。由于深層成巖作用在異常高溫高壓影響下有所延緩，所以碎屑巖成巖階段劃分主要分為淺層成巖階段(埋深淺于3 500 m)和深層成巖階段(埋深大于3 500 m)。成巖階段的劃分主要根據(jù)鏡質(zhì)體反射率、埋藏史曲線、粘土礦物混層比的變化以及顯微鏡及掃描電鏡下各種成巖現(xiàn)象及自生礦物的觀察、分析綜合劃分成巖階段。本區(qū)戴南組大部分儲(chǔ)層埋深小于3 500 m，依據(jù)淺層成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[8］，成巖階段主要分為同生成巖階段、早成巖階段(A、B兩期)、中成巖階段(A、B兩期)、晚成巖階段、表生成巖階段。本文用到的成巖階段劃分標(biāo)志主要包括鏡質(zhì)體反射率、埋藏史曲線及古地溫特征、伊蒙混層中的蒙皂石含量、各種成巖現(xiàn)象。

2 戴南組成巖階段劃分

2.1 根據(jù)鏡質(zhì)體反射率劃分成巖階段

金湖凹陷烴源巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要為戴南組之下阜寧組的數(shù)據(jù)，因?yàn)閮烧哒辖佑|，所以可以作為參考數(shù)據(jù)。隨深度變化Ro曲線明顯分為兩段(圖2)，深度2 200 m附近趨勢(shì)線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折。上段相對(duì)于下段具有明顯的“淺”熟特征，主要分布在隆起帶或外斜坡部位;下段變化趨勢(shì)基本正常，主要分布在深凹或內(nèi)斜坡部位。龔永杰等[9］認(rèn)為隆起和外斜坡地區(qū)的鏡質(zhì)體反射率隨深度變化趨勢(shì)與深凹帶和內(nèi)斜坡地區(qū)的趨勢(shì)相比，具有“平行變淺”的關(guān)系，即存在“不等深等熟”現(xiàn)象[10－11］，與三垛運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的抬升有關(guān)。陳安定以蘇北盆地部分?jǐn)嘞葜写嬖诘摹安坏壬畹葴亍?、“不等深等熟”、成熟度指?biāo)與埋深關(guān)系的“平行變淺”分布等資料為依據(jù)，提出了“淺熟”現(xiàn)象源于“古大于今”的埋藏史這一特殊地質(zhì)背景[10－11］。

根據(jù)鏡質(zhì)體反射率與現(xiàn)今的埋藏深度變化關(guān)系，依據(jù)上段具有明顯“淺”熟特征的趨勢(shì)線，在約1 000 m即進(jìn)入早成巖B階段，約1 500 m進(jìn)入中成巖A階段。根據(jù)下段基本正常趨勢(shì)線，大約在2 300 m左右才進(jìn)入中成巖A階段。

圖2 蘇北盆地金湖凹陷根據(jù)鏡質(zhì)體反射率Ro劃分的成巖階段Fig.2 Division of diagenesis stage according to vitrinite reflectance in Jinhu Sag，Northern Jiangsu Basin

龔永杰等[9］通過三垛組剝蝕量恢復(fù)和古今地溫對(duì)比兩個(gè)方面，對(duì)金湖凹陷隆起區(qū)和外斜坡區(qū)烴源巖“淺熟”特征的成因進(jìn)行了分析。根據(jù)其研究成果，蘇北盆地共發(fā)育3期構(gòu)造抬升，分別為阜寧組沉積末—戴南組沉積前的吳堡事件、戴南組沉積末—三垛組沉積前的真武事件和漸新世期間的三垛事件，其中以真武事件、三垛事件較為強(qiáng)烈。通過剝蝕量恢復(fù)計(jì)算，三垛事件絕對(duì)剝蝕量最大，其他可以忽略，最后計(jì)算關(guān)X4、唐8、應(yīng)3、閔17井的三垛組地層剝蝕量恢復(fù)結(jié)果分別為800，1 089，1 300，1 022 m。金湖凹陷在不同次凹、隆起帶和外斜坡，三垛組地層剝蝕量變化大，以最小剝蝕量800 m計(jì)算，如果不存在地殼的抬升，恢復(fù)正常的埋藏作用，對(duì)上段淺熟特征的趨勢(shì)線進(jìn)行簡(jiǎn)單剝蝕厚度恢復(fù)，進(jìn)入早成巖B和中成巖A的埋藏深度應(yīng)分別為1 800 m左右和2 300 m左右，與下段正常的演化趨勢(shì)線基本一致。

2.2 根據(jù)埋藏史曲線特征分析成巖階段

在恢復(fù)某口井的埋藏史曲線時(shí)，古剝蝕厚度[12－13］和古地溫場(chǎng)恢復(fù)[14］都是非常重要的參數(shù)。根據(jù)龔永杰等[9］研究資料，金湖凹陷不同構(gòu)造部位在三垛組的埋藏史存在較大區(qū)別，三垛組地層剝蝕量在800～1 300 m之間。

魯東升等[15］通過Ro數(shù)據(jù)及生油巖熱演化分析，求出了金湖凹陷不同時(shí)期的古地溫梯度，即現(xiàn)今地溫梯度為3.5 ℃/hm;11，20，22 Ma時(shí)的地溫梯度分別為 4.7，5.9，5.8 ℃ /hm，該古地溫梯度的變化比較符合客觀實(shí)際。據(jù)王良書等[16］研究，蘇北盆地古熱流值在據(jù)今75～38 Ma期間呈線性增加，金湖凹陷從泰州組至鹽城組沉積期間，火山活動(dòng)強(qiáng)烈，三垛—鹽城期尤為強(qiáng)烈，必然會(huì)形成較高的地溫異常[17－18］。

在確定古地溫梯度和剝蝕厚度的基礎(chǔ)上，對(duì)金湖凹陷不同井的埋藏史曲線進(jìn)行了制作(圖3)。綜合分析認(rèn)為，各井現(xiàn)今埋深和所經(jīng)歷的剝蝕厚度存在差別，所經(jīng)歷的埋藏史曲線和成巖階段也存在差別(圖4)。大部分井戴南組所經(jīng)歷的最大古地溫在85～140℃，進(jìn)入了中成巖A階段，只有少數(shù)井(如秦X2井)部分戴一段少量所經(jīng)歷的最大古地溫為140～160℃，進(jìn)入了中成巖B階段;新莊1井戴二段上部處于早成巖B階段。

2.3 根據(jù)蒙皂石含量劃分成巖階段

伊蒙混層礦物(I/S)的蒙皂石含量在金湖凹陷戴南組的數(shù)據(jù)較少，但可以作為參考。根據(jù)蒙皂石含量隨深度的變化(圖5)，大約在1 000 m進(jìn)入早成巖B階段(數(shù)據(jù)少)，1 500 m左右進(jìn)入中成巖A階段，與根據(jù)鏡質(zhì)體反射率分析結(jié)果一致。但在1 300～1 500 m之間出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，其含量處于10% ～50%之間，所以也存在“淺熟”現(xiàn)象，部分井點(diǎn)進(jìn)入中成巖B階段，與前述埋藏史曲線分析結(jié)果一致。

2.4 根據(jù)各種成巖現(xiàn)象判斷成巖階段

本區(qū)的成巖作用現(xiàn)象非常復(fù)雜，壓實(shí)作用、各種膠結(jié)作用、交代作用和溶解作用都非常明顯。各種成巖作用也表現(xiàn)出了較強(qiáng)的成巖作用現(xiàn)象，表明巖石已進(jìn)入較晚的成巖作用階段[19－21］，主要表現(xiàn)如下:

(1)壓實(shí)作用主要為中等壓實(shí)—強(qiáng)壓實(shí)。碎屑顆粒接觸類型主要為線接觸—凹凸接觸，少量點(diǎn)接觸，并且塑性顆粒表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的彎曲變形(圖版a)和脆性顆粒發(fā)生破碎(圖版b)的現(xiàn)象，說明發(fā)生了較強(qiáng)的壓實(shí)作用[22－23］。

圖4 蘇北盆地金湖凹陷不同井成巖階段劃分對(duì)比Fig.4 Contrast of division of diagenesis stage among different wells of Dainan Formation in Jinhu Sag，Northern Jiangsu Basin

(2)砂巖固結(jié)程度較高，碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育。砂巖中除了發(fā)育早期的方解石膠結(jié)物(圖版c)和白云石膠結(jié)物外(大部分被溶解)(圖版d)，還發(fā)育二期的方解石、白云石膠結(jié)(圖版d)及晚期的含鐵方解石(圖版e)和鐵白云石膠結(jié)物(圖版f)，也代表進(jìn)入了中成巖階段[24］。

(3)石英次生加大和長石次生加大較發(fā)育。石英次生加大和長石次生加大多為Ⅱ－Ⅲ級(jí)(圖版g，h)，如新莊 1 井(1 123.56 m)石英加大Ⅲ級(jí)、長石加大Ⅱ級(jí)，關(guān)1－1井(1 321.56 m)石英加大Ⅱ級(jí)(圖版g)，夏 X1井(1 437.96 m)石英、長石加大Ⅲ級(jí)(圖版h)，說明雖然現(xiàn)今埋藏較淺，但都已經(jīng)進(jìn)入中成巖A－B階段。

(4)粘土礦物中幾乎沒有蒙皂石。根據(jù)X－衍射分析化驗(yàn)資料，粘土礦物以伊蒙混層、伊利石、綠泥石和高嶺石為主，長石溶解轉(zhuǎn)化為高嶺石的含量也較高。伊蒙混層中蒙皂石含量大都小于50%，說明粘土礦物的轉(zhuǎn)化程度高，進(jìn)入較晚成巖作用階段。

(5)次生孔隙相對(duì)發(fā)育。在部分井如天X77井(1 375.56 m)、夏X1 井(1 437.78 m)、吳X2 井(1 540.19 m)就已經(jīng)發(fā)育大量的早期方解石被溶解而形成的次生孔隙(圖版i)，而且出現(xiàn)二期方解石和白云石膠結(jié)的現(xiàn)象，如成X1井(1 928.65 m)(圖版d)。部分井中如果早期方解石不發(fā)育而白云石膠結(jié)物發(fā)育的話，如關(guān)1－1 井(1 321.51 m)、天X77 井(1 428.94 m)、成X1 井(1 928.65 m)和關(guān)X5 井(2 779.58 m)等也出現(xiàn)了早期白云石膠結(jié)物被溶解的現(xiàn)象(圖版d，j)。這些都說明了有大量有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)集層而溶蝕早期碳酸鹽膠結(jié)物的現(xiàn)象，應(yīng)判斷進(jìn)入了中成巖階段。

圖5 蘇北盆地金湖凹陷根據(jù)戴南組伊蒙混層礦物中的蒙皂石含量劃分成巖階段Fig.5 Division of diagenesis stage according to smectite content in illite－montmorillonite mixed－layer of Dainan Formation in Jinhu Sag，Northern Jiangsu Basin

2.5 戴南組成巖階段劃分

綜合上述各種成巖現(xiàn)象、埋藏史曲線、鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)及粘土礦物數(shù)據(jù)，結(jié)合顯微鏡及掃描電鏡觀察到的多種成巖現(xiàn)象，確定本區(qū)戴南組儲(chǔ)層大部分處于中成巖階段A期，少量為早成巖B期和中成巖階段B期，并建立了成巖演化序列與孔隙類型及其發(fā)育之間的關(guān)系。本區(qū)1 000 m為早成巖A和B的分界，1 500 m進(jìn)入中成巖階段A期，3 000 m進(jìn)入中成巖階段B期。與成巖階段相對(duì)應(yīng)，孔隙演化也經(jīng)歷了從原生到次生的演化階段，目前戴南組大部分井處于中成巖階段A期，所以孔隙類型以次生孔隙發(fā)育為主，保存少量原生孔隙。

3 成巖階段劃分的油氣意義

3.1 預(yù)測(cè)油氣富集程度

有機(jī)質(zhì)演化程度與巖石所處的成巖階段關(guān)系密切。根據(jù)碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)[8］，在中成巖階段A期，有機(jī)質(zhì)低成熟—成熟，Ro為0.5% ～1.3%。前已述及，本區(qū)戴南組缺乏Ro數(shù)據(jù)，主要根據(jù)下伏阜寧組Ro數(shù)據(jù)。前人研究認(rèn)為戴南組的油氣主要來自于阜寧組，本區(qū)大部分井阜寧組Ro處于0.7% ～1.0%，少數(shù)井小于0.5%和大于1.3%，所以大部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)處于成熟階段。戴南組緊鄰阜寧組，加之戴南組儲(chǔ)層非常發(fā)育，且有比較發(fā)育的活動(dòng)斷裂與阜寧組連通，使得戴南組具有良好的油氣來源。鉆探和試油結(jié)果顯示，戴南組具有良好的油氣顯示和充足的油氣來源，主要來自于下部阜寧組成熟烴源巖。

3.2 預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層發(fā)育帶

根據(jù)成巖演化序列，特別是壓實(shí)作用和碳酸鹽膠結(jié)及溶解作用發(fā)生的成巖階段，可以推斷孔隙類型，預(yù)測(cè)次生孔隙的發(fā)育。一般在早成巖階段A期，儲(chǔ)層主要經(jīng)歷壓實(shí)作用和早期的方解石膠結(jié)作用，孔隙類型以原生孔隙為主。到了早成巖階段B期，有機(jī)質(zhì)開始演化成熟，釋放少量的有機(jī)酸，對(duì)早期的方解石膠結(jié)物進(jìn)行溶解，所以開始發(fā)育少量的次生孔隙。到了中成巖階段A期，有機(jī)質(zhì)大量成熟，釋放大量的有機(jī)酸，對(duì)早期的方解石和白云石膠結(jié)物和易溶巖屑都進(jìn)行溶蝕，形成大量的次生孔隙，因此孔隙類型以次生孔隙發(fā)育為主。本區(qū)成巖階段大部分地區(qū)處于中成巖階段A期，所以孔隙類型以次生孔隙為主。根據(jù)孔隙度隨深度的分布發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)戴南組在縱向上發(fā)育3個(gè)次生孔隙發(fā)育帶，如具有工業(yè)性油流的天X77井、關(guān)X2井等的戴南組。少部分井處于早成巖B期，以原生孔隙為主，發(fā)育少量次生孔隙，如新莊1井戴南組。另有少部分井處于中成巖階段B期，如秦X2井，原生和次生孔隙都將減少，并可能出現(xiàn)裂縫。所以，進(jìn)一步根據(jù)成巖階段劃分的結(jié)果，可預(yù)測(cè)原生和次生孔隙發(fā)育帶。如新莊1井區(qū)處于早成巖B期，預(yù)測(cè)為原生孔隙發(fā)育區(qū);而天X77井、關(guān)X2井等井區(qū)處于中成巖階段A期，結(jié)合所處的斷裂構(gòu)造背景，預(yù)測(cè)為次生孔隙發(fā)育區(qū)，從而進(jìn)一步預(yù)測(cè)2個(gè)井區(qū)為有利儲(chǔ)層發(fā)育帶。

3.3 還原埋藏演化歷史

根據(jù)成巖階段劃分結(jié)果，可以反過來分析儲(chǔ)層的埋藏演化歷史，特別是構(gòu)造抬升和剝蝕明顯的地區(qū)。如秦X2、天X75、天X92等井區(qū)，雖然現(xiàn)今埋深只有近2 000 m，如果未發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，應(yīng)處于中成巖階段A早期，但其所經(jīng)歷的最大古地溫為140～160℃，已經(jīng)進(jìn)入了中成巖B階段，可以反過來推測(cè)早期經(jīng)歷了大的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)和較強(qiáng)的剝蝕作用，造成現(xiàn)今較淺的埋藏深度。

4 結(jié)論

金湖凹陷戴南組儲(chǔ)層大部分處于中成巖階段A期，少量為早成巖B期和中成巖階段B期;大部分地區(qū)有機(jī)質(zhì)處于成熟階段，戴南組具有良好的油氣顯示和充足的油氣來源，主要來自于下部阜寧組成熟烴源巖。戴南組儲(chǔ)層以次生孔隙發(fā)育為主，保存少量原生孔隙。秦X2、天X75、天X92等井區(qū)戴南組沉積早期經(jīng)歷了大的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)和較強(qiáng)的剝蝕作用，造成現(xiàn)今較淺的埋藏深度，但儲(chǔ)層已經(jīng)處于中成巖階段B期。預(yù)測(cè)新莊1井區(qū)和天X77井、關(guān)X2井等井區(qū)為有利儲(chǔ)層發(fā)育帶。

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