美国阿巴拉契亚盆地中部下志留统地区油气藏的特性成因和开采特点

美国阿巴拉契亚盆地中部下志留统地区油气藏的特性、成因和开采特征摘要阿巴拉契亚盆地下志留统地区油气藏的低渗透性砂岩覆盖面积达45，000mi2（117，000平方公里），并且可能储集了多达30万亿立方英尺的可采天然气资源。主要的储集层包括Clinton组砂岩和Medina组砂岩。另外30，000mi2（78，000Km2）的与Tuscarora砂岩对应的地层增加了下志留统地区油气藏的面积。自1880年以来，Clinton/Medina油藏已经开采出大约8.7万亿立方英尺的天然气和4亿桶原油。下志留统地区的油气藏东部主要是一个盆地中心的天然气藏。然而，其西部是一个常规油气藏，并且具有盆地-中心聚集的复合特征。盆地-中心油气藏具有普遍的含气饱和度、束缚水饱和度，通常流体压力很低。与此相反，复合-常规油气藏具有较普遍的含油气饱和度、更高的流动水饱和度，以及正常和异常低流体压力。复合-常规油气藏中的高流动水饱和度为盆地-中心天然气形成了上倾圈闭，造成一个宽广的转换带，约几十英里宽，并且具有底部单元油藏类型的特征。尽管盆地-中心气藏的Tuscarora砂岩部分普遍饱和天然气，其主要的组成砂层孔隙度和渗透率都很低。Tuscarora砂层中的商业性气田聚集在天然断裂的、错断背斜中。下志留统油气藏的成因包括：（1）奥陶纪黑色泥岩中油气的生成；（2）在上覆1000-ft（305-m）厚的奥陶纪泥页岩层中的垂向运移；（3）油-气转化过程中产生的异常高压；（4）超压气体造成的流动孔隙水的沿上倾方向的位移；（5）盆地中心遍布的天然气圈闭；(6)造山期后期的抬升和剥蚀，造成气体渗漏和流体压力明显降低。预计Clinton/Medina砂岩中的远景天然产气量主要来自盆地中心的油气藏。Tuscarora砂岩含有额外的天然气资源，但是典型的低储层孔隙度和渗透率以及低能（在英国热力单元中）天然气存在的可能性减少了勘探天然气资源的方法。引言阿巴拉契亚盆地中部覆盖了俄亥俄州、宾夕法尼亚州、纽约和加拿大安大略省的绝大部分，被圈闭在下志留统的石油和天然气在阿巴拉契亚盆地中部形成了油气藏（图1）。在下文中，我们把提到的这个油气藏和下志留统的油气藏(LSAR)进行了对比。下志留统油气藏的主要储集层包括俄亥俄州中的Clinton和Medina砂岩层、Grimsby砂岩层（或地层水）和宾夕法尼亚州、纽约和加拿大安大略省南部Medina群组的涡流(Whirlpool)砂岩层（图2）。在此处简略提到的这些储层单元被认为是Clinton/Medina砂岩储集层。Tuscarora砂岩，与宾夕法尼亚州的西—中部地区、西弗吉尼亚州Clinton/Medina砂岩层对应的地层，在这被概括成下志留统油气藏（LSRA）中的次要的天然气储层（图1，2）。从19世纪80年代晚期到2000年，下志留统油气藏的Clinton/Medina部分已经开采出大约8.7万亿立方英尺的天然气和4亿桶原油。整个1995年，Tuscarora砂岩层累计产气量可达28万亿立方英尺。因为在天然气开采策略中107剖面下部在致密构造中开采天然气的压力，自1980年以来Clinton/Medina砂岩层的开采量大约占累计产气量的40%。在下志留统油气藏中，天然气是主要的烃类相态。对整个油气藏来说，气/油比（GOR）大约是22000立方英尺标准状态下的天然气/桶原油。正如下志留统油气藏的东部范围内已经探明和开发的情况一样，相对于油相，天然气相越来越占优势。下志留统油气藏的东部绝大多数由天然气藏组成，Davis(1984),Zagorski(1988,1991,1999),Law和Spencer（1993）认为下志留统油气藏西部是盆地中心（深盆）天然气藏。正如本文中所引用的，盆地中心天然气藏是一个区域性展布、具有普遍的含气饱和度并且通常很厚的区带，而这些特征一般出现在很深的沉积盆地中心部位的低渗透性岩石中（Law和Spencer，1993；Law，2000）。与绝大多数的深盆气藏不同，这个油气藏与中等数量的原油有关，尤其是在俄亥俄州的东部。图1阿巴拉契亚盆地中部下志留统油气藏和构造特征指数图一般来说，和盆地中心天然气相关的术语有深盆气、钻屑天然气和致密构造天然气。Masters和Davis认为”深盆气”是“盆地中心天然气”的同义词。因为Law(2000,2003)的努力，目前，“盆地中心天然气”这个词已经得到大家的广泛认可。钻屑天然气藏是在盆地规模上遍布的天然气藏，并没有受到流体动力的显著影响。评价不连续油藏面积和个数的标准方法并不适用于这种气藏。“盆地中心天然气”这个词要比“钻屑天然气”这个词好，因为它指出了油气藏的地质背景。联邦能源管理委员会的调查显示，根据调控目的，致密地层天然气构造的首要必备要素是，平均原地渗透率必须等于或小于0.1md。然而，正如Spencer和Dutton等所描述的，许多致密性（低渗透性）储层并没有处在盆地中心的位置。下志留统地区的油气藏中被石油和天然气充注的西部和中央部分，是常规油气藏和盆地中心油气藏混杂的复合油气藏。其储层具有更高的渗透率，其含水饱和度实质上高于束缚水的饱和度。根据US.GeologicalSurveyNatioanalOilandGasResourceAssessmentTeam（1995），常规油气藏是不连续的沉积，经常以沿下倾方向的水深接触面为界限。通过采用传统发展的实践方法，可以将油气提取出来。此后，西部和中央部分被指定为下志留统地区油气藏的复合—常规油气藏，并且着重强调其转换特征（图1）。对于下志留统地区油气藏的盆地东部和深盆部分，总的勘探趋势明显表明，下志留统地区的气藏的油气储量的未来额外补充和未发现的油气资源主要来自盆地中心部分。因为这一勘探趋势对于未来国内能源供应具有极其重要的意义，所以更好的了解这种含油气系统的基本条件、烃类的生成和圈闭过程是很必要的。而且，在阿巴拉契亚山盆地这个例子中所学到的事实和概念，与它漫长的勘探历史和众多数据相结合有助于鉴别和表征国内其它的盆地中心天然气藏。除此之外，对于国际上那些尚未发现或正处在早期勘探开发阶段的油气藏，也有助于对其进行鉴别和表征。在本文中，我们记录和解释了下志留统地区油气藏的地质学的、地球化学的和地球物理的属性，这些属性可能控制了油气藏的成因要素。特别是，我们把目光集中在了下志留统地区油气藏的盆地中心天然气部分，以及和它相邻的复合—常规油气部分。最后，我们讨论了沿着下志留统地区油气藏部分开采天然气过程中的变异性，以及对天然气资源进行更加精确评价的重要性。图2下志留统地区油气藏中尼亚加拉统区系岩石（下志留统和上志留统）以及相邻的上奥陶纪和上志留纪岩石的相关对比图沉积和构造背景下志留统砂岩的沉积体系是一个碎屑楔形体（磨拉石），这是在Taconic压实和抬升运动的末期形成的（Yeakel，1962）。从东南到西北，碎屑楔形体的厚度逐渐减小，颗粒体积和砂岩层/泥岩层比也逐渐减小（Yeakel，1962；Knight，1969）。沿着碎屑楔形体，从近源东部的河流、海湾和内陆海相陆棚到远源西部的开阔海陆棚和潮汐控制的海岸线，沉积环境有很大的变化（Cotter，1982；Brett等人，1990；Castle，1998）。在它们的西部和西北部范围内，下志留统砂岩尖灭到外滨的海相泥岩、页岩和碳酸盐岩中(Knight,1969;Brett等人，1990；Castle，1998）。在宾夕法尼亚州中部和西弗吉尼亚州沉积区北部，碎屑岩楔形体的有效厚度范围是500-600ft（172-173m），在俄亥俄州南部和中部、纽约南部和安大略省南部地区，碎屑岩楔形体的有效厚度是100ft或100ft以下。Hettinger（2001）和Rvder（已付印）刊物，在区域性交叉剖面中解释了Clinton/Grimsby/Whirlpool/Tuscarora砂岩层的岩石骨架、沉积背景和地层层序，还解释了其相邻的地层（图3，4）。Hettinger（2001）和Rvder（2000，已付印）参考了这一解释，其目的在于下志留统层序地层学的更多细节；Brett等人（1990）和Cattle（1998）也提及了这一解释，其目的在于解释偏离这些模型的偏差。下志留统地区油气藏的大绝大部分沿着向东南下倾的平缓的单斜层分布，并且分布在阿巴拉契亚山脉山前地带和盆地的西北侧面。阿勒格尼构造缝是由阿勒格尼压实活动造成的，它标志着下志留统地区油气藏的东部界线（图1，3）。构造缝西部的成因上相互关联的敏感性构造，诸如ChestnutRidge和DeerPark背斜（图1），局部是Tuscarora砂岩气田的圈闭。在下志留统地区油气藏的下部是三组基底复杂的构造。第一群组由正断层和与Rome凹槽有关的断块组成，一个沿着宾夕法尼亚州西部、西弗吉尼亚州的中部和肯塔基州东部分布的北东向的中寒武统地堑，还包含了元古代的基岩（图1）。Rome凹槽的西北边界决定了一个地质构造的枢纽带，这一枢纽带控制了Clinton/Medina和Tuscarora砂岩储集层的沉积（图1，3）。沿着Rome凹槽的东南边界，基岩断块位于宽广的背斜构造之下，比如Warfield背斜（图1）。基岩复杂构造的第二群组是南西向的狭窄断层带，沿着盆地走向延伸50-100英尺（80-160km）。它们切传Rome凹槽和敏感性构造，并展现出程度不同的倾向滑动和走向滑动。正交于走向的构造包括Cambridge-BurningSprings（Root，1996）、俄亥俄州东部的断层带、Tyrone-MountUnion和宾夕法尼亚州西部的匹兹堡—华盛顿区域断裂线，以及在纽约西部的Clarendon-Linden断层带（图1）。基岩复杂构造的第三群组是局部的断层和断块，比如位于东南部的俄亥俄州的Starr断层带（图1）。磷灰石裂变径迹表观年代法表明，阿巴拉契亚盆地经历了Alleghanian运动后期的冷却和蚀顶，这一运动始于大约250百万年以前。Alleghanian后期的冷却运动因为三叠系的一次最近发生的简单的热事件而被中断，这次热事件影响了中大西洋，重造了矿物年龄。Roden和Miller（1989）在宾夕法尼亚州的Alleghanian构造缝附近发现了一次等级更小的热事件（晚侏罗纪--早白垩纪），这可能标志着Alleghanian后期冷却运动的二次中断。三叠纪热事件的发生时间很大程度上和原始大西洋地壳扩张以及岩浆作用时间相一致，然而，侏罗纪—白垩纪热事件的发生时间看来似乎和金伯利岩侵入作用时间一致，其侵入作用沿着Rome凹槽中的重新活化的基岩复杂断层带。据估计，在Alleghanian后期侵蚀作用期间，远离盆地的上覆岩层厚度，在宾夕法尼亚州地区为2—6km，西弗吉尼亚州的中部地区是3km左右（Roden，1991）。图3下志留统地区油气藏的分布图石油地质学烃类分布、烃类类型、和钻井深度下志留统地区油气藏的Clinton/Medina部分是一个450mi（720km）长、100mi（160km）宽的油气藏，该油气藏位于阿巴拉契亚盆地的西北翼的后面（图1，3）。一般来说，天然气围绕着原油和伴生气的中心带分布。大的、下志留统地区油气藏的天然气充注的东北末端，包括美国未钻探的伊利湖部分（图3）。在面积上，下志留统油气藏的Tuscarora砂岩层部分与Clinton/Medina部分可以相比拟。但相反的是，Tuscarora砂岩部分仅有几个已知有产油能力的散布地区（图1，3）。正如图3中原油所示，Clinton/Medina的特定区域内，包括数量变化的伴生天然气，同样的，天然气特定的区域通常至少含有小数量的原油和凝析油。而且，伴随着大部分Clinton/Medina油气的产出，卤水也产生了。尽管在西北部的宾夕法尼亚州、西部的纽约和南部的安大略省发现了小数量的原油，这些原油还是被占主导优势的天然气相所遮盖。在Clinton/Medina储层中的非伴生天然气最有可能出现在它的东北端和南端，以及最东部的下倾部分。Tuscarora砂