蘇北盆地金湖凹陷戴南組成巖階段劃分及其油氣地質意義

張 琴，朱筱敏，董國棟，毛 凌，楊立干，陳青云

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(北京))，北京 102249;2.中國石化江蘇油田分公司 地質科學研究院，江蘇揚州 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，是一個南斷北超、南陡北緩的箕狀凹陷(圖1)[1－2］。凹陷內古近系和上白堊統泰州組最大充填累計厚度達5 000 m，其中戴南組(E2d)最大厚度達1 000 m。

圖1 蘇北盆地金湖凹陷構造單元劃分據吳東勝[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現，前人對戴南組的沉積相[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，根據各種成巖標志判斷目前所處的成巖階段及其劃分，對于預測有機質演化程度、推斷孔隙類型及演化規律、分析成巖類型和成巖序列及還原埋藏演化歷史、預測有利儲層的縱橫向分布都具有一定的科學和實踐意義。

1 成巖階段劃分方法及依據

碎屑巖成巖階段是指碎屑沉積物沉積后經各種成巖作用改造直至變質作用之前所經歷的不同地質史演化階段[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鏡質體反射率、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象及自生礦物的觀察、分析綜合劃分成巖階段。本區戴南組大部分儲層埋深小于3 500 m，依據淺層成巖階段劃分標準[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志主要包括鏡質體反射率、埋藏史曲線及古地溫特征、伊蒙混層中的蒙皂石含量、各種成巖現象。

2 戴南組成巖階段劃分

2.1 根據鏡質體反射率劃分成巖階段

金湖凹陷烴源巖鏡質體反射率(Ro)主要為戴南組之下阜寧組的數據，因為兩者整合接觸，所以可以作為參考數據。隨深度變化Ro曲線明顯分為兩段(圖2)，深度2 200 m附近趨勢線出現明顯轉折。上段相對于下段具有明顯的“淺”熟特征，主要分布在隆起帶或外斜坡部位;下段變化趨勢基本正常，主要分布在深凹或內斜坡部位。龔永杰等[9］認為隆起和外斜坡地區的鏡質體反射率隨深度變化趨勢與深凹帶和內斜坡地區的趨勢相比，具有“平行變淺”的關系，即存在“不等深等熟”現象[10－11］，與三垛運動導致的抬升有關。陳安定以蘇北盆地部分斷陷中存在的“不等深等溫”、“不等深等熟”、成熟度指標與埋深關系的“平行變淺”分布等資料為依據，提出了“淺熟”現象源于“古大于今”的埋藏史這一特殊地質背景[10－11］。

根據鏡質體反射率與現今的埋藏深度變化關系，依據上段具有明顯“淺”熟特征的趨勢線，在約1 000 m即進入早成巖B階段，約1 500 m進入中成巖A階段。根據下段基本正常趨勢線，大約在2 300 m左右才進入中成巖A階段。

圖2 蘇北盆地金湖凹陷根據鏡質體反射率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和古今地溫對比兩個方面，對金湖凹陷隆起區和外斜坡區烴源巖“淺熟”特征的成因進行了分析。根據其研究成果，蘇北盆地共發育3期構造抬升，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、三垛事件較為強烈。通過剝蝕量恢復計算，三垛事件絕對剝蝕量最大，其他可以忽略，最后計算關X4、唐8、應3、閔17井的三垛組地層剝蝕量恢復結果分別為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計算，如果不存在地殼的抬升，恢復正常的埋藏作用，對上段淺熟特征的趨勢線進行簡單剝蝕厚度恢復，進入早成巖B和中成巖A的埋藏深度應分別為1 800 m左右和2 300 m左右，與下段正常的演化趨勢線基本一致。

2.2 根據埋藏史曲線特征分析成巖階段

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

魯東升等[15］通過Ro數據及生油巖熱演化分析，求出了金湖凹陷不同時期的古地溫梯度，即現今地溫梯度為3.5 ℃/hm;11，20，22 Ma時的地溫梯度分別為 4.7，5.9，5.8 ℃ /hm，該古地溫梯度的變化比較符合客觀實際。據王良書等[16］研究，蘇北盆地古熱流值在據今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，火山活動強烈，三垛—鹽城期尤為強烈，必然會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上，對金湖凹陷不同井的埋藏史曲線進行了制作(圖3)。綜合分析認為，各井現今埋深和所經歷的剝蝕厚度存在差別，所經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歷的最大古地溫在85～140℃，進入了中成巖A階段，只有少數井(如秦X2井)部分戴一段少量所經歷的最大古地溫為140～160℃，進入了中成巖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據較少，但可以作為參考。根據蒙皂石含量隨深度的變化(圖5)，大約在1 000 m進入早成巖B階段(數據少)，1 500 m左右進入中成巖A階段，與根據鏡質體反射率分析結果一致。但在1 300～1 500 m之間出現異常數據點，其含量處于10% ～50%之間，所以也存在“淺熟”現象，部分井點進入中成巖B階段，與前述埋藏史曲線分析結果一致。

2.4 根據各種成巖現象判斷成巖階段

本區的成巖作用現象非常復雜，壓實作用、各種膠結作用、交代作用和溶解作用都非常明顯。各種成巖作用也表現出了較強的成巖作用現象，表明巖石已進入較晚的成巖作用階段[19－21］，主要表現如下:

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

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

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

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

(4)粘土礦物中幾乎沒有蒙皂石。根據X－衍射分析化驗資料，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%，說明粘土礦物的轉化程度高，進入較晚成巖作用階段。

(5)次生孔隙相對發育。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)就已經發育大量的早期方解石被溶解而形成的次生孔隙(圖版i)，而且出現二期方解石和白云石膠結的現象，如成X1井(1 928.65 m)(圖版d)。部分井中如果早期方解石不發育而白云石膠結物發育的話，如關1－1 井(1 321.51 m)、天X77 井(1 428.94 m)、成X1 井(1 928.65 m)和關X5 井(2 779.58 m)等也出現了早期白云石膠結物被溶解的現象(圖版d，j)。這些都說明了有大量有機酸進入儲集層而溶蝕早期碳酸鹽膠結物的現象，應判斷進入了中成巖階段。

圖5 蘇北盆地金湖凹陷根據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象、埋藏史曲線、鏡質體反射率數據及粘土礦物數據，結合顯微鏡及掃描電鏡觀察到的多種成巖現象，確定本區戴南組儲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育之間的關系。本區1 000 m為早成巖A和B的分界，1 500 m進入中成巖階段A期，3 000 m進入中成巖階段B期。與成巖階段相對應，孔隙演化也經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 預測油氣富集程度

有機質演化程度與巖石所處的成巖階段關系密切。根據碎屑巖成巖階段劃分標準[8］，在中成巖階段A期，有機質低成熟—成熟，Ro為0.5% ～1.3%。前已述及，本區戴南組缺乏Ro數據，主要根據下伏阜寧組Ro數據。前人研究認為戴南組的油氣主要來自于阜寧組，本區大部分井阜寧組Ro處于0.7% ～1.0%，少數井小于0.5%和大于1.3%，所以大部分地區有機質處于成熟階段。戴南組緊鄰阜寧組，加之戴南組儲層非常發育，且有比較發育的活動斷裂與阜寧組連通，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 預測有利儲層發育帶

根據成巖演化序列，特別是壓實作用和碳酸鹽膠結及溶解作用發生的成巖階段，可以推斷孔隙類型，預測次生孔隙的發育。一般在早成巖階段A期，儲層主要經歷壓實作用和早期的方解石膠結作用，孔隙類型以原生孔隙為主。到了早成巖階段B期，有機質開始演化成熟，釋放少量的有機酸，對早期的方解石膠結物進行溶解，所以開始發育少量的次生孔隙。到了中成巖階段A期，有機質大量成熟，釋放大量的有機酸，對早期的方解石和白云石膠結物和易溶巖屑都進行溶蝕，形成大量的次生孔隙，因此孔隙類型以次生孔隙發育為主。本區成巖階段大部分地區處于中成巖階段A期，所以孔隙類型以次生孔隙為主。根據孔隙度隨深度的分布發現，研究區戴南組在縱向上發育3個次生孔隙發育帶，如具有工業性油流的天X77井、關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，并可能出現裂縫。所以，進一步根據成巖階段劃分的結果，可預測原生和次生孔隙發育帶。如新莊1井區處于早成巖B期，預測為原生孔隙發育區;而天X77井、關X2井等井區處于中成巖階段A期，結合所處的斷裂構造背景，預測為次生孔隙發育區，從而進一步預測2個井區為有利儲層發育帶。

3.3 還原埋藏演化歷史

根據成巖階段劃分結果，可以反過來分析儲層的埋藏演化歷史，特別是構造抬升和剝蝕明顯的地區。如秦X2、天X75、天X92等井區，雖然現今埋深只有近2 000 m，如果未發生強烈的構造運動，應處于中成巖階段A早期，但其所經歷的最大古地溫為140～160℃，已經進入了中成巖B階段，可以反過來推測早期經歷了大的構造抬升運動和較強的剝蝕作用，造成現今較淺的埋藏深度。

4 結論

金湖凹陷戴南組儲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;大部分地區有機質處于成熟階段，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。戴南組儲層以次生孔隙發育為主，保存少量原生孔隙。秦X2、天X75、天X92等井區戴南組沉積早期經歷了大的構造抬升運動和較強的剝蝕作用，造成現今較淺的埋藏深度，但儲層已經處于中成巖階段B期。預測新莊1井區和天X77井、關X2井等井區為有利儲層發育帶。

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