李茗，吴洁
摘要：安特里姆页岩广泛覆盖在北美古大陆的中下泥盆统之上，其中，生物成因的天然气富集于埋深浅、欠压实、富
含有机质的页岩储集层内，气体多被有机质和黏土吸附。诺伍德段和拉钦段有机质含量最高，为区带内最主要的页
岩气勘探层。对密歇根盆地的安特里姆页岩气区带的烃源岩及其厚度、物性特征、矿物含量以及裂缝系统和成藏作 用进行了探讨，并对区带的勘探潜力进行了评价。该区安特里姆页岩经历较深的埋深后又被抬升遭受大气淡水淋
滤，在适宜的条件下生成生物气并成藏。安特里姆页岩气成藏特征的研究将会对中国页岩气勘探有所裨益。关键
词：密歇根盆地；安特里姆页岩气区带；生物成因气；成藏特征；潜力评价
文章编号：1001-3873（2014）04-0491-04中图分类号：TE112.43文献标识码：A
The Reservoir Characteristics of Antrim Shale Gas Play in Michigan Basin, USA
LI Ming, WU Jie
(Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Sinopec, Beijing 100083, China)
Abstract: The Antrim shale gas play that is composed of such four sections as Norwood, Paxton, Lachine and Upper Member widely cover s above the Middle⁃Lower Devonian in North America’s ancient continent, where the biogenic gas is mainly distributed in the shallow, under⁃compaction and organic⁃rich shale reservoirs and usually absorbed by the organic matter and clay. The Norwood and Lachine sections have the highest contents of organic matter as major zones for shale gas exploration in this area. This paper analyzes the source rock, thickness, physical property, mineral content, fracture system and its reservoir⁃forming role of this play, and then evaluates its explorati v e potentials. It is concluded that it is easy to generate biogas if the shale gas is deposited in deeper depth, then uplifted and suffered air and fresh water leaching, followed by forming the gas accumula
tion under suitable geological conditions. This study will be helpful for China’s shale gas exploration in the future.
Key Words: Michigan basin; Antrim shale gas play; biogenic gas; reservoir feature; potential evaluation
美国安特里姆（Antrim）页岩气区带所在的密歇根盆地是典型的克拉通盆地，页岩气区带位于西北部的安特里姆郡一直到东北部的阿尔克纳（Alcon a）郡，长约145 km，宽约42 km，总面积约10 117 km2（图1）。安特里姆页岩富含有机质，大面积地覆盖了北美古大陆的中-下泥盆统，天然气富集于埋深浅、欠压实、富含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含有机质页岩组成，夹灰、绿页岩和碳酸盐岩层。安特里姆页岩气区储集层埋深较浅（152~610 m），产出的干气主要为生物成因气，此外储集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，区带页岩气原始地质资源量丰度为85×106~227×106 m3/km2，总地质资源量9 911×108~ 21 521×108 m3，估计最终可采储量约1 982×108m3[1-2]。早在1935年，密歇根州北部奥齐戈（Otsego）郡的安特里姆页岩就开始生产非商业性的页岩气，大规模的勘探和开发则始于20 世纪80 年代中后期。20 世纪90年代前期，安特里姆页岩气区带内约有1 000口井，到90年代中期，钻井超过5 000口[3]。勘探区域也迅速从奥齐戈郡扩展到密歇根州北部的十几个郡，但是页岩气的生产仅局限在玛尼斯蒂（Maniste e）郡以及密歇根盆地的几个郡内。安特里姆页岩气区带勘探
成功率大于90%，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，在密歇根州下半岛北部12个郡区域内，超过700个页岩气项目，共有9 000多口井完井，成为美国十大天然气产区之一。
1 区带成藏特征
1.1 区域构造演化特征
安特里姆页岩气区带所在的密歇根盆地位于加拿大地盾南部，是一个椭圆形向北翘倾的不对称巨型内克拉通盆地（图2），面积约20.73×104km2. 元古宙基维诺期的基底裂谷呈北西向贯穿盆地中部，盆地边缘
收稿日期：2014-03-17修订日期：2014-05-26
基金项目：中石化集团国际石油勘探开发有限公司科研项目（SIPC-2011-02-026-B）
作者简介：李茗（1977-），女，北京人，工程师，硕士，油气地质，（Te l）138****8767（E-m ai l）**************************.
新 疆 石 油 地 质
2014 年
·492·
密歇根湖
A 休伦湖 A '
萨吉诺湾
北第四系
冰碛物之下
的安特里姆 页岩隐伏区 安特里姆页岩 气区带范围
西 侏罗系
东
1 2 3 4 5 12
宾夕法尼亚阶 密西西比阶
泥盆系
志留系 奥陶系
寒武系
砂岩为主，少量 白云岩和页岩 页 岩 为 主 ，少 量 碳酸盐岩和砂岩
碳酸盐岩为主， 少量页岩和蒸发 岩，极少量砂岩
Gr en vil l e 基底 砾岩-砂岩 中央基底
冰川沉积物
图 3 密歇根盆地东西向地质剖面
1.2 沉积环境
安特里姆页岩沉积于泥盆纪末期—密西西比期 早期（为东部内陆海道的深水局限环境），厚约 183 m ，
整合覆盖在中泥盆统特拉弗斯组（Trav erse ）页岩和灰 岩之上。其上是与之整合接触的贝德福德组（Bed ⁃ ford ）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，安特里姆页岩隐伏 在更新世冰碛层之下，向北部逐渐变薄并尖灭。
1.3 成藏模式
密歇根克拉通盆地边缘处于构造活动相对强烈
区域，容易形成不同级别的裂缝，这些裂缝成为早期 大气淡水淋滤渗透的通道，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，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开启，开启的裂缝 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[7]。安特里姆页岩气是在烃源岩和储 集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期和之后，天然气至今仍在继 续生成中。
1.4 烃源岩特征
安特里姆页岩为富含硫化铁和有机质的黑页 岩，夹灰和绿页岩以及碳酸盐岩，从底部到顶部
可将其划分为 4 个层段，即诺伍德段（Norwood ）、帕克 斯顿段（Paxton ）、拉钦段（Lachin e ）以及未划分的上部 层段（Upper Member ），包括埃尔斯沃斯（Ellsworth ）页 岩层，其中诺伍德段和拉钦段是勘探的首要目的层。 安特里姆页岩气区带的黑页岩主要为局限海 内的浮游藻类沉积，仅可见少量陆源有机物，有机质 类型为 I 型，黑页岩中还含有 0.2%~0.8%的沥青，其 含量随埋藏深度增大而增大。安特里姆页岩内的诺 伍德
层和拉钦层有机质含量较高，分别为 5%~12%和 10%~16%，上安特里姆段也是一套潜力层，有机碳含 量 约 6% ，但 是 目 前 极 少 对 该 套 层 系 进 行 测 试 和 完 井。层间的灰页岩，如帕克斯顿段不是有利的烃源
密 歇 根 州
图 1 安特里姆页岩区带位置及隐伏区分布
前寒武系
寒武系
奥陶系
志留系
密歇根 盆地边界
泥盆系
安特里姆页岩气区带范围
密西西比阶
A
A '
侏罗系
密 歇 根 盆 地
宾夕法尼亚阶
密歇根州
印第安纳州 伊利湖
俄亥俄州
图 2 密歇根盆地地表地质构造
的构造主要为古生代的背斜，呈北西—南东走向，断 层也具类似的走向。 密歇根盆地的形成及演化过
程比较简单[4-6]，为
典型的克拉通盆地。晚寒武世，盆地主要受伸展构 造影响，并伴随着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 3）。
D （深度），k m
第35卷第4期李茗，等：美国密歇根盆地安特里姆页岩气区带成藏特征·
493
·
岩，有机质含量小于0.5%[8]。
1.5 有效厚度
在安特里姆页岩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；而拉钦段厚度在区带内
分布相对较为均匀，沉积厚度为21~30 m，平均厚度
约24 m；介于之间的帕克斯顿段在区带的南部和中部
厚度为15 m，向区带北部、西部和东部逐渐减薄；上部
层段（Upper Member）在区带北部缺失，向东部增厚，厚度为12~30 m；埃尔斯沃斯段页岩中包含一系列的
绿灰前三角洲氧化的黏土岩，楔入安特里姆页岩的
上部黑富有机质页岩地层，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
琴谱音响斯段页岩地层缺失。
1.6 物性特征
安特里姆页岩层基质孔隙度2%~5%，晶间微孔
隙含水饱和度40%~50%，安特里姆页岩中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，储集层中见大量高
角度（50°~80°）正交构造裂缝。储集层盖层主要为夹
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0.001~0.01 mD，总渗透率约为1~50 mD，渗透率
变化较大，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%.
1.7 矿物组成
安特里姆页岩矿物组成为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，在储集层下半段可见方解
石和白云岩的石灰岩结节、透镜体和夹层，最厚1.5 m.
埃尔斯沃斯组页岩白云岩含量最高可达25%[8-9]。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。黑页岩内油母质和黄铁矿含量（约7.5%）较高，而灰和绿页岩中方解石和白云岩的含量相对较高，局部为30%~40%. 由于在黑页岩中含有大量的自生硅质成分，因此具有更好的压裂敏感性。
1.8 裂缝系统
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。整体来说研究区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，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线，而北东向断裂体系则平行于现今最大水平应力方向[10-12]。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[13]。
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. 由于储集层内含有硅质夹层，使得储集层脆性较大，压裂的敏感性较好。诺伍德段和拉钦段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弱各向异性。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，可以很好地起到封隔流体流动的作用。安特里姆页岩的上部页岩层段，比下部的诺伍德段和拉钦段来说，裂缝发育较少，裂缝间距一般在2.4~6.1 m，不是首要的目的层[14]。
2 区带潜力评价
在安特里姆页岩气区带北部的翘倾区，发育北东向和北西向两组共轭裂缝，是水和气的良好通道，可以作为勘探的首选区域。此外，在北部翘倾区，安特里姆页岩隐伏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。尽管翘倾边缘的储集层绝对渗透
率明显高于下倾区的储集层渗透率，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，有利于裂缝中气体的保存，隐伏区的水动力和水堵是形成圈闭的首要条件。因此，区带北
新疆石油地质2014年·
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·
部隐伏区可作为勘探的最有利区域（图4）。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，因此区带南部不是页岩气勘探的有利目标区。
前妻回来了txt下载件，将可能成为勘探生物成因页岩气的有利区域。
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安特里姆页岩
厚度等值线，m
隐伏区范围
区带边界
［2］
有利勘探区
［3］密歇根湖
休伦湖
［4］
［5］
萨吉诺湾
三峡船闸
图4安特里姆页岩气区带有利勘探区
［6］3 结论及建议
（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，天然气富集于浅层、欠压、富有机质页岩储集层内，气体多被有机质和黏土吸附，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，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，因此勘探的最有利区域为区带北部裂缝发育的安特里姆页岩隐伏区。
（3）密歇根盆地安特里姆页岩气区带的成藏特征对中国页岩气勘探具有一定的启示作用，页岩经历较深的埋深后被抬升，遭受大气淡水淋滤，经合适的条件容易生成生物气并成藏。
（4）中国四川盆地、鄂尔多斯盆地和塔里木盆地页岩气勘探初具规模，且这些盆地都曾有少量生物成因气发现，借鉴对安特里姆页岩气区带成藏特征的研究成果，可以在这些盆地的页岩气勘探中进行尝试性的探索，特别值得注意的是在盆地周缘发育适度裂缝和优质页岩层系的地区，如果具备大气淡水淋滤的条［7］
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［12］
［13］
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