美国安特里姆页岩气区带成藏主控因素研究

李 茗，吴 洁

(中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083)

安特里姆天然裂缝型页岩气区带位于美国密歇根盆地的北部，区带总面积约10 117 km2。安特里姆页岩气区带属于大范围富含有机质的页岩沉积系统，该系统大面积地覆盖了北美古大陆的中-下泥盆统地层，天然气蕴藏在浅层、欠压、富有机质的页岩储集层内，气体多被有机质和黏土吸附。页岩由含黄铁矿薄层状粉砂质泥岩和富有机质页岩组成，夹灰色、绿色页岩和碳酸盐岩层。安特里姆页岩气区储层埋深较浅，垂深约为152～610 m，产出的干气主要为生物成因气，此外储层内裂缝系统较为发育。区带的规模化生产开始于20世纪80年代中期，页岩气原始地质资源量丰度为(0.85～2.27)×108m3/km2，页岩气总地质资源量为(9 911～21 521)×108m3，最终可采储量(URR)约1 982×108m3[1-2]。安特里姆页岩气区带勘探成功率大于90%，是20世纪90年代美国最活跃的油气区带之一，这套层系的开发使密歇根州的天然气年产量提高了一倍。到2008年，在密歇根下半岛北部12个郡区域内，超过700个页岩气项目共有9000多口井完井，2007年这一地区成为美国10个最大的天然气产区之一[3]。

1 盆地构造及沉积演化特征

密歇根盆地位于加拿大地盾南部地区，是一个椭圆形平伏状巨型内克拉通盆地，面积约20.73×104km2，总体表现为一个向北翘倾的近圆形不对称盆地，以南部密歇根半岛为中心，向北部不对称微倾，一直延伸到加拿大安大略省境内，盆地以一些主要的隆起构造为界与周围的克拉通盆地相邻，前寒武纪基维诺期的基底裂谷呈北西向贯穿盆地中部，盆地边缘的构造主要为古生代的背斜，呈北西-南东走向，其他的断层也同样具类似的走向。

密歇根盆地的形成及演化过程比较简单[4]。海平面升降的变化是该盆地沉积相、沉积厚度等的主要控制因素。传统上密歇根盆地被称之为典型的克拉通盆地，缺乏裂谷盆地的待征。晚寒武世时，盆地主要受伸展构造影响，并伴随着晚前寒武世与超级大陆裂解相关的热事件，早奥陶世盆地开始沉降并逐渐形成目前的构造格局(图1)。

安特里姆页岩沉积于泥盆纪末期-密西西比期早期，最大沉积厚度183 m，主要沉积在东部内陆海道的深水局限环境中，整合覆盖在中泥盆统特拉弗斯组页岩和灰岩之上，安特里姆页岩层之上是整合覆盖的贝德福德组页岩层，这套页岩是贝德福德/贝雷亚三角洲体系的一部分，在密歇根盆地北部的区域，安特里姆页岩隐伏区在更新世冰盖之下沉积向北部逐渐变薄并尖灭，形成安特里姆页岩气区带的边界。

2 安特里姆页岩气藏成藏模式

密歇根克拉通盆地的构造形态为四周高、中间低；富含有机质的页岩在盆地逐渐埋深，但在盆地周缘处于相对较浅的层位，甚至在盆地周缘都有出露；同时，盆地边缘处于构造活动相对比较强烈，容易形成不同级别的裂缝，这些裂缝可以成为早期大气淡水的淋滤渗透的通道，淡水由盆地边缘注入，雨水补给有利于生物成因气的生成，因此，可以说裂缝发育和冰川作用之间的动态关系，即多次冰碛物载荷形成的水力压头，加速了先存天然裂缝的膨胀，膨胀的裂缝又成为很好的大气淡水淋滤通道，有利于这一区域的生物成因气生成[5]。安特里姆页岩气即为晚期生物气生成系统，其是在源岩和储层沉积以后隔很长一段时间才生成的，成藏的关键时期为第四纪冰川运动时期及之后，即使是现在天然气还在继续生成。

图1 密歇根盆地东西向地质剖面

3 安特里姆页岩气藏成藏主控因素

3.1 储集层特征

安特里姆页岩为层状的富硫化铁和有机质黑色页岩，夹灰色和绿色页岩以及碳酸盐岩， 根据伽马和密度测井特征，从底部到顶部可将该页岩区带划分为4个层段，即诺伍德段、 帕克斯顿段、拉钦段以及未划分的上部层段，包括埃尔斯沃斯段页岩层，其中诺伍德段和拉钦段是勘探的首要目的层[6]。

安特里姆页岩气区带的黑色页岩内主要为局限海内沉积的浮游藻类沉积，仅可见少量陆缘有机物，I型干酪根，黑色页岩中还包含0.2%～0.8%的沥青，沥青含量向地层深部增大。安特里姆页岩内4套主要的地层中，诺伍德段和拉钦段具有较高的有机质含量，有机质含量分别为5%～12%和10%～16%，上安特里姆段也是一套潜力层，TOC含量约6%，但是目前极少对该套层系进行测试和完井。层间的灰色页岩，如帕克斯顿段不是有利的烃源岩，有机质含量小于0.5%[7]。

区带内安特里姆页岩厚度变化较大，区带北部边缘沉积减薄尖灭，在沉积厚度最大的西南部，该套页岩沉积厚度达183 m，平均沉积厚度约为91 m。区带内诺伍德段沉积厚度在西部为3 m，到东南部厚度增大到9.1 m(图2-A)；而拉钦段厚度在区带内分布相对较为均匀，沉积厚度在21～30 m范围内，平均厚度约24 m(图2-C,D)；介于之间的帕克斯顿段在区带的南部和中部厚度约为15 m，向区带北部、西部和东部逐渐减薄(图2-B)；上部层段在区带北部缺失，向东部增厚，厚度约为12～30 m；埃尔斯沃斯段页岩中包含一系列的绿灰色前三角洲氧化的黏土岩，楔进入安特里姆页岩的上部黑色富有机质页岩地层，但仅仅局限分布在密歇根盆地的西部，厚度大于274 m，在区带东部埃尔斯沃斯段页岩地层缺失。

安特里姆页岩层基质孔隙度平均2%～5%，晶间微孔隙含水饱和度40%～50%，安特里姆页岩中约20%～25%的产出气赋存于页岩内的裂缝和孔隙中。

安特里姆页岩气区带拉钦段和诺伍德段两套主要产层为含硫化铁硅质海相页岩，储层中见大量高角度(50°～80°)正交构造裂缝。储层顶底盖层主要为夹少量硅质的薄层页岩和碳酸盐岩，盖层中裂缝不发育，封盖性较好。基质孔隙度2%～5%，基质的平均渗透率1～10 nD，总渗透率约为1 000～50 000 nD，渗透率变化范围较大，主要取决于裂缝是否开启或被方解石充填。拉钦段和诺伍德段的地层系数约为15～1 524 mD·m，远远高于美国其他裂缝性泥盆系页岩的地层系数(一般为0.06～30 mD·m)，安特里姆页岩内上部层段页岩内裂缝较为不发育，相应地层系数约为6～24 mD·m。压裂后单井生产能力较高，单井产能可达3 540～5 663 m3/d。天然气主要成分为甲烷，其次为5%～30%的CO2，N2含量可高达9%。

图2 上泥盆统安特里姆页岩分布和厚度

安特里姆页岩包括30%～60%的石英，20%～35%伊利石，5%～10%高岭石，最高5%的绿泥石以及最高5%的黄铁矿，在储层下半段可见方解石和白云岩的石灰岩结节、透镜体和夹层，最厚1.5 m。埃尔斯沃斯组页岩内包含的白云岩含量最高可达25%。安特里姆页岩内的伊利石大部分为自生矿物，可能来源于受侵蚀作用的奥陶系和泥盆系膨润土，最初为蒙脱石沉积，可以描述为富伊利石的伊利石/蒙脱石混层沉积，晚泥盆世之后，发生了短暂的蒙脱石伊利石化，随即被后来的流体流入阻止。黑色页岩内油母质和黄铁矿含量(约7.5%)较高，而灰色和绿色页岩中方解石和白云岩的含量相对较高，局部为30%～40%。

3.2 区带内裂缝系统发育

安特里姆页岩中发育区域性的天然裂缝，可能形成于深埋期间。整体来说区带主要存在两组共轭裂缝，北东向裂缝密度大，北西向裂缝密度相对较小，已观察到两组裂缝贯穿于整个泥盆系剖面和盆地北缘，南北向和东西向发育一些次要的裂缝体系。北西向的裂缝体系平行于密歇根盆地中央的古生代背斜的轴向，而北东向断裂体系则平行于现今最大水平应力方向[8]。裂缝为大气淡水的淋滤渗透提供了通道，雨水补给又有利于生物成因气的生成，因此裂缝是水和气的良好通道，在页岩气勘探中，地质条件相似的情况下，裂缝发育的区域往往是勘探的首选区域[9]。

安特里姆页岩层内流体主要通过密集的中等规模正交裂缝体系流动，具有基质和裂缝双孔隙体系；基质中的气体，主要通过岩石结构本身的解吸附作用，从有机物和泥岩中解吸附获得，只有很少一部分来自饱含气的孔隙。最好的两套产层诺伍德段和拉钦段页岩，适合采取增产措施的最佳产层厚度为4.6～6.7 m。由于储层内含有硅质夹层，使得储层脆性较大，压裂的敏感性较好。诺伍德和拉钦段段内均拥有独立的裂缝体系，裂缝均未穿层。诺伍德段内的裂缝相对更发育，因此该层的总渗透率相对较高。天然裂缝多为近垂直方向，相对地层面的倾角约为50°～80°，裂缝间距一般为0.3～1.5 m，在垂向和水平两个方向上表现为低各向异性。介于诺伍德段和拉钦段两层之间的帕克斯顿段，裂缝相对不发育，可以很好的起到封隔流体流动的作用。安特里姆页岩上部的上部页岩层段相对下部的诺伍德和拉钦段来说裂缝发育相对较少，裂缝间距一般在2.4～6.1 m之间，不是首要的目的层，很少在该层测试和完井[10]。

3.3 区带内水体属性变化

在安特里姆页岩气区带内，淡水的淋滤有利于微生物活动，是产生生物成因气的一个决定性因素，向盆地的深部和区带南部区域水体矿化度含量逐渐增高，因而盆地深部和南部晚期生物成因气的缺乏，可归因于高矿化度条件下微生物降解作用受到抑制，从而难以生成生物成因的天然气[11]。

此外，在北部翘倾区安特里姆页岩隐伏露头区位于更新世冰碛物之下，上覆冰碛物的淡水进入安特里姆页岩高部位的裂缝和孔隙向南部下倾区流动，尽管翘倾边缘的储层绝对渗透率明显高于下倾区的储层渗透率，但翘倾区裂缝里的高含水饱和度降低了气体的相对渗透率，抑制了气体的流动，形成水堵，裂缝中的气体得以通过水动力流和水堵圈闭，有利于气体的保存。

3.4 成藏主控因素

安特里姆页岩区带属于大范围富含有机质的页岩沉积系统，该系统大面积地覆盖了北美古大陆的中-下泥盆统地层，天然气蕴藏在浅层、欠压、富有机质页岩储集层内，主力层系诺伍德段和拉钦段有机质含量最高，地层系数远高于美国其他裂缝性泥盆系页岩，是优质的页岩气储集层。区带北部的翘倾区，发育北东向和北西向两组共轭裂缝，是水和气的良好通道。向区带北部淡水含量增大，有利于微生物的活动和生物成因气的生成，而隐伏露头区的水动力和水堵又是形成圈闭的首要条件，因此，优质储集层、裂缝发育和淡水淋滤是安特里姆页岩气藏的三大成藏主控因素，缺一不可。

区带北部安特里姆页岩隐伏区可作为勘探的最有利区域。在区带南部边界的下倾区，地层水的盐度逐渐增大，抑制了微生物活动，且裂缝密度逐渐减小，不足以支持商业气流的生产，因此不是页岩气勘探的有利目标区。

4 结论及认识

(1)安特里姆页岩区带属于大范围富含有机质的页岩沉积系统，该系统大面积地覆盖了北美古大陆的中-下泥盆统地层，天然气蕴藏在浅层、欠压、富有机质页岩储集层内，气体多被有机质和黏土吸附。天然气主要为生物成因气。有经济价值的生物成因气藏主要位于盆地边缘附近，生物气主要形成于冰川作用期间和之后。主力层系诺伍德段和拉钦段有机质含量最高，层内部裂缝发育，地层系数远高于美国其他裂缝性泥盆系页岩，为区带内最重要的页岩气勘探目的层。

(2)安特里姆页岩中发育区域性的天然裂缝，区带主要存在两组共轭裂缝，内北东向裂缝密度大，北西向裂缝密度相对较小，两组裂缝贯穿于整个泥盆系剖面和盆地北缘，南北向和东西向发育一些次要的裂缝体系。在页岩气勘探中，地质条件相似的情况下，裂缝发育的区域往往是勘探的首选区域。

(3)在安特里姆页岩气区带内，向盆地的深部和区带南部区域水体矿化度含量渐增高，因而盆地深部和区带南部南部在高矿化度条件下，微生物降解作用受到抑制，从而难以生成生物成因的天然气。北部淡水含量增高，有利于微生物的活动和生物气的生成。而且北部翘倾区裂缝里的高含水饱和度降低了气体的相对渗透率，抑制了气体的流动，形成水堵，使得裂缝中的气体得以通过水动力流和水堵圈闭，有利于气体的保存。

(4)优质储集层、裂缝发育和淡水淋滤是安特里姆页岩气藏的三大成藏主控因素，缺一不可。

[1] USGS.National Assessment of Oil and Gas Fact Sheet, Assessment of Undiscovered Oil and Gas Resources of the U.S. Portion of the Michigan Basin[DB/OL].http://pubs.usgs.gov/fs/2005/3070/2005-3070.pdf,2004, Download in 2013.

[2] C & C Reservoirs.Field Evaluation Report of North America , Antrim Shale Play Michigan Basin,USA[DB/OL].http://www.ccreservoirs.com/pdf/shale_plays_uncovered_flyer.pdf, 2011, Download in 2013.

[3] 庞长英，连军利，吴一凡，等. 美国页岩油气开发技术及对我国的启示[J].石油地质与工程，2012，26(5)：62-66.

[4] P A Catacosinos, P A Jr Daniels, W B Harrison,et al. Structure, stratigraphy and petroleum geology of the Michigan Basin[R].Interior Cratonic Basins: AAPG Memoir, 1991,(51):561-601.

[5] 杨振恒，刘文汇，李志明，等. 美国典型克拉通盆地页岩气成藏特征、模式及启示[J].石油与天然气地质, 2013,34 (4): 463-470 .

[6] K C Manger, T J Woods, J B Curtis,et al. Antrim Shale fractured reservoirs - their potential throughout the Michigan Basin[J]. AAPG Bulletin, 1996,80(3):1526-1527.

[7] K C Manger, S J P Oliver, J B Curtis,et al. Geologic influences on the location and production of Antrim Shale gas, Michigan Basin: Rocky Mountain Regional Meeting and Low-Permeability Reservoirs Symposium, Denver[R]. SPE 21854:511-520.

[8] F P Caramanica, D G Hill.Spatial delineation of natural fractures and relation to gas production: SPE Eastern Regional Conference& Exhibition, Charleston[R].SPE 29170:135-142.

[9] 蒲泊彾，包书景，王毅，等.页岩气成藏条件分析——以美国页岩气盆地为例[J].石油地质与工程, 2008,22(3):33-39.

[10] C W Hopkins, R L Rosen, D G Hill,et al. Characterization of an induced hydraulic fracture completion in a naturally fractured Antrim Shale reservoir[R].SPE 51068.

[11] G W Shurr,J L Ridgley.Unconventional shallow biogenic gas systems[J]. AAPG Bulletin, 2002,86(7):1939-1969.