北美地区典型页岩气盆地成藏条件解剖

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

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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）。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：①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；②中上密西西比统，为沿俄克拉荷马坳

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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；③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2.66×1012 m3 (USGS，2008) 。气田可分为两个区: ①核心区，Barnett页岩下部发育有Viola灰岩，页岩厚度大于107 m；②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 ①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

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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9~15 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

②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

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