美國(guó)安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶成藏主控因素研究

李 茗，吳 潔

(中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

安特里姆天然裂縫型頁(yè)巖氣區(qū)帶位于美國(guó)密歇根盆地的北部，區(qū)帶總面積約10 117 km2。安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶屬于大范圍富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)大面積地覆蓋了北美古大陸的中-下泥盆統(tǒng)地層，天然氣蘊(yùn)藏在淺層、欠壓、富有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖儲(chǔ)集層內(nèi)，氣體多被有機(jī)質(zhì)和黏土吸附。頁(yè)巖由含黃鐵礦薄層狀粉砂質(zhì)泥巖和富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖組成，夾灰色、綠色頁(yè)巖和碳酸鹽巖層。安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)儲(chǔ)層埋深較淺，垂深約為152～610 m，產(chǎn)出的干氣主要為生物成因氣，此外儲(chǔ)層內(nèi)裂縫系統(tǒng)較為發(fā)育。區(qū)帶的規(guī)模化生產(chǎn)開始于20世紀(jì)80年代中期，頁(yè)巖氣原始地質(zhì)資源量豐度為(0.85～2.27)×108m3/km2，頁(yè)巖氣總地質(zhì)資源量為(9 911～21 521)×108m3，最終可采儲(chǔ)量(URR)約1 982×108m3[1-2]。安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶勘探成功率大于90%，是20世紀(jì)90年代美國(guó)最活躍的油氣區(qū)帶之一，這套層系的開發(fā)使密歇根州的天然氣年產(chǎn)量提高了一倍。到2008年，在密歇根下半島北部12個(gè)郡區(qū)域內(nèi)，超過700個(gè)頁(yè)巖氣項(xiàng)目共有9000多口井完井，2007年這一地區(qū)成為美國(guó)10個(gè)最大的天然氣產(chǎn)區(qū)之一[3]。

1 盆地構(gòu)造及沉積演化特征

密歇根盆地位于加拿大地盾南部地區(qū)，是一個(gè)橢圓形平伏狀巨型內(nèi)克拉通盆地，面積約20.73×104km2，總體表現(xiàn)為一個(gè)向北翹傾的近圓形不對(duì)稱盆地，以南部密歇根半島為中心，向北部不對(duì)稱微傾，一直延伸到加拿大安大略省境內(nèi)，盆地以一些主要的隆起構(gòu)造為界與周圍的克拉通盆地相鄰，前寒武紀(jì)基維諾期的基底裂谷呈北西向貫穿盆地中部，盆地邊緣的構(gòu)造主要為古生代的背斜，呈北西-南東走向，其他的斷層也同樣具類似的走向。

密歇根盆地的形成及演化過程比較簡(jiǎn)單[4]。海平面升降的變化是該盆地沉積相、沉積厚度等的主要控制因素。傳統(tǒng)上密歇根盆地被稱之為典型的克拉通盆地，缺乏裂谷盆地的待征。晚寒武世時(shí)，盆地主要受伸展構(gòu)造影響，并伴隨著晚前寒武世與超級(jí)大陸裂解相關(guān)的熱事件，早奧陶世盆地開始沉降并逐漸形成目前的構(gòu)造格局(圖1)。

安特里姆頁(yè)巖沉積于泥盆紀(jì)末期-密西西比期早期，最大沉積厚度183 m，主要沉積在東部?jī)?nèi)陸海道的深水局限環(huán)境中，整合覆蓋在中泥盆統(tǒng)特拉弗斯組頁(yè)巖和灰?guī)r之上，安特里姆頁(yè)巖層之上是整合覆蓋的貝德福德組頁(yè)巖層，這套頁(yè)巖是貝德福德/貝雷亞三角洲體系的一部分，在密歇根盆地北部的區(qū)域，安特里姆頁(yè)巖隱伏區(qū)在更新世冰蓋之下沉積向北部逐漸變薄并尖滅，形成安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶的邊界。

2 安特里姆頁(yè)巖氣藏成藏模式

密歇根克拉通盆地的構(gòu)造形態(tài)為四周高、中間低；富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖在盆地逐漸埋深，但在盆地周緣處于相對(duì)較淺的層位，甚至在盆地周緣都有出露；同時(shí)，盆地邊緣處于構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)比較強(qiáng)烈，容易形成不同級(jí)別的裂縫，這些裂縫可以成為早期大氣淡水的淋濾滲透的通道，淡水由盆地邊緣注入，雨水補(bǔ)給有利于生物成因氣的生成，因此，可以說裂縫發(fā)育和冰川作用之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，即多次冰磧物載荷形成的水力壓頭，加速了先存天然裂縫的膨脹，膨脹的裂縫又成為很好的大氣淡水淋濾通道，有利于這一區(qū)域的生物成因氣生成[5]。安特里姆頁(yè)巖氣即為晚期生物氣生成系統(tǒng)，其是在源巖和儲(chǔ)層沉積以后隔很長(zhǎng)一段時(shí)間才生成的，成藏的關(guān)鍵時(shí)期為第四紀(jì)冰川運(yùn)動(dòng)時(shí)期及之后，即使是現(xiàn)在天然氣還在繼續(xù)生成。

圖1 密歇根盆地東西向地質(zhì)剖面

3 安特里姆頁(yè)巖氣藏成藏主控因素

3.1 儲(chǔ)集層特征

安特里姆頁(yè)巖為層狀的富硫化鐵和有機(jī)質(zhì)黑色頁(yè)巖，夾灰色和綠色頁(yè)巖以及碳酸鹽巖， 根據(jù)伽馬和密度測(cè)井特征，從底部到頂部可將該頁(yè)巖區(qū)帶劃分為4個(gè)層段，即諾伍德段、 帕克斯頓段、拉欽段以及未劃分的上部層段，包括埃爾斯沃斯段頁(yè)巖層，其中諾伍德段和拉欽段是勘探的首要目的層[6]。

安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶的黑色頁(yè)巖內(nèi)主要為局限海內(nèi)沉積的浮游藻類沉積，僅可見少量陸緣有機(jī)物，I型干酪根，黑色頁(yè)巖中還包含0.2%～0.8%的瀝青，瀝青含量向地層深部增大。安特里姆頁(yè)巖內(nèi)4套主要的地層中，諾伍德段和拉欽段具有較高的有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)含量分別為5%～12%和10%～16%，上安特里姆段也是一套潛力層，TOC含量約6%，但是目前極少對(duì)該套層系進(jìn)行測(cè)試和完井。層間的灰色頁(yè)巖，如帕克斯頓段不是有利的烴源巖，有機(jī)質(zhì)含量小于0.5%[7]。

區(qū)帶內(nèi)安特里姆頁(yè)巖厚度變化較大，區(qū)帶北部邊緣沉積減薄尖滅，在沉積厚度最大的西南部，該套頁(yè)巖沉積厚度達(dá)183 m，平均沉積厚度約為91 m。區(qū)帶內(nèi)諾伍德段沉積厚度在西部為3 m，到東南部厚度增大到9.1 m(圖2-A)；而拉欽段厚度在區(qū)帶內(nèi)分布相對(duì)較為均勻，沉積厚度在21～30 m范圍內(nèi)，平均厚度約24 m(圖2-C,D)；介于之間的帕克斯頓段在區(qū)帶的南部和中部厚度約為15 m，向區(qū)帶北部、西部和東部逐漸減薄(圖2-B)；上部層段在區(qū)帶北部缺失，向東部增厚，厚度約為12～30 m；埃爾斯沃斯段頁(yè)巖中包含一系列的綠灰色前三角洲氧化的黏土巖，楔進(jìn)入安特里姆頁(yè)巖的上部黑色富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖地層，但僅僅局限分布在密歇根盆地的西部，厚度大于274 m，在區(qū)帶東部埃爾斯沃斯段頁(yè)巖地層缺失。

安特里姆頁(yè)巖層基質(zhì)孔隙度平均2%～5%，晶間微孔隙含水飽和度40%～50%，安特里姆頁(yè)巖中約20%～25%的產(chǎn)出氣賦存于頁(yè)巖內(nèi)的裂縫和孔隙中。

安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶拉欽段和諾伍德段兩套主要產(chǎn)層為含硫化鐵硅質(zhì)海相頁(yè)巖，儲(chǔ)層中見大量高角度(50°～80°)正交構(gòu)造裂縫。儲(chǔ)層頂?shù)咨w層主要為夾少量硅質(zhì)的薄層頁(yè)巖和碳酸鹽巖，蓋層中裂縫不發(fā)育，封蓋性較好?；|(zhì)孔隙度2%～5%，基質(zhì)的平均滲透率1～10 nD，總滲透率約為1 000～50 000 nD，滲透率變化范圍較大，主要取決于裂縫是否開啟或被方解石充填。拉欽段和諾伍德段的地層系數(shù)約為15～1 524 mD·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國(guó)其他裂縫性泥盆系頁(yè)巖的地層系數(shù)(一般為0.06～30 mD·m)，安特里姆頁(yè)巖內(nèi)上部層段頁(yè)巖內(nèi)裂縫較為不發(fā)育，相應(yīng)地層系數(shù)約為6～24 mD·m。壓裂后單井生產(chǎn)能力較高，單井產(chǎn)能可達(dá)3 540～5 663 m3/d。天然氣主要成分為甲烷，其次為5%～30%的CO2，N2含量可高達(dá)9%。

圖2 上泥盆統(tǒng)安特里姆頁(yè)巖分布和厚度

安特里姆頁(yè)巖包括30%～60%的石英，20%～35%伊利石，5%～10%高嶺石，最高5%的綠泥石以及最高5%的黃鐵礦，在儲(chǔ)層下半段可見方解石和白云巖的石灰?guī)r結(jié)節(jié)、透鏡體和夾層，最厚1.5 m。埃爾斯沃斯組頁(yè)巖內(nèi)包含的白云巖含量最高可達(dá)25%。安特里姆頁(yè)巖內(nèi)的伊利石大部分為自生礦物，可能來源于受侵蝕作用的奧陶系和泥盆系膨潤(rùn)土，最初為蒙脫石沉積，可以描述為富伊利石的伊利石/蒙脫石混層沉積，晚泥盆世之后，發(fā)生了短暫的蒙脫石伊利石化，隨即被后來的流體流入阻止。黑色頁(yè)巖內(nèi)油母質(zhì)和黃鐵礦含量(約7.5%)較高，而灰色和綠色頁(yè)巖中方解石和白云巖的含量相對(duì)較高，局部為30%～40%。

3.2 區(qū)帶內(nèi)裂縫系統(tǒng)發(fā)育

安特里姆頁(yè)巖中發(fā)育區(qū)域性的天然裂縫，可能形成于深埋期間。整體來說區(qū)帶主要存在兩組共軛裂縫，北東向裂縫密度大，北西向裂縫密度相對(duì)較小，已觀察到兩組裂縫貫穿于整個(gè)泥盆系剖面和盆地北緣，南北向和東西向發(fā)育一些次要的裂縫體系。北西向的裂縫體系平行于密歇根盆地中央的古生代背斜的軸向，而北東向斷裂體系則平行于現(xiàn)今最大水平應(yīng)力方向[8]。裂縫為大氣淡水的淋濾滲透提供了通道，雨水補(bǔ)給又有利于生物成因氣的生成，因此裂縫是水和氣的良好通道，在頁(yè)巖氣勘探中，地質(zhì)條件相似的情況下，裂縫發(fā)育的區(qū)域往往是勘探的首選區(qū)域[9]。

安特里姆頁(yè)巖層內(nèi)流體主要通過密集的中等規(guī)模正交裂縫體系流動(dòng)，具有基質(zhì)和裂縫雙孔隙體系；基質(zhì)中的氣體，主要通過巖石結(jié)構(gòu)本身的解吸附作用，從有機(jī)物和泥巖中解吸附獲得，只有很少一部分來自飽含氣的孔隙。最好的兩套產(chǎn)層諾伍德段和拉欽段頁(yè)巖，適合采取增產(chǎn)措施的最佳產(chǎn)層厚度為4.6～6.7 m。由于儲(chǔ)層內(nèi)含有硅質(zhì)夾層，使得儲(chǔ)層脆性較大，壓裂的敏感性較好。諾伍德和拉欽段段內(nèi)均擁有獨(dú)立的裂縫體系，裂縫均未穿層。諾伍德段內(nèi)的裂縫相對(duì)更發(fā)育，因此該層的總滲透率相對(duì)較高。天然裂縫多為近垂直方向，相對(duì)地層面的傾角約為50°～80°，裂縫間距一般為0.3～1.5 m，在垂向和水平兩個(gè)方向上表現(xiàn)為低各向異性。介于諾伍德段和拉欽段兩層之間的帕克斯頓段，裂縫相對(duì)不發(fā)育，可以很好的起到封隔流體流動(dòng)的作用。安特里姆頁(yè)巖上部的上部頁(yè)巖層段相對(duì)下部的諾伍德和拉欽段來說裂縫發(fā)育相對(duì)較少，裂縫間距一般在2.4～6.1 m之間，不是首要的目的層，很少在該層測(cè)試和完井[10]。

3.3 區(qū)帶內(nèi)水體屬性變化

在安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶內(nèi)，淡水的淋濾有利于微生物活動(dòng)，是產(chǎn)生生物成因氣的一個(gè)決定性因素，向盆地的深部和區(qū)帶南部區(qū)域水體礦化度含量逐漸增高，因而盆地深部和南部晚期生物成因氣的缺乏，可歸因于高礦化度條件下微生物降解作用受到抑制，從而難以生成生物成因的天然氣[11]。

此外，在北部翹傾區(qū)安特里姆頁(yè)巖隱伏露頭區(qū)位于更新世冰磧物之下，上覆冰磧物的淡水進(jìn)入安特里姆頁(yè)巖高部位的裂縫和孔隙向南部下傾區(qū)流動(dòng)，盡管翹傾邊緣的儲(chǔ)層絕對(duì)滲透率明顯高于下傾區(qū)的儲(chǔ)層滲透率，但翹傾區(qū)裂縫里的高含水飽和度降低了氣體的相對(duì)滲透率，抑制了氣體的流動(dòng)，形成水堵，裂縫中的氣體得以通過水動(dòng)力流和水堵圈閉，有利于氣體的保存。

3.4 成藏主控因素

安特里姆頁(yè)巖區(qū)帶屬于大范圍富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)大面積地覆蓋了北美古大陸的中-下泥盆統(tǒng)地層，天然氣蘊(yùn)藏在淺層、欠壓、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集層內(nèi)，主力層系諾伍德段和拉欽段有機(jī)質(zhì)含量最高，地層系數(shù)遠(yuǎn)高于美國(guó)其他裂縫性泥盆系頁(yè)巖，是優(yōu)質(zhì)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層。區(qū)帶北部的翹傾區(qū)，發(fā)育北東向和北西向兩組共軛裂縫，是水和氣的良好通道。向區(qū)帶北部淡水含量增大，有利于微生物的活動(dòng)和生物成因氣的生成，而隱伏露頭區(qū)的水動(dòng)力和水堵又是形成圈閉的首要條件，因此，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層、裂縫發(fā)育和淡水淋濾是安特里姆頁(yè)巖氣藏的三大成藏主控因素，缺一不可。

區(qū)帶北部安特里姆頁(yè)巖隱伏區(qū)可作為勘探的最有利區(qū)域。在區(qū)帶南部邊界的下傾區(qū)，地層水的鹽度逐漸增大，抑制了微生物活動(dòng)，且裂縫密度逐漸減小，不足以支持商業(yè)氣流的生產(chǎn)，因此不是頁(yè)巖氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

(1)安特里姆頁(yè)巖區(qū)帶屬于大范圍富含有機(jī)質(zhì)的頁(yè)巖沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)大面積地覆蓋了北美古大陸的中-下泥盆統(tǒng)地層，天然氣蘊(yùn)藏在淺層、欠壓、富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)集層內(nèi)，氣體多被有機(jī)質(zhì)和黏土吸附。天然氣主要為生物成因氣。有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的生物成因氣藏主要位于盆地邊緣附近，生物氣主要形成于冰川作用期間和之后。主力層系諾伍德段和拉欽段有機(jī)質(zhì)含量最高，層內(nèi)部裂縫發(fā)育，地層系數(shù)遠(yuǎn)高于美國(guó)其他裂縫性泥盆系頁(yè)巖，為區(qū)帶內(nèi)最重要的頁(yè)巖氣勘探目的層。

(2)安特里姆頁(yè)巖中發(fā)育區(qū)域性的天然裂縫，區(qū)帶主要存在兩組共軛裂縫，內(nèi)北東向裂縫密度大，北西向裂縫密度相對(duì)較小，兩組裂縫貫穿于整個(gè)泥盆系剖面和盆地北緣，南北向和東西向發(fā)育一些次要的裂縫體系。在頁(yè)巖氣勘探中，地質(zhì)條件相似的情況下，裂縫發(fā)育的區(qū)域往往是勘探的首選區(qū)域。

(3)在安特里姆頁(yè)巖氣區(qū)帶內(nèi)，向盆地的深部和區(qū)帶南部區(qū)域水體礦化度含量漸增高，因而盆地深部和區(qū)帶南部南部在高礦化度條件下，微生物降解作用受到抑制，從而難以生成生物成因的天然氣。北部淡水含量增高，有利于微生物的活動(dòng)和生物氣的生成。而且北部翹傾區(qū)裂縫里的高含水飽和度降低了氣體的相對(duì)滲透率，抑制了氣體的流動(dòng)，形成水堵，使得裂縫中的氣體得以通過水動(dòng)力流和水堵圈閉，有利于氣體的保存。

(4)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層、裂縫發(fā)育和淡水淋濾是安特里姆頁(yè)巖氣藏的三大成藏主控因素，缺一不可。

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