一般情况下，砂岩储集层的质量主要与沉积和成岩作用对孔隙度和渗透率的联合控制有关(Worden，2006)。其中，沉积控制因素包括粒度和分选、碎屑黏土(杂基)含量以及生物扰动或成壤作用程度。成岩控制因素包括压实程度和类型(机械压实或化学压实)、胶结物类型和含量以及溶蚀、溶解作用等。研究表明，碳酸盐胶结物对储集层孔隙度和渗透率损失的贡献远远超过石英胶结物(Morad，1998；Cade et al., 1994)。

除了沉积和成岩作用外，幔源CO₂充注对砂岩储集层质量的改造也不容忽视。幔源CO₂为深源流体，其在充注后改变了原有的孔隙流体-矿物平衡状态，导致硅酸盐矿物和碳酸盐矿物不同程度的溶蚀、溶解(曲希玉等，2008)，以及一些碳酸盐矿物(例如方解石)的再沉淀和新碳酸盐矿物(如片钠铝石)(刘立等, 2006, 2009)的形成。显然，这一过程造成了新一轮的储集层非均质性(Higgs et al., 2013)。例如，在渤中坳陷石臼陀凸起东段新近系沙河街组，幔源的CO₂充注极大地改善了储集层质量(王清斌等，2012)。海拉尔盆地乌尔逊凹陷的下白垩统砂岩中情况则相对复杂，片钠铝石含量似乎是储集层质量发生变化的界限，当片钠铝石含量大于10%，随片钠铝石含量增加，砂岩的孔隙度和渗透率降低；当片钠铝石含量小于10%，随片钠铝石含量增加，部分砂岩的孔隙度和渗透率表现出增加趋势(刘立等，2009)。

松辽盆地南部红岗油田上白垩统青山口组二段及一段砂岩中片钠铝石胶结物极为发育(Liu et al., 2011)，在纵向上形成了以泥岩隔夹层分隔的多层式分布样式。本文的目的是：①刻画片钠铝石胶结层与泥岩隔夹层的岩石学特征；②讨论片钠铝石的多层式分布的形成机制。

1 地质背景

红岗油田位于松辽盆地南部中央凹陷区的红岗构造，该构造为一呈北北东向展布的长轴背斜，西接西部斜坡带，东连大安凹陷，南临长岭凹陷。区内发育的地层自下而上为白垩系(泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组和明水组)、古近系和新近系(大安组和泰康组)及第四系，基底为古生代变质岩与海西期花岗岩。背斜于晚白垩世嫩江组沉积末期呈现雏形，明水组沉积末期形成，最后定形于古近纪大安组沉积末期(陈国利，2003)。

在盆地发育时期，红岗地区总体上处于分流平原-浅湖沉积环境。在晚白垩世青山口组沉积早期，来自西北部的英台及白城水系在红岗地区汇集形成扇三角洲前缘。砂体类型为水下分流河道、河口坝、席状砂和远砂坝。单砂体厚度为1.5~10.8 m(牛世忠等，2012)。高台子油层埋藏深度为1250~4620 m。储集层主要由粉砂岩和细砂岩组成，其次为含钙含泥粉砂岩和粗粉砂岩。储集层孔隙度范围为15%~23%，均值为18.6%，渗透率范围为5×10^-3~300×10^-3 μm²，均值为45×10^-3 μm²(牛世忠等，2012)。储集层的成岩阶段处于晚成岩A1期(秦刚和龙华，2014)，部分井段以发育片纳铝石胶结物为特征(黄善炳，1983；刘立等，2011；刘娜等, 2011a, 2011b；于志超等，2011；Liu et al., 2011)。

2 片钠铝石的纵向分布特征

根据薄片鉴定资料，在红岗油田的H146井和H148井(图 1)青山口组砂岩中各识别出3层含片钠铝石层(图 2)。

在H146井钻遇的地层中，含片纳铝石层的分布的深度为1500~1550 m(图 2)，识别出的3层含片纳铝石层自上而下依次标记为D1、D2和D3。D1层埋深为1505.51~1508.16 m，厚度为2.65 m，录井岩性为粉砂岩，其上覆岩性为互层的泥岩和粉砂岩。D2层的埋深为1518.1~1519.8 m，录井岩性为粉砂岩及泥质粉砂岩。D1层赋存的砂岩与D2层赋存的砂岩之间为9.5 m厚的泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩。在D2层赋存的砂岩之上约1 m处采集到3件泥岩夹层样品，采集样品处的泥岩夹层标记为M1。D3层的埋深为1544.53~1550.41 m，录井岩性为细砂岩与粉砂岩互层。D3层与D2层之间为23 m厚的泥岩夹薄层粉砂质泥岩和泥质粉砂岩，所采集的2套泥岩夹层样品分别标注为M2和M3。

H148井含片纳铝石层的分布深度为1478~1484 m(图 2)，亦识别出3个含片钠铝石层，自上而下依次标记为D4、D5和D6。D4层埋深为1478~1479 m，厚度为1 m，录井岩性为粉砂岩，其上覆地层为近70 m厚的泥岩。该厚层泥岩之上未发现片钠铝石胶结物，因此该泥岩应属古CO₂气藏的盖层。在盖层泥岩的近底部处采集到2套样品，分别标注为C1(1473.7~1476.5 m)和C2(1477.5 m)。D5层埋深为1481.5~1482.5 m，厚度为1 m，录井岩性为介形虫层和粉砂岩。D4层与D5层粉砂岩之间为约1 m厚的泥岩夹层。在该泥岩夹层中采集的样品标记为M4(图 2)。D6层埋深为1483~1484 m，厚度为1 m，录井岩性为粉砂岩和泥质粉砂岩。D5层和D6层之间为泥岩和粉砂岩。

3 岩石学特征 3.1 含片钠铝石砂岩

根据薄片鉴定与组分统计，含片钠铝石层的岩石类型主要为细-极细粒岩屑长石砂岩和长石砂岩，极个别样品为粉砂岩(表 1)。砂岩中的主要胶结物为方解石、片钠铝石及次生加大石英(表 1)(图 3a、3b)。其他自生矿物或填隙物有次生加大长石、铁白云石、铁方解石和黏土矿物。黏土矿物主要为伊利石和伊蒙混层矿物，其次为高岭石(0~10%)(刘娜，2011a；Liu et al., 2011)。在上述自生矿物或填隙物中，片钠铝石和铁白云石为最晚形成的自生矿物。H146井片钠铝石的δ¹³C_PDB值为-1.69‰~+0.21‰，计算的与片钠铝石平衡的CO₂的δ¹³C_PDB值为-8.30‰~-6.27‰(表 2)。

3.2 盖层泥岩

按照特征矿物，盖层泥岩可细分为含白云石泥岩和含片钠铝石泥岩。盖层C1分布于H146井1473.7~1476.5 m处(图 2)，由含白云石泥岩组成。14件样品的X射线衍射分析表明，盖层C1以普遍发育白云石(2.6%~6.8%，均值为4.6%)自生矿物为特征，其他非黏土自生矿物包括菱铁矿(0~8.5%)和黄铁矿(3%~4.1%，均值为3.6%)。黏土矿物主要为伊利石(16.6%~39.6%，均值为26.3%)及伊利石/蒙皂石混层矿物(7%~32.2%，均值为21%)(表 3)。

盖层C2分布于H146井1477.5 m处(图 2)，为含片钠铝石泥岩，其片钠铝石含量较低(2%)，其他非黏土自生矿物有菱铁矿(2%)和赤铁矿(1%)，黏土矿物主要为伊利石(19%)及伊利石/蒙皂石混层矿物(9%)(表 3)。

3.3 泥岩夹层

根据特征矿物，泥岩夹层可细分为富伊利石泥岩(M1、M2)、含白云石泥岩(M3)和含片钠铝石泥岩(M4)。M1和M2富伊利石泥岩夹层分布于H146井的1516 m和1521~1523 m处(图 2)。10件样品的X射线衍射分析结果表明，伊利石泥岩中的非黏土自生矿物包括方解石(0~4.3%，M1)、白云石(0~6.6%，M2)、菱铁矿(0~4.7%，M1；0~8%，M2)、黄铁矿(均值为4.2%，M1；0~4.3%，M2)和赤铁矿(0~3.5%，M2)。黏土矿物以伊利石(均值为43.3%，M1；39.5%，M2)为主，其次为伊利石/蒙皂石混层(均值为6.4%，M1；9.6%，M2)(表 3)。

M3含白云石泥岩夹层分布于H146井的1540~1541 m处(图 2)，普遍发育高含量的白云石(均值为13.1%)，其他非黏土矿物仅存在黄铁矿(均值为5.5%)。黏土矿物以伊利石(均值为40.3%)为主，其次为伊利石/蒙皂石混层(均值为12.1%)(表 3)。

M4含片钠铝石泥岩夹层分布于H148井的1480.8~1481.2 m处(图 2)，普遍存在片钠铝石(图 3c、3d)(均值为3.7%)，其他非黏土矿物包括白云石(0~7.1%)、菱铁矿(0~4.3%)、黄铁矿(0~4.1%)和赤铁矿(0~2%)。黏土矿物以伊利石(均值为24.7%)为主，其次为伊利石/蒙皂石混层(均值为22.8%)(表 3)。

4 讨论

片钠铝石为含钠和铝的碳酸盐矿物，其形成要求含钠和铝的碱性流体和高CO₂分压。业已证实，片钠铝石是天然CO₂运移和聚集的示踪矿物(高玉巧等，2005)。根据热力学计算，片钠铝石形成的CO₂分压至少为10^-2(Ryzhenko，2006)。在绝大多数CO₂气藏所处的温度和压力条件下，CO₂为超临界流体。一方面，水可以溶解于超临界CO₂中，形成湿的超临界相(wet scCO₂ phase)(Pearce et al., 2016)。在矿物表面，这种湿的超临界CO₂相的厚度虽然仅为纳米到埃级(Lin et al., 2008)，但是，一些研究者(White et al., 2011)预测，矿物表面上的这种薄水膜将容许储集层中那些在体量水环境中不能形成的相沉淀。Pearce等(2016)最近的实验表明，富黏土的盖层岩石与含SO₂的、水饱和的超临界CO₂反应，引起了碳酸盐矿物的轻微溶解和富Fe绿泥石的蚀变并伴随硫酸钙、伊利石和Fe氧化物的形成。另一方面，超临界CO₂也可以溶解于地层水中，进而导致砂岩的漂白和含铁碳酸盐结核的形成(Loope and Kettler, 2015)。毋庸讳言，湿的超临界CO₂引起的溶解-沉淀的规模是极为有限的。

比较以上两种机制，笔者认为，松辽盆地南部红岗油田片钠铝石的多层式分布与超临界CO₂溶解于地层水有关。在CO₂气藏中存在底水的情况下，汽水界面处的超临界CO₂将不断地溶解进入底水。由于CO₂的溶解将引起地层水的密度增加(Neufeld et al., 2010)，因此，在重力分异作用下，底水中的溶解CO₂的浓度将很容易达到片钠铝石沉淀要求的高CO₂分压，进而形成片钠铝石胶结物。基于上述考虑，一个典型的CO₂气藏应该由上部的超临界CO₂层和下部的水溶CO₂层组成。超临界CO₂层中留下的地质记录可能微乎其微。水溶CO₂层则往往以片钠铝石等碳酸盐矿物的形式记录CO₂的曾经驻留。因此，在超临界CO₂与片钠铝石胶结物共存的CO₂气藏中，片钠铝石胶结层应视为水溶CO₂层。如果气相CO₂消耗殆尽，片钠铝石胶结层应视为古CO₂储集层。H148井古CO₂储集层中片钠铝石的δ¹³C值(-1.69‰~0.21‰)(表 2)与已证实同岩浆活动有成因联系的澳大利亚上猎人谷片钠铝石的δ¹³C值(-1.7‰~2.4‰)(Golab et al., 2006)极为接近。此外，计算的与片钠铝石平衡的CO₂的δ¹³C值(-8.30‰~-6.27‰)(表 2)与其邻近的孤店CO₂气田中的CO₂气的δ¹³C值(-9.76‰~-5.74‰)(戴金星等，1995)基本一致。说明二者的碳源均为幔源CO₂流体(Liu et al., 2011)。虽然H146井中的片钠铝石尚无碳氧同位素分析数据，但是，根据类比原理，其碳来源应该与H148井一致。

H148井盖层C2与泥岩夹层M4中片钠铝石的形成可能属于下伏砂岩中超临界CO₂向上扩散的产物。迄今为止，以非裂缝充填形式存在于泥级沉积物或沉积岩中的片钠铝石仅报道于土壤(Hay，1963)、高岭石黏土岩(Limantseva et al., 2008)和油页岩(Smith and Milton, 1966)。尽管其宿主沉积物或沉积岩不尽相同，但是，其沉淀均被认为与蒸发浓缩的碳酸流体有关。与以上片钠铝石形成的地质条件不同的是，在松辽盆地南部的H148井片钠铝石发育层段(上白垩统青山口组二段)中，不存在坦噶尼喀(Oduvai)峡谷含片钠铝石土壤(凝灰岩风化产物)(Hay，1963)中发育的钙结壳，也不存在科罗拉多Piceance Creek盆地含片钠铝石油页岩(Smith and Milton, 1966)中发育的指示蒸发环境的天然碱和苏打石等特征矿物。虽然H148井片钠铝石发育层段沉积于扇三角洲前缘或滨浅湖环境，但并没有达到强烈蒸发的程度。此外，在松辽盆地的地层序列及其附近也未发现任何盐类沉积，不存在类似于白俄罗斯Zaozernyi矿高岭石黏土岩中片钠铝石形成的大气水淋滤盐丘成因的饱和碳酸的NaCl卤水(Limantseva et al., 2008)。显然，H148井盖层C2与泥岩夹层M4中片钠铝石的形成不具备以上地质条件，而来自下伏砂岩储集层中饱和水的超临界CO₂的向泥岩中扩散可能是最合理的解释。饱和水的超临界CO₂属于湿超临界CO₂相。这种湿的超临界CO₂相是浮动的，最可能向富含黏土的盖层岩石的底部迁移(Pearce et al., 2016)。假定泥岩中的片钠铝石是饱和水的超临界CO₂向上扩散的唯一记录，那么根据盖层C2与隔夹层M4的分布位置(图 2)可以大致推断饱和水的超临界CO₂向上扩散的上限距离。盖层C2赋存的埋深1477.5 m，假定自其分布位置向下至砂岩顶面(1478 m)，向上至盖层C1(含白云石泥岩)的底界均为片钠铝石泥岩，则饱和水的超临界CO₂向上扩散的上限距离约为1.5 m。如果假设埋深1480.5~1481.5 m之间发育的泥岩夹层(含M4泥岩夹层)之中均发育片钠铝石，假设D4片钠铝石胶结层之下的砂岩中也含有片钠铝石的话，则饱和水的超临界CO₂向上扩散的下限距离为1 m。尽管以上的假设不尽合理，但是至少可以说明来自下伏砂岩层中的饱和水的超临界CO₂向上扩散(即纵向扩散)的距离是有限的。

近年来的研究表明，含CO₂流体-矿物的相互作用亦可以引起白云石等碳酸盐矿物的沉淀。例如，Heinemann等(2009)根据分步分析白云石的碳和氧同位素的方法，估计北海Fizzy气田砂岩储集层中约有0~22%的白云石形成于气藏中的CO₂-矿物反应。Watson等(2004)根据比较岩石学方法，提出澳大利亚Otway盆地Ladbroke Grove气田(CO₂含量为26%~57 %mol)中，由于CO₂充注引起了钠长石、火山岩岩屑、绿泥石和方解石的溶蚀、溶解以及石英高岭石和铁碳酸盐矿物的沉淀。Lu等(2009)根据CO₂气藏上覆泥岩盖层中的碳同位素由储集层/泥岩盖层界面向上呈线性变轻趋势，推断北海Miller油田中，储集层中自由相CO₂向泥岩盖层中扩散的距离为12 m。此外，数值模拟表明，在CO₂注入1万年后，可在砂岩/页岩界面的页岩一侧形成铁白云石沉淀，其沉淀量可达4%(Xu et al., 2004)。

尽管根据数值模拟(Xu et al., 2004)，在CO₂充注过程中，在砂岩页岩界面的页岩一侧，由于钾长石的溶解可以导致伊利石的沉淀。但是，在地质背景中，目前尚难以区分埋藏成岩作用与CO₂-矿物相互作用形成的伊利石。

多层式片钠铝石胶结物的形成可能与含CO₂流体的纵向或横向运移有关。纵向运移是饱和水的超临界CO₂由下伏的砂岩层向上扩散穿越泥岩隔夹层进入到上覆砂岩层的流体运移形式。如果条件合适，饱和水的超临界CO₂将继续向上覆地层扩散，直到含饱和水的超临界CO₂消耗殆尽。同时，在饱和水的超临界CO₂经过的砂岩层中留下“碳足迹”-片钠铝石。横向运移是被泥岩隔夹层分隔的砂岩系主砂岩层的末端，由于来自主砂岩层的含CO₂流体被泥岩隔夹层所分流，进而形成多层式片钠铝石胶结层。由于目前尚不能确定泥岩盖层和泥岩夹层中白云石和伊利石泥岩的形成是否与饱和水的超临界CO₂向上扩散有关，而泥岩盖层和泥岩夹层中赋存的片钠铝石约束的饱和水的超临界CO₂向上扩散的距离有限，可以认为多层式片钠铝石胶结层的形成总体上与幔源CO₂流体的横向运移有关，局部具有来自下伏砂岩层中饱和水的超临界CO₂向上扩散的贡献(图 4)。

5 结论

(1) 片钠铝石胶结层以片钠铝石含量高和碳同位素值分布窄为特征，其形成与幔源CO₂流体-矿物相互作用有关。

(2) 泥岩夹层的岩石类型包括含片钠铝石泥岩、含白云石泥岩和富伊利石泥岩。泥岩盖层的岩石类型自下而上为含片钠铝石泥岩和含白云石泥岩。泥岩中片钠铝石的形成可能与来自下伏砂岩中饱和水的超临界CO₂向上扩散有关。

(3) 多层式片钠铝石胶结层的形成总体上与幔源CO₂流体的横向运移有关，局部具有来自下伏砂岩层中饱和水的超临界CO₂(幔源)向上扩散的贡献。