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福特沃斯盆地Barnett页岩气藏特征及启示

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福特 盆地 Barnett 页岩 特征 启示
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福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 藏 特 征 及 启 示 3聂 海 宽 , 张 金 川 , 张 培 先 , 宋 晓 薇(中 国 地 质 大 学 海 相 储 层 演 化 与 油 气 富 集 机 理 教 育 部 重 点 实 验 室 , 北 京 100083)摘   要 :福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 田 是 美 国 第 一 大 页 岩 气 田 ,代 表 了 一 个 集 烃 源 岩 、 储 层 和 盖 层 等 成 藏 体 系 所 有 关 键要 素 存 在 于 同 一 套 页 岩 层 的 非 常 规 天 然 气 藏 — — — 页 岩 气 藏 。 根 据 研 究 资 料 ,对 福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 藏 的 特 征 进 行 了 分析 ,包 括 页 岩 厚 度 、 有 机 质 类 型 及 丰 度 、 成 熟 度 、 孔 渗 和 裂 缝 特 征 以 及 含 气 量 等 指 标 ,重 点 研 究 了 岩 气 田 的 特 征 ,该气 田 具 有 页 岩 层 相 对 较 厚 、 有 机 质 丰 度 高 、 热 成 熟 度 高 和 被 致 密 碳 酸 盐 岩 包 围 的 特 征 。 最 后 得 出 田 岩气 藏 的 气 藏 模 式 ,并 认 为 该 页 岩 气 藏 的 特 征 、 模 式 在 马 拉 松 - 沃 希 托 、 阿 巴 拉 契 亚 逆 冲 褶 皱 带 前 缘 的 前 陆 盆 地 中 具 有 普 遍 意 义 。关 键 词 :页 岩 气 ; 模 式 ; 特 征 ; 岩 ; 福 特 沃 斯 盆 地中 图 分 类 号 : 2         文 献 标 识 码 :A         文 章 编 号 :100027849(2009) 0220087207福 特 沃 斯 盆 地 是 美 国 德 克 萨 斯 州 中 北 部 南 北 向延 伸 的 浅 盆 状 洼 地 ,面 积 约 38 100 勘 探 实 践表 明 ,密 西 西 比 系 (下 石 炭 统 ,下 同 ) 岩 是储 量 很 大 的 页 岩 气 藏 。 20 世 纪 80 年 代 以 前 , 岩 并 不 是 勘 探 的 目 标 ,当 时 勘 探 的 重 点 是 宾夕 法 尼 亚 系 碎 屑 岩 以 及 奥 陶 系 、 密 西 西 比 系 、 宾 夕 法尼 亚 系 (上 石 炭 统 ,下 同 ) 碳 酸 盐 岩 。 虽 然 有 很 多 井钻 遇 了 岩 ,且 常 有 很 强 的 气 显 示 ,但 却 被认 为 是 没 有 经 济 价 值 的 “ 页 岩 气 藏 ” [122 ] 。 20 世 纪 80年 代 , 源 开 发 公 司 开 始 把 岩 分布 区 作 为 可 能 的 油 气 高 产 区 进 行 了 勘 探 开 发 。 20世 纪 90 年 代 中 期 ,在 盆 地 北 部 建 立 了 一 个 天 然 气 高产 区 — — — 岩 气 田 。 2006 年 , 岩 气 田 成 为 德 克 萨 斯 州 产 量 最 大 的 气 田 ,按照 能 源 信 息 管 理 局 ( 最 近 的 气 田 储 量 评 价 , 田 的 储 量 居 全 美 气 田 第 三 ,产 量 居全 美 气 田 第 二 [324 ] ,占 全 美 页 岩 气 总 产 量 的 一 半 以上 ,是 美 国 最 大 的 页 岩 气 田 。 2004 年 ,美 国 地 质 调查 局 U 价 的 页 岩 气 田 的 资 源 量 为 7 560 亿其 中 岩 气 田 为 4 134 亿 ] 。福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 藏 的 成 功 勘 探 开发 可 以 作 为 一 个 页 岩 气 勘 探 的 模 型 来 类 比 其 他 盆 地页 岩 气 的 勘 探 [2 ] ,尤 其 是 位 于 马 拉 松 — 沃 希 托 、 阿 巴拉 契 亚 逆 冲 褶 皱 带 前 缘 的 盆 地 ,采 用 这 种 模 型 ,在 该地 区 的 黑 勇 士 、 阿 科 马 、 二 叠 以 及 阿 巴 拉 契 亚 等 盆 地的 相 当 层 系 也 都 发 现 了 页 岩 气 藏 。 岩 气藏 的 成 功 勘 探 ,可 以 为 我 国 相 关 盆 地 的 页 岩 气 勘 探提 供 参 考 和 借 鉴 。1   构 造 及 地 层 特 征福 特 沃 斯 盆 地 是 一 个 边 缘 陡 、 向 北 加 深 的 凹 陷 ,基 本 构 造 图 如 岩 构 造 等 高 线 所 示 (图1[ 1 ,6 ] ) , 它 的 枢 纽 方 向 大 致 平 行 于 限 制 盆 地 向 北   福 特 沃 斯 盆 地 构 造 图 [1 ,6 ]1   8 卷   第 2 期200 9年     3 月        地 质 科 技 情 报      28   2  20093 收 稿 日 期 : 2008207202       编 辑 :禹 华 珍基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (40672087 ;40472073) ;国 家 重 点 基 础 研 究 计 划 项 目 (2005 者 简 介 : 聂 海 宽 (1982 —   ) ,男 ,现 正 攻 读 矿 产 普 查 与 勘 探 专 业 博 士 学 位 ,主 要 从 事 油 气 成 藏 机 理 和 非 常 规 天 然 气 地 质 研 究 。北 东 发 育 的 门 斯 特 隆 起 ,而 后 向 南 弯 曲 平 行 于 沃 希托 逆 冲 褶 皱 带 前 缘 ,限 制 盆 地 向 西 - 北 西 发 育 的 构造 在 早 中 宾 西 法 尼 亚 世 作 为 东 部 沃 希 托 逆 冲 褶 皱 带的 对 应 产 物 就 已 经 形 成 [7 ] 。 福 特 沃 斯 盆 地 是 晚 古 生代 沃 希 托 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 [8 ] 。 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 隆 起 和 门 斯 特 隆 起 ,西 部 边 界 为 本 德 隆 起 、 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 。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(例 如 在 门 斯 特 隆 起 附 近 ) [9 ] 。 古 生 界 根 据 构 造 演 化历 史 可 大 致 分 为 3 段 [1 ] : ① 寒 武 系 — 上 奥 陶 统 ,为 被动 大 陆 边 缘 的 地 台 沉 积 ,包 括 、 、 和 ; ② 中 上 密 西西 比 统 ,为 沿 俄 克 拉 荷 马 坳 拉 槽 构 造 运 动 产 生 沉 降过 程 的 早 期 沉 积 ,包 括 、 岩 组和 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 充 填 ) ,包 括 上 段 和 等 。2   岩 层 主 要 指 标福 特 沃 斯 盆 地 形 成 于 早 期 的 晚 密 西 西 比 世 ,在早 古 生 代 形 成 的 坳 拉 槽 南 部 残 余 区 域 的 德 克 萨 斯 州中 北 部 沉 积 了 一 套 富 含 有 机 质 的 黑 色 页 岩 [6 ] ,由 石灰 质 页 岩 、 黏 土 页 岩 、 石 英 质 页 岩 和 含 白 云 石 页 岩 组成 [1 ] 。 详 细 的 生 物 标 志 化 合 物 和 轻 烃 地 球 化 学 研 究表 明 密 西 西 比 系 岩 是 福 特 沃 斯 盆 地 德 克萨 斯 州 中 北 部 的 主 要 烃 源 岩 。 在 盆 地 中 部 和 东 部 , 岩 底 部 常 常 包 含 一 层 薄 薄 ( 2. 5 %) ,轻 微 超 压(12. 21 m) ,含 气 饱 和 度 为 75 %。 生 产 层 的 孔隙 度 为 6 % ,渗 透 率 从 几 毫 微 μ 0. 01 × 10 - 3μ 镜 质 体 反 射 率 1. 3 %~ 2. 1 %之 间 ,平 均为 1. 7 %[4 ] ,并 在 向 东 - 南 东 方 向 增 大 ,气 / 油 体 积 含量 比 值 也 在 这 一 方 向 上 增 大 ,反 映 了 高 成 熟 度 。 与其 他 页 岩 气 藏 相 比 , 岩 气 田 具 有 以下 显 著 的 特 点 。(1) 岩 气 藏 的 天 然 气 全 部 是 热 成 因 形成 的 ,并 在 盆 地 内 伴 随 石 油 大 面 积 分 布 。 岩 经 历 了 一 个 多 期 次 复 杂 的 热 史 ,导 致 地 球 化 学 条件 成 为 控 制 成 藏 的 主 要 因 素 。 岩 气 藏 的产 层 很 深 ,因 此 ,其 压 力 比 其 他 页 岩 气 藏 高 ,具 有 轻微 超 压 特 征 [2 ] 。 笔 者 认 为 ,二 叠 纪 — 中 晚 白 垩 世 的持 续 埋 深 、 持 续 受 热 、 持 续 生 烃 ,以 及 晚 白 垩 世 的 快速 抬 升 是 岩 气 能 成 功 成 藏 的 关 键 。 持 续的 受 热 、 生 烃 ,达 到 了 过 成 熟 阶 段 ,且 快 速 的 抬 升 使天 然 气 仍 然 保 持 在 页 岩 中 ,形 成 轻 微 超 压 ,储 存 了 大量 的 各 类 天 然 气 (吸 附 态 和 游 离 态 ) ,这 正 是 气 藏 区 别 于 其 他 页 岩 气 藏 的 关 键 所 在 。 钻 井 压裂 之 前 ,页 岩 气 藏 处 于 压 力 平 衡 状 态 ,吸 附 气 的 孔 隙压 力 刚 好 等 于 岩 石 的 毛 细 管 压 力 ,钻 井 压 裂 之 后 ,平衡 被 打 破 ,气 体 开 始 从 颗 粒 表 面 解 吸 并 进 入 裂 缝 流入 井 筒 。(2)在 岩 气 藏 天 然 裂 缝 不 是 生 产 所必 须 的 ,甚 至 在 某 些 情 况 下 ,它 还 降 低 了 井 的 性 能 。2 ,12 ]认 为 裂 缝 是 气 藏 成 功 的 重 要 因 素 ,但 不是 关 键 因 素 。 4 ] 和 [ 1 ] 认 为位 于 高 裂 缝 发 育 区 的 井 的 产 能 往 往 最 差 。 例 如 :在构 造 高 点 、 局 部 断 层 或 者 被 与 喀 斯 特 有 关 的 塌 陷 包围 的 井 ,裂 缝 比 较 发 育 ,但 这 些 部 位 的 井 的 生 产 能 力比 其 他 地 区 的 要 差 ,尤 其 是 位 于 断 层 附 近 的 井 ,常 常表 现 为 生 产 能 力 下 降 和 含 水 提 高 。 1 ]对 岩 心 和 生 产 方 式 的 研 究 表 明 大 裂 缝 在 许 多 情况 下 对 井 的 性 能 具 有 不 利 影 响 ,这 是 因 为 它 们 的 喉道 被 高 矿 化 度 的 方 解 石 所 胶 结 ,阻 碍 了 流 体 的 流 动 。笔 者 经 过 分 析 认 为 :由 于 晚 白 垩 世 盆 地 抬 升 ,高裂 缝 发 育 地 区 不 利 于 超 压 的 保 持 ,压 力 较 低 ,气 体 过早 地 从 吸 附 态 解 析 出 来 而 变 成 游 离 态 ,导 致 游 离 态气 体 体 积 含 量 多 ,吸 附 态 气 体 体 积 含 量 少 ,并 造 成 了绝 对 意 义 上 的 天 然 气 减 少 (与 裂 缝 不 发 育 地 区 相比 ) ,游 离 态 赋 存 的 天 然 气 很 容 易 散 失 ,吸 附 态 气 体体 积 含 量 少 可 直 接 导 致 井 的 稳 产 时 间 不 长 ;而 裂 缝欠 发 育 或 不 发 育 的 地 区 则 由 于 保 持 了 轻 微 的 超 压 ,压 力 较 大 ,气 体 被 压 缩 在 裂 缝 或 孔 隙 中 ,以 吸 附 态 赋存 的 天 然 气 也 被 压 缩 在 吸 附 剂 的 表 面 ,未 能 解 析 出来 而 有 大 的 含 气 量 。 因 此 ,最 理 想 的 钻 井 位 置 就 是没 有 断 裂 和 裂 缝 存 在 的 地 方 ,这 些 区 域 的 含 气 量 比较 高 (吸 附 气 量 也 高 ) ,在 进 行 压 裂 后 ,能 获 得 很 好 的产 能 。 由 此 也 说 明 , 岩 气 藏 并 不 是 一 个“ 裂 缝 性 气 藏 ” ,而 是 一 个 可 以 被 压 裂 的 页 岩 气 藏 。(3)位 于 岩 上 覆 的 、 (主 要 分 布 在 田 西 部 ) 、夹 层 的 以 及 其 下 伏 的 或 、 等 灰 岩 隔 层 的 存 在 ,形成 了 几 套 致 密 的 隔 板 层 ,把 大 量 的 原 始 和 诱 发 裂 缝限 制 在 岩 内 部 ,不 利 于 烃 类 的 排 出 ,却 有利 于 页 岩 气 井 的 生 产 (图 52a , b[2 ,12 ] ) 。 或 是 比 高 孔 含 水 的 灰 岩 层更 好 的 隔 层 ,在 田 外 围 , 或 灰 岩 层 向 西 和 南 西 方 向 尖 灭 ,构 成 了 田 的 西 部 边 界 ,阻 止 了 诱 发 裂 缝 的产 生 以 及 高 生 产 能 力 的 岩 下 段 与 天 然 裂缝 发 育 且 具 喀 斯 特 地 貌 、 含 有 水 的 灰岩 层 的 直 接 接 触 。 在 西 部 和 南 部 , 或 灰 岩 层 缺 失 , 岩 直 接 覆 盖 在 灰 岩 层 之 上 。 在 等 灰 岩 层缺 失 的 地 方 ,对 钻 井 可 能 发 生 两 种 负 面 影 响 : ① 压 裂的 能 量 散 失 ,即 达 不 到 压 裂 的 效 果 ,水 力 压 裂 的 能 量不 能 保 存 在 富 含 天 然 气 的 岩 中 ,从 而 限制 了 井 的 产 能 ; ② 诱 发 的 裂 缝 可 能 进 入 多 孔 且 饱 含水 的 灰 岩 层 中 ,使 井 的 产 能 大 大 降低 ,导 致 很 多 的 生 产 问 题 ,如 高 盐 度 的 水 进 入 上 覆 的 岩 ,可 能 造 成 水 淹 等 。 所 以 说 ,岩 及 其 上 下 地 层 的 岩 性 和 物 性 特 征 是 岩气 藏 被 成 功 勘 探 开 发 的 关 键 ,是 确 定 “ 甜 点 ” 的 关 键因 素 。 最 近 ,在 这 些 地 区 (页 岩 上 下 被 裂 缝 灰 岩 包围 )的 页 岩 气 藏 开 发 中 ,采 用 水 平 井 技 术 可 以 在 某 种程 度 上 减 少 这 种 伤 害 的 影 响 。这 些 致 密 灰 岩 层 在 一 定 程 度 上 起 到 了 “ 盖 层 ” 或“ 隔 层 ” 的 作 用 ,阻 止 了 岩 的 排 烃 ,致 使 在 岩 中 保 存 了 大 量 的 烃 类 。 这 种 上 下 被 、 或 或 以 及 中 间 夹 层 等 致 密 灰 岩 层“ 封 闭 ” 的 页 岩 层 ,成 为 一 种 独 特 的 页 岩 气 藏 模 式 (图62c[2 ,12 ] ) 。 这 种 成 藏 模 式 在 北 美 其 他 盆 地 也 得 到 了19第 2 期                     聂 海 宽 等 :福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 藏 特 征 及 启 示                            证 实 。 如 阿 巴 拉 契 亚 盆 地 的 泥 盆 系 岩 ,上 下 分 别 为 岩 层 所 “ 封 闭 ” ,并 被 岩 层 分 为 上 下 两 段 ,是 岩 气 藏 模 式 的 又 一 佐 证 。图 5   福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 田 剖 面 图 [ 2 ,12 ] (a ,b) (剖 面 位 置 见 图 2)和 岩 气 藏 成 藏 模 式 图 (c) (据 文 献 [ 2 ,12 ]修改 )5   a , b) c) of 结 语 与 启 示(1)福 特 沃 斯 盆 地 岩 气 藏 成 为 世 界级 的 非 常 规 页 岩 气 藏 ,既 有 其 偶 然 性 ,也 有 其 必 然性 。 高 有 机 碳 质 量 分 数 、 轻 微 超 压 以 及 巨 大 数 量 的原 地 含 气 量 和 高 吸 附 气 量 是 岩 气 藏 成 功成 藏 的 关 键 因 素 。(2)尽 管 致 密 的 等 灰 岩 层 并 不 是勘 探 目 标 ,但 却 形 成 了 几 套 致 密 的 隔 板 层 ,把 水 力 压裂 的 动 力 限 制 在 岩 上 段 和 下 段 ,形 成 页岩 气 藏 生 产 必 须 的 诱 发 裂 缝 。 几 套 上 覆 、 下 伏 或 位于 烃 源 岩 夹 层 中 心 的 灰 岩 层 没 有 勘 探 的 价 值 ,而 在位 于 其 上 和 其 下 的 页 岩 层 中 却 发 现 大 量 的 天 然 气 资源 ,其 中 缘 由 值 得 进 一 步 深 入 研 究 。(3) 岩 气 藏 的 成 功 勘 探 开 发 为 美 国 及世 界 其 他 地 区 页 岩 气 藏 的 勘 探 开 发 积 累 了 大 量 的 理论 基 础 和 丰 富 的 经 验 教 训 ,建 立 了 岩 气藏 模 式 ,按 照 这 种 模 式 在 马 拉 松 — 沃 希 托 、 阿 巴 拉 契亚 逆 冲 褶 皱 带 前 缘 的 黑 勇 士 、 阿 科 马 、 二 叠 以 及 阿 巴拉 契 亚 等 盆 地 均 发 现 了 大 量 的 页 岩 气 资 源 。 与 岩 气 藏 勘 探 开 发 相 关 的 理 论 和 经 验 在 我国 页 岩 气 的 勘 探 开 发 中 也 将 被 证 明 是 有 价 值 的 。参 考 文 献 :[ 1 ]   L , M , A , et h h J ] 2005 , 89 (2) : 155 - 175.[ 2 ]   A. h ] . A A 2007 , 91 (4) :523 - 533.[ 3 ]   . 004[ C/ ∥ U. S. O E/ 2004 ) 435. ∥ 006) .[ 4 ]   F. of t t as a ] . A A 2007 ,91 (4) :399 - 403.[ 5 ]   M. of in t he h J ] 2007 , 91 (4) : 551 - 578.[ 6 ]   M , M , J , et of t h ] . A A 2007 ,91 (4) :405 - 436.[ 7 ]   T W. in s J ] . A A 1979 , 63(1) :50 - 66.[ 8 ]   M. h M] ∥ L . T he [ S. l. ] : 1988 :346 - 352.[ 9 ] W. s of t h h M ] ∥ A. of [ S. l. ] : 1982 :129 - 155.[ 10 ] J , M , , et of t h J ] 2007 , 91 (4) : 445 - 473.[ 11 ] M , J , M. of t he C]∥ J . in mi 2004 sy m [ S. l. ] : 10 ,2005 :37 - 地 质 科 技 情 报   2009 年[ 12 ] A. of t h J ] . ex y B 2003 , 42 (6) : 4 - 11.[ 13 ] M , J , M , et of t h C] ∥ A A h , [ S. l. ] :[ s. n. ] ,2003 :1 - 5.[14 ] A. s of t h C] ∥ E , . sy m s 2002 :16.[ 15 ] D. St of t s in t he h M ] ∥ A. of h [ S. l. ] :1982 :157 16 ] G. of ] . 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