Fractured shalegas systems裂缝性页岩气系统 陈威威.docx

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裂缝性页岩气系统

约翰·柯蒂斯（科罗拉多矿业大学）著

摘要：

美国的商业性天然气最早（1821）产自阿巴拉契亚盆地富含有机质的泥盆系页岩。

了解有机质页岩层的地质和地球化学特征，提高其天然气生产率，是20世纪70年代以来耗资巨大的研究工作中极具挑战性的问题。

页岩气系统基本上是生物成因（主要类型）、热成因或者生物一热成因的连续型天然气聚集，它以大面积含气、隐蔽圈闭机理、可变的盖层岩性和较短的烃类运移距离为特征。

页岩气可以是储存在天然裂隙和粒间孔隙内的游离气，也可以是干酪根和粘土颗粒表面的吸附气或是干酪根和沥青中的溶解气。

美国正在进行商业性采气的5套页岩层，在热成熟度（由镜质反应率表示）、吸附气馏份、储层厚度、总有机碳含量和天然气地质储量等五项关键参数上有出人意料的巨大变化。

此外，低基质渗透率页岩储层中的天然裂缝发育程度是天然气生产率的控制因素。

目前，只有少数天然裂缝十分发育的页岩井不采取增产措施便可生产商业性天然气。

在其它的大多数情况下，成功的页岩气井需要进行水力压裂。

密歇根盆地的泥盆系Antrim页岩和阿巴拉契亚盆地的泥盆系Ohio页岩约1999年全部页岩气产量（380×109立方英尺）的84％。

但是，后来经过充分勘探和开发的其它3套主要有机质页岩层，即伊利诺伊盆地的泥盆系新Albany页岩、福特沃斯盆地密西西比系的Barnett页岩以及圣胡安盆地白垩系的Lewis页岩，其天然气年产量正在稳步上升。

在作过资源评价的盆地中，页岩气资源量十分丰富，其地质资源量高达497~783×1012立方英尺。

技术可采资源量（Lewis页岩除外）变化在31～76×1012立方英尺之间。

其中以Ohio页岩的地质资源量和技术可采资源量最多。

1页岩气系统简介及其定义

产气页岩见于美国大陆的古生代和中生代岩层（图1）。

页岩气系统属于典型的非常规即连续型天然气聚集。

（美国地质调查所油气资源评价组，1995；Curtis，2001），其潜在的天然气技术可采资源底数十分巨大，但已采出的总产量和证实储量所占的比例还很小（图2）。

图2显示的资源金字塔概念在20世纪70年代晚期首次被用来分析低渗透率储层中的天然气聚集（Sumrow，2001）。

如果勘探和开发公司想利用朝向金字塔底部的天然气资源，就只有在气价不断升高、经营成本不断降低和工艺技术越来越先进等条件的有机组合下，才能使页岩气生产商业化。

要想开采资源金字塔底部的天然气，就必须充分认识这类含油气系统的潜力。

19世纪早期以来，美国共钻28000多口气页岩井（Hill和Nelson，2000）。

据目前可知，只有美国有可生产性页岩气（T．Ahlbrandt，2001，个人交流），其原因可能是井的产量和回收期未达到商业化标准，而不是缺少潜在的产气页岩系统。

这套含油气系统中的富含有机碳的细粒状页岩既是气源岩又是储气岩（Martini等，1998）。

天然气属于热成因或者生物成因，它们可以是吸附烃，裂隙和粒间孔隙中的游离气或者干酪根和沥青中的溶解气（Schetter和Parmely，1990；Martini等1998）。

典型的圈闭类型为隐蔽圈闭，它们在大面积内为天然气所饱和。

盖岩的岩性多变，包括斑脱岩（圣胡安盆地）、页岩（阿巴根盆地）、冰碛物（密歇根盆地）和页岩或碳酸盐岩相（伊利诺伊盆地）（Curtis和Faure，1997；Hill和Nelson，2000；Walter等，2000）。

虽然热成因气和生物成因气存在于页岩气储层中，但是在密歇根和伊利诺伊盆地的页岩气产层却以生物成因气为主（Schoell，1980；Martini等，1998；Walter等，2000；Shurr，2002）。

商业化生产通常需要增加含气页岩极低的基质渗透率（<0．001d）（Hill和Nelson，2000）。

完井采用水力压裂技术来打通天然裂隙系统并产生新的裂隙。

只有不超过10％的页岩气井不需要采取增产措施完井。

最早，人们试图采用硝化甘油炸药、推进剂和各种水力压裂技术对含气页岩层进行压裂（Hill和Nelson，2000）。

本文将回顾美国的5套主要页岩气系统（图1），即

（1）Antrim页岩、

（2）Ohio页岩、（3）NewAlbany页岩、（4）Barnett页岩和（5）Lewis页岩，其中Antrim页岩和Ohio页岩为介绍的重点。

2历史回顾

1627--1669年期间几个法国探险家和传教士的记叙是阿巴拉契亚盆地黑色（富含有机质）页岩单元最早的参考文献。

他们提到了现在被认为是以纽约西部泥盆系页岩为源岩的油气产出（Roen，1993）。

通常把1821年看作是美国的天然气工业的开始（Peebles，1980）。

第一口商业性气井完井于纽约州Chautauqua郡的泥盆系Dunkirk页岩，天然气用于Fredonia镇的照明（图1）（Roen，1993）。

该发现比广为人知的宾夕法尼亚石油溪Drake油井早35年。

Peebles（1980）对这一历史性事件的记载如下：

被一群男孩偶然点燃的Canadaway溪附近的气苫，使当地居民清楚地认识到这种“可燃温泉”的潜在价值。

他们打了一口27英尺深的气井，通过用中间挖空的小圆木把天然气输送到附近的几个家庭供照明之用。

后来，这种早期的圆木输气管被当地一个名叫WilliamHrat的军械工人用四分之三英尺的铝管所代替。

他把大约25英尺深的天然气输送到一个颠倒了的盛满水的大桶（称之为“气量计”），从这里再接上一根管子把天然气送往当地一家旅馆一“AbelHouse”用于照明。

1825年12月，Fredonia的检察官在报道中提到：

“我们目睹了66盏美丽的气灯被点燃的那一幕，这个气量计能够为150盏气灯供气。

现在这里还有足够的天然气供给另一个一样大小的气量计0”Fredonia的天然气供应在一片欢呼声中被认为是“全球空前未有的”。

1821年天然气的首次实际利用仅在美国天然气制造业诞生后的五年，（大多数评论员认为1816年Baltimore的天然气照明公司的成立标志着美国页岩气的开发。

沿Erie湖南岸向西扩展，于19世70年代延伸到俄亥俄州东北部。

1863年，在伊利诺伊盆地，于肯塔基州西部的泥盆系和密西西比系页岩中发现了天然气。

到20世纪20年代为止，页岩气的钻探工作已推进到西弗吉尼亚、肯塔基和印第安纳州。

1926年发现的肯塔基州东部和弗吉尼亚州西部的泥盆系页岩气田，曾是世界上最大的天然气聚集（Roen，1993）。

美国能源部的东部页岩气项目开始于1976年，它包含了一系列的地质、地球化学和石油工程研究工作，其重点是开发页岩气的增产措施技术。

天然气研究所（GRI，现更名为天然气技术研究所（GTI））在20世纪80年代和90年代初也开展了这方面的研究工作，其目的是更精确地评价页岩气的资源潜力和提高美国泥盆系和密西西比系页岩层的天然气产量。

如同福特沃斯盆地的密西西比系Barnett页岩和圣胡安盆地的白垩系Lewis页岩一样（图1），密歇根盆地的泥盆系Antrim页岩（美国20世纪90年代最有效的天然气产层）在20世纪80年代开始生产商业性天然气（Hill和Nelson，2000）。

1979～1999年间，页岩气的产量增加了6倍多（图3）。

1998年，页岩气储藏占全美干气总产量的1.6％，占天然气探明储量的2．3％（能源信息署，1999）。

3地质结构

3.1密歇根盆地Antrim页岩

Antrim页岩属于广布于中一晚泥盆纪古北美大陆的富含有机质的页岩沉积系统的一部份（图4）。

内克拉通密歇根盆地曾是沿东内部海道分布的沉积中心之一。

该盆地内充填的沉积物厚度大于17000英尺（大于5182m），其中900英尺（274m）为Antrim页岩及共生的泥盆纪一密西西比纪岩层。

在现代构造盆地中心，Antrim页岩底部的埋深（海平面下）约2400英尺（732m）（Matthews，1993）。

Antrim页岩的地层相对单一（图5）。

钻井通常在Antrim页岩下部的Lachine和Norwood段完井，其累积厚度约160英尺（49m）（图6）。

Lachine和Norwood段岩层的总有机碳含量（重量百分比）为0.5～24％。

这套黑色页岩富含石英（20～41％微晶石英和风成粉砂），有大量的白云岩和石灰岩结核，以及碳酸盐、硫化物和硫酸盐胶结物。

Antrim页岩下部的Paxton段为泥状灰岩和灰色页岩互层（Martini等，1998），总有机碳含量为0．3～8％，硅酸盐7～30％。

根据化石藻Foerstia的对比结果，在Antrim页岩上部、阿巴拉契亚盆地的Ohio页岩的Huron段（图7）、以及伊利诺伊盆地新Albany页岩的Clegg溪段建立了等时代层序（Roen，1993）。

Antrim下段页岩中的大型构造相对简单（图8）。

表1五套页岩气系统的地质、地球化学和储层参数

Antrim页岩含油气系统的圈闭和盖层是隐蔽的，以下将对此进行讨论。

表1讨论了Antrim页岩含气系统和美国其它4个页岩含气系统的主要地质、地球化学和工程参数，这些参数变化范围大，属典型的非常规气藏。

勘探和开采数据所需的实验室和现场测试专业技术及对低孔隙度和特低渗透性气藏的地层评价技术都是由美国能源部和天然气技术研究院制定的（Luffel等，1992；Lancaster,1996；Frantz,1999）。

图9表示以下五个关键参数值的变化范围：

（1）镜质体反射率（R0，％），干酪根的热成熟度指标；

（2）天然气中的吸附气部份；（3）储层厚度；（4）总有机碳；（5）每英亩一英尺储层的天然气地质储量。

每一个盆地的这五个参数经标准化后，其最大值为5，最小值为0。

对图9的观察说明，其它富含有机质的裂缝性页岩的参数尽管与Antrim页岩有很大的差别，但是它们仍然可以产商业性天然气。

除了页岩气生产初期不需要大量脱水以外，其共生水与典型煤成甲烷的共生水产出类似（Ayers，2002）。

Antrim页岩的天然气生产，至少在短期内，已趋于稳定。

1998年，其产量为195×109立方英尺（Hill和Nelson，2000）。

1999年，6500口生产井共产气190×109立方英尺，比1998年约降低2％。

大多数生产井位于密歇根盆地北部（北部生产区）（图1，6）。

单井平均日产气量为116×103立方英尺，日产水量30桶。

在北部生产区，发现了两组主要的天然裂缝，一组为北西向，另一组为北东向，其倾角近于垂直或垂直。

这些裂缝通常未被胶结或者仅有很薄的方解石包覆层（Hoist和Foote，1981；Decker等，1992；Martini等，1998），其垂直延伸距离为几米，地面露头上的水平延伸范围达几十米。

人们试图在生产区以外的Antrim页岩中生产天然气，尽管也钻到了富含天然气的有机质页岩，但其天然裂缝不发育，因而渗透率很低（Hill和Nelson，2000）。

Antrim页岩的天然气不是产自单个的气田。

但是，像其它连续型天然气聚集一样，Antrim页岩在较广阔的地区内为天然气所饱和。

只要对现有的天然裂缝采取增产措施就有可能产出商业性天然气（Milici，1993Hill和Nelson，2000）。

有充足的证据表明，20世纪90年代初期，在北部生产区以南和以东的钻井中，发现较深的Antrim页岩为甲烷所饱和，但其渗透率低不能产气（图6）。

Antrim页岩气似乎具有双重成因，即干酪根经热成熟作用而形成的热成因气和甲烷菌代谢活动形成的微生物成因气（即生物成因气）。

根据Martini等（1998）对地层水化学、采出气和地质历史的综合研究结果，北部生产区的采出气应以微生物气为主；十分发育的裂缝网络不仅使Antrim页岩内的天然气和原生水发生运移，而且使其中有上覆更新统冰碛物含水层中的含菌雨水侵入。

甲烷和共生地层水的氘（重氢）同位素组成（泐）为天然气的细菌甲烷成因提供了强有力的证据。

Martini等（1998）认为裂缝发育和冰川作用之间存在动态关系，即多次冰席载荷形成的水力压头加速了先存天然裂缝的膨胀并使其中有雨水补给从而有利于甲烷成因气的生成。

根据甲烷/乙烷+丙烷比值以及采出乙烷的碳同位素（δ13C）组成，Antrim页岩中也有少量（<20％）的热成因气。

热成因气组分在向盆方向，即向干酪根热成熟度增加的方向而不断增加。

图l1中、上泥盆世岩层放射性黑色页岩的总有效厚度图

图12Ohio页岩Huron段下部的总有机碳分布

3.2Antrim页岩含油气系统

若要深入了解源岩、储集岩、圈闭和盖层这些商业性油气聚集的传统必要条之间的相互影响，则应该把这些因素作为含油气系统的组成部分来加以分析。

Magoon和Dow（1994）提出的这个概念可用来评价有效烃源岩及其形成烃类聚集之间的成因联系。

含油气系统的基本单元是烃源岩、储集岩、盖层和上覆岩层。

必须考虑的成藏作过程包括圈闭形成、油气生成、运移、聚集及其合适的时空配置。

应用含油气系统这个概念的核心关键在于确定油气成藏的关键时刻，即油气的生成、运移和聚集的最佳匹配时间。

同本书讨论的其它非常规含油气系统一样，裂缝性页岩气系统并不具备Magoon和Dow（1994）所定义的含油气系统的所有组成部分。

例如，Antrim页岩下部Lachine和Norwood段这样的富含有机质的页岩层既是烃源岩又是储集岩。

导致产能系数和渗透率升高的破裂作用，可能是由干酪根向沥青转化的热成熟作用（内因）或者构造作用力（外因），或者这两者产生的压力引起。

此外，这些事件可能发生在截然不同的时间。

对于任何一次事件来说，页岩内的烃类运移的距离均相对较短。

位于页岩上部或下部的常规储层也可能同时含有作为烃源岩的这套岩层生成的油气（Cole等，1987）。

图10为下Antrim页岩地质历史中关键事件的发生时间示意图（Magoon和Dow，1994）。

尽管烃类生成可能发生在不同的地质时期，但目前产出的天然气很可能是几万年前生成的（Martini等，1998）。

在漫长的地质历史中，热成因气可能从页岩储层中漏失了。

天然气的晚期生成与更新世冰川作用的共生关系无疑会导致因上覆冰碛物引起的圈闭形成以及冰席载荷/卸载造成的破裂作用（Martini等，1998；Hill和Nelson，2000）。

因此，继油气生成、运移、聚集之后的含油气系统的保存时间几乎为零，因为该含油气系统可能还在生成微生物气（Magoon和Dow，1994）。

3．3Ohio页岩

阿巴拉契亚盆地Ohio页岩（图1）在许多方面不同于Antrim页岩含油气系统。

如上所述，美国的首次商业性天然气就产自该含油气系统。

图7是西弗吉尼亚中部和西部产气区泥盆纪页岩层的地层剖面。

由于阿巴拉契亚盆地沉积环境的变化，实地的地层要比图中表示的复杂得多（Kepferle，1993；Roen，1993）。

中、上泥盆世页岩地层的分布面积约128，000平方英里（331，520平方公里），它们沿盆地边缘出露地表。

其地下地层厚度超过5000英尺（1524m），富含有机质的黑色页岩的有效厚度大于500英尺（152m）（图11）（deWitt等，1993）。

阿巴拉契亚盆地巨厚的古生代沉积岩楔形体反映了富含有机质的岩石（主要是碳质页岩）、其它的碎屑岩（砂岩、粉砂岩和贫有机质的粉砂质页岩）和碳酸盐岩的旋回沉积作用（Roen，1993，1984）。

这些岩石沉积在向东倾斜的不对称前陆盆地内，该前陆盆地是劳伦古大陆由被动边缘向会聚边缘环境的转变过程中形成的。

阿巴拉契亚盆地至少有三个大型古生代沉积旋回，每一个沉积旋回的底部为碳质页岩、向上变成碎屑岩、顶部为碳酸盐岩。

泥盆系黑色页岩层分布在第二沉积旋回中。

该页岩层可再分成由碳质页岩和较粗粒碎屑岩互层组成的五个次级旋回（Ettenoshn，1985）。

它们是在阿卡德造山运动的动力作用下和Catskill三角洲的向西进积中沉积下来的（图4）。

Rome断槽（图12）是导致Iapetus洋形成的晚元古代被动大陆边缘裂谷作用产生的一个复杂的地堑系统。

此后，在塔康、阿卡德和阿勒格尼造山运动中，该地堑的边界断裂发生活化（Coogan，1988；Shumaker，1993），在晚泥盆世浅内陆海的洋底形成了许多地貌凹陷，Curtis和Faure（1997，1999）认为，与这些地貌凹陷相关的断陷次盆地对Ohio页岩下Huron段和西Falls组的Rhinestreet页岩段中藻类有机质的保存有明显的控制作用（图7）。

这些断陷次盆地可能由于其水循环条件差而限制了氧的补给。

有机质的保存条件也因为盆地上方水体中Tasmanites等藻类的周期性繁殖而变好。

这些藻类的繁殖由于消耗分子氧使有机质大量富集，从而保存藻类物质，甚至是次盆地边界以外沉积物中的藻类物质。

图12表示Ohio页岩下Huron段（主要烃源岩）干酪根（总有机碳指标）的分布。

根据镜质体反射率的研究结果，对于烃类生成来说，下Huron段所有的有机质基本上都是热成熟的。

这些有机质以Ⅱ型干酪根为主，利于生成液态和气态烃（Curtis和Faure，1997，1999）。

在图12中，总有机碳等值线所圈定的大部分产气区包括西弗吉尼亚、东肯塔基和南俄亥俄（GRI，2000）。

在西弗吉尼亚的Calhoun郡，下Huron段的下部剖面产气，其放射性测井曲线读数最大（参见天然气研究所（nowGTI）的标准测井曲线，图13）。

总的说来，下Huron段的总有机碳含量约1％。

在下部的产气剖面，总有机碳含量可达2％。

由图12可见，黑色页岩所占比例、总有机碳含量和产气率均向西增加，在靠近西弗吉尼亚边界附近Kentucky郡的BigSandy气田处达

到最大值。

这也几乎与总有机碳最大含量和干酪根含量一致。

BigSandy气田自1921年开始生产页岩气以来（Hunter和Young，1953），一直是阿巴拉契亚盆地产量最高的页岩气、田。

Hunter和Young的研究（1953）使我们对Ohio页岩含油气系统有深人了解。

在所研究的3400口井中，只有6％的井未采用增产措施完井。

这些井可能发育天然裂缝网络，其平均无阻产量为1055×103立方英尺。

其余94％的井完井后无可观产量，平均日产量仅61×103立方英尺。

这些井后来用早期的油田射孔技术进行了增产处理，用于井下爆炸的硝化甘油炸药通常为3，000～7，000lb。

气井采取增产措施后，其平均Et产量约285×103立方英尺，比采取增产措施前提高了4倍多。

Hunter和Young（1953）的结论是，射孔提高了裂缝孔隙度和渗透率，因而能产出有商业价值的天然气。

现在的增产措施尽管不象射孔那样给人以深刻的直观印象，但其效果更明显，对储层的损害更小。

目前，气井通常用液态氮泡沫和砂支撑剂进行压裂（Milici，1993）。

1994年以前，美国页岩气主要产自Ohio页岩，直到密歇根盆地钻探工作的迅速发展使Antrim页岩的气产量位居全美之首。

3.4新Albany页岩

伊利诺伊盆地的新Albany页岩（图1，4）与Ohio页岩和Antrim页岩部分相似（Roen，1993）。

新Albany页岩的厚度变化范围在100～400英尺（30～122m）之间，埋深600～4900英尺（182～1494m）（Hassenmueller和Comer，1994）。

与本文讨论的其它黑色页岩类似，新Albany页岩中的天然气为裂缝和基质孔隙中的游离气以及干酪根和粘土颗粒表面的吸附气（Walter等，2000）。

研究表明，商业性天然气产出与断裂和褶皱引起的破裂作用以及碳酸盐建造上的页岩披覆作用相关（Hassenmueller和Zupparm，1999）。

图14福特沃斯盆地的埋藏历史和地层剖面

新Albany页岩的天然气主要产自肯塔基州西北部和毗邻的印第安纳州南部的大约60个气田。

但是，其已采出和当前的天然气产量都大大低于Antrim页岩或Ohio页岩的气产量（图3）。

新Albany页岩的天然气勘探和开发曾受到密歇根盆地Antrim页岩产层富有成效的开发工作的鼓舞，但效果并不理想（Hill和Nelson，2000）。

新Albany页岩的天然气（据认为是生物成因气）生产伴有大量的地层水产出（Walter等2000）。

水的存在似乎说明地层有一定的渗透率。

但是，对控制新Albany页岩天然气产出和生产率控制因素的研究不如Antrim和Ohio页岩清楚，这正是伊利诺伊盆地作业者目前协同研究的课题。

一家得到天然气技术研究所（GTI）资助的联合研究组，最近完成了对新Albany页岩气生产要素（天然裂缝、水生产、完井工艺和经济学）的调整工作（Hill，2001）。

其中包括Walter等人（2000）的控制天然气产出的可能水化学因素的研究工作。

尽管新bany页岩气的生产潜力还没有得到证实，但随着最近井口气价的增加，其勘探和钻井工作已经加快了（Hill，2001）。

3.5Barnett页岩

1981年，Mitchell能源开发公司（MEDC）开始从福特沃斯盆地密西西比系的Barnett页岩生产商业性天然气（图1）。

其主要产区是NewarkEast气田，但目前MEDC（现已被兼并为Devon能源公司）和其它作业者在其它地区也发现了商业性页岩气产层（Hill和Nelson，2000；Barnett页岩HomePage，2001；Williams,2002）。

Barnett页岩东气田的埋藏深度为6500～8500英尺（1981--2591m），页岩有效厚度50～200英尺（15～61m）（表1）。

Barnett页岩的地球化学和储层参数，特别是天然气地质储量与其它产气页岩明显不同（图9）。

例如，Barnett页岩气为热成因。

按照图14的模式，烃类的生成从晚古生代开始并一直延续到中生代，随着岩层的隆起和冷却于白垩纪时结束（Jarvie等，2001）。

此外，Barnett页岩中的有机质还生成了液态烃。

Jarvie等（2001）在福特沃斯盆地西部奥陶纪至宾夕法尼亚纪的其它13个地层单元中也见到了以Barnett页岩为源岩的石油。

这些石油经裂解构成了该区的部分天然气资源。

Jarvie等（2001）还假定，尽管Barnett页岩含油气系统的含油气潜力是世界级的，但是有两个因素却抑制了石油和天然气的生产能力：

（1）该含油气系统的其它要素（运移途径、储集岩和圈闭）的时空配置对烃类的阶段性排出不适宜；

（2）盖层的周期性泄漏。

尽管如此，Barnett页岩气产量仍在增加，其900多口井的年产量超过400×103立方英尺/日（williams，2002）。

鉴于市场、基础设施条件以及靠近达拉斯福特沃斯大都会区，Barnett产层的范围从历史生产区正在不断但有限度地向外扩展。

3.6Lewis页岩

按照地质时代和商业性开发时间，科罗拉多和新墨西哥州圣胡安盆地中部的Lewis页岩都是最年轻的页岩气产层（图1）。

Lewis页岩为富含石英的泥岩，其总有机碳含量变化在0．5