北美地区典型页岩气盆地成藏条件解剖.docx

1、北美地区典型页岩气盆地成藏条件解剖北美地区典型页岩气盆地成藏条件解剖1、阿巴拉契亚盆地俄亥俄页岩系统（1）概况阿巴拉契亚盆地（Appalachian）位于美国的东部,面积280000平方公里，包括New York西部、Pennsylvania、West Virginia、Ohio、Kentucky和Tennessee州等，是美国发现页岩气最早的地方。俄亥俄（Ohio）页岩发育在阿巴拉契压盆地西部,分布在肯塔州东北部和俄亥俄州，是该盆地的主要页岩区（图2）。该区古生代沉积岩是个巨大的楔形体，总体上是富含有机质页岩、碎屑岩和碳酸盐岩构成的旋回沉积体。图1 美国含页岩气盆地分布图1953年，Hunt

2、er和Young对Ohio页岩气3400口井统计，只有6%的井具有较高自然产能（平均无阻流量为2.98万m2/d），主要原因是这些井的页岩中天然裂缝网络比较。其余94%的井平均产量为1726m3/d，经爆破或压裂改造后产量达8063m3/d，提高产量4倍多。1988年前，美国页岩气主要来自Ohio页岩气系统。截止1999年末,该盆地钻了多达21000口页岩井。年产量将近34亿m3。天然气资源量58332566337亿m3,技术性可采收资源量41067787亿m3。每口井的成本$200000-$300000，完井成本$25$50。（2）构造及沉积特征阿巴拉契亚盆地东临Appalachian山脉，

3、西濒中部平原，构造上属于北美地台和阿巴拉契亚褶皱带间的山前坳陷。伴随Laurentian古陆经历了由被动边缘型向前陆盆地的演化过程。盆地以前寒武纪结晶岩为基底，古生代沉积岩呈巨大的楔形体(最大厚度12 000 m)埋藏于不对称的、向东变深的前陆盆地中。寒武系和志留一密西西比系为碎屑岩夹碳酸盐岩，奥陶系为碳酸盐岩夹页岩，宾夕法尼亚系为碎屑岩夹石灰岩及煤层。总体上由富有机质泥页岩(主要为碳质页岩)、粉砂质页岩、粉砂岩、砂岩和碳酸盐岩等形成34个沉积旋回构成，每个旋回底部通常为富有机质页岩，上部为碳酸盐岩。泥盆系黑色页岩处于第3个旋回之中，分布于泥盆纪Acadian造山运动下形成的碎屑岩楔形体内（J

4、ames,2000）。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迥(Ettensohn，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。（3）页岩气成烃条件分析 页岩分布特征阿巴拉契亚盆地中南部最老的泥盆纪页岩层系属于晚泥盆世。Antrim页岩和New Albany大致为Chattanooga页岩和Ohio页岩的横向同位层系（Matthews,1993）。在俄亥俄东边和南边,Huron段分岔。有的地区已经被插入的灰色页岩和粉砂岩分成两个层。俄亥俄页岩系统，覆盖于Java 组之上(图3)。由三个岩性段组成：下部 Huron段为放射性

5、黑色页岩，中部Three Lick层为灰色与黑色互层的薄单元，上部Cleveland段为放射性黑色页岩。俄亥俄页岩矿物组成包括：石英、粘土、白云岩、重金属矿（黄铁矿）、有机物。图2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。中上泥盆统的分布面积约128，000mi2(331，520km2)，它们沿盆地边缘出露地表。页岩埋藏深度为6101520m，页岩厚度一般在100400ft(30120m),泥盆系黑色页岩最大厚度在宾夕尼亚州的中北部(图3)(deWitt等，1993)。页岩地球化学特征图4表示Ohio页岩下Huron段烃源岩有机碳等值线图。从镜质体反射率特征来看，下Huron段所有的

6、有机质基本上都是热成熟的。有机质类型以型干酪根为主，利于生成液态和气态烃(Curtis和Faure，1997，1999)。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段的下伏页岩地层产气，其放射性测井曲线读数最大，这与其下伏泥页岩层段有机碳含量较高（达2）相一致。由图4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Big Sandy气田处达到最大值。该气田自1921年开始生产页岩气以来一直是阿巴拉契亚盆地产量最高的页岩气田。图3 中上泥盆统放射性黑色页

7、岩的总有效厚度图(据deWitt等。1993)图4 Ohio页岩Huron段下部的总有机碳分布(据Curtis和Faure1997年资料修改)俄亥俄页岩有机质以开阔海相成因及Tasmanites来源为主。即干酪根类型以型和型为主。古海藻Tasmanites是黑色页岩的重要的来源,其极度繁盛而且多期出现,排除了水柱透光带中的其它类型的生物群。Curtis和Faure(1997，1999)认为，在塔康、阿卡德和阿勒格尼造山运动中，Rome地堑的边界断裂发生活化，在晚泥盆世浅内陆海的洋底形成了许多地貌凹陷，与这些地貌凹陷相关的断陷次盆地对Ohio页岩下Huron 段和West Falls群的Rhin

8、estreet页岩段中藻类有机质的保存有明显的控制作用(图4)。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，从而保存了藻类物质。Algeo(2008)提出Appalachian盆地中部泥盆系一密西西比系页岩是前陆盆地局限深水沉积产物。泥盆系Ohio页岩沉积期，构造运动导致相对海平面下降，局限程度增强，晚泥盆纪一早石炭纪之交最大，使Appalachian海处于耗氧状态，而且稳定的分层水体确保生物有机质得以保存，TOC较高，形成New York几百米厚黑色页岩，

9、Kentucky东北部减薄为5090m。Zeilinki和McIver（1982）运用TAI值描绘了阿巴拉契亚盆地上泥盆统的热成熟度范围，指出盆地西部的岩石对于原油的生成是未成熟的,因此生成的数量比较有限。大多数地区的黑色页岩层序是过成熟的,因而基本上没有生成液态烃类的可能。盆地的中间部位既有高质量的源岩又有适当的热成熟度,因而具有页岩气商业性开采潜力。总的来看，该页岩系统的Ro值介于0.41.3%（表1）。表1 阿巴拉契亚盆地俄亥俄页岩地质、地球化学和储量参数表参数名称参数数值参数名称参数数值盆地类型山前坳陷层位泥盆系页岩分布面积（km2）414,400埋藏深度（m）600-1500总厚度（

10、m）90-300纯页岩厚度（m）9-30TOC含量（）0-4.7干酪根类型型和型为主热成熟度（Ro，）0.4-1.3岩井温度（）100总孔隙度（）4.7含气孔隙度（）2.0压力梯度（psi/ft）0.150.40气藏压力（psi）5002000含气量（标准立方英尺/t）60100吸附气含量（）50储量丰度（亿m3/km2）0.55-1.09采收率（）1020页岩岩石矿物学及储层特征Ohio页岩矿物组成中，碳酸盐岩含量较低，小于25；石英、长石和黄铁矿含量2080，粘土含量在2080之间，与Barnett页岩相比，Ohio页岩粘土矿物含量较高，而石英、长石及黄铁矿含量较低（图5）。图5 页岩储层

11、岩石矿物组成三角图（李新景等，2009）Big Sandy气田以Ohio组Huron段为主力产层，高产井多沿北东方向分布，与高角度多组裂缝发育紧密相关，裂缝不发育地区往往低产。裂缝网络的形成主要受地质时期地壳应力作用强度和方向影响，尤其是Rome断槽形成中伴生的断裂作用。West Virginia州Jackson县Cottageville气田研究揭示埋深1127.8m的Ohio组页岩Huron段，虽然裂缝局部充填白云石，但残余孔洞常具有连通性，渗透率较高。因此众多研究认为，这一地区页岩气产量主要控制因素是有机质含量、热成熟度、天然裂缝展布以及黑色页岩与灰色页岩空间分布关系。（4）页岩气的生产情

12、况根据Hunter等(1953)的早期研究，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，其平均无阻日产量为1,055103ft3。其余94 的井完井后无可观产量，平均日产量仅61103 ft3。这些井后来用早期的油田射孔技术进行了增产处理，气井采取增产措施后，其平均日产量约285103立方英尺，比采取增产措施前提高了4倍多，认为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。目前，气井通常用液态氮泡沫和砂支撑剂进行压裂(Milici，1993)。Big Sandy气田是阿巴拉契盆地页岩气历史累计产量最高地区。绝大多数来自上泥盆系页岩气，现今储层还包括中泥

13、盆统Marcellus页岩，上泥盆统Rhinestreet页岩、Cleveland页岩以及密西西比系Sunbury含气页岩，埋藏深度5101800m，测井孔隙度1.511%，平均4.4%。1996年该区估算原始地质储量5660108m3，可采储量962108m3，剩余可采储量255108m3，估计单井极限可采储量141042260104m，平均250104m3。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时为止。2、福特沃斯盆地巴尼特页岩系统（1）概况福特沃斯（Fort Worth）盆地是得克萨斯中北部地区的一个南北向

14、延伸的浅的地堑，面积大约为15000mi2（38100km2）。该盆地密西西比系巴尼特（Barnett）页岩为一个页岩气系统，由层状硅质泥岩、层状泥质灰泥岩以及骨架泥质泥粒灰岩混合组成。早在20世纪50年代，美国Fort Worth盆地密西西比系Barnett页岩就见到良好气显示；1981年，Mitchell 能源公司大胆地对Barnett页岩段进行了氮气泡沫压裂改造，从而发现了Barnett页岩气田。随着钻完井技术的不断改进，气田的面积不断扩大，产量飞速增长。2007年,Fort Worth 盆地近8500口Barnett页岩气生产井的年产量为305.6108m3,自1982年投产以来累计产

15、气1018.8108m3。（2）构造及沉积特征福特沃斯盆地是晚古生代沃希托（Quachita）造山运动形成的几个弧后前陆盆地之一，沃希托造山运动是由泛古大陆变形引起的板块碰撞(北美板块和南美板块)形成逆冲断层的主要事件（Thompson et al，1988）。盆地东部边界为沃希托逆冲褶皱带，北部边界是基底边界断层控制的红河背斜（Red River Arch）和曼斯特背斜(Muenster Arch)，西部边界为本德背斜（Bend Arch）、东部陆棚等一系列坡度较缓的正向构造，南部边界为大草原隆起(Llano uplift)。盆地的轴大致与组成盆地北部东北部边界的Muenster穹隆平行，然

16、后向南弯曲与Quachita构造带前缘平行（图6）。在宾夕法尼亚早期和中期， Quachita褶皱带向东隆升造成构造脊线及由此形成的盆地边界反向地向西和西北方向偏移（Tai，1979）。红河和曼斯特背斜以断层为边界的基底的抬升形成了盆地的北部边界。这些构造特征是北西走向的Amarillo-Wichita隆起的延伸部分，是Quachita挤压过程中基底断层伴随Oklahoma（俄克拉荷马）造山运动而重新复活造成的（Walper，1977，1982）。福特沃斯盆地发育的地层主要有寒武系、奥陶系、密西西比系、宾夕法尼亚系、二叠系和白垩系。下古生界上部为一区域性角度不整合，盆地内缺失志留系和泥盆系。上

17、密西西比统和下宾夕法尼亚统表现为连续沉积，但在某些地区可能为平行不整合(如在曼斯特隆起附近)。古生界根据构造演化历史可大致分为3段：寒武系上奥陶统，为被动大陆边缘的地台沉积，包括Riley-Wilberns组、Ellenburger组、Viola组和Simpson组；中上密西西比统，为沿俄克拉荷马坳拉槽构造运动产生沉降过程的早期沉积，包括Chappel组、Barnett页岩组和Marble Falls组下段；宾夕法尼亚系，代表了与沃希托逆冲褶皱带前缘推进有关的主要沉降过程和盆地充填，主要是陆源碎屑沉积，包括Marble Falls组上段和Atoka组等。图6 福特沃斯盆地构造图及Barnett

18、页岩气主要产气区分布图 在盆地的东北部，Barnett 页岩被Forest burg 灰岩分隔为上、下两部分（图7）。Barnett页岩顶面构造为一单斜，气藏不受构造控制，面积约15500 km2 ，埋深大于1850 m ，可采资源量2.661012 m3 (USGS，2008) 。气田可分为两个区: 核心区，Barnett页岩下部发育有Viola灰岩，页岩厚度大于107 m；外围区，缺失Viola 灰岩，Barnett页岩直接与饱含水的下奥陶统Ellenburger组灰岩接触，页岩厚度大于30m。（3）页岩气成烃条件分析 页岩分布特征 Barnett含气页岩由石灰质页岩、黏土页岩、石英质页岩

19、和含白云石页岩组成，底部常常包含一层薄薄(3 m)的富含磷酸盐物质的区带,主要是磷灰石，向盆地的北部，富含有机质的黑色页岩相变为富含碳酸盐相，碳酸盐物质可能是由一系列洪流导致的碎屑流沉积。Barnett页岩的厚度和岩性在盆地范围内是变化的,东北部最厚(图8-A)，并包含了一层向南和向西迅速变薄的灰岩。Barnett页岩层的北部被红河穹隆和门斯特穹隆所限，南部和东南部被沃希托逆冲褶皱带所限。在盆地北部，Barnett页岩平均厚91m，在门斯特隆起附近盆地最深处页岩的厚度超过305 m。在Newark East气田的北部和东北部，Barnett页岩的碳酸盐含量大量增加，主要是因为波浪和水流把盆地西

20、部Capple礁的碳酸盐碎屑运移到此处，使Barnett页岩下段的细粒钙质物质相当丰富。Barnett页岩向西、向南迅速变薄，在大草原隆起区域其厚度只有几米到十几米，如在Lampasas县和San Saba县境内沿大草原隆起出露的地层厚915 m，并且富含油气。Barnett页岩在下列地区是缺失的：a北部和北东部红河隆起和门斯特隆起被剥蚀区域；b南部沿大草原隆起区域；c西部剥蚀区域。图7 福特沃斯盆地奥陶系至宾夕法尼亚系主要地层A地层剖面示意图 B 主要地层单元的电缆测井图页岩地球化学特征Barnett页岩可分为5种岩性：黑色页岩、粒状灰岩、钙质黑色页岩、白云质黑色页岩、含磷质黑色页岩。有机质

21、丰度随岩性的不同发生变化，在富含黏土的层段有机质丰度最高，而且成熟的地下标本和不成熟的露头标本有很大差别。对不同深度钻井岩屑的分析结果表明，其有机碳质量分数在1%5%之间，平均为2.5%3.5%，岩心分析数据通常比钻井岩屑分析的高，为4%5%（Bowke等，2003；Jarvie等，2007）。Jarvie等（2003）和Pollastro等（2004）测得San Saba县和Lampasas县Barnett页岩露头样品的有机碳含量高达12%。虽然Barnett页岩的有机碳含量变化较大，但总体来说其有机碳含量很高，平均大于2%，表明高有机质丰度Barnett页岩气藏被成功勘探开发的重要因素。B

22、arnett组富有机质黑色页岩主要由含钙硅质页岩和含黏土灰质泥岩构成，夹薄层生物骨架残骸，具有低于风暴浪基面和低氧带(OMZ)的缺氧一厌氧特征，与开放海沟通有限。沉积物主要为半远洋软泥和生物骨架残骸，沉积营力基本上通过浊流、泥石流、密度流等悬浮机制完成，属于静水深斜坡一盆地相(Robert等，2007)。图8福特沃斯盆地Barnett页岩厚度图 (A)和成熟度等值线图 (B) (据聂海宽等，2009)Barnett页岩有机质以易于生油的型干酪根为主。在镜质反射率Ro小于1.1%时，以生油为主、生气为辅。干气区主要分布在盆地东北部和冲断带前缘，这些地区埋藏较深,成熟度较高，Ro超过1.1%1.4

23、%，处在生气窗内，如Wise县生产的伴生湿气的Ro为1.1%，干气的Ro在1.4%以上；油区主要分布在盆地北部和西部成熟度较低的区域，Ro为0.6%0.7%；在气区和油区之间是过渡带，既产油又产湿气，Ro在0.6%1.1%之间（图8B）。天然气技术研究所GTI公布Barnett页岩气藏产气区页岩的Ro为1.0%1.3%，实际上产气区的Ro西部为1.3%，东部2.1%，平均为1.7%。从烃源岩的埋藏史及热演化图上来看，福特沃斯盆地Barnett页岩经历了宾夕法尼亚纪二叠纪快速沉降和埋深时期、晚二叠世中晚白垩世恒温阶段（只是在中白垩世才被加快埋深的短暂时期打断）、晚白垩世古近纪的抬升剥蚀三个阶段。

24、Barnett页岩从晚宾西法尼亚世开始生烃,在二叠纪、三叠纪和侏罗纪达到生烃高峰，并一直延续到白垩纪末（图9）。图9福特沃斯盆地Eastland县单井埋深史图（Montgomery等，2005）页岩的储层特征已有的资料表明，有生产能力的、富含有机质的Barnett页岩的孔隙度为5%6%，渗透率低于0.0110-3m2，平均吼道半径小于0.005m，平均含水饱和度为25%，但随碳酸盐含量的增加而迅速升高。Barnett页岩含有天然裂缝，孔隙度和渗透率伴随有机质成熟而增大，并导致微裂缝的生成。页岩储层的孔隙度和渗透率极低，非均质性极强，页岩气藏中的游离气主要储集在页岩基质孔隙和裂缝等储层中。Bar

25、nett页岩气藏天然气的赋存方式主要包括游离态和吸附态两种，（Bowker等，2007）利用Newark East气田南部Johnson县Chevron地区Mildred Atlas 1井的岩心样品进行罐装解析气量的分析表明，在气田常规气藏条件下(20.7027.58MPa)，Barnett页岩中吸附气的体积含量为2.973.26 m3/t，高于早期分析的数据。Humble Geochemical公司近期研究Sims 2井的资料后指出，计算的气体体积含量实际上超过Mildred Atlas 1井，而这两口井的总有机碳含量接近，分别为4. 79%和4.77%（Martineau等，2007）。在

26、Denton县的Mitchell Energy KathyKeel 3井残余有机碳含量为5.2%，吸附气体积含量为3.40 m3/t，占天然气总体积含量(5.57 m3/t)的61%（Montgomery等，2005）。图10所示的甲烷等温吸附显示，在压力为3800psi下，吸附气的含量为60125scf/t，占总气量的3550%。吸附气和游离气的平均含量分别为85scf/t和105scf/t，分别占总气量的45%和55%。综合多口井的资料可以看出，Barnett页岩气藏中有40%60%的天然气以吸附态赋存于页岩中，比早期研究的数据大很多，说明Barnett页岩比以前认为的有更大的资源储量潜力

27、。图10 Barnett页岩样品等温吸附曲线页岩的岩石矿物学特征Barnett页岩在岩性上主要由硅质页岩、灰岩和少量的白云岩组成。总体上，该套地层二氧化硅含量相对富集（30-50%，体积百分含量），粘土矿物的含量相对较少（35%）(图11)。根据Bowker(2002)的研究，这些粘土主要为含微量蒙皂石的伊利石。粘土粉砂结晶石英是Barnett岩层的主要矿物，局部常见碳酸盐岩和少量黄铁矿和磷灰石。Barnett地层的碳酸盐岩主要以化石层的形式存在。根据矿物、结构、生物和构造等，Barnett 页岩的岩相主要划分为3种:层状硅质泥岩、薄片状灰泥和含生物碎屑的泥粒灰岩。各岩相普遍富集黄铁矿和磷酸盐

28、，常见碳酸盐岩团块。与石英和方解石相比，由于黏土矿物有较多的微孔隙和较大的表面积，因此对气体有较强的吸附能力，但是当水饱和的情况下，吸附能力要大大降低。石英含量的增加将提高岩石的脆性。图11 Barnett地层的矿物组成三角图（4）气藏特征及天然气成因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页岩产商业性天然气。其主要产区是Newark East气田，但目前MEDC和其他作业者在其它地区也发现了商业性页岩气产层（Hill和Nelson，2000； Williams，2002）。在Newark East气田Barnett页岩的埋藏深度为650

29、0-8500英尺（1981-2591m），Barnett页岩的厚度为300-500英尺（92-152米），页岩有效厚度50-200英尺（15-61m）。在Newark East气田，具有轻微的超压（0.52psi/ft），在6500-8500英尺（1982-2592米）深度含气饱和度达75%。与其它的页岩产层相比，Barnett页岩有几个特点：（1）Barnett页岩气产自比较深的深度，因此具有比其它页岩气藏更高的压力；（2） Barnett页岩气完全是热成熟成因的，并且在盆地的大部分地区是与液态石油伴生的；（3）Barnett页岩经历了复杂的多期的热历史；（4）天然裂缝并不发育，甚至在有些情

30、况下，天然裂缝甚至会减低水井的性能。对Newark East气田Barnett页岩气的4个样品的测试分析显示（Ronald等，2007），天然气组分以甲烷为主，占到气体总体积的 77.8290.90%，平均84.70%；重烃含量变化范围较宽，介于3.1119.07%，平均9.86,干燥系数（C1/C1-5）0.800.97，揭示该气田的天然气不仅有湿气，而且有干气，这与该气田Barnett页岩成熟度具有较大的变化范围相一致；非烃气体含量较低，主要为氮气和二氧化碳，平均分别占到气体组成的2.75%和1.65%。天然气的甲、乙烷碳同位素分别介于-47.59 -41.13、-32.71 -29.52

31、，揭示该区的天然气为源自腐泥型母质的油型气，天然气组分偏干，但甲烷碳同位素明显偏轻，揭示该区天然气以热成因天然气为主，并有生物成因天然气的混入。3、密执安盆地安特里姆页岩系统（1）概况密执安(Michigan)盆地位于美国中西部地区的密执安湖与休伦湖之间，陆上面积约9104km2。盆地油气勘探始于2O世纪20年代，发现密西西比系和泥盆系背斜油气藏，70年代以志留系Niagaran宝塔礁为勘探目标，8O年代初期为深部奥陶系，中后期泥盆系Antrim页岩。即油气大部分产自古生界，主要包括密西西比系Stray砂岩，泥盆系Berea砂岩、泥盆系Traverse和Dundee石灰岩，志留系Satina和

32、Niagara石灰岩以及奥陶系Trenton和BlackRiver石灰岩等，上泥盆统Antrim 裂缝性页岩也产天然气。目前，安特里姆页岩气的开发集中在盆地北部（图12）。Antrim 页岩的天然气生产至少在短期内已趋于稳定。盆地北部页岩产区生产井9382口，日产1042104m3。1998年产量高峰过后，气田年递减率45，单井，单井9，据此估计2030年累计产量约1 246108m3。虽然Antrim页岩气富集带规模有限，但埋藏较浅，钻井费用较低，且属于晚期成藏，现今仍处于持续充注阶段（Martini等，1998），有利于实现经济可采，适于中小规模企业开发。图12 密执安盆地位置图（2）构造沉积特征密执安(Michigan)盆地是一个近似环形的内克拉通盆地。北侧和东南侧向盆地中心陡倾，西侧和西南侧较缓，