高邮凹陷阜一段差异成岩作用及成因

纪友亮，王艳艳，刘玉瑞，卢 欢

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石化江苏油田地质研究院，江苏 扬州225000）

高邮凹陷是位于苏北盆地南部的箕状断陷，古新世末期吴堡运动期间，由于断块差异沉降，形成了一个南断北超、南陡北缓的箕状结构.真武运动期间，凹陷内形成了真1和真2两条深大断裂和凹陷内分布广泛的断裂系统.以真1和真2两条断裂为界，凹陷的构造单元分为南部断阶带、中部深凹带和北部斜坡带（图1）.凹陷内阜一段为一套位于古近系下部的阜宁组一段碎屑岩地层，其岩性以棕红色及灰色砂岩、粉砂岩、砂砾岩及灰色泥岩为主，主要为三角洲和扇三角洲前缘沉积.坳陷内断裂系统广泛发育，成岩过程复杂.

1 阜一段成岩序列及成岩阶段划分

1.1 成岩序列

成岩序列是成岩事件发生的相对时间顺序.根据纪友亮［1］的研究，压实作用贯穿整个成岩演化过程，此过程中孔隙度始终发生着变化（图2a），然而在深度3 500m以下粒间体积则基本保持不变（图2b）.在成岩演化序列中，有的成岩事件是阶段性的，而有的持续时间较长；同时，不同成岩事件可表现出相互承转或重叠的特点，同一事件还可以不止一次发生（图3）.在早成岩阶段，石英次生加大到Ⅰ级，早期方解石开始沉淀，此时压实作用较弱.到了中成岩A期，压实作用进行到中等到强的程度，石英次生加大到Ⅱ级.中成岩A1期主要是颗粒和早期方解石的溶解，研究区内还见少量铁方解石的沉淀（图4a）.凹陷内最主要的溶蚀作用发生在中成岩A1期.A2期是颗粒的溶解和铁方解石、铁白云石胶结物的沉淀（图4b）.到了中成岩B期，阜一段埋深达4 300m，在本区到埋深3 500m时压实作用才基本停止（图4c），发生晚期碳酸盐岩的溶蚀作用，此阶段的粒间体积基本不变，孔隙度略有增加，碳酸盐岩胶结物含量降低（图2c）.目的层孔隙演化有4个台阶，每一个台阶反映了一个地区从阜一段顶部到底部物性随深度的变化特点.因此，可以得出这样一个结论：阜一段顶部物性好，往下逐渐减弱.这个减弱一方面是压实增强的结果，一方面是溶解减弱的结果.

图1 高邮凹陷构造单元划分Fig.1 Location and division of tectonic units of Gaoyou Depression

图2 阜一段孔隙度、粒间体积及碳酸盐岩胶结物垂向分布Fig.2 Porosity，carbonate cement content and intergranular volum distribution with buried depth of 1st member of of Funning Formation

1.2 成岩阶段划分

碎屑岩的成岩受到温度、压力、流体等因素的影响，不同的阶段会出现不同的成岩现象.不同的成岩阶段，流体性质不同.有机酸主要对长石、岩屑发生大量的溶解作用，对石英也有一定的溶蚀作用［2］，而CO2溶于水形成的无机酸也起到一定的溶蚀作用［1-2］.以镜质体反射率Ro（图5）、自生矿物、颗粒接触关系、石英自生加大等标志来对本区的成岩阶段进行划分，划分出了中成岩A期和中成岩B期，各成岩阶段的特点如表1所示.

需要指出的是，韦庄及陈堡等地区埋深小于1 500m的层段，在正常埋藏情况下，应该处于早成岩阶段，但是在高邮凹陷内，即使埋深在1 000m的韦庄地区，仍发育着属于中成岩A2期的铁白云石和铁方解石的胶结（图4b）以及弱（或者中等-强）溶蚀作用等，根据黏土矿物和镜质体反射率的值，这些地区的成岩阶段定为中成岩A1期，该研究结果与宋秋花等［3］的研究有一定差别.

图3 阜一段成岩阶段划分Fig.3 Division of diagenetic paragenesis for 1st member of Funning Formation

图4 阜一段成岩作用类型镜下特征（100倍）Fig.4 Diagenetic characteristics of 1st member of Funning Formation

图5 高邮凹陷阜一段镜质体反射率与深度关系Fig.5 Plots of Ro distribution with buried depth of 1st Member of Funning Formation in Gaoyou Depression

2 差异成岩现象

根据钻井揭示的阜一段的埋深来看，埋藏最浅的区块在韦庄，最浅处埋深不足1 000m，埋藏最深处位于深凹带，最大揭示深度4 300m.与戴南组相比，阜一段埋藏浅的部位成岩阶段能达到中成岩A1期，算是很高了，其原因与埋藏史有关，即阜一段经历了比现在埋藏深度更大的埋深，如北斜坡沙埝地区（表2，图6a），在经历了三垛运动抬升之后，虽然后期仍然继续埋藏，但其幅度小于抬升的幅度，造成该地区现今埋藏深度小于最大古埋深.凹陷内的不同地区，虽然经历的构造事件相同，但幅度有差异.在深凹带和南部断阶带其三垛时期抬升幅度小于后期的再次埋藏幅度（表2、图6b、图6c）.因此就出现了一个现象很不好解释，即在处于中成岩A1期的储层中，包括含油层段，出现了晚期碳酸盐胶结物，多为自形的铁白云石和铁方解石，这些胶结物本应该在中成岩A2期以后出现.如果没有Ro和黏土矿物资料，很容易将这些储层划分到中成岩A2期，甚至B期.这种特殊的成岩现象称为差异成岩现象.这种现象在凹陷北部斜坡带的韦庄地区和南断阶地区发育较为普遍.在南断阶的徐庄、黄庄地区，其伊蒙混层矿物中蒙脱石的质量分数为40%～45%，成岩阶段处于中成岩A1期，但其岩石镜下特征却显示铁方解石是普遍存在的（图7）.韦庄地区的岩石镜下也见到了这种普遍存在的现象（图4a）.

表1 高邮坳陷阜一段成岩阶段及特点Tab.1 Stage of diagenesis and its characteristics of 1st member of Funning Formation of Gaoyou Depression

表2 不同地区阜一段储层埋深范围与成岩特点Tab.2 Diagenetic characteristics and burial depth of 1st member of Funning Formation in different districts of Gaoyou Depression

图6 高邮坳陷不同构造单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

图7 徐庄和黄庄地区岩石镜下特征Fig.7 Lithologic characteristics in sandstones in Xuzhuang and Huangzhuang

3 差异成岩原理

以流体、岩石相互作用作为成岩作用研究的关键点［4-5］，结合阜一段地层构造、盆地流体活动及成岩阶段划分提出差异成岩的概念和模式.差异成岩原理如下：在埋藏成岩过程中，不同的成岩阶段有不同的成岩产物.当地层倾斜角度不大时（图8），同一时代的地层往往处于相同的成岩阶段.处于较晚成岩阶段的储层，一定经历了较早成岩阶段，因而残留有早期成岩阶段的产物.如处于中成岩B期的储层，一定经历了早成岩阶段和中成岩阶段的A1及A2期，因此储层中既有中成岩阶段B期的成岩产物，如可发育晚期碳酸盐胶结物，也有早期成岩阶段保留的成岩产物，如方解石胶结等.而处于较早成岩阶段的储层一般不会出现较晚期成岩阶段的产物.

图8 差异成岩原理Fig.8 Schematic diagram summarizing the principle of differential diagenesis

但当地层倾斜角度较大时（图8），同一时代的地层往往处于不同的成岩阶段，埋藏深度大的部位所处的成岩阶段较晚，埋藏深度较浅的部位所处的成岩阶段较早.埋深较大、处于晚成岩期部位的储层一定经历了较早成岩阶段，如处于中成岩B期的储层，一定经历了早成岩阶段和中成岩阶段的A1及A2期，因此储层中既有中成岩阶段B期的成岩产物，如可发育晚期铁白云石和铁方解石，也有早期成岩阶段保留下来的成岩产物，如方解石、次生溶蚀孔隙等.同一时代的地层，其储层横向上连通的可能性很大，储层内部的流体可以横向流动.在压实作用下，深部流体沿储层向上倾方向流动，给浅部的储层带来深部的成岩物质，使得浅部处于较早成岩阶段的储层出现较晚成岩阶段的产物.如处于早成岩B期的储层，可以有来自深部的酸性流体，而产生次生孔隙，也可以形成铁白云石和铁方解石等晚期碳酸盐胶结物.

韦庄地区阜一段埋藏浅，仅处于中成岩A1期，本不该出现晚期碳酸盐胶结物，但是在韦庄地区阜一段储层中也发现了少量零星铁方解石和铁白云石胶结物，其原因可能是凹陷内处于中成岩A2和中成岩B期的流体沿活动断层及储层向上倾方向运动，使原本处于较早成岩阶段的地方形成了中成岩B期的胶结物.高邮凹陷阜一段地层水的离子浓度垂向分布特征（图9）显示，在2 500～3 000m深度段，离子质量浓度陡然增大.图中采样点主要集中在凹陷的南断阶带.凹陷内部存在复杂的断裂系统，南断阶地区的流体通过凹陷中部的深大断裂向浅部的斜坡地区运移，导致相对高温的富含Ca2+和Mg2+的流体在浅部形成晚期碳酸盐胶结物.

图9 高邮凹陷阜一段地层水中离子质量浓度垂向分布Fig.9 Ionic concentration distribution with buried depth of 1st member of Funning Formation in of Gaoyou Depression

这种差异成岩作用导致了本处于中成岩A1期的溶蚀孔发育的储层增加了晚期碳酸盐的胶结物，堵塞孔隙，使储层物性变差.表3是高邮凹陷阜一段处于中成岩A1的区块代表井，通过表中数据可以看出，储层中晚期碳酸盐胶结构质量分数越高，其孔隙度就越小.因此，在进行储层物性评价时，既要考虑成岩阶段，也要考虑这种差异成岩作用对于储层物性的影响.

表3 高邮凹陷阜一段中成岩A1期代表井岩石成分及孔隙度Tab.3 Lithology composition and porosity in A1-substage of middle diagenesis of 1st member of Funning Formation of Gaoyou Depression

4 结论

（1）高邮凹陷阜一段成岩序列如下：压实作用从成岩开始即发生，伴随成岩演化的全过程.在早成岩阶段，石英次生加大到Ⅰ级，早期方解石沉淀，压实作用弱.到了中成岩A期，压实作用中等到强，石英次生加大到Ⅱ级.A1期主要发生颗粒和方解石的溶解，A2期是颗粒的溶解和铁方解石、铁白云石胶结物的沉淀.到了中成岩B期，石英次生加大到Ⅱ-Ⅲ级，主要发生晚期碳酸盐岩胶结物的溶蚀，压溶作用增强.

（2）高邮凹陷阜一段目前大多数地区处于中成岩A期，深凹带地区成岩阶段处于中成岩B期和中成岩A2期，韦庄地区成岩程度浅，处于中成岩A1期.

（3）阜一段的成岩演化阶段具有一定的特殊性，存在差异成岩现象，产生这种现象的原因是由于同一时代的地层埋藏深度差异较大，在流体横向运移作用下，相对深部储层的成岩流体进入相对浅部的储层，使得浅部处于较早的成岩阶段的储层发育较晚成岩阶段的矿物.

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