高郵凹陷阜一段差異成巖作用及成因

紀(jì)友亮，王艷艷，劉玉瑞，盧 歡

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國石化江蘇油田地質(zhì)研究院，江蘇 揚州225000）

高郵凹陷是位于蘇北盆地南部的箕狀斷陷，古新世末期吳堡運動期間，由于斷塊差異沉降，形成了一個南斷北超、南陡北緩的箕狀結(jié)構(gòu).真武運動期間，凹陷內(nèi)形成了真1和真2兩條深大斷裂和凹陷內(nèi)分布廣泛的斷裂系統(tǒng).以真1和真2兩條斷裂為界，凹陷的構(gòu)造單元分為南部斷階帶、中部深凹帶和北部斜坡帶（圖1）.凹陷內(nèi)阜一段為一套位于古近系下部的阜寧組一段碎屑巖地層，其巖性以棕紅色及灰色砂巖、粉砂巖、砂礫巖及灰色泥巖為主，主要為三角洲和扇三角洲前緣沉積.坳陷內(nèi)斷裂系統(tǒng)廣泛發(fā)育，成巖過程復(fù)雜.

1 阜一段成巖序列及成巖階段劃分

1.1 成巖序列

成巖序列是成巖事件發(fā)生的相對時間順序.根據(jù)紀(jì)友亮［1］的研究，壓實作用貫穿整個成巖演化過程，此過程中孔隙度始終發(fā)生著變化（圖2a），然而在深度3 500m以下粒間體積則基本保持不變（圖2b）.在成巖演化序列中，有的成巖事件是階段性的，而有的持續(xù)時間較長；同時，不同成巖事件可表現(xiàn)出相互承轉(zhuǎn)或重疊的特點，同一事件還可以不止一次發(fā)生（圖3）.在早成巖階段，石英次生加大到Ⅰ級，早期方解石開始沉淀，此時壓實作用較弱.到了中成巖A期，壓實作用進(jìn)行到中等到強的程度，石英次生加大到Ⅱ級.中成巖A1期主要是顆粒和早期方解石的溶解，研究區(qū)內(nèi)還見少量鐵方解石的沉淀（圖4a）.凹陷內(nèi)最主要的溶蝕作用發(fā)生在中成巖A1期.A2期是顆粒的溶解和鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)物的沉淀（圖4b）.到了中成巖B期，阜一段埋深達(dá)4 300m，在本區(qū)到埋深3 500m時壓實作用才基本停止（圖4c），發(fā)生晚期碳酸鹽巖的溶蝕作用，此階段的粒間體積基本不變，孔隙度略有增加，碳酸鹽巖膠結(jié)物含量降低（圖2c）.目的層孔隙演化有4個臺階，每一個臺階反映了一個地區(qū)從阜一段頂部到底部物性隨深度的變化特點.因此，可以得出這樣一個結(jié)論：阜一段頂部物性好，往下逐漸減弱.這個減弱一方面是壓實增強的結(jié)果，一方面是溶解減弱的結(jié)果.

圖1 高郵凹陷構(gòu)造單元劃分Fig.1 Location and division of tectonic units of Gaoyou Depression

圖2 阜一段孔隙度、粒間體積及碳酸鹽巖膠結(jié)物垂向分布Fig.2 Porosity，carbonate cement content and intergranular volum distribution with buried depth of 1st member of of Funning Formation

1.2 成巖階段劃分

碎屑巖的成巖受到溫度、壓力、流體等因素的影響，不同的階段會出現(xiàn)不同的成巖現(xiàn)象.不同的成巖階段，流體性質(zhì)不同.有機酸主要對長石、巖屑發(fā)生大量的溶解作用，對石英也有一定的溶蝕作用［2］，而CO2溶于水形成的無機酸也起到一定的溶蝕作用［1-2］.以鏡質(zhì)體反射率Ro（圖5）、自生礦物、顆粒接觸關(guān)系、石英自生加大等標(biāo)志來對本區(qū)的成巖階段進(jìn)行劃分，劃分出了中成巖A期和中成巖B期，各成巖階段的特點如表1所示.

需要指出的是，韋莊及陳堡等地區(qū)埋深小于1 500m的層段，在正常埋藏情況下，應(yīng)該處于早成巖階段，但是在高郵凹陷內(nèi)，即使埋深在1 000m的韋莊地區(qū)，仍發(fā)育著屬于中成巖A2期的鐵白云石和鐵方解石的膠結(jié)（圖4b）以及弱（或者中等-強）溶蝕作用等，根據(jù)黏土礦物和鏡質(zhì)體反射率的值，這些地區(qū)的成巖階段定為中成巖A1期，該研究結(jié)果與宋秋花等［3］的研究有一定差別.

圖3 阜一段成巖階段劃分Fig.3 Division of diagenetic paragenesis for 1st member of Funning Formation

圖4 阜一段成巖作用類型鏡下特征（100倍）Fig.4 Diagenetic characteristics of 1st member of Funning Formation

圖5 高郵凹陷阜一段鏡質(zhì)體反射率與深度關(guān)系Fig.5 Plots of Ro distribution with buried depth of 1st Member of Funning Formation in Gaoyou Depression

2 差異成巖現(xiàn)象

根據(jù)鉆井揭示的阜一段的埋深來看，埋藏最淺的區(qū)塊在韋莊，最淺處埋深不足1 000m，埋藏最深處位于深凹帶，最大揭示深度4 300m.與戴南組相比，阜一段埋藏淺的部位成巖階段能達(dá)到中成巖A1期，算是很高了，其原因與埋藏史有關(guān)，即阜一段經(jīng)歷了比現(xiàn)在埋藏深度更大的埋深，如北斜坡沙埝地區(qū)（表2，圖6a），在經(jīng)歷了三垛運動抬升之后，雖然后期仍然繼續(xù)埋藏，但其幅度小于抬升的幅度，造成該地區(qū)現(xiàn)今埋藏深度小于最大古埋深.凹陷內(nèi)的不同地區(qū)，雖然經(jīng)歷的構(gòu)造事件相同，但幅度有差異.在深凹帶和南部斷階帶其三垛時期抬升幅度小于后期的再次埋藏幅度（表2、圖6b、圖6c）.因此就出現(xiàn)了一個現(xiàn)象很不好解釋，即在處于中成巖A1期的儲層中，包括含油層段，出現(xiàn)了晚期碳酸鹽膠結(jié)物，多為自形的鐵白云石和鐵方解石，這些膠結(jié)物本應(yīng)該在中成巖A2期以后出現(xiàn).如果沒有Ro和黏土礦物資料，很容易將這些儲層劃分到中成巖A2期，甚至B期.這種特殊的成巖現(xiàn)象稱為差異成巖現(xiàn)象.這種現(xiàn)象在凹陷北部斜坡帶的韋莊地區(qū)和南斷階地區(qū)發(fā)育較為普遍.在南斷階的徐莊、黃莊地區(qū)，其伊蒙混層礦物中蒙脫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～45%，成巖階段處于中成巖A1期，但其巖石鏡下特征卻顯示鐵方解石是普遍存在的（圖7）.韋莊地區(qū)的巖石鏡下也見到了這種普遍存在的現(xiàn)象（圖4a）.

表1 高郵坳陷阜一段成巖階段及特點Tab.1 Stage of diagenesis and its characteristics of 1st member of Funning Formation of Gaoyou Depression

表2 不同地區(qū)阜一段儲層埋深范圍與成巖特點Tab.2 Diagenetic characteristics and burial depth of 1st member of Funning Formation in different districts of Gaoyou Depression

圖6 高郵坳陷不同構(gòu)造單元代表井阜一段埋藏史Fig.6 Burial history of 1st member of Funning Formation in different districts of Gaoyou Depression

圖7 徐莊和黃莊地區(qū)巖石鏡下特征Fig.7 Lithologic characteristics in sandstones in Xuzhuang and Huangzhuang

3 差異成巖原理

以流體、巖石相互作用作為成巖作用研究的關(guān)鍵點［4-5］，結(jié)合阜一段地層構(gòu)造、盆地流體活動及成巖階段劃分提出差異成巖的概念和模式.差異成巖原理如下：在埋藏成巖過程中，不同的成巖階段有不同的成巖產(chǎn)物.當(dāng)?shù)貙觾A斜角度不大時（圖8），同一時代的地層往往處于相同的成巖階段.處于較晚成巖階段的儲層，一定經(jīng)歷了較早成巖階段，因而殘留有早期成巖階段的產(chǎn)物.如處于中成巖B期的儲層，一定經(jīng)歷了早成巖階段和中成巖階段的A1及A2期，因此儲層中既有中成巖階段B期的成巖產(chǎn)物，如可發(fā)育晚期碳酸鹽膠結(jié)物，也有早期成巖階段保留的成巖產(chǎn)物，如方解石膠結(jié)等.而處于較早成巖階段的儲層一般不會出現(xiàn)較晚期成巖階段的產(chǎn)物.

圖8 差異成巖原理Fig.8 Schematic diagram summarizing the principle of differential diagenesis

但當(dāng)?shù)貙觾A斜角度較大時（圖8），同一時代的地層往往處于不同的成巖階段，埋藏深度大的部位所處的成巖階段較晚，埋藏深度較淺的部位所處的成巖階段較早.埋深較大、處于晚成巖期部位的儲層一定經(jīng)歷了較早成巖階段，如處于中成巖B期的儲層，一定經(jīng)歷了早成巖階段和中成巖階段的A1及A2期，因此儲層中既有中成巖階段B期的成巖產(chǎn)物，如可發(fā)育晚期鐵白云石和鐵方解石，也有早期成巖階段保留下來的成巖產(chǎn)物，如方解石、次生溶蝕孔隙等.同一時代的地層，其儲層橫向上連通的可能性很大，儲層內(nèi)部的流體可以橫向流動.在壓實作用下，深部流體沿儲層向上傾方向流動，給淺部的儲層帶來深部的成巖物質(zhì)，使得淺部處于較早成巖階段的儲層出現(xiàn)較晚成巖階段的產(chǎn)物.如處于早成巖B期的儲層，可以有來自深部的酸性流體，而產(chǎn)生次生孔隙，也可以形成鐵白云石和鐵方解石等晚期碳酸鹽膠結(jié)物.

韋莊地區(qū)阜一段埋藏淺，僅處于中成巖A1期，本不該出現(xiàn)晚期碳酸鹽膠結(jié)物，但是在韋莊地區(qū)阜一段儲層中也發(fā)現(xiàn)了少量零星鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)物，其原因可能是凹陷內(nèi)處于中成巖A2和中成巖B期的流體沿活動斷層及儲層向上傾方向運動，使原本處于較早成巖階段的地方形成了中成巖B期的膠結(jié)物.高郵凹陷阜一段地層水的離子濃度垂向分布特征（圖9）顯示，在2 500～3 000m深度段，離子質(zhì)量濃度陡然增大.圖中采樣點主要集中在凹陷的南斷階帶.凹陷內(nèi)部存在復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)，南斷階地區(qū)的流體通過凹陷中部的深大斷裂向淺部的斜坡地區(qū)運移，導(dǎo)致相對高溫的富含Ca2+和Mg2+的流體在淺部形成晚期碳酸鹽膠結(jié)物.

圖9 高郵凹陷阜一段地層水中離子質(zhì)量濃度垂向分布Fig.9 Ionic concentration distribution with buried depth of 1st member of Funning Formation in of Gaoyou Depression

這種差異成巖作用導(dǎo)致了本處于中成巖A1期的溶蝕孔發(fā)育的儲層增加了晚期碳酸鹽的膠結(jié)物，堵塞孔隙，使儲層物性變差.表3是高郵凹陷阜一段處于中成巖A1的區(qū)塊代表井，通過表中數(shù)據(jù)可以看出，儲層中晚期碳酸鹽膠結(jié)構(gòu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其孔隙度就越小.因此，在進(jìn)行儲層物性評價時，既要考慮成巖階段，也要考慮這種差異成巖作用對于儲層物性的影響.

表3 高郵凹陷阜一段中成巖A1期代表井巖石成分及孔隙度Tab.3 Lithology composition and porosity in A1-substage of middle diagenesis of 1st member of Funning Formation of Gaoyou Depression

4 結(jié)論

（1）高郵凹陷阜一段成巖序列如下：壓實作用從成巖開始即發(fā)生，伴隨成巖演化的全過程.在早成巖階段，石英次生加大到Ⅰ級，早期方解石沉淀，壓實作用弱.到了中成巖A期，壓實作用中等到強，石英次生加大到Ⅱ級.A1期主要發(fā)生顆粒和方解石的溶解，A2期是顆粒的溶解和鐵方解石、鐵白云石膠結(jié)物的沉淀.到了中成巖B期，石英次生加大到Ⅱ-Ⅲ級，主要發(fā)生晚期碳酸鹽巖膠結(jié)物的溶蝕，壓溶作用增強.

（2）高郵凹陷阜一段目前大多數(shù)地區(qū)處于中成巖A期，深凹帶地區(qū)成巖階段處于中成巖B期和中成巖A2期，韋莊地區(qū)成巖程度淺，處于中成巖A1期.

（3）阜一段的成巖演化階段具有一定的特殊性，存在差異成巖現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于同一時代的地層埋藏深度差異較大，在流體橫向運移作用下，相對深部儲層的成巖流體進(jìn)入相對淺部的儲層，使得淺部處于較早的成巖階段的儲層發(fā)育較晚成巖階段的礦物.

［1］ 紀(jì)友亮.油氣儲層地質(zhì)學(xué)［M］.2版.東營：中國石油大學(xué)出版社，2009.JI Youliang.Petroleum reservoir geology ［M ］.2nd ed.Dongying：China University of Petroleum Press，2009.

［2］ 鐘大康，朱筱敏，周新源，等.次生孔隙形成期次與溶蝕機理——以塔中地區(qū)志留系瀝青砂巖為例［J］.天然氣工業(yè)，2006，26（9）：21.ZHONG Dakang，ZHU Xiaomin，ZHOU Xinyuan，et al.Phases of secondary pore generation and dissolution mechanism：taking silurian Asphaltic sandstone in central tarim basin as an example［J］.Natural Gas Industry，2006，26（9）：21.

［3］ 宋秋花，宋全友，陳剛強，等.高郵凹陷北斜坡阜寧組儲層成巖作用特征［J］.斷塊油氣田，2009，16（5）：20.SONG Qiuhua，SONG Quanyou，CHEN Gangqiang，et al.Diagenetic characteristics of funing formation reservoir in the north of Gaoyou Depression［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2009，16（5）：20.

［4］ 李忠，陳景山，關(guān)平.含油氣盆地成巖作用的科學(xué)問題及研究前沿［J］.巖石學(xué)報，2006，22（8）：2113.LI Zhong，CHEN Jingshan，GUAN Ping.Science problems and frontiers of sedimentary diagenesis research in oil-gas-bearing basins［J］.ActaPetrologicaSinica，2006，22（8）：2113.

［5］ 壽建峰，朱國華.砂巖儲層孔隙保存的定量預(yù)測研究［J］.地質(zhì)科學(xué)，1998，33（2）：118.SHOU Jianfeng，ZHU Guohua.Study on quantitative prediction of porosity preservation in sandstone reservoirs［J］.Scientia GeologicaSinica，1998，33（2）：118.