北美頁(yè)巖氣資源形成的地質(zhì)條件

摘 要

摘要：Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣藏的成功開(kāi)發(fā)，極大地推動(dòng)了全球頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。分析北美地區(qū)已開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣聚集區(qū)帶油氣地質(zhì)特征，了解區(qū)域地質(zhì)背景，有助于建立頁(yè)巖氣富集
摘要：Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣藏的成功開(kāi)發(fā)，極大地推動(dòng)了全球頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。分析北美地區(qū)已開(kāi)發(fā)頁(yè)巖氣聚集區(qū)帶油氣地質(zhì)特征，了解區(qū)域地質(zhì)背景，有助于建立頁(yè)巖氣富集模式、尋找有效頁(yè)巖氣儲(chǔ)層、確定“甜點(diǎn)”邊界、提高采收率等。研究表明，北美克拉通盆地、前陸盆地侏羅系、泥盆系-密西西比系富集多種成因、多種成熟度頁(yè)巖氣資源，頁(yè)巖產(chǎn)層通常是含油氣系統(tǒng)中主力烴源巖，尤以受上升洋流影響、具有低能還原環(huán)境的海進(jìn)體系域黑色頁(yè)巖(腐泥型-混合型干酪根)為佳。沉積環(huán)境和熱成熟度是頁(yè)巖氣富集區(qū)帶主要控制因素，裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度決定能否獲取豐厚的商業(yè)價(jià)值。因此，古氣候、古地理?xiàng)l件以及沉積環(huán)境、構(gòu)造作用等因素的綜合，使得北美頁(yè)巖氣資源形成并不斷得到有效開(kāi)發(fā)。
關(guān)鍵詞：北美；頁(yè)巖氣；地質(zhì)特征；儲(chǔ)集層；有機(jī)質(zhì)豐度；烴源巖；富集區(qū)
    統(tǒng)計(jì)表明，高產(chǎn)且經(jīng)濟(jì)效益好的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層往往分布面積廣、埋深適中、厚度大(大于30m)、有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC＞2%)、成熟程度適中(Ro介于1.1%～2.5%)、含氣量較高(3～10m3/t)、產(chǎn)水量較少、黏土含量中等(小于40%)和脆性較高(即低泊松比、高楊氏彈性模量)以及圍巖條件有利于水力壓裂控制。它們大多為含油氣系統(tǒng)中主力烴源巖，尤以受上升洋流影響、傾油混合型干酪根為主的海進(jìn)體系域黑色頁(yè)巖為佳，且現(xiàn)今處于大量生氣階段或充注過(guò)程中，既保存了較高的殘余有機(jī)質(zhì)豐度，儲(chǔ)集大量吸附氣，又能新增一定孔隙度，容納足夠數(shù)量的游離氣，有助于提高基質(zhì)系統(tǒng)的滲透性，使生產(chǎn)井保持較高產(chǎn)氣速度，規(guī)?；_(kāi)發(fā)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化[1]。
1 北美含氣頁(yè)巖區(qū)域地質(zhì)背景
1.1 北美地臺(tái)構(gòu)造背景
    北美地臺(tái)有101個(gè)盆地，是世界著名產(chǎn)油氣區(qū)，油氣田數(shù)量大約35000個(gè)，其中大油氣田約占世界的1/5～1/4。從寒武系至新近系均有油氣發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)層及其分布與北美大陸地質(zhì)背景密切相關(guān)。已發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣盆地主要分布在被大陸邊緣演化為前陸盆地的區(qū)域和古生界克拉通地臺(tái)區(qū)，常規(guī)油氣資源豐富。例如東部Appalachian造山帶在加里東運(yùn)動(dòng)時(shí)期形成，呈北北東方向，造山帶西側(cè)為Appalachian前陸盆地，下古生代地層發(fā)育，是美國(guó)最早開(kāi)發(fā)油氣地區(qū)；西部Rocky造山帶是北美洲Cordillera褶皺帶的一部分，由造山帶、前緣沖斷帶和東部前陸盆地組成，前陸盆地和沖斷帶內(nèi)蘊(yùn)藏著大量的油氣資源。Marathon-Quachita逆沖斷皺帶位于美國(guó)南部，其北側(cè)中央穩(wěn)定地臺(tái)為火山巖和變質(zhì)巖結(jié)晶基底，沉積蓋層主要為古生界，部分地區(qū)發(fā)育有中生界。在一些由寬緩的隆起分隔的構(gòu)造不太復(fù)雜的盆地中，油氣資源豐富，主要產(chǎn)自古生代較老巖層。地臺(tái)西部和南部邊緣，由于多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，形成的盆地較地臺(tái)內(nèi)部沉陷更深，構(gòu)造更復(fù)雜，但往往高產(chǎn)油氣，如Permian盆地和Anadarko盆地。東南部是墨西哥灣沿岸坳陷帶和大西洋坳陷帶。墨西哥灣平原和墨西哥灣的中生代和新生代沉積巖層披覆于Marathon-Quachita沖斷層帶的南側(cè)，形成向墨西哥灣楔狀加厚的地層。這套地層中古近系、新近系最發(fā)育，中、新生代巖層已產(chǎn)生了大量的油氣，是美國(guó)產(chǎn)油氣的最富地區(qū)之一。
1.2 含氣頁(yè)巖區(qū)域沉積環(huán)境
    北美含氣頁(yè)巖富集帶具有多種成熟程度、天然氣成因和巖相，沉積環(huán)境復(fù)雜，例如Texas州西部Bossier含氣頁(yè)巖儲(chǔ)層為頁(yè)巖、砂巖和粉砂巖混合巖性[2]，東部含油氣盆地如Appalachian盆地、墨西哥灣地區(qū)Fort Worth盆地、加拿大西部沉積盆地以黑色頁(yè)巖為主。富含有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖可以沉積于多種多樣環(huán)境、位置中，它與自生黃鐵礦的出現(xiàn)，宏觀上通常代表水流微弱或停滯的缺氧還原環(huán)境。遍及北美各盆地古生界富有機(jī)質(zhì)海相黑色頁(yè)巖，其沉積環(huán)境的推斷與解釋仍然眾說(shuō)紛紜。
    加拿大西部沉積盆地(WCSB)泥盆系-密西西比系Bakken和Exshaw段黑色頁(yè)巖來(lái)源于深水(大于200m)半遠(yuǎn)洋泥，為海進(jìn)體系域密集段，沉積速率較低，但是水深、可容納空間的變化導(dǎo)致williston克拉通盆地、Prophet海槽、北美克拉通西部邊緣地區(qū)相對(duì)海平面升降幅度、儲(chǔ)層厚度以及體系域空間疊置關(guān)系的差異，經(jīng)歷后期不同強(qiáng)度熱演化史，烴源巖生烴潛力、頁(yè)巖儲(chǔ)層分布呈現(xiàn)出不同特征。
    Algeo(2008)[3]提出Appalachian盆地中部泥盆系-密西西比系頁(yè)巖是前陸盆地局限深水沉積產(chǎn)物。泥盆系Ohio頁(yè)巖沉積期(時(shí)間跨度約15Ma)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致相對(duì)海平面下降，局限程度增強(qiáng)，晚泥盆紀(jì)-早石炭紀(jì)之交最大，使Appalachian海處于耗氧狀態(tài)，而且穩(wěn)定的分層水體確保生物有機(jī)質(zhì)得以保存，TOC較高，形成New York幾百米厚黑色頁(yè)巖，Kentucky東北部減薄為50～90m[4]。
    Fort Worth盆地Barnett組富有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖主要由含鈣硅質(zhì)頁(yè)巖(硅質(zhì)主要為黏土級(jí)-粉砂級(jí)結(jié)晶質(zhì)石英，屬生物成因)和含黏土灰質(zhì)泥巖構(gòu)成，夾薄層生物骨架殘骸，陸源碎屑物較少，沉積于深水(120～215m)前陸盆地，具有低于風(fēng)暴浪基面和低氧帶(OMZ)的缺氧-厭氧特征，與開(kāi)放海溝通有限。沉積物主要為半遠(yuǎn)洋軟泥(來(lái)自淺水陸棚)和生物骨架殘骸，沉積營(yíng)力基本上通過(guò)濁流、泥石流、密度流等懸浮機(jī)制完成，屬于靜水深斜坡-盆地相[5]。這種環(huán)境生物產(chǎn)率高，有機(jī)質(zhì)保存好，TOC平均值達(dá)4.5%，各巖相段顯示高伽馬值(大于100API，部分高達(dá)400API以上)，低聲波時(shí)差、高電阻特征也進(jìn)一步印證了優(yōu)質(zhì)烴源巖生烴潛力。同樣，WCSB水深200m以內(nèi)緩坡下侏羅統(tǒng)Gordondale組C段富有機(jī)質(zhì)泥巖，陸源碎屑供應(yīng)有限、放射性高(75～250API)、U含量高，硅質(zhì)生物體(如放射蟲(chóng))埋藏造成儲(chǔ)層硅質(zhì)含量高，且與丁0C高低密切相關(guān)[6]。Arkoma盆地Woodford頁(yè)巖亦具有類似特征。上述實(shí)例說(shuō)明北美大多數(shù)黑色頁(yè)巖沉積之初海平面位置較高，富含養(yǎng)分的上升洋流夾帶著來(lái)自深海動(dòng)植物殘骸的充足養(yǎng)分，使生物產(chǎn)率高，形成較強(qiáng)還原環(huán)境，而赤道附近海域發(fā)育的放射蟲(chóng)，為細(xì)粒沉積巖創(chuàng)造了良好力學(xué)性質(zhì)，有利于裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育。
    對(duì)于美國(guó)中陸地區(qū)諸多盆地，沉積之后的Quachita造山運(yùn)動(dòng)引發(fā)區(qū)域性地質(zhì)熱事件，使源巖多數(shù)達(dá)到生氣門(mén)限，產(chǎn)生大量天然氣，形成頁(yè)巖氣富集區(qū)帶。如Arkama盆地Woodford頁(yè)巖形成于被動(dòng)大陸邊緣靜海沉積體系中，具備良好生物產(chǎn)率和有機(jī)質(zhì)保存能力，后期前陸盆地形成與構(gòu)造演化控制了烴源巖成熟階段。
    總之，北美地臺(tái)東、西、北三面環(huán)繞的Acadian、Antler、Ellesmere活動(dòng)造山帶使地臺(tái)內(nèi)部坳陷和隆起發(fā)生幕式調(diào)整，相對(duì)海平面升降、陸源沉積物供應(yīng)量發(fā)生波動(dòng)，泥/頁(yè)巖厚度、分布、生烴潛力受到相對(duì)海平面變化制約。根據(jù)巖石礦物組成特征、測(cè)井響應(yīng)、地球化學(xué)參數(shù)以及全球海平面升降曲線推斷，北美地臺(tái)高質(zhì)量?jī)A油海相烴源巖(腐泥型和混合型)多發(fā)育在海進(jìn)體系域時(shí)期/高水位體系域初期，這里陸源有機(jī)質(zhì)最少，傾油性組分比例高，而且強(qiáng)烈受地古地理、古氣候影響，發(fā)育硅質(zhì)生物體，有條件形成脆性頁(yè)巖儲(chǔ)層。目的層上/下發(fā)育的致密碳酸鹽巖，一方面阻止了油氣垂向運(yùn)移，使之在黑色頁(yè)巖層系中得以保存，一方面也有助于大型水力壓裂的裂縫控制。
2 頁(yè)巖氣富集區(qū)帶地質(zhì)特征
2.1 頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度特征
    根據(jù)頁(yè)巖氣定義，高有機(jī)質(zhì)豐度既是成烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是頁(yè)巖氣吸附的重要載體[7]，而有機(jī)質(zhì)豐度高低主要受沉積環(huán)境和熱演化程度控制。
    沉積之初有機(jī)生物產(chǎn)率、隨后的有機(jī)物質(zhì)保存以及陸源碎屑的供給都對(duì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度產(chǎn)生重要影響。溫度、鹽度、水體深度適宜的古地理環(huán)境，水生生物發(fā)育相對(duì)繁盛，有機(jī)質(zhì)生產(chǎn)效率高，可提供豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，還原、缺氧條件有利于有機(jī)質(zhì)保存。相反高能、富氧環(huán)境不利于有機(jī)質(zhì)保存，陸源碎屑供應(yīng)量增多，有機(jī)質(zhì)遭到稀釋，含量相對(duì)減少。例如沉積于深水環(huán)境中的New Albany褐色-黑色富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，某些層段有機(jī)質(zhì)高達(dá)20%，表現(xiàn)出高放射性，甚至高出背景值200～400API。
    經(jīng)歷沉積埋藏，有機(jī)物逐步進(jìn)入成巖作用、深成熱解作用及后成作用階段，成熟度加深，生成大量油氣。按照Tissot劃分方案：Ro＜0.5%成巖作用階段，生油巖處于未成熟或低成熟作用階段；Ro介于0.5%～1.3%為深成熱解階段，處于生油窗內(nèi)；Ro介于1.3%～2.0%深成熱解作用階段的濕氣和凝析油帶；Ro＞2%后成作用階段，處于干氣帶[8]。當(dāng)然對(duì)于不同干酪根類型進(jìn)入濕氣階段的界限，有一定差異，一般處于Ro為1.2%～1.4%范圍內(nèi)。例如Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)區(qū)位于成熟度高于1.1%的氣窗內(nèi)，結(jié)合圍巖分布情況，又進(jìn)一步劃分了兩個(gè)評(píng)價(jià)單元[9]。這些地區(qū)氣油比高，有利于頁(yè)巖氣擴(kuò)散和滲流。因此對(duì)于熱成因含氣頁(yè)巖，進(jìn)入生氣窗是頁(yè)巖氣富集必要條件，勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)應(yīng)首選油氣比高值區(qū)(圖1)。
 

需要注意：初始有機(jī)質(zhì)豐度較高的烴源巖，隨著熱演化程度加深，生烴量增加，殘余有機(jī)碳豐度、氫指數(shù)、有機(jī)質(zhì)類型呈現(xiàn)降低、變差趨勢(shì)，如Tmax(最大熱解溫度)432℃、等效成熟度0.62%，Barnett頁(yè)巖演化至Tmax為470℃，等效成熟度為1.3%時(shí)，TOC數(shù)值可降低36%(圖2)，對(duì)于高成熟和/或過(guò)成熟烴源巖，負(fù)面影響則更大，所以簡(jiǎn)單套用殘余有機(jī)碳豐度、氫指數(shù)或于酪根類型判斷頁(yè)巖生氣能力的高低可能有失偏頗。但儲(chǔ)集能力而言，殘余有機(jī)質(zhì)豐度?？杀碚骱瑲饬看笮?，特別是當(dāng)兩者呈現(xiàn)正相關(guān)情況下。北美頁(yè)巖氣勘探目標(biāo)絕大多數(shù)選擇TOC含量大于2%，甚至4%以上，與此有關(guān)聯(lián)。因此資源潛力評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)綜合考量有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)，既要重視源巖原始有機(jī)質(zhì)豐度與生烴潛力，又要關(guān)注頁(yè)巖儲(chǔ)層殘余總有機(jī)碳含量的作用。
 

2.2 頁(yè)巖儲(chǔ)層特征
    一般認(rèn)為泥頁(yè)巖主要由黏土礦物組成，其次為碎屑礦物如石英、長(zhǎng)石和少量自生非黏土礦物，包括鐵、錳、鋁的氧化物和氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽、硫化物、硅質(zhì)礦物及一些磷酸鹽等。實(shí)際上其礦物組成與含量變化很大。富含SiO2(有時(shí)高達(dá)85%以上)者為硅質(zhì)泥頁(yè)巖；含大量碳化有機(jī)質(zhì)者為碳質(zhì)泥頁(yè)巖；含較多分散有機(jī)質(zhì)和硫化鐵者為黑色泥頁(yè)巖。
    從石油地質(zhì)觀點(diǎn)看，烴源巖經(jīng)過(guò)一系列地質(zhì)條件作用生成大量天然氣，并在持續(xù)壓力作用下大量排出，向滲透性地層如砂巖和碳酸鹽巖運(yùn)移、聚集成構(gòu)造或巖性氣藏，而殘留在細(xì)粒沉積巖層系中的部分形成頁(yè)巖氣資源[10]。其中很大部分吸附在有機(jī)質(zhì)和黏土礦物表面，與煤層氣相似，另一部分以游離狀態(tài)儲(chǔ)集在基質(zhì)孔隙和裂縫孔隙中，與常規(guī)儲(chǔ)層相似，二者構(gòu)成比例取決于多種地質(zhì)作用過(guò)程，商業(yè)開(kāi)發(fā)前后的一系列研究和實(shí)踐也因此變得更復(fù)雜。
盡管泥頁(yè)巖孔隙度(基質(zhì)孔隙度幾乎都小于0.01×10-3μm2)、滲透率極低，但一定范圍內(nèi)二者依然顯示出正相關(guān)性，仍需重視儲(chǔ)層基質(zhì)孔隙度和裂縫評(píng)價(jià)。孔隙度相對(duì)較高的區(qū)帶，頁(yè)巖氣資源潛力大，經(jīng)濟(jì)可采性高，特別是吸附氣含量非常低的情況下[11]；裂縫則溝通致密儲(chǔ)層孔隙，增強(qiáng)巖層滲透能力，擴(kuò)大泄油面積，提高采收率。
 

    裂縫發(fā)育受內(nèi)、外因控制。外因主要與生烴過(guò)程、地層孔隙壓力、各向異性的水平壓力、斷層與褶皺等構(gòu)造作用相關(guān)，內(nèi)因主要取決于頁(yè)巖礦物學(xué)特征。圖3展示了已開(kāi)發(fā)頁(yè)巖的兩個(gè)分布區(qū)域：Bossier頁(yè)巖大都位于石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦含量低于40%，碳酸鹽巖含量大于25%，黏土礦物低于50%區(qū)間；Ohio、Woodford/Barnett頁(yè)巖位于碳酸鹽含量低于25%，石英、長(zhǎng)石和黃鐵礦含量20%～80%，黏土含量在20%～80%區(qū)間，其中Barnett硅質(zhì)頁(yè)巖黏土礦物通常小于50%，石英等含量超過(guò)40%，Arkoma盆地Woodford頁(yè)巖與其相近。即頁(yè)巖膨脹性黏土礦物含量較少，硅質(zhì)、碳酸鹽巖等礦物較多時(shí)(Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖典型值為40%～60%)，巖石脆性與造縫能力強(qiáng)，裂縫網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生。
    美國(guó)東部頁(yè)巖氣項(xiàng)目開(kāi)發(fā)早期，主要勘探目標(biāo)是天然裂縫相對(duì)發(fā)育區(qū)帶，隨著現(xiàn)代鉆完井技術(shù)發(fā)展，人工壓裂水平提高，加之Barnett頁(yè)巖模式的成功運(yùn)作，地質(zhì)和工程專家認(rèn)識(shí)到微裂縫/頁(yè)巖造縫能力同等重要。當(dāng)然，裂縫具有雙重性，一方面改善儲(chǔ)層滲透性，一方面可能導(dǎo)致頁(yè)巖氣逸散、水竄，選擇何種類型作為勘探目標(biāo)應(yīng)視具體地質(zhì)、工程條件而定。
    總之，從油藏工程觀點(diǎn)看，脆性礦物(如硅質(zhì)、碳酸鹽等)富集的泥頁(yè)巖比主要由黏土礦物等構(gòu)成的巖石更容易產(chǎn)生裂縫，而頁(yè)巖層系中的粉砂巖、細(xì)砂巖或砂巖夾層、開(kāi)啟或未完全充填的天然裂縫也可提高儲(chǔ)層滲透性，斷層和裂縫帶內(nèi)滲透率性更強(qiáng)。成熟的黑色頁(yè)巖層系中常發(fā)現(xiàn)裂縫性油氣藏，如前蘇聯(lián)西西伯利亞上侏羅統(tǒng)Bazhenov頁(yè)巖油藏、美國(guó)williston盆地Bakken頁(yè)巖油藏、北美泥盆系、石炭系、侏羅系以及白堊系裂縫性頁(yè)巖氣藏、我國(guó)渤海灣盆地、松遼盆地以及西部沉積盆地均發(fā)現(xiàn)裂縫性油氣藏，就是這一原因[7]。
2.3 頁(yè)巖氣與常規(guī)油氣藏之間的關(guān)系
    頁(yè)巖氣生烴過(guò)程與常規(guī)油氣并無(wú)區(qū)別，但儲(chǔ)集方式、富集條件以及氣藏宏觀分布差異較大。從天然氣賦存狀態(tài)來(lái)看，頁(yè)巖氣包含了吸附氣部分，并且不同地質(zhì)條件下游離氣、吸附氣二者相對(duì)含量變化大，開(kāi)采方案、生產(chǎn)曲線也呈現(xiàn)不同特征；從油氣成藏動(dòng)力條件以及宏觀特征上看，常規(guī)油氣運(yùn)移過(guò)程中需要上傾方向存在與輸導(dǎo)體系相關(guān)的構(gòu)造高部位，離散分布的低勢(shì)能區(qū)域是成藏有利目標(biāo)，浮力是天然氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?，天然氣不斷運(yùn)聚，氣水界面隨之下移，所以下傾方向往往是水層，而連續(xù)式富集的頁(yè)巖氣鮮受水動(dòng)力影響，多區(qū)域性分布于坳陷中[12]，如Appalachian、Michigan和Illinois盆地泥盆系含氣頁(yè)巖覆蓋面積約71200km2，屬于自生自儲(chǔ)巖性氣藏，沒(méi)有明顯的氣水界面。
    從含油氣系統(tǒng)觀點(diǎn)看，含油氣頁(yè)巖往往是盆地內(nèi)厚度大、分布廣的區(qū)域主力烴源巖，與常規(guī)油氣資源具有成因關(guān)系，常規(guī)和非常規(guī)油氣藏并存。如果盆地存在完整的烴源巖成熟路徑，頁(yè)巖油、氣富集帶均可形成，天然氣經(jīng)濟(jì)可采性相對(duì)更高些。例如Illinois盆地98%的油氣來(lái)源于New Albany黑色頁(yè)巖，但仍有大量生物成因和熱解成因天然氣殘留在頁(yè)巖層系內(nèi)(Blocher下段、Clegg Creek上段頁(yè)巖)，估計(jì)頁(yè)巖氣原始地質(zhì)儲(chǔ)量(2.4～4.5)×1012m3。
2.4 案例分析
2.4.1 Michigan盆地頁(yè)巖氣富集區(qū)帶
    Michigan盆地屬典型克拉通內(nèi)盆地，近圓形，面積31.6×104km2。構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較弱，沉積層序以?shī)W陶系、志留系和泥盆系等古生界為主，由周邊向盆地中心埋深加大，北部上覆幾千英尺厚的冰磧層[1]。盆地油氣勘探始于20世紀(jì)20年代，發(fā)現(xiàn)密西西比系和泥盆系背斜油氣藏，70年代以志留系Niagaran寶塔礁為勘探目標(biāo)，80年代初期為深部奧陶系，中后期泥盆系A(chǔ)ntrim頁(yè)巖。即油氣大部分產(chǎn)自古生界，主要包括密西西比系Stray砂巖，泥盆系Berea砂巖、泥盆系Traverse和Dundee石灰?guī)r，志留系Salina和Niagara石灰?guī)r以及奧陶系Trenton和Black River石灰?guī)r等，上泥盆統(tǒng)Antrim裂縫性頁(yè)巖也產(chǎn)天然氣。烴源巖主要是密西西比系、泥盆系頁(yè)巖和石灰?guī)r，部分可能來(lái)自?shī)W陶系。除了盆地西南角和北部邊緣，Antrim頁(yè)巖覆蓋了大多數(shù)區(qū)域。
    Antrim黑色頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高，熱成熟度Ro較低(0.4%～0.6%)，未進(jìn)入生油窗，產(chǎn)氣區(qū)位于盆地北部Michigan湖和Huron湖之間高角度裂縫發(fā)育帶，埋深120～600m，厚36～180m，頁(yè)巖氣以吸附氣為主(70%以上)，含氣量1.415～2.83m3/t，高低與有機(jī)碳含量呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性。由于盆地西部和北部的冰磧層形成了區(qū)域的地形高點(diǎn)和水頭，區(qū)域分布的兩組正交高角度裂縫(北東向和北西向)為地層水提供了有利的儲(chǔ)集空間和滲流通道，使流體沿邊緣向盆地內(nèi)部運(yùn)移，而地層流體中的厭氧菌以有機(jī)質(zhì)和儲(chǔ)層中的油氣為養(yǎng)分，并在代謝過(guò)程中生成CH4、CO2，地層水氘同位素組成(δD)、溶解無(wú)機(jī)碳同位素化學(xué)組成、地層水氯離子濃度(小于4mol)、淡水含量(大于50%)、δ13C1與天然氣組成等進(jìn)一步證實(shí)盆地邊緣Antrim頁(yè)巖氣屬于生物成因氣，是中一低鹽度淡水中的微生物作用結(jié)果[13]。盆地方向熱成因甲烷有所增加，但產(chǎn)量有限。
    盆地北部頁(yè)巖產(chǎn)區(qū)生產(chǎn)井9382口，日產(chǎn)1042×104m3。1998年產(chǎn)量高峰過(guò)后，氣田年遞減率4%～5%，單井9%，據(jù)此估計(jì)2030年累計(jì)產(chǎn)量約1246×108m3。雖然Antrim頁(yè)巖氣富集帶規(guī)模有限，但埋藏較淺，鉆井費(fèi)用較低，且屬于晚期成藏，現(xiàn)今仍處于持續(xù)充注階段[14]，有利于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可采，適于中小規(guī)模企業(yè)開(kāi)發(fā)。
2.4.2 Appalachian盆地頁(yè)巖氣富集區(qū)帶
    美國(guó)東部Appalachian盆地面積53.2×104km2，包括New York西部、Pennsylvania、West Virginia、Ohio、Kentucky和Tennessee州等。東臨Appalachian山脈，西瀕中部平原，構(gòu)造上屬于Appalachian褶皺帶的山前坳陷，伴隨Laurentian古陸經(jīng)歷了由被動(dòng)邊緣型向前陸盆地的演化過(guò)程。盆地以前寒武紀(jì)結(jié)晶巖為基底，古生代沉積巖呈巨大的楔形體(最大厚度12000m)埋藏于不對(duì)稱的、向東變深的前陸盆地中。寒武系和志留-密西西比系為碎屑巖夾碳酸鹽巖，奧陶系為碳酸鹽巖夾頁(yè)巖，賓夕法尼亞系為碎屑巖夾石灰?guī)r及煤層?？傮w上由富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖(主要為碳質(zhì)頁(yè)巖)、粉砂質(zhì)頁(yè)巖、粉砂巖、砂巖和碳酸鹽巖等形成3～4個(gè)沉積旋回構(gòu)成，每個(gè)旋回底部通常為富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖，上部為碳酸鹽巖。泥盆系黑色頁(yè)巖處于第3個(gè)旋回之中，分布于泥盆紀(jì)(距今380 Ma)Acadian造山運(yùn)動(dòng)下形成的碎屑巖楔形體內(nèi)[15]。
    盆地沉積剖面中頁(yè)巖約占一半，泥盆系中、上部黑色頁(yè)巖最為發(fā)育，超過(guò)240m，是泥盆系-中上古生界含油氣系統(tǒng)中常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣的主力烴源巖。泥盆系-中上古生界含油氣系統(tǒng)分布廣泛，從東北部New York一直延伸到西南部的Tennessee，油氣分布主要受巖性控制，構(gòu)造影響其次。寒武系-賓夕法尼亞系均產(chǎn)油氣，泥盆系特別是上泥盆統(tǒng)產(chǎn)油氣最多，占盆地油氣可采儲(chǔ)量52%以上，巖性有砂巖、碳酸鹽巖和裂縫性頁(yè)巖，與源巖相鄰的儲(chǔ)集層發(fā)育常規(guī)油氣藏。例如上泥盆統(tǒng)向東過(guò)渡為紅色陸相沉積，向西為海相暗色泥巖，其間砂頁(yè)巖互層成為常規(guī)油氣聚集的有利地帶，內(nèi)部發(fā)育裂縫性黑色頁(yè)巖氣藏，位于Virginia西南、Kentucky東部、West Virginia西南、Ohio南部，面積約777km2的Big Sandy氣田Ohio組Huron段含氣頁(yè)巖就是其中之一。
    Big Sandy氣田于1918年發(fā)現(xiàn)，1921年開(kāi)始生產(chǎn)泥盆系頁(yè)巖氣，至今很多井已生產(chǎn)40多年。高產(chǎn)井多沿北東方向分布，與高角度多組裂縫發(fā)育緊密相關(guān)，裂縫不發(fā)育地區(qū)往往低產(chǎn)。裂縫網(wǎng)絡(luò)的形成主要受地質(zhì)時(shí)期地殼應(yīng)力作用強(qiáng)度和方向影響，尤其是Rome斷槽形成中伴生的斷裂作用。west Virginia州Jackson縣Cottageville氣田研究揭示埋深1127.8m的Ohio組頁(yè)巖Huron段，雖然裂縫局部充填白云石，但殘余孔洞常具有連通性，滲透率較高。因此20世紀(jì)80年代以來(lái)的眾多研究認(rèn)為，這一地區(qū)頁(yè)巖氣產(chǎn)量主要控制因素是有機(jī)質(zhì)含量、熱成熟度、天然裂縫展布以及黑色頁(yè)巖與灰色頁(yè)巖空間分布關(guān)系。
    Big Sandy氣田是阿巴拉契盆地頁(yè)巖氣歷史累計(jì)產(chǎn)量最高地區(qū)。絕大多數(shù)來(lái)自上泥盆系頁(yè)巖氣，現(xiàn)今儲(chǔ)層還包括中泥盆統(tǒng)Marcellus頁(yè)巖，上泥盆統(tǒng)Rhinestreet頁(yè)巖、Cleveland頁(yè)巖以及密西西比系Sunbury含氣頁(yè)巖，埋藏深度510～1800m，測(cè)井孔隙度1.5%～11%，平均4.4%[16]。1996年該區(qū)估算原始地質(zhì)儲(chǔ)量5660×108m3，可采儲(chǔ)量962×108m3，剩余可采儲(chǔ)量255×108m3，估計(jì)單井極限可采儲(chǔ)量14×104～2260×104m3，平均250×104m3[17]。
    與盆地西部淺層相比，中、東部地區(qū)埋藏深、熱成熟度高，原油進(jìn)入裂解成氣階段，黑色頁(yè)巖比例、TOC含量和頁(yè)巖儲(chǔ)層產(chǎn)氣能力均上升，如中泥盆系Marcellus頁(yè)巖已成為Pennsylvania、New York州新的勘探目標(biāo)，按照Barnett頁(yè)巖開(kāi)發(fā)模式，圍巖發(fā)育Onondaga等致密灰?guī)r無(wú)疑為應(yīng)用水平井鉆探、大規(guī)模水力壓裂提供了天然屏障，與此同時(shí)Ohio組Huron頁(yè)巖也進(jìn)入新一輪開(kāi)發(fā)，頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)在該盆地將再次繁榮。
3 結(jié)論
    1) 天然氣成因確定是頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)、勘探目標(biāo)選擇、開(kāi)發(fā)方案制訂的基礎(chǔ)。盆地斜坡/中心，傾油有機(jī)質(zhì)經(jīng)歷充分熱降解或熱裂解，熱成因頁(yè)巖氣較發(fā)育；有機(jī)質(zhì)成熟度較低、水動(dòng)力條件優(yōu)越的盆地邊緣，生物成因氣發(fā)育。同屬上泥盆統(tǒng)-下密西西比統(tǒng)海相黑色頁(yè)巖，Michigan盆地北部淺層低成熟的Antrim頁(yè)巖氣為生物成因，Appalachian盆地Ohio頁(yè)巖、Fort Worth盆地Barnett頁(yè)巖、Arkama盆地Woodford頁(yè)巖氣為熱解成因，Illinois盆地New Albany頁(yè)巖氣為混合成因氣。
    2) 北美頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)目標(biāo)是成熟盆地含油氣系統(tǒng)主力烴源巖。致密頁(yè)巖分布范圍廣、有效厚度大、有機(jī)質(zhì)豐富、含氣量大、裂縫系統(tǒng)發(fā)育、原始地質(zhì)儲(chǔ)量豐厚，埋深和黏土含量相對(duì)較少的巖石類型有利于實(shí)施水力壓裂，規(guī)模生產(chǎn)效果比較好。其中烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和熱裂解生烴潛力決定頁(yè)巖氣資源富集程度，裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育程度決定能否獲取豐厚的商業(yè)價(jià)值。這些說(shuō)明泥頁(yè)巖不僅可以充當(dāng)烴源巖、蓋層，一定條件下還是重要的儲(chǔ)層，形成資源龐大、現(xiàn)實(shí)的頁(yè)巖氣聚集區(qū)帶?？碧介_(kāi)發(fā)目標(biāo)首選沉積環(huán)境、地化、巖石學(xué)特征、保存、埋深等綜合地質(zhì)條件優(yōu)越和經(jīng)濟(jì)可采價(jià)值高的區(qū)域。
    3) 廣泛發(fā)育的北美克拉通盆地、前陸盆地的含氣黑色頁(yè)巖沉積于缺氧還原環(huán)境，多數(shù)層段陸源碎屑供應(yīng)量較少，有機(jī)碳含量高且放射性強(qiáng)。古環(huán)境、古氣候和古地理因素在區(qū)域內(nèi)保持基本一致導(dǎo)致細(xì)粒沉積巖組合特征具有一定共性；盆地主要發(fā)展階段的構(gòu)造演化、水動(dòng)力背景導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)烴源巖形成不同成因、不同成熟程度頁(yè)巖氣。因此，傾油有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境和熱成熟度是頁(yè)巖氣富集帶主要的區(qū)域控制因素。這一點(diǎn)與常規(guī)油氣藏尋找高孔滲儲(chǔ)層的思路有所區(qū)別。
    4) 細(xì)粒沉積巖層序地層劃分、等時(shí)格架的建立尚需更多研究，利用地球化學(xué)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定沉積層序，對(duì)解釋黑色頁(yè)巖沉積環(huán)境、生烴潛力、空間分布，預(yù)測(cè)頁(yè)巖氣聚集帶，評(píng)價(jià)頁(yè)巖氣資源具有指導(dǎo)意義。海進(jìn)體系域多發(fā)育高質(zhì)量?jī)A油烴源巖，這與陸源碎屑少和低沉積率、高有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率有關(guān)。
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(本文作者：李新景1 呂宗剛2 董大忠1 程克明1 1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；2.中國(guó)石油西南油氣田公司蜀南氣礦)