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，Hunter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58332—566337亿m3,技术性可采收资源量4106~7787亿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，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3～4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（James,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①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NewAlbany 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128，000mi 2(331，520km 2)，它们沿盆地边缘出露地表。

页岩埋藏深度为610～1520m ，页岩厚度一般在100－400ft(30—120m),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)。

②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图2 阿巴拉契亚盆地西部中泥盆统－下密西西比系剖面 （据Moody 等，1987）看，下Huron段所有的有机质基本上都是热成熟的。

有机质类型以Ⅱ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Ⅱ型和Ⅰ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Rhinestreet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，Kentucky东北部减薄为50～90m。

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0.4～1.3%（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③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20～80％，粘土含量在20～80％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1,055×103ft3。

其余94％的井完井后无可观产量，平均日产量仅61×103 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285×103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510～1800m，测井孔隙度1.5~11%，平均4.4%。

1996年该区估算原始地质储量5660×108m3，可采储量962×108m3，剩余可采储量255×108m3，估计单井极限可采储量14×104～2260×104m，平均250×104m3。

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305.6×108m3,自1982年投产以来累计产气1018.8×108m3。

（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，然后向南弯曲与Quachita构造带前缘平行（图6）。