1、北美地區典型頁巖氣盆地成藏條件解剖1、阿巴拉契亞盆地俄亥俄頁巖系統（1）概況阿巴拉契亞盆地（Appalachian）位于美國的東部,面積280000平方公里，包括New York西部、Pennsylvania、West Virginia、Ohio、Kentucky和Tennessee州等，是美國發現頁巖氣最早的地方。俄亥俄（Ohio）頁巖發育在阿巴拉契壓盆地西部,分布在肯塔州東北部和俄亥俄州，是該盆地的主要頁巖區（圖2）。該區古生代沉積巖是個巨大的楔形體，總體上是富含有機質頁巖、碎屑巖和碳酸鹽巖構成的旋回沉積體。圖1 美國含頁巖氣盆地分布圖1953年，Hunter和Young對Ohio頁巖氣3

2、400口井統計，只有6%的井具有較高自然產能（平均無阻流量為2.98萬m2/d），主要原因是這些井的頁巖中天然裂縫網絡比較。其余94%的井平均產量為1726m3/d，經爆破或壓裂改造后產量達8063m3/d，提高產量4倍多。1988年前，美國頁巖氣主要來自Ohio頁巖氣系統。截止1999年末,該盆地鉆了多達21000口頁巖井。年產量將近34億m3。天然氣資源量58332566337億m3,技術性可采收資源量41067787億m3。每口井的成本$200000-$300000，完井成本$25$50。（2）構造及沉積特征阿巴拉契亞盆地東臨Appalachian山脈，西瀕中部平原，構造上屬于北美地臺和

3、阿巴拉契亞褶皺帶間的山前坳陷。伴隨Laurentian古陸經歷了由被動邊緣型向前陸盆地的演化過程。盆地以前寒武紀結晶巖為基底，古生代沉積巖呈巨大的楔形體(最大厚度12 000 m)埋藏于不對稱的、向東變深的前陸盆地中。寒武系和志留一密西西比系為碎屑巖夾碳酸鹽巖，奧陶系為碳酸鹽巖夾頁巖，賓夕法尼亞系為碎屑巖夾石灰巖及煤層。總體上由富有機質泥頁巖(主要為碳質頁巖)、粉砂質頁巖、粉砂巖、砂巖和碳酸鹽巖等形成34個沉積旋回構成，每個旋回底部通常為富有機質頁巖，上部為碳酸鹽巖。泥盆系黑色頁巖處于第3個旋回之中，分布于泥盆紀Acadian造山運動下形成的碎屑巖楔形體內（James,2000）。該頁巖層可再

4、分成由碳質頁巖和較粗粒碎屑巖互層組成的五個次級旋迥(Ettensohn，1985)。它們是在阿卡德造山運動的動力作用下和Catskill三角洲的向西進積中沉積下來的。圖2 阿巴拉契亞盆地西部中泥盆統下密西西比系剖面（據Moody等，1987）（3）頁巖氣成烴條件分析 頁巖分布特征阿巴拉契亞盆地中南部最老的泥盆紀頁巖層系屬于晚泥盆世。Antrim頁巖和New Albany大致為Chattanooga頁巖和Ohio頁巖的橫向同位層系（Matthews,1993）。在俄亥俄東邊和南邊,Huron段分岔。有的地區已經被插入的灰色頁巖和粉砂巖分成兩個層。俄亥俄頁巖系統，覆蓋于Java 組之上(圖3)。由

5、三個巖性段組成：下部 Huron段為放射性黑色頁巖，中部Three Lick層為灰色與黑色互層的薄單元，上部Cleveland段為放射性黑色頁巖。俄亥俄頁巖礦物組成包括：石英、粘土、白云巖、重金屬礦（黃鐵礦）、有機物。圖2是西弗吉尼亞中部和西部產氣區泥盆紀頁巖層的地層剖面。中上泥盆統的分布面積約128，000mi2(331，520km2)，它們沿盆地邊緣出露地表。頁巖埋藏深度為6101520m，頁巖厚度一般在100400ft(30120m),泥盆系黑色頁巖最大厚度在賓夕尼亞州的中北部(圖3)(deWitt等，1993)。頁巖地球化學特征圖4表示Ohio頁巖下Huron段烴源巖有機碳等值線圖。從

6、鏡質體反射率特征來看，下Huron段所有的有機質基本上都是熱成熟的。有機質類型以型干酪根為主，利于生成液態和氣態烴(Curtis和Faure，1997，1999)。總有機碳等值線所圈定的大部分產氣區包括西弗吉尼亞、東肯塔基和南俄亥俄(GRI，2000)。在西弗吉尼亞的Calhoun郡，下Huron段的下伏頁巖地層產氣，其放射性測井曲線讀數最大，這與其下伏泥頁巖層段有機碳含量較高（達2）相一致。由圖4可見，黑色頁巖所占比例、總有機碳含量和產氣率均向西增加，在靠近西弗吉尼亞邊界附近Kentucky郡的Big Sandy氣田處達到最大值。該氣田自1921年開始生產頁巖氣以來一直是阿巴拉契亞盆地產量最

7、高的頁巖氣田。圖3 中上泥盆統放射性黑色頁巖的總有效厚度圖(據deWitt等。1993)圖4 Ohio頁巖Huron段下部的總有機碳分布(據Curtis和Faure1997年資料修改)俄亥俄頁巖有機質以開闊海相成因及Tasmanites來源為主。即干酪根類型以型和型為主。古海藻Tasmanites是黑色頁巖的重要的來源,其極度繁盛而且多期出現,排除了水柱透光帶中的其它類型的生物群。Curtis和Faure(1997，1999)認為，在塔康、阿卡德和阿勒格尼造山運動中，Rome地塹的邊界斷裂發生活化，在晚泥盆世淺內陸海的洋底形成了許多地貌凹陷，與這些地貌凹陷相關的斷陷次盆地對Ohio頁巖下Hur

8、on 段和West Falls群的Rhinestreet頁巖段中藻類有機質的保存有明顯的控制作用(圖4)。這些斷陷次盆地可能由于其水循環條件差而限制了氧的補給。有機質的保存條件也因為盆地上方水體中Tasmanites等藻類的周期性繁殖而變好。這些藻類的繁殖由于消耗分子氧使有機質大量富集，從而保存了藻類物質。Algeo(2008)提出Appalachian盆地中部泥盆系一密西西比系頁巖是前陸盆地局限深水沉積產物。泥盆系Ohio頁巖沉積期，構造運動導致相對海平面下降，局限程度增強，晚泥盆紀一早石炭紀之交最大，使Appalachian海處于耗氧狀態，而且穩定的分層水體確保生物有機質得以保存，TOC較

9、高，形成New York幾百米厚黑色頁巖，Kentucky東北部減薄為5090m。Zeilinki和McIver（1982）運用TAI值描繪了阿巴拉契亞盆地上泥盆統的熱成熟度范圍，指出盆地西部的巖石對于原油的生成是未成熟的,因此生成的數量比較有限。大多數地區的黑色頁巖層序是過成熟的,因而基本上沒有生成液態烴類的可能。盆地的中間部位既有高質量的源巖又有適當的熱成熟度,因而具有頁巖氣商業性開采潛力。總的來看，該頁巖系統的Ro值介于0.41.3%（表1）。表1 阿巴拉契亞盆地俄亥俄頁巖地質、地球化學和儲量參數表參數名稱參數數值參數名稱參數數值盆地類型山前坳陷層位泥盆系頁巖分布面積（km2）414,4

10、00埋藏深度（m）600-1500總厚度（m）90-300純頁巖厚度（m）9-30TOC含量（）0-4.7干酪根類型型和型為主熱成熟度（Ro，）0.4-1.3巖井溫度（）100總孔隙度（）4.7含氣孔隙度（）2.0壓力梯度（psi/ft）0.150.40氣藏壓力（psi）5002000含氣量（標準立方英尺/t）60100吸附氣含量（）50儲量豐度（億m3/km2）0.55-1.09采收率（）1020頁巖巖石礦物學及儲層特征Ohio頁巖礦物組成中，碳酸鹽巖含量較低，小于25；石英、長石和黃鐵礦含量2080，粘土含量在2080之間，與Barnett頁巖相比，Ohio頁巖粘土礦物含量較高，而石英、長

11、石及黃鐵礦含量較低（圖5）。圖5 頁巖儲層巖石礦物組成三角圖（李新景等，2009）Big Sandy氣田以Ohio組Huron段為主力產層，高產井多沿北東方向分布，與高角度多組裂縫發育緊密相關，裂縫不發育地區往往低產。裂縫網絡的形成主要受地質時期地殼應力作用強度和方向影響，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。因此眾多研究認為，這一地區頁巖氣產量主要控制因素是有機質含量、熱成熟度、天然裂縫展布以及黑色頁巖與

12、灰色頁巖空間分布關系。（4）頁巖氣的生產情況根據Hunter等(1953)的早期研究，3400口井中只有6的井未采用增產措施完井。這些井可能發育天然裂縫網絡，其平均無阻日產量為1,055×103ft3。其余94 的井完井后無可觀產量，平均日產量僅61×103 ft3。這些井后來用早期的油田射孔技術進行了增產處理，氣井采取增產措施后，其平均日產量約285×103立方英尺，比采取增產措施前提高了4倍多，認為射孔提高了裂縫孔隙度和滲透率，因而能產出有商業價值的天然氣。目前，氣井通常用液態氮泡沫和砂支撐劑進行壓裂(Milici，1993)。Big Sandy氣田是阿巴拉契

13、盆地頁巖氣歷史累計產量最高地區。絕大多數來自上泥盆系頁巖氣，現今儲層還包括中泥盆統Marcellus頁巖，上泥盆統Rhinestreet頁巖、Cleveland頁巖以及密西西比系Sunbury含氣頁巖，埋藏深度5101800m，測井孔隙度1.511%，平均4.4%。1996年該區估算原始地質儲量5660×108m3，可采儲量962×108m3，剩余可采儲量255×108m3，估計單井極限可采儲量14×1042260×104m，平均250×104m3。1994年以前，美國頁巖氣主要產自Ohio頁巖，直到密歇根盆地鉆探工作的迅速發展使An

14、trim 頁巖的氣產量位居全美之首時為止。2、福特沃斯盆地巴尼特頁巖系統（1）概況福特沃斯（Fort Worth）盆地是得克薩斯中北部地區的一個南北向延伸的淺的地塹，面積大約為15000mi2（38100km2）。該盆地密西西比系巴尼特（Barnett）頁巖為一個頁巖氣系統，由層狀硅質泥巖、層狀泥質灰泥巖以及骨架泥質泥粒灰巖混合組成。早在20世紀50年代，美國Fort Worth盆地密西西比系Barnett頁巖就見到良好氣顯示；1981年，Mitchell 能源公司大膽地對Barnett頁巖段進行了氮氣泡沫壓裂改造，從而發現了Barnett頁巖氣田。隨著鉆完井技術的不斷改進，氣田的面積不斷擴大

15、，產量飛速增長。2007年,Fort Worth 盆地近8500口Barnett頁巖氣生產井的年產量為305.6×108m3,自1982年投產以來累計產氣1018.8×108m3。（2）構造及沉積特征福特沃斯盆地是晚古生代沃希托（Quachita）造山運動形成的幾個弧后前陸盆地之一，沃希托造山運動是由泛古大陸變形引起的板塊碰撞(北美板塊和南美板塊)形成逆沖斷層的主要事件（Thompson et al，1988）。盆地東部邊界為沃希托逆沖褶皺帶，北部邊界是基底邊界斷層控制的紅河背斜（Red River Arch）和曼斯特背斜(Muenster Arch)，西部邊界為本德背斜（

16、Bend Arch）、東部陸棚等一系列坡度較緩的正向構造，南部邊界為大草原隆起(Llano uplift)。盆地的軸大致與組成盆地北部東北部邊界的Muenster穹隆平行，然后向南彎曲與Quachita構造帶前緣平行（圖6）。在賓夕法尼亞早期和中期， Quachita褶皺帶向東隆升造成構造脊線及由此形成的盆地邊界反向地向西和西北方向偏移（Tai，1979）。紅河和曼斯特背斜以斷層為邊界的基底的抬升形成了盆地的北部邊界。這些構造特征是北西走向的Amarillo-Wichita隆起的延伸部分，是Quachita擠壓過程中基底斷層伴隨Oklahoma（俄克拉荷馬）造山運動而重新復活造成的（Walpe

17、r，1977，1982）。福特沃斯盆地發育的地層主要有寒武系、奧陶系、密西西比系、賓夕法尼亞系、二疊系和白堊系。下古生界上部為一區域性角度不整合，盆地內缺失志留系和泥盆系。上密西西比統和下賓夕法尼亞統表現為連續沉積，但在某些地區可能為平行不整合(如在曼斯特隆起附近)。古生界根據構造演化歷史可大致分為3段：寒武系上奧陶統，為被動大陸邊緣的地臺沉積，包括Riley-Wilberns組、Ellenburger組、Viola組和Simpson組；中上密西西比統，為沿俄克拉荷馬坳拉槽構造運動產生沉降過程的早期沉積，包括Chappel組、Barnett頁巖組和Marble Falls組下段；賓夕法尼亞系，

18、代表了與沃希托逆沖褶皺帶前緣推進有關的主要沉降過程和盆地充填，主要是陸源碎屑沉積，包括Marble Falls組上段和Atoka組等。圖6 福特沃斯盆地構造圖及Barnett頁巖氣主要產氣區分布圖 在盆地的東北部，Barnett 頁巖被Forest burg 灰巖分隔為上、下兩部分（圖7）。Barnett頁巖頂面構造為一單斜，氣藏不受構造控制，面積約15500 km2 ，埋深大于1850 m ，可采資源量2.66×1012 m3 (USGS，2008) 。氣田可分為兩個區: 核心區，Barnett頁巖下部發育有Viola灰巖，頁巖厚度大于107 m；外圍區，缺失Viola 灰巖，Ba

19、rnett頁巖直接與飽含水的下奧陶統Ellenburger組灰巖接觸，頁巖厚度大于30m。（3）頁巖氣成烴條件分析 頁巖分布特征 Barnett含氣頁巖由石灰質頁巖、黏土頁巖、石英質頁巖和含白云石頁巖組成，底部常常包含一層薄薄(<3 m)的富含磷酸鹽物質的區帶,主要是磷灰石，向盆地的北部，富含有機質的黑色頁巖相變為富含碳酸鹽相，碳酸鹽物質可能是由一系列洪流導致的碎屑流沉積。Barnett頁巖的厚度和巖性在盆地范圍內是變化的,東北部最厚(圖8-A)，并包含了一層向南和向西迅速變薄的灰巖。Barnett頁巖層的北部被紅河穹隆和門斯特穹隆所限，南部和東南部被沃希托逆沖褶皺帶所限。在盆地北部，B

20、arnett頁巖平均厚91m，在門斯特隆起附近盆地最深處頁巖的厚度超過305 m。在Newark East氣田的北部和東北部，Barnett頁巖的碳酸鹽含量大量增加，主要是因為波浪和水流把盆地西部Capple礁的碳酸鹽碎屑運移到此處，使Barnett頁巖下段的細粒鈣質物質相當豐富。Barnett頁巖向西、向南迅速變薄，在大草原隆起區域其厚度只有幾米到十幾米，如在Lampasas縣和San Saba縣境內沿大草原隆起出露的地層厚915 m，并且富含油氣。Barnett頁巖在下列地區是缺失的：a北部和北東部紅河隆起和門斯特隆起被剝蝕區域；b南部沿大草原隆起區域；c西部剝蝕區域。圖7 福特沃斯盆地奧

21、陶系至賓夕法尼亞系主要地層A地層剖面示意圖 B 主要地層單元的電纜測井圖頁巖地球化學特征Barnett頁巖可分為5種巖性：黑色頁巖、粒狀灰巖、鈣質黑色頁巖、白云質黑色頁巖、含磷質黑色頁巖。有機質豐度隨巖性的不同發生變化，在富含黏土的層段有機質豐度最高，而且成熟的地下標本和不成熟的露頭標本有很大差別。對不同深度鉆井巖屑的分析結果表明，其有機碳質量分數在1%5%之間，平均為2.5%3.5%，巖心分析數據通常比鉆井巖屑分析的高，為4%5%（Bowke等，2003；Jarvie等，2007）。Jarvie等（2003）和Pollastro等（2004）測得San Saba縣和Lampasas縣Barn

22、ett頁巖露頭樣品的有機碳含量高達12%。雖然Barnett頁巖的有機碳含量變化較大，但總體來說其有機碳含量很高，平均大于2%，表明高有機質豐度Barnett頁巖氣藏被成功勘探開發的重要因素。Barnett組富有機質黑色頁巖主要由含鈣硅質頁巖和含黏土灰質泥巖構成，夾薄層生物骨架殘骸，具有低于風暴浪基面和低氧帶(OMZ)的缺氧一厭氧特征，與開放海溝通有限。沉積物主要為半遠洋軟泥和生物骨架殘骸，沉積營力基本上通過濁流、泥石流、密度流等懸浮機制完成，屬于靜水深斜坡一盆地相(Robert等，2007)。圖8福特沃斯盆地Barnett頁巖厚度圖 (A)和成熟度等值線圖 (B) (據聶海寬等，2009)B

23、arnett頁巖有機質以易于生油的型干酪根為主。在鏡質反射率Ro小于1.1%時，以生油為主、生氣為輔。干氣區主要分布在盆地東北部和沖斷帶前緣，這些地區埋藏較深,成熟度較高，Ro超過1.1%1.4%，處在生氣窗內，如Wise縣生產的伴生濕氣的Ro為1.1%，干氣的Ro在1.4%以上；油區主要分布在盆地北部和西部成熟度較低的區域，Ro為0.6%0.7%；在氣區和油區之間是過渡帶，既產油又產濕氣，Ro在0.6%1.1%之間（圖8B）。天然氣技術研究所GTI公布Barnett頁巖氣藏產氣區頁巖的Ro為1.0%1.3%，實際上產氣區的Ro西部為1.3%，東部2.1%，平均為1.7%。從烴源巖的埋藏史及熱

24、演化圖上來看，福特沃斯盆地Barnett頁巖經歷了賓夕法尼亞紀二疊紀快速沉降和埋深時期、晚二疊世中晚白堊世恒溫階段（只是在中白堊世才被加快埋深的短暫時期打斷）、晚白堊世古近紀的抬升剝蝕三個階段。Barnett頁巖從晚賓西法尼亞世開始生烴,在二疊紀、三疊紀和侏羅紀達到生烴高峰，并一直延續到白堊紀末（圖9）。圖9福特沃斯盆地Eastland縣單井埋深史圖（Montgomery等，2005）頁巖的儲層特征已有的資料表明，有生產能力的、富含有機質的Barnett頁巖的孔隙度為5%6%，滲透率低于0.01×10-3m2，平均吼道半徑小于0.005m，平均含水飽和度為25%，但隨碳酸鹽含量的增加

25、而迅速升高。Barnett頁巖含有天然裂縫，孔隙度和滲透率伴隨有機質成熟而增大，并導致微裂縫的生成。頁巖儲層的孔隙度和滲透率極低，非均質性極強，頁巖氣藏中的游離氣主要儲集在頁巖基質孔隙和裂縫等儲層中。Barnett頁巖氣藏天然氣的賦存方式主要包括游離態和吸附態兩種，（Bowker等，2007）利用Newark East氣田南部Johnson縣Chevron地區Mildred Atlas 1井的巖心樣品進行罐裝解析氣量的分析表明，在氣田常規氣藏條件下(20.7027.58MPa)，Barnett頁巖中吸附氣的體積含量為2.973.26 m3/t，高于早期分析的數據。Humble Geochemi

26、cal公司近期研究Sims 2井的資料后指出，計算的氣體體積含量實際上超過Mildred Atlas 1井，而這兩口井的總有機碳含量接近，分別為4. 79%和4.77%（Martineau等，2007）。在Denton縣的Mitchell Energy KathyKeel 3井殘余有機碳含量為5.2%，吸附氣體積含量為3.40 m3/t，占天然氣總體積含量(5.57 m3/t)的61%（Montgomery等，2005）。圖10所示的甲烷等溫吸附顯示，在壓力為3800psi下，吸附氣的含量為60125scf/t，占總氣量的3550%。吸附氣和游離氣的平均含量分別為85scf/t和105scf/

27、t，分別占總氣量的45%和55%。綜合多口井的資料可以看出，Barnett頁巖氣藏中有40%60%的天然氣以吸附態賦存于頁巖中，比早期研究的數據大很多，說明Barnett頁巖比以前認為的有更大的資源儲量潛力。圖10 Barnett頁巖樣品等溫吸附曲線頁巖的巖石礦物學特征Barnett頁巖在巖性上主要由硅質頁巖、灰巖和少量的白云巖組成。總體上，該套地層二氧化硅含量相對富集（30-50%，體積百分含量），粘土礦物的含量相對較少（35%）(圖11)。根據Bowker(2002)的研究，這些粘土主要為含微量蒙皂石的伊利石。粘土粉砂結晶石英是Barnett巖層的主要礦物，局部常見碳酸鹽巖和少量黃鐵礦和磷

28、灰石。Barnett地層的碳酸鹽巖主要以化石層的形式存在。根據礦物、結構、生物和構造等，Barnett 頁巖的巖相主要劃分為3種:層狀硅質泥巖、薄片狀灰泥和含生物碎屑的泥粒灰巖。各巖相普遍富集黃鐵礦和磷酸鹽，常見碳酸鹽巖團塊。與石英和方解石相比，由于黏土礦物有較多的微孔隙和較大的表面積，因此對氣體有較強的吸附能力，但是當水飽和的情況下，吸附能力要大大降低。石英含量的增加將提高巖石的脆性。圖11 Barnett地層的礦物組成三角圖（4）氣藏特征及天然氣成因1981年，Mitchell能源開發公司（MEDC）開始從福特沃斯盆地密西西比系的Barnett頁巖產商業性天然氣。其主要產區是Newark

29、East氣田，但目前MEDC和其他作業者在其它地區也發現了商業性頁巖氣產層（Hill和Nelson，2000； Williams，2002）。在Newark East氣田Barnett頁巖的埋藏深度為6500-8500英尺（1981-2591m），Barnett頁巖的厚度為300-500英尺（92-152米），頁巖有效厚度50-200英尺（15-61m）。在Newark East氣田，具有輕微的超壓（0.52psi/ft），在6500-8500英尺（1982-2592米）深度含氣飽和度達75%。與其它的頁巖產層相比，Barnett頁巖有幾個特點：（1）Barnett頁巖氣產自比較深的深度，因此

30、具有比其它頁巖氣藏更高的壓力；（2） Barnett頁巖氣完全是熱成熟成因的，并且在盆地的大部分地區是與液態石油伴生的；（3）Barnett頁巖經歷了復雜的多期的熱歷史；（4）天然裂縫并不發育，甚至在有些情況下，天然裂縫甚至會減低水井的性能。對Newark East氣田Barnett頁巖氣的4個樣品的測試分析顯示（Ronald等，2007），天然氣組分以甲烷為主，占到氣體總體積的 77.8290.90%，平均84.70%；重烴含量變化范圍較寬，介于3.1119.07%，平均9.86,干燥系數（C1/C1-5）0.800.97，揭示該氣田的天然氣不僅有濕氣，而且有干氣，這與該氣田Barnett頁

31、巖成熟度具有較大的變化范圍相一致；非烴氣體含量較低，主要為氮氣和二氧化碳，平均分別占到氣體組成的2.75%和1.65%。天然氣的甲、乙烷碳同位素分別介于-47.59 -41.13、-32.71 -29.52，揭示該區的天然氣為源自腐泥型母質的油型氣，天然氣組分偏干，但甲烷碳同位素明顯偏輕，揭示該區天然氣以熱成因天然氣為主，并有生物成因天然氣的混入。3、密執安盆地安特里姆頁巖系統（1）概況密執安(Michigan)盆地位于美國中西部地區的密執安湖與休倫湖之間，陸上面積約9×104km2。盆地油氣勘探始于2O世紀20年代，發現密西西比系和泥盆系背斜油氣藏，70年代以志留系Niagaran

32、寶塔礁為勘探目標，8O年代初期為深部奧陶系，中后期泥盆系Antrim頁巖。即油氣大部分產自古生界，主要包括密西西比系Stray砂巖，泥盆系Berea砂巖、泥盆系Traverse和Dundee石灰巖，志留系Satina和Niagara石灰巖以及奧陶系Trenton和BlackRiver石灰巖等，上泥盆統Antrim 裂縫性頁巖也產天然氣。目前，安特里姆頁巖氣的開發集中在盆地北部（圖12）。Antrim 頁巖的天然氣生產至少在短期內已趨于穩定。盆地北部頁巖產區生產井9382口，日產1042×104m3。1998年產量高峰過后，氣田年遞減率45，單井，單井9，據此估計2030年累計產量約1

33、 246×108m3。雖然Antrim頁巖氣富集帶規模有限，但埋藏較淺，鉆井費用較低，且屬于晚期成藏，現今仍處于持續充注階段（Martini等，1998），有利于實現經濟可采，適于中小規模企業開發。圖12 密執安盆地位置圖圖13 密執安盆地綜合地層層序（2）構造沉積特征密執安(Michigan)盆地是一個近似環形的內克拉通盆地。北側和東南側向盆地中心陡傾，西側和西南側較緩，盆地中部平坦開闊，內部以一系列密集分布的北西軸向的褶皺為主，伴以走向相同為數不多的斷裂構造。該盆地與它臨近的克拉通盆地的界線是一些大的拱曲，盆地稍不對稱地向北傾斜。盆內主要構造為西北東南向。盆地主要的沉降期開始于早

34、奧陶世,目前盆地的構造方向是在密西西比紀晚期至賓夕法尼亞紀形成。Quinland等（1984）認為可能是阿勒格尼海西造山運動導致彎曲的前陸沉降，形成了盆地目前的構造面貌。地層剖面以古生代地層為主（圖13），寒武系以海相碎屑巖沉積為主，早奧陶世至早泥盆世以碳酸鹽巖沉積為主，其中，碳酸鹽巖段包括志留系和泥盆系厚層蒸發巖。石炭系以碎屑巖沉積占統治地位。在盆地中心部位還殘留有小規模的侏羅系陸源碎屑圖14 Antrim頁巖自然伽馬測井曲線（據Matthews，1993；Decker，1992）沉積。Antrim頁巖屬于廣布于中晚泥盆世古北美大陸的富含有機質的頁巖沉積系統的一部分，Antrim頁巖及共生的

35、泥盆紀密西西比紀巖層的厚度為900英尺（274m）。在現代構造盆地中心，安特里姆頁巖底部的埋深約2400英尺（732m）（Matthews，1993）。（3）頁巖氣成烴條件分析 頁巖分布特征Antrim頁巖的已知最大厚度為650ft（195m），它與下伏的Traverse群為過渡關系，與上覆的和側向相鄰的密執安盆地西部的Ellsworth頁巖、盆地中央Sunbury頁巖、盆地東部的Bedford頁巖、Berea砂巖和Sunbury層序形成指狀交錯。 Antrim頁巖的地層相對單一（圖14），頁巖分布于下段，由Lachine、Paxton和Norwood三個頁巖段組成。Lachine和Norwo

36、od頁巖為黑色，是主要產層；Paxton頁巖為灰色，一般不作為產層。3個頁巖段在整個盆地均有分布，且厚度變化不大。鉆井通常在Antrim頁巖下部的Lachine和Norwood段完井，其累積厚度約160英尺（49m）(圖15)。Lachine頁巖頂部埋深1501000m，頁巖厚2227m，平均24m； Norwood頁巖厚49m，平均6m。圖15 下Antrim頁巖等厚圖（據Matthews，1993）（單位ft）頁巖地球化學特征Antrim頁巖總有機碳含量為0.524%，平均8%。干酪根富氫而偏于生油。熱成熟度指標Ro值為0.4%0.6%，由盆地四周向盆地中心逐漸增高，鏡質組反射率等值線與埋

37、深等值線變化趨勢相同。Antrim頁巖下部的Paxton段為泥狀灰巖（lime mudstone）和灰色頁巖互層（Martini 等，1998），總有機碳含量為0.3-8%。頁巖的儲層特征 圖16 三口井的裂縫特征及其產量對比圖Antrim頁巖的基質孔隙度為9%，基質滲透率很低，大約為10-610-9，其滲透性主要由廣泛發育的外生構造裂縫系統提供，裂縫間距一般為0.30.6m。控制氣產能的主要地質因素為外生裂縫的密度及其走向的分散性，裂縫條數越多，裂縫走向越分散，氣產量越高（圖16）。Antrim頁巖既是生氣層，也是儲氣層，吸附作用是氣在頁巖中儲集的主要機理。以吸附狀態存在于該頁巖基質中的氣量

38、占氣地質儲量的70%，其余30%以游離狀態存在于基質孔隙和天然裂縫中。Antrim頁巖的實測氣量為0.54.6m3/t頁巖，平均2.1 m3/t頁巖. Antrim頁巖對氣的吸附能力與頁巖的總有機碳含量具有明顯的正相關系（圖17）。頁巖的巖石礦物學特征Antrim頁巖Lachine和Norwood段巖黑色頁巖富含石英（2041%微晶石英和風成粉砂），有大量的白云巖和石灰巖結核，以及碳酸鹽巖、硫化物和硫酸鹽膠結物。Antrim頁巖下部的Paxton段為泥狀灰巖和灰色頁巖互層，硅酸鹽占7-30%。在北部生產區，發現了兩組主要的天然裂縫，一組為北西向，另一組為北東向，其傾角近于垂直或垂直。這些裂縫通

39、常未被膠結或者僅有很薄的方解石包覆層。圖17 Antrim頁巖的等溫吸附曲線（a）和總有機碳含量與含氣量關系圖（b）（4）氣藏特征及天然氣成因下Antrim頁巖中的大型構造相對簡單（圖18），頁巖含油氣系統屬隱蔽型圈閉。頁巖埋藏深度為600-2400ft,頁巖有效厚度70120ft，井底溫度75°F，儲層壓力400psi，壓力梯度0.35psi/ft，氣井產量40500×103ft3，天然氣地質儲量615×109ft3/mi2(Hill等，2000) 。Antrim 頁巖氣似乎具有雙重成因，即干酪根經熱成熟作用而形成的熱成因氣和甲烷菌代謝活動形成的微生物成因氣(即

40、生物成因氣)。根據Martini等(1998)對地層水化學、采出氣和地質歷史的綜合研究結果，北部生產區的采出氣應以微生物氣為主；十分發育的裂縫網絡不僅使Antrim 頁巖內的天然氣和原生水發生運移，而且使其中有上覆更新統冰磧物含水層中的含菌雨水侵入。甲烷和共生地層水的氘(重氫)同位素組成(D)為天然氣的細菌甲烷成因提供了強有力的證據。這與Antrim黑色頁巖熱成熟度Ro較低(0.40.6%)，未進入生油窗，埋深較淺（120600m）、高角度裂縫發育相一致。Martini等(1998)認為裂縫發育和冰川作用之間存在動態關系，即多次冰席載荷形成的水力壓頭加速了先存天然裂縫的膨脹并使其中有雨水補給從

41、而有利于甲烷成因氣的生成。根據甲烷乙烷+丙烷比值以及采出乙烷的碳同位素組成，Antrim 頁巖中也有少量(<20)的熱成因氣。熱成因氣組分在向盆方向，即向干酪根熱成熟度增加的方向而不斷增加。圖18 下Antrim頁巖底部構造圖（Crusis，2002）4、伊利諾斯盆地新奧爾巴尼頁巖系統（1）概況伊利諾斯(Illinois)盆地位于美國中東部地區，包括伊利諾斯州南部、印第安那州西南部以及肯塔基州的西部地區,面積約60000mi2(26.5萬平方公里)。盆地東部和南部分別與Cincinnati隆起和Pascola隆起為界，西部和西北部分別以Ozark穹隆和密西西比河隆起為界，東北部以Kank

42、akee隆起為界（圖19）。新奧爾巴尼（New Albany）富含有機質褐黑色、灰黑色頁巖在盆地分布廣泛，頁巖氣資源量在24352億立方米(NPC, 1980)45307億立方米(NPC, 1992)，技術性可采資源量在538億立方米(NPC, 1992)5437億立方米(USGS, 1995)變化。每口井的成本為$125,000$150,000間變化，完井成本$25000。圖19 Illinois盆地地理位置圖該頁巖層系天然氣的生產始于1858年，鉆探活動一直持續到上個世紀30年代。受高天然氣價格的驅動，上個世紀90年代該區頁巖氣的勘探又活躍起來，并完鉆了400多口生產井大多數井鉆探在Har

43、rison郡，一般鉆探深度在5001100ft，天然氣產量分布在（20450）×103ft3/d. 近年來，Daviess郡及其周圍地區成為了新奧爾巴尼頁巖勘探的熱點。但是總體上而言，該區頁巖氣的勘探遠遠不如密執安(Michigan)盆地和阿巴拉契亞盆地活躍。（2）構造沉積特征伊利諾斯盆地是北美主要克拉通盆地之一，是在裂谷復合體上逐漸發展為克拉通海灣的多期盆地，主要形成于古生代。以往獲得的地質和地球物理資料表明，盆地始于前寒武紀末或早寒武世超大陸解體形成的夭折裂谷（Keller等，1983；Braile等，1986）。早寒武世中寒武世為裂谷盆地階段，隨后構造背景在裂谷基礎上變成寬闊的

44、克拉通盆地。古生代期于時間，原伊利諾斯盆地經歷了多階段的沉降。盆地和下伏的裂谷復合體主要為大約100000平方英里（415000km2）的碳酸鹽和硅質碎屑巖充填。板塊構造沿北美東部和南部邊緣相互作用，幾度使裂谷活化，并且強烈地影響了盆地的沉降、沉積、地質構造的、地下流體運移以及現代地震活動。構造長軸方向為北偏西,向北隆起。盆地發育多個背斜褶皺,南翼發生斷裂切割,斷裂呈東西向分布。許多斷裂切割到古生界地層深部。伊利諾斯盆地沉積的古生界地層厚度約4800m，大都為海相淺水沉積。物源區在盆地西部、北部和東部的隆起上。古生界巖層主要由白云石組成，其次為灰巖、頁巖、砂巖、礫巖、硬石膏和煤系（圖20）。盆

45、地南部在古生界之上不整合覆蓋了更年輕的地層。 在近地表處沉積了近30米冰磧層。對頁巖氣的勘探有影響。冰磧層之下為賓夕法尼亞系,頁巖層下伏層為泥盆系灰巖。新奧爾巴尼大致為Chattanooga頁巖和俄亥俄頁巖的橫向同位層系（Matthews,1993）圖20 伊利諾斯盆地地層柱狀圖 （3）頁巖氣成烴條件分析 頁巖分布特征New Albany頁巖分布于伊利諾斯盆地中伊利諾斯州的東南部、印第安南州的西南部及肯塔基州的西北部，屬于上泥盆統密西西比系，上下為Chouteau灰巖和Lingle灰巖限制，厚度100400ft（30122m）,深度一般在6004900ft(1821494m) (Hassenm

46、ueller等,1994)。頁巖最大厚度位于伊利諾斯州東南部的Hardin 郡及肯塔基州西部Crittenden郡，厚度大于460ft,這些地區位于南部沉積中心；另一個頁巖厚度較大的區域位于愛荷華州東南部和伊利諾斯州中西部地區，位于這兩個沉積中心之間的伊利諾斯中部地區，頁巖厚度較薄，小于120ft，在伊利諾斯中東部從Champaign和Vermilion郡到 Coles和 Edgar 郡一帶，頁巖厚度小于80ft.頁巖地球化學特征New Albany頁巖有機碳含量無論是縱向上還是橫向上變化都較大，從0.120%不等。Stevenson等(1969)對伊利諾斯New Albany下部50ft的3

47、50個樣品的測試分析結果表明，樣品平均有機碳含量達到4，且從盆地中部到盆地西部密西西比河邊緣一帶，有機碳含量從9變化到小于1。伊利諾斯該套頁巖層系上部Saverton和Hannibal段頁巖以及印第安南東南部Selmier段頁巖有機碳含量相對較低，介于12 (Frost, 1980)。伊利諾斯Selmier段和Sweetland Creek段頁巖有機碳含量平均含量在2.5 6.5% (Frost, 1980)。 Leininger(1981)曾報道過Indiana州Clark郡薄層富有機質頁巖有機碳含量高到25。Grassy Creek段頁巖在伊利諾斯盆地西北部有機碳含量為25，但在其它地區有

48、機碳平均含量在59。印第安納州西南部10口鉆井巖芯的分析顯示，Clegg Creek段頁巖有機碳含量在10.413.7%(Hasenmueller等, 1987). Barrows等（1980）對New Albany頁巖有機巖石學的研究表明，干酪根有機顯微組分中9095為無定型有機質，鏡質組、殼質組和惰質組僅占到510%. Chou等（1991）對159個樣品的巖石裂解分析表明，New Albany以典型的混合型（型）母質為主（圖21），不僅利于生油而且也有利于生氣。油源對比研究表明，New Albany頁巖也是伊利諾斯盆地賓夕發尼亞系、密西西比系、泥盆系和志留系儲層原油的主要來源 (Chou

49、等, 1991; Hatch等, 1991).223口井New Albany頁巖樣品的平均Ro 介于0.441.50%。熱演化程度最高的地區為伊利諾斯東南Hardin郡Hicks穹隆，最低的地區為伊利諾斯中部Logan郡和Sangamon郡以及印第安納州Harrison郡。Ro小于0.5%的地區主要分布在盆地西部及北部的隱伏露頭帶。沿著Cottage Grove和Rough Creek斷裂系統，可將盆地分為成熟度截然不同的兩個區域，這兩個地區具有不同的埋藏深度與Ro關系，陰影部分Ro小于0.80，代表了盆地北部3/4的地區，變化趨勢線右邊的數據代表了位于伊利諾斯盆地東南部螢石斷裂復合體分布帶附

50、近的樣品，反映了區域性熱液作用引起的源巖熱演化程度的異常變化（圖22）。圖21 伊利諾斯盆地New Albany頁巖范氏圖解（據Chou等，1991)圖22 伊利諾斯盆地New Albany頁巖平均隨意鏡質體反射率與埋藏深度的變化關系頁巖的儲層特征New Albany頁巖基質孔隙度和滲透率較低。肯塔基州Christian郡巖芯孔隙度來看，介于0.53.1%之間，平均1.8%；印第安納州Sullivan郡頁巖孔隙度介于0.69.3%之間。基質滲透率在印第安納州Clark郡頁巖巖芯為2.5×10-6 1.9md，幾何平均值為1.4×10-3md。頁巖天然裂縫發育，為頁巖氣的賦存

51、提供了有利的儲集空間。New Albany頁巖中的天然氣為裂縫和基質孔隙中的游離氣以及干酪根和粘土顆粒表面的吸附氣(Walter等，2000)。研究表明，商業性天然氣產出與斷裂和褶皺引起的破裂作用以及碳酸鹽建造上的頁巖披覆作用相關(Hassenmueller和Zupparm，1999)。根據Hill等（2000）的資料，印第安納州Harrison郡New Albany頁巖的氣含量為4080ft3/t，其中4060以吸附態存在。頁巖的巖石礦物學特征New Albany頁巖的組成礦物有：石英、粘土礦物、白云石、方解石以及少量的黃鐵礦和白鐵礦，此外還含有少量的鉀長石、斜長石、白云母以及微量的磷灰石等

52、其它重礦物（圖23）。粘土礦物組成中以伊利石、綠泥石及伊蒙混層為主，其中又以伊利石為主，綠泥石分布比較普遍，但含量一般在1020，伊蒙混層含量小于3。Shaffer等(1981) 認為印第安納州New Albany頁巖的伊利石與綠泥石比例大致為6.53.5。 石英含量比較豐富，但粒徑從不到2 m90m不等。圖23 印第安納州2口鉆井New Albany頁巖巖芯的巖石礦物組成（Shaffer等，1981)（4）氣藏特征及天然氣成因根據Hill等（2000）對印第安納州Harrison郡New Albany頁巖生產區的研究，頁巖埋藏深度6004900ft，厚度一般為100400ft，有效厚度501

53、00ft,井底溫度80105，總孔隙度1014，充水孔隙度為48，儲層壓力為300600psi，壓力梯度0.43psi/ft，氣產量為1050ft3/d，水產量為5500ft3/d，天然氣地質儲量710×109ft3/mi2.伊利諾斯盆地New Albany頁巖氣組分以甲烷占絕對優勢，重烴含量具有較大變化，氣體干燥系數(C1/C1-5)變化范圍很寬，從0.490.99不等，表明該盆地New Albany頁巖氣不僅有原油伴生氣（在肯塔基州中南部的New Albany中差少量原油），而且有典型的干氣。從天然氣的烷烴碳同位素特征來看，13C1介于-41.7 -56.0(Coleman, 1

54、980)，表明該區的頁巖氣具有生物成因和熱成因兩種類型(圖24)。隨著天然氣中甲烷含量的減少及重烴含量的增多，13C1變大，表明New Albany淺層頁巖氣藏重含有一定量的生物成因氣，但以與原油相伴生的熱成因氣為主，這與該套頁巖的成熟度相一致。圖24 New Albany頁巖氣C1/C1-5與13C1關系圖 (Nancy等，1994)5、圣胡安盆地劉易斯頁巖系統（1）概況圣胡安（San Juan）盆地位于新墨西哥州西北部和科羅拉多州西南部(圖26)，是落山基地區最南部的盆地，也是目前世界上煤層氣產量最高的盆地，面積約51800km2。圣胡安盆地煤層氣的工業生產始于19世紀50年代早期，但是直

55、到上世紀8O年代晚期和90年代早期，煤層氣的勘探和開發才得到發展。到2000年，煤層氣的儲量達到4400億m3，占美國干氣總儲量的8.8%，年產量（400億m3）占美國干氣年度總產量的9.2。2000年，產自圣胡安盆地晚白堊世的弗魯特蘭組(Fruitland)煤層的煤層氣320億立方米，約占美國煤層氣產量的80。截至2000年，圣胡安盆地已累計生產煤層氣2000億m3。圖25 圣胡安盆地地理位置圖分布在圣胡安盆地中部的劉易斯頁巖（Lewis Shale）的頁巖氣生產始于二十世紀九十年代晚期，無論劉易斯頁巖的地質年代（白堊系），還是頁巖氣商業開發時間，在美國五大頁巖氣系統中都是最年輕的頁巖氣勘探

56、目標。雖然劉易斯頁巖與俄亥俄頁巖、安特里姆頁巖相比頁巖氣產量仍然有較大差距，但是近年來產量增加很快。劉易斯頁巖勘探區是最大的盆地中心連續型氣藏，面積為2849 km2，頁巖氣資源為1530054600億m3。與煤層氣相比，頁巖氣單井日產量較小。劉易斯頁巖單井日產氣量28315663m3，并每年以6速度穩定下降，井密度為8口/km2 。（2）構造及沉積特征圣胡安盆地是一個非對稱的構造凹陷，近似圓形，軸線為北西向，盆地類型為陸緣坳陷，頁巖分布面積2849km2。地層產狀在盆地中部平緩，東翼和北翼陡窄，西翼呈平緩臺階，南翼為Chaco斜坡，有大致呈放射狀的褶皺背斜。盆地內部構造不復雜，僅僅是較新的地

57、層輕微褶皺，盆地斜坡相當平緩，在盆地南翼，傾斜度小于1.5。沿著盆地邊緣展布的構造包括西部和西北部的Hogback單斜、北部的San Juan隆起、東南部的Nacimiento隆起、南部和西南部的Chaco斜坡和Zuni隆起。圣胡安盆地的形成是拉臘米構造活動的產物，拉臘米活動自晚白堊世開始，延續到始新世。漸新世期間的區域拉張伴隨火山溢流，形成了火山巖，對盆地的油氣生成模式有直接影響（Laubach等，1994；Scott等，1994）。區域隆升作用始于中新世，一直延續到今。隆升導致地層剝蝕，并使倒轉的Pictured Cliffs砂巖層和Fruitland組出露地表。圣胡安盆地的地層包括寒武系

58、到第三系。其中晚白堊世是盆地發育的重要階段。白堊紀晚期，目前的圣胡安盆地區示西部陸內海的西緣，該陸內海自墨西哥灣一直延伸到加拿大的北冰洋，由于白堊紀岸線向西北遷移，該部位連續沉積了陸架（Lewis頁巖）、濱岸（Pictured Cliffs砂巖）以及陸相（Fruitland組）地層（Ayers等，2002）。上白堊統地層自下而上依次為： Lewis頁巖、Pictured Cliffs砂巖、Fruiland煤系地層、Kirtland頁巖段、古新世的Ojo Alamo砂巖（圖26）。 圖26 圣胡安盆地地層柱狀圖（Huffman）Lewis頁巖是7400萬年前遠離晚白堊系濱海沉積的一套細粒沉積，其中含有數