酒東坳陷下白堊統砂巖中碳酸鹽膠結物特征與儲層物性①

呂成福 李曉燕 陳國俊 魯新川 杜貴超,3 李 超,3 李 偉,3 陳 吉,3

(1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000; 2.中國科學院資源環境科學信息中心/中國科學院國家科學圖書館蘭州分館 蘭州 730000;3.中國科學院研究生院 北京 100049)

酒東坳陷下白堊統砂巖中碳酸鹽膠結物特征與儲層物性①

呂成福1李曉燕2陳國俊1魯新川1杜貴超1,3李 超1,3李 偉1,3陳 吉1,3

(1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000; 2.中國科學院資源環境科學信息中心/中國科學院國家科學圖書館蘭州分館 蘭州 730000;3.中國科學院研究生院 北京 100049)

碳酸鹽膠結物是酒東坳陷下白堊統砂巖內一種重要的自生礦物,其對深部儲層儲層質量有著重要影響。本文通過薄片觀察、掃描電鏡、能譜分析及碳氧同位素分析,認為碳酸鹽膠結物主要為鐵方解石、白云石和鐵白云石,并且以后者為主,其分布具有不均一性且分帶性明顯。碳酸鹽膠結物均為成巖作用后期產生,形成該礦物所需的物質主要來源于泥巖的黏土礦物轉化和有機質熱演化,還有一部分鈣來源于斜長石的蝕變。碳酸鹽膠結物的溶蝕溶解是深部低滲透儲層中發育較為優質儲層的重要原因,該溶蝕溶解必須存在流體運移的通道,另外,碳酸膠結物含量也對儲層質量有所影響,當碳酸鹽含量大于5%時,儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結物含量增加而降低,而當其含量小于5%時,儲層孔隙度與碳酸鹽膠結物含量之間沒有明顯對應關系。

酒泉盆地 營爾凹陷 碳酸鹽膠結物 碳氧同位素 物質來源

0 引言

碳酸鹽膠結物是碎屑巖儲層中最為常見的膠結物類型之一,也是成巖過程中重要的自生礦物,其具有分布普遍性、形成多期性和成因多樣性等特點[1,2]。碳酸鹽礦物的溶解度對溫度、壓力和PH值等成巖環境變化極為敏感,所以當地層流體性質發生變化勢必會引起碳酸鹽礦物的重新分布[3]。碳酸鹽膠結物對儲層物性的影響主要有兩個方面,一是占據著原生孔隙,對儲層孔隙度破壞性較強,二是早期碳酸鹽膠結物充填于孔隙中,增強儲層抗壓實能力并為后期溶蝕、溶解作用的發生提供了條件[4]。所以與碳酸鹽膠結物有關的巖石-流體相互作用對研究石油、天然氣的儲集性能具有重要意義,長期以前受到石油地質學家的高度重視,特別是地層深部儲層的儲集性能與碳酸鹽膠結物的沉淀與溶解有著直接關系[5～11]。

近年來酒東坳陷的油氣勘探取得較大突破,勘探目的層為埋深在4 000～5 500 m之間的下溝組和赤金堡組碎屑巖,其孔隙度在10%左右,滲透率一般在2 X10-3μm2左右,屬于低孔低滲和特低孔特低滲的地層深部儲層,這使得該區油氣勘探開發受到很大限制,因而深部低滲透儲層中較為優質儲層的成因機理問題,已經成為該地區油氣藏形成與分布的關鍵問題。本人(2010)通過對酒東坳陷白堊系儲層特征的研究認為,儲層儲集空間主要為與碳酸鹽膠結物溶蝕有關的粒間擴大溶蝕孔隙,而碳酸鹽膠結物類型多樣且分布和溶解都存在不勻一性[12],這給該地區儲層流體-巖石相互作用及物性研究帶來很大的難度。因此,本文從微觀礦物學和地球化學的角度,深入研究儲層砂巖中碳酸鹽膠結物的特征、溶解與沉淀的反應機制及其對儲層物性的影響,為準確判斷酒東坳陷儲層成巖演化過程及儲層物性預測提供科學依據。

1 區域地質概況

酒東坳陷位于祁連山加里東褶皺帶與阿拉善地塊的過渡帶西段,其與酒西坳陷、花海-金塔坳陷共同組成酒泉盆地[13,14]。坳陷整體上呈北西西向展布,內部可劃分為營爾凹陷、馬營凹陷、酒泉凹陷、鹽池凹陷和文殊山凸起、天泉寺凸起、清水低凸起和榆木山低凸起等8個二級構造單元(圖1)。下白堊統發育有赤金堡組、下溝組和中溝組三套碎屑巖地層[15]。早白堊世赤金堡沉積一套扇三角洲、半深湖為主的地層。早白堊世中期下溝組沉積超覆于赤金堡地層之上,沉積一套(扇)辮狀河三角洲、濱淺湖碎屑巖和泥質白云巖地層。早白堊世晚期中溝組沉積時期,酒東坳陷由斷陷沉積轉為坳陷沉積,沉積地層以扇三角洲、濱淺湖相碎屑巖為主。早白堊世末的晚燕山運動,坳陷整體抬升使中溝組大面積遭受剝蝕,尤其坳陷南部剝蝕嚴重,局部缺失中溝組沉積,而晚白堊世時期,坳陷內未接受任何沉積。下白堊統碎屑巖儲層的類型主要為砂礫巖、粗砂巖、細砂巖和粉砂巖,巖性主要為近源的巖屑長石砂巖、長石砂巖和長石巖屑砂巖,其結構成熟度和成分成熟度都較低。

圖1 酒東坳陷構造單元圖Fig.1 The tectonic sketchmap of Jiudong Sag

2 碳酸鹽膠結物的分布及特征

2.1 碳酸鹽膠結物分布

利用偏光顯微鏡和X-衍射分析相結合的方法,對研究區下白堊統78個砂巖樣品的碳酸鹽膠結物進行分析(見表1),結果表明,該地區碳酸鹽膠結物總體含量較高,各層位平均為5.851%,縱向上碳酸鹽膠結物含量變化并不明顯,而橫向上卻有較大差別。筆者通過以往的研究認為,碳酸鹽膠結物橫向上分布不均衡是由成巖環境所造成[12,16],位于沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中碳酸鹽膠結物含量較高,原因是這類砂巖的分選較好、結構成熟度較高,儲層具有較好的孔隙度和連通性,地層流體可以順暢的在其內部流動并進行物質交換,其中C101井區所發育的大量碳酸鹽膠結物后期未經過明顯的溶蝕改造,平均含量高達10.19%,Q1井區和長2井區早期形成的碳酸鹽膠結物后期部分被溶蝕。而位于凹陷邊緣的JC1井區碳酸鹽膠結物最少,平均含量只有2.58%,原因在于近源沉積所產生的大量黏土雜基抑制了碳酸鹽膠結物的發育,致使碎屑顆粒的膠結方式以黏土膠結為主。

表1 酒東坳陷砂巖儲層自生碳酸鹽膠結物含量統計Table1 Contents of carbonate cements in the sandstone reservoir from Jiudong Sag

2.2 碳酸鹽膠結物類型及賦存狀態

通過鐵氰化鉀和茜素紅染色薄片的偏光顯微鏡觀察和掃描電鏡及能譜分析,發現碳酸鹽膠結物按成分主要分為鐵方解石、鐵白云石、白云石和菱鐵礦(表1),而早期方解石經過蝕變后含量極少,整體上,碳酸鹽膠結物分布不均且分帶性明顯。

(1)菱鐵礦

菱鐵礦膠結物主要以棕褐色晶粒狀集合體充填于原生粒間孔隙,部分菱鐵礦呈團塊狀假雜基形態產出,整體顏色較暗,晶粒以泥晶-粉晶為主,常與有機質伴生,并見其交代碎屑顆粒現象(圖2a)。菱鐵礦在下溝組下段和赤金堡組上部局部儲層中相對富集,但整體含量較低,平均含量只有0.163%,其對儲層物性影響有限。菱鐵礦膠結物發育層段的碎屑顆粒主要以點接觸為主,有時碎屑顆粒之間完全由菱鐵礦膠結,也可見其被晚期鐵白云石所交代的現象,這說明了菱鐵礦主要形成于砂巖原生孔隙發育的早成巖期。

(2)鐵方解石

由于下白堊統儲層埋深較大,早期方解石膠結物大多都已經溶解或者蝕變,所以不發育早期的方解石膠結物。鐵方解石染色后主要呈現為深藍色和藍紫色,這是該層段較為重要的一種碳酸鹽膠結物類型,在下溝組下段較為發育,多以粒狀分布于粒間殘余孔隙內(圖2b),還可見鐵方解石以交代石英、長石和硅質巖屑形式產出。從鐵方解石的產出特征來看,儲層碎屑顆粒之間多呈線接觸,表明鐵方解石形成時砂巖已遭受壓實改造,并且鐵方解石經常交代石英次生加大邊,這說明鐵方解石形成時期較晚,而一部分鐵方解石被白云石所交代,形成白云石包裹的亮晶鐵方解石殘余,表明這部分鐵方解石膠結早于白云石形成之前。

(3)白云石和鐵白云石

染色薄片的顯微鏡觀察白云石為無色,多數白云石晶粒以粉-亮晶為主,晶粒集合體常呈斑塊狀充填于孔隙,有時也以孔隙襯里的方式或者環繞顆粒方式產出(圖2c),常見白云石交代鐵方解石和石英、長石和硅質巖屑等骨架顆粒,交代強烈處僅見骨架顆粒殘余。研究區儲層白云石膠結物分布很廣,但只在下溝組上段較為發育,隨著埋藏深度的增加,位于下溝組下段和赤金堡組的白云石大多數已經蝕變為晚期鐵白云石。

鐵白云石染色后顯微鏡下呈藍綠色,主要是砂巖儲層深埋藏時的產物,通常交代石英、長石顆粒和早期、中期碳酸鹽膠結物,部分呈亮晶和連晶狀不均勻分散于粒間孔和早期溶蝕孔中(圖2d),因此這類膠結物形成時期最晚。由于目前下溝組下段和赤金堡組儲層埋深在4 000 m以下,早期、中期碳酸鹽膠結物大多數已經轉化為晚期鐵白云石,所以鐵白云石膠結物非常發育。

3 碳酸膠結物的碳、氧同位素特征及物質來源探討

自生碳酸鹽礦物的形成機制研究非常廣泛,包括礦物的形成溫度、壓力、pH值和物質來源等方面,但是物質來源方面是研究碳酸膠結物形成的基本內容[3,6,17],鑒于研究區普遍發育鐵方解石、白云石和鐵白云石膠結物,因此本文根據上述礦物的碳氧同位素特征,對其形成礦物所需物質來源進行論述。

3.1 碳來源

圖2 下白堊統儲層中碳酸鹽膠結物特征a。褐棕色晶粒狀菱鐵礦交代巖屑,C2井,4139.51m,K1 g1,X 100(+);b。粒間充填鐵方解石(黃色箭頭所指),見少量白云石(綠色箭頭所指)交代鐵方解石,Q1井,5068.4m,K1 g1,X50(-),茜素紅染色;c。粉-亮晶白云石(綠色箭頭所指)充填孔隙,并交代石英、長石顆粒,Q1井,4257.8m,K1g2,X100(-),茜素紅染色;d。亮晶-連晶鐵白云石(紅色箭頭所指)充填粒間孔隙并膠結碎屑顆粒,形成致密的鈣質砂巖層,C101井,3941.5 m,K1 g1,X100(-),茜素紅染色。Fig.2 Characteristics of carbonate cements in the Lower Crataceous reservoir

碳酸鹽膠結物中氧碳同位素組成可為判斷其形成時的地球化學環境特征和物質來源等提供重要信息,進而有助于闡明成巖過程中流體-巖石相互作用、流體演化史和次生孔隙形成機理等基本地質問題。因此本文利用偏光顯微鏡選取沒有碳酸鹽巖屑且只發育單一碳酸鹽膠結物的樣品19個,其中含鐵方解石樣品5個,含白云石樣品2個,含鐵白云石樣品12個,對所選樣品進行碳、氧同位素測定(表2)。

表2 酒東坳陷自生碳酸鹽膠結物的碳氧同位素和形成溫度Table2 The value of carbon and oxygen isotopes and formation tem perature of carbonate cements

同時,根據Keith和Weber(1964)提出了碳酸巖古鹽度恢復公式,即:Z=2.048 X(δ13C+50)+0.498 X(δ18O+50),式中 δ13C值和 δ18O值均為PDB標準,利用該公式進行該地區碳酸鹽膠結物形成時期古鹽度恢復。計算結果(表2)表明,該地區碳酸鹽膠結物形成的古水介質基本屬于礦化度較高的大陸淡水。

碳酸鹽膠結物的形成溫度計算公式采用Fritz和Smith(1972年)提出的較為成熟的計算公式:

式中:δ18O-碳酸鹽氧同位素值,‰;δ18Ow-水介質氧同位素值,‰。由于大陸淡水的氧同位素組成在-20‰～-6‰,所以基于上述碳酸鹽膠結物形成時古鹽度的探討,本次計算碳酸鹽膠結物形成溫度時水介質δ18O取值為-7‰,計算結果見表2。

研究區自生鐵方解石、白云石和鐵白云石的碳、氧同位素值比較穩定,碳同位素分布區間為-5.9‰～0.6‰,平均值-2.52‰,其氧同位素組成為-17.1‰～-10.8‰,平均值-14.1‰。一般湖相原生碳酸鹽的 δ13C值為-2‰ ～6‰,δ18O大多在-15‰～5‰之間[18],這說明該地區儲層在成巖過程中一定有外來輕碳源的加入,而在儲層沒有經過淡水淋濾和地幔熱流體改造的情況下,碳的來源必定與有機酸脫羧作用有關,因為干酪根降解過程中所形成有機酸的δ13C值為-20‰[19]。根據氧同位素推算的碳酸鹽形成溫度來看,各種礦物的形成溫度都比較寬泛,區間在63.1～159.36℃,這表明各種碳酸鹽膠結物的形成時間具有較強的持續性,另外,該溫度也與干酪根熱解排酸過程相吻合。研究區實測到的鏡質體反射率均已大于1%,泥質巖中有機質在成巖熱演化過程中,通過有機酸脫羧基形成CO2溶于水則形成碳酸,而且在有機質演化剖面上,CO2含量是隨著埋藏深度(溫度)的增加而升高的,這些來源于有機質且碳同位素輕的CO2溶于水后,可以蝕變早期碳酸鹽礦物并改變其碳同位素組成。

3.2 鈣鎂來源

泥巖在成巖演化過程中會釋放出大量的層間水、吸附水和結構水,同時伴隨著黏土礦物的轉化,而蒙皂石或伊/蒙混層向伊利石轉化的過程中,可以產生大量的Ca2+、Fe3+和Mg2+離子。下溝組和赤金堡組儲層周圍泥巖的黏土礦物總量一般在20%以上,其中主要為伊利石,這說明黏土礦物經歷的較為強烈的成巖轉化。另外,泥巖中有機質通常以化學鍵或吸附的形式與黏土礦物組成有機黏土復合體,吸附一定量的Ca2+、Fe3+和Mg2+等金屬陽離子,有機質在成熟過程中會釋放出有機酸、CO2和烴類,同時也會釋放出上述金屬陽離子[20]。目前研究區泥巖中有機質演化處于成熟和過成熟階段,必定會有一定量的陽離子隨著有機質熱演化生烴而釋放出來。上述這些金屬陽離子隨著地層水向高孔隙度的砂巖儲層運移時, Ca2+、Fe3+和Mg2+離子也隨之進入砂巖儲層內部,當CO2分壓降低時,這些離子很容易結合到方解石或白云石的晶格中去,碳酸鹽的形成溫度時間(63.1～ 159.36℃)也與泥巖熱演化的時間相匹配。可見,黏土礦物轉化和有機質熱演化不僅為該地區儲層提供了大量的碳來源,同時也是碳酸鹽膠結物重要的金屬陽離子來源。這是碎屑巖儲層內普遍發育鐵方解石和鐵白云石的重要原因。

另外,斜長石中的鈣長石在酸性條件下溶解而形成高嶺石和Ca2+,這一過程可以提供一定量的鈣離子。研究區內的斜長石含量達到18.7%,在偏光顯微鏡下觀測其溶蝕溶解現象非常普遍,并且下溝組下段和赤金堡組比下溝組上段和中溝組儲層內的高嶺石含量明顯升高[15],深部儲層內原生高嶺石已經轉化為伊利石,高嶺石含量的增加得益于斜長石在酸性條件下的蝕變,同時釋放出Ca2+,因此這一過程可以提供豐富的鈣離子來源。

4 碳酸鹽膠結物對儲層物性的影響

營爾凹陷下溝組和赤金堡組碎屑巖儲層以特低孔特低滲為特征,這是在強烈壓實作用下黏土和碳酸鹽膠結所形成的,但是酸性流體的溶蝕作用也在局部形成一些物性較好的儲層[12]。碳酸鹽膠結物的化學性質活潑,對孔隙流體的酸堿性異常敏感,容易發生溶解和沉淀[25],有時在成巖過程中溶解和沉淀可以反復進行,這種特性也就決定了碳酸鹽膠結物對儲層物性的影響具有雙重性,既有有利的一面,也有不利的一面,這就給碳酸鹽膠結物研究增加了難度。

研究區碳酸鹽膠結物分布在沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中,從碳酸鹽膠結物類型和形成溫度的分析中,可以看出研究區儲層內早期碳酸鹽膠結物基本都已發生溶蝕-再沉淀,而現存的碳酸鹽為后期形成。在埋藏初期所形成的早期碳酸鹽膠結物增強砂巖的抗壓實能力,使砂巖保持較高的粒間體積,并且這種碳酸鹽膠結物對成巖環境又極為敏感,為后期溶蝕產生次生孔隙提供足夠的空間和重要的物質基礎。祁1井、長3井和長4井等井區儲層距離沉積中心較近,砂巖內碳酸鹽膠結物的溶蝕溶解現象非常普遍,產生了大量的次生溶蝕孔隙,儲層物性明顯改善,如祁1井下溝組下段儲層平均孔隙度高達16.62%,平均滲透率為88.5 X 10-3μm2。而距離沉積中心較遠的長101井赤金堡組儲層,大量的亮晶、連晶鐵白云石膠結物充填于孔隙內部,后期的地層流體并沒有對其進行有效溶解,致使儲層物性很差,平均孔隙度只有6.26%,平均滲透率僅為1.98 X 10-3μm2。在縱向上,該溶蝕溶解現象發生在與湖相泥巖接觸的薄層砂巖或不整合附近砂巖。可見碳酸鹽膠結物溶解的一個必要條件是儲層內部發育流體運移的通道,如果酸性流體無法進入碳酸鹽膠結的儲層內部,那么就不能改變碳酸鹽礦物的化學平衡,流體無法與其進行有效的物質交換。在這種情況下,碳酸鹽膠結物幾乎完全占據儲集空間,對于儲層物性來說具有較大的破壞性。

圖3 碳酸鹽膠結物含量與滲透率關系圖Fig.3 The relationship between the contents of carbonate cements and permeability

本地區主要發育孔隙式膠結的碳酸鹽,連晶方式膠結很少,因而不能對滲透率產生很大影響,從圖3中也可以看出,儲層滲透率隨碳酸鹽膠結物含量的增加一直保持穩定。當碳酸鹽含量小于大約5%時,儲層孔隙度隨著碳酸鹽膠結物含量的增加沒有明顯變化,但是當碳酸鹽含量大于大約5%時,儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結物含量增加而明顯降低(圖4)。儲層在兩種情況下碳酸鹽膠結物含量較少,一種是儲層為黏土礦物膠結從而缺乏碳酸鹽膠結物,這種儲層的孔隙度必然低,如酒參1井下溝組下段儲層內發育大量的黏土雜基并且主要為黏土礦物膠結,致使碳酸鹽膠結物只是零星出現;另一種是儲層內碳酸鹽膠結物已經部分被溶解,這種儲層的孔隙度較高,如上述的祁1井下溝組下段儲層。碳酸鹽膠結物含量較低的復雜性,導致碳酸鹽含量與孔隙度的相關性不強,而當碳酸鹽膠結物含量較高且黏土礦物含量很低的儲層,碳酸鹽膠結物含量與儲層孔隙度具有負相關性,因為當碎屑巖粒間體積一定的情況下,碳酸鹽會損失粒間體積而減少孔隙度,因而碳酸鹽膠結物含量越高儲層孔隙度越小。可見,對于深部低滲透儲層,碳酸鹽膠結物溶解所形成的次生孔隙對改善砂巖儲層質量起著關鍵作用。

圖4 碳酸鹽礦物含量與孔隙度關系圖Fig.4 The relationship between the contents of carbonate cements and porosity

5 結論

(1)酒東坳陷營爾凹陷下白堊統砂巖儲層中碳酸鹽膠結是一種含量高并對物性影響最大的膠結物,碳酸鹽礦物按成份可以分為鐵方解石、白云石和鐵白云石,并且以后者為主,在局部地區還有少量的菱鐵礦自生礦物。其主要分布于沉積中心周圍的三角洲前緣水下分流河道砂體、河口壩砂體和濱淺湖灘壩砂體中,具有分帶性的特點。

(2)根據碳酸鹽礦物的碳氧同位素分析可知,各種類型碳酸鹽膠結物的形成時間具有較強的持續性,形成溫度與干酪根熱解過程相吻合,并且碳酸鹽膠結物均為成巖作用后期產物。形成碳酸鹽礦物所需的碳、鈣、鎂和鐵主要來源于泥巖的黏土礦物轉化和有機質熱演化,另外,有一部分鈣來源于斜長石的蝕變。

(3)距離坳陷沉積中心較近的砂巖儲層中碳酸鹽膠結物的溶蝕溶解現象非常普遍,產生了大量的次生溶蝕孔隙,儲層物性明顯改善,而距離沉積中心較遠的砂巖儲層中碳酸鹽膠結物大量存在,致使儲層物性很差。可見,碳酸鹽膠結物的溶蝕溶解是深部低滲透儲層存在較為優質儲層的重要原因,該溶蝕溶解必須存在流體運移的通道。碳酸膠結物含量也對儲層質量有所影響,當碳酸鹽含量大于5%時,儲層孔隙度隨碳酸鹽膠結物含量的增加而降低,而當其含量較少時,儲層孔隙度與碳酸鹽膠結物含量之間沒有明顯對應關系。

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Characteristics of Carbonate Cements and Reservoir Quality of the Lower Cretaceous Sandstone in Jiudong Sag

LüCheng-fu1LIXiao-yan2CHEN Guo-jun1LU Xin-chuan1DU Gui-chao1,3LIChao1,3LIWei1,3CHEN Ji13
(1.Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Chinese Academ y of Sciences,Lanzhou 730000; 2.The Lanzhou Branch of National Science Library,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000; 3.Graduate University in of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

The deep burial sandstone reservoir quality is seriously affected by the carbonate cements which is an essential autogenic mineral in the Lower Crataceous formation in Jiudong sag.The thin sections and scanning electron microscope are analyzed,the energy spectroscopy,carbon and oxygen isotopes of carbonate cements are tested.The study results indicate that the carbonate cements of Lower Crataceous sandstone from the Jiudong sag aremainly ferrous dolomite,ferrous calcite and dolomite with heterogeneous distribution and apparent zonation.They were formed in the late stage of diagenesis and the source aremainly derived from clayminerals transformation,thermal evolution of organicmatter in themudstone and the partof the calcium from the alteration of plagioclase.The key reason for development of the high-quality reservoir in the deep burial low-permeability reservoirs is the dissolution of carbonate cements.In addition,the content of carbonate cement also have an impact on reservoir quality,if the content is greater than 5%,with the increase of the content of carbonate cements the porosity decreases,while it's less than 5%,there is no obvious correlation between porosity and carbonate cement content.

Jiuquan Basin;Ying'er Depression;carbonate cements;carbon and oxygen isotopes;material source

呂成福 男 1979年出生 博士 儲層沉積學 E-mail:bailu2005@163。com

TE122.2

A

1000-0550(2011)06-1138-07

①國家科技重大專項(2008ZX05000-025)、2011年中國科學院西部之光項目和甘肅省自然科學基金項目聯合資助。

2010-03-05;收修改稿日期:2011-04-25