巴肯组和尼尔布拉勒页岩油系统调研

1、11 巴肯组页岩油气勘探开发历程威利斯顿盆地位于美国西北部，横跨美国三个州（蒙大拿州、北达科他州和南达科他州）和加拿大的两个省份（萨斯喀彻温省和曼尼托巴省） ，其沉积地层总厚度达 1.5104ft（4572m） ，巴肯（Bakken）组页岩是主要的产油气层，地层最厚处可达 150ft（45.7m） ，但在盆地内大部分地区，其厚度比较薄，巴肯组油层的顶部深度由加拿大境内的数千英尺到北达科达州境内的上万英尺（图1.1） 。2008 年 6 月 24 日，美国地质勘探局（USGS）发表了一项官方研究报告。该研究报告指出预计在巴肯页岩蕴藏巨大的油气储量，可采储量可达3.65108bbl（0.58108

2、m3）石油当量的原油。该报告与 1995 年的预测结果比较，可采储量增长了 25 倍。同时，北达科他州也发布了一份报告，估计在其境内的巴肯油层有2.1108bbl（0.33108m3）可采石油储量，这些数据包含常规（巴肯组中段）和非常规油气藏（巴肯组上、下段页岩油藏） 。1.1 勘探历程自 1950 年以来，威利斯顿盆地巴肯组已开展了多轮勘探（表 1-1） 。1953年在北达科他州发现第一个油田，即安蒂洛普油田，这个油田的开发一直持续到 60 年代。安蒂洛普油田的巴肯组及斯里福克斯组上段为与挤压褶皱作用有关的低渗裂缝性储层，是主要的产油气层， （Murray，1968） 。油井为直井，在采用油

3、基压裂液进行加砂压裂增产处理后，产能平均达到了 209bbl/d（33.23m3/d） 。安蒂洛普油田已累积产油 0.194108bbl（308104m3） ，产气327108ft3（9108m3） 。1961 年，壳牌公司获得了巴肯组含油气系统的第二个重大油气发现，即埃尔克霍恩兰奇油田。在对埋藏较深的红河段（主要目的层、奥陶系）钻探失利之后，在次要目的层巴肯组上页岩段中进行了完井作业，获得成功。埃尔克霍恩兰奇这口探井具有重大的意义，它证实了巴肯组上页岩段具有很大的勘探潜力。由于当时的油气价格比较低，再加上这个地区比较偏远，所以直到 1976 年才在巴肯组含油气系统中钻了第二口探井。此后这个地

4、区就被称为巴肯成藏有利区，在这里所钻的井都以巴肯组上页岩段及其古生界（包括较深部和较浅部2的地层）为目的层。这个成藏有利区沿比林斯鼻状构造（又称比林斯背斜）的西南缘展布（图 1.1） 。所钻的井都进行了油基压裂液加砂压裂增产处理。1987 年开始在巴肯组上页岩段钻水平井（LeFever，2006） 。第一口水平井是由 Meridian 公司所钻的 33-11MOI 井（位于埃尔克霍恩兰奇油田） ，这口井在巴肯组中的水平井段长 794m，日产油 258bbl（41m3） ，日产气 8461m3，而且在投产后的前两年产量相当稳定。这口井的成功使巴肯组上页岩段油气藏进入了水平井开发阶段。这个成藏带的

5、勘探一直持续到了 1990 年以后在这里经营的油气公司多达 20 多家。1990 年后，石油价格大幅下降，再加上巴肯组上页岩段的油气产量具有一定的不可预测性，致使这一轮水平井勘探阶段结束。2000 年以后，通过在巴肯组中段钻第一口水平井，发现了埃尔姆古力油田。2006 年发现了帕歇尔油田。2008 年，可采储量可达 3.65108bbl（0.58108m3）石油当量的原油。比 1995 年预测的可采储量增长了 25 倍。表表 1-11-1 威利斯顿盆地油气勘探开发成果及新进展威利斯顿盆地油气勘探开发成果及新进展时间时间油气勘探开发成果和新进展油气勘探开发成果和新进展1953 年发现安蒂洛普油田

6、；开始从巴肯组和斯里福克斯组开采油气1961 年壳牌公司在埃尔克霍恩兰奇部署的41X-5-1井获得工业油流，圈定了比林斯鼻状构造成藏带的分布范围，证实了巴肯组上部页岩段的油气潜力1970 年开始在比林斯鼻状构造巴肯组上部页岩段中钻直井1987 年在比林斯巴肯组上部页岩段中钻第一口水平井1996 年Alhin 油井在巴肯组中段完井，发现了一个沉睡的大型成藏带2000 年在巴肯组中段钻第一口水平井，发现了埃尔姆古力油田2006 年发现了帕歇尔油田2008 年可采储量可达 3.65108bbl（0.58108m3）石油当量的原油。比 1995年预测的可采储量增长了 25 倍。1.2 开发历程威利斯顿

7、盆地巴肯组油气层的开发大致可以分为三个阶段：1.2.1 第一阶段（1953 年到 1987 年）在这个阶段，油田主要分布在奈森背斜上，目的是利用直井开发裂缝内所含油气（图 1.2） 。1953 年，在羚羊油田的巴肯页岩裂缝中获得最初的原油产量，该地区由于强褶皱作用，裂缝非常发育。1986 年，在另一个构造带比林斯鼻状构造上3获得油流，35 个巴肯页岩油田产油 2930 bbl/d（332.75m3/d） ，60%来自比林斯鼻状构造的三个油田，即 Buckhorn、Devils Pass 和埃尔克霍恩兰奇油田（Cramer，1986） 。截止 1987 年，在美国境内，巴肯页岩共有开发井 194

8、 口，但从 1953 年起，累积产量只有 19106bbl （302104 m3） （Breit 等，1992） 。所以巴肯页岩一直作为次要目的层。由于直井一般很难遇到高角度裂缝，随后许多在巴肯高产井附近的新钻井没有成功 （Leibman，1990） 。在埃尔克霍恩兰奇油田的巴肯页岩层钻井 43 次，只有 22 口井产油，平均初始产量为 65 bbl/d（10.33m3/d）（Carlson，1990） 。1.2.2 第二阶段（1988 年到 1999 年）在这个阶段，投入开发的油田主要分布在比林斯背斜的西翼（图 1.1） ，目的是利用水平井加直井开发裂缝内所含油气。1987 年 9 月在埃尔

9、克霍恩兰奇油田钻了第一口水平井，显示了其经济上的优越性，其采收率是直井的 2.53.0 倍，钻井费用是直井的 1.52.0 倍（Reisz， 1992； Breit 等，1992） 。从 1987 年开始，约钻水平井 135 口，其中仅有 15 口干井。其中大多数新钻井位于长 100mi（1.61105m） 、宽30mi（4.83104m）的西北东南向的一个相当狭窄的地带，该地带平行于巴肯页岩的尖灭线，并延伸至比林斯鼻状构造的西部。在古地质图上，在这个地区只有上部页岩段广泛出露，覆盖了下伏的地层单元：上部单元仅 6ft 到 9ft 厚（1.832.74m） ，但裂缝高度发育 （Leibman，

10、1990） 。 萨斯喀彻温省威利斯顿盆地曼尼托巴省北达科他州南达科他州蒙大拿州埃尔姆古力油田比林斯背斜奈森背斜图图 1.11.1 美国威利斯顿盆地地理位置及部分巴肯页岩在不同开发阶段开发油田分布略图美国威利斯顿盆地地理位置及部分巴肯页岩在不同开发阶段开发油田分布略图（红色部分代表第一阶段开发的油田；绿色部分代表第二阶段开发的油田；黄色部分代表第三阶段（红色部分代表第一阶段开发的油田；绿色部分代表第二阶段开发的油田；黄色部分代表第三阶段开发的油田）开发的油田）4根据对巴肯组 7 个油田的 21 口水平井的评价，得出如下结论（Reisz，1992）：典型的水平井一般具有 2000ft（609.6m

11、）长的水平段，控制2.01062.7106bbl（3.184.29106m3）的地下原油，其中只有 10%储存于裂缝中。水平井的可采储量一般为 2010425104 bbl（3.21044.0104m3） ，更好一些的可以达到 4010450104bbl（6.41048.0104m3） （Reisz，1992） 。而巴肯页岩层中直井平均开采量（统计 119 口直井）只有每口10.8104bbl（1.7104m3） 。同时，Leibman（1990）报道了 1987 到 1990 年间，Meridian 钻的 50 口水平井的数据，其中 45 口获得工业油流，发现了10.2106bbl（1.61

12、06m3）的可采储量，每口井的可采储量约为22.5104bbl（3.6104m3） 。这一时期，在 Reisz 所研究的 21 口水平井中，第一年开采其可采地质储量的 20%到 25%，在接下来的两年里，产量递减速度达到 40%到 45%，在此后更长的时期里，递减速率为 25%到 35%（图 1.2A） 。超过三分之二的水平井初期产量（最初一个月的平均日产量）达到 200bbl/d（31.80m3/d） ，其中五分之一以上的油井初产超过 400bbl/d（63.6m3/d） （图 1.2B） ，与一般的直井相比，产量有明显提高。水平井单井控制可采储量一般为2010425104bbl（3.210

13、44.0104m3） ，高的可达 50104bbl（8.0104m3）（图 1.2C） 。5累积生产月数单井平均产量（桶日）/单井控制可采储量（千桶）原 油 产 量 桶日/井 数 （ 口）井 数 （ 口）最高产油速度最低产油速度平均产量图图 1.21.2 巴肯页岩中水平井产量特点巴肯页岩中水平井产量特点威利斯顿盆地中，巴肯页岩预计最终可采储量可达几亿桶的规模（McCaslin，1990） 。需要考虑的问题是盆地中部深层巴肯页岩的潜力，这里的巴肯页岩较厚且处于超高压状态，但其天然裂缝并不发育（Leibman，1990） 。1.2.3.第三阶段（2000 年以后）在这个阶段，投产油田主要分布在美国

14、境内的巴肯组分布区，主要利用水平井开发基质和裂缝内所含油气。最近几年，特别是在 2001 年以后，由于油价高涨和新的钻井及完井技术的应用，该区的原油产量迅速增长，到 2005 年原油月产量已经超过 100104bbl（约合 200104m3/a） （图 1.3） 。2005 年以后，由于广泛应用水平井钻井新技术，并结合水力压裂技术，油层的生产真正实现了腾飞，将致密页岩油层原油开采推向了一个新的高度，使其成为美国历史上最大的原油开采区之一。6直井开发阶段水平井开发阶段油产量（桶）气产量（千立方英尺）水产量（桶）井数累油（桶）发现埃尔姆古力油田油产量（桶）气产量（千立方英尺）水产量（桶）图图 1.

15、31.3 巴肯页岩巴肯页岩( (美国部分美国部分) )原油月产量变化图原油月产量变化图2 巴肯组页岩油气地质特征2.1 构造特征 威利斯顿盆地为近似于圆形的、次级构造较少的盆地。这个地区的地层倾角通常小于 0.5，局部可以达到 1.5。盆地中部的巴肯页岩埋藏深度为950011000ft（2895.63352.8m） 。整个盆地构造变化较小，主要是位于北达科他州西北部、南北走向的奈森（Nesson）背斜和蒙大拿东部的北西南东走向的雪松河（Cedar Creek）背斜。此外，还有南北走向的比林斯鼻状构造以及小刀（Little Knife）背斜（图 2.1） 。羚羊背斜为北西南东走向，位于奈森背斜南

16、端，是当地最重要的构造。羚羊背斜东北部地层倾角较大，具有很强的非对称性，这与西南方的雪松河背7斜对比鲜明。斯海帕德（Shepard，1990）认为可能是拉腊米造山运动造成地块下降，使得构造的几何形态呈现右旋转动。-3000-5000-2000-1000-3000-5000-7000-3000图图 2.12.1 WillistonWilliston 盆地构造图盆地构造图2.2 地层特征2.2.1 岩性特征威利斯顿盆地是一个大型克拉通内沉积盆地，盆地最初可能起源于克拉通边缘，在科迪勒拉造山作用过程中演化成为一个克拉通内盆地（Gerhard 等，1990） 。在显生宙（寒武纪到第四纪）的大部分时间都

17、有沉积作用，沉积地层的厚度大约为 4880m。在地层剖面上识别出了多个不整合面，但显生宙期间的所有沉积地层可以划分为以下几种沉积类型：古生界主要由旋回性碳酸盐岩组成；而中生界和新生界以硅质碎屑岩为主。在晚泥盆世和密西西比纪初，这个盆地是北美大陆西缘宽阔陆架区域内的活动沉降区。威利斯顿盆地的原型盆地是加拿大泥盆纪埃尔克波因特（Elk Point）拉张盆地。巴肯地层全部隐伏于地下。研究区内巴肯组上页岩段顶部埋藏深度从该区东南部 1600m 到东部及西北部 70m 内变化，或按地下深度来说，分别从82340527m 变化。巴肯地层主要位于威利斯顿盆地中北部地区（图 2.2） ，厚度一般在 20100

18、ft(6.130.5m)之间（图 2.3） 。奈森背斜埃尔姆古力油田剖面位置高压异常区蒙大拿州北达科他州曼尼托巴省萨斯喀特彻温省上部页岩段中部砂岩段下部页岩段埃尔姆古力地区奈森背斜羚羊油田构造剖面略图图图2.22.2 威利斯顿盆地巴肯组分布图威利斯顿盆地巴肯组分布图图图2.32.3 威利斯顿盆地威利斯顿盆地( (美国部分美国部分) )巴肯组的等厚度图巴肯组的等厚度图9Hayes，Thrasher 及 Holland 等人在北达科他地区根据牙形石和化石，确定了巴肯地层属于泥盆系密西西比系。巴肯地层明显分为 3 段，即上、下段为具放射性的、富含有机质的黑色页岩；中段为钙质灰色粉砂岩砂岩（图 2.4

19、） 。上下两段页岩显然是在近海缺氧环境下，并受海洋洋流循环影响的沉积产物。推测有机质是随处可见的地表水中的浮游藻类衍生而成的。自然伽玛曲线中子孔隙度曲线巴肯组110 ft 33m（）上页岩段下页岩段中部砂岩灰岩互层段图图2.42.4 巴肯组内部结构特征巴肯组内部结构特征巴肯地层普遍被 Lodgepole 石灰岩所覆盖，并从盆地西部的不整合接触向研究区大部分地区的整合接触变化。Webster 从而推论，巴肯地层上部页岩与上覆 Lodgepole 地层以整合接触为主。2.2.2 沉积环境巴肯组各段的沉积环境分别是有氧（中段） 、低氧（下段）和缺氧（上段）的陆架环境。缺氧条件是由层状水文流态造成的，

20、其存在的证据包括缺乏底栖生物群、缺乏掘穴生物遗迹以及高 TOC 含量（Meissner，1978；Price 等，1984；Webster，1984；Price 和 LeFever，1994；Pitman 等，2001） 。巴肯组中段的沉积模式为海相碳酸盐岩浅滩复合体。巴肯组中段的岩相构成说明其沉积环境为陆架到较浅的前滨环境。碳酸盐岩沉积物（经成岩作用转变为白云石）可能具有外源的性质，也可能是内源的。外源沉积物可能来自盆地南部出露并遭剥蚀的区域（较老地层例如斯里福克斯组的剥蚀产物） 。白云石化作用模糊了原生颗粒组构，从而使人们难于就碳酸盐岩的成因给出明确的答案。巴肯组中段丰富的硅质碎屑物质很可

21、能源自威利斯顿盆地以北的区域10（Webster，1984） （图 2.5） 。在盆地的北部，巴肯组中段的含砂量总体上增多。粉砂和极细粒砂可能通过风暴事件中的悬浮水流或者通过风成沉积作用向盆地方向搬运。埃尔姆古力油田威利斯顿盆地蒙大拿州北达科他州曼尼托巴省萨斯喀特彻温省边缘海相盆地相碳酸盐坝相陆源碎屑物源中部砂岩段不发育图图2.52.5 巴肯组沉积时期古地理图巴肯组沉积时期古地理图2.2.3 详细地层划分2.2.3.1 巴肯组下段页岩层下段页岩厚度一般小于 40ft（12m） （图 2.6） ，由均匀、无钙、含炭沥青、易破裂的厚层页岩组成，但有些地区则呈平行致密薄层状、蜡状、质硬、含黄铁矿、具

22、放射性的暗棕黑色页岩组合。页岩含丰富的有机质（有机碳平均含量 12%）且在薄条状纹理中常富含丰富的黄铁矿。裂缝产状一般近平行或近垂直于层理面，裂缝表面充填有白色方解石和浸染状黄铁矿。Christopher 将这些裂缝解释为挤压式泥裂。在基底滞留沉积中含有黄铁矿化碎屑、化石碎屑、石英砂及粉砂和磷酸盐的颗粒。2.2.3.2 巴肯组中段砂岩层11巴肯组中段砂岩层与下伏巴肯组下段页岩层为区域不整合。其底部存在砾石和风化面。而盆地边缘地区，下段页岩超覆于 Torguay 地层之上。巴肯组中段砂岩层厚度为 050ft(15m)（图 2.7） ，主要由含少量页岩和石灰岩的互层状粉砂岩和砂岩组成，其颜色主要是

23、浅灰中暗灰色，但在某些地区由于饱含油而使颜色模糊不清。该层中的页岩常是粉砂质的，呈绿灰色；石灰岩为砂屑石灰岩透镜体。该层中化石丰富，主要为腕足类，并含有少量痕迹化石。在埃尔姆古力油田，这段地层是一套白云石化的碳酸盐沙坝复合体，孔隙度为 8%-10%，渗透率为 0.05md。图图 2.62.6 威利斯顿盆地美国部分巴肯组下页岩段等厚图威利斯顿盆地美国部分巴肯组下页岩段等厚图2.2.3.3 巴肯组上段页岩层巴肯组上段页岩以整合形式叠置于巴肯组的中段砂岩上，而位于 Lodgepole石灰岩下面。该段厚度一般小于 20ft（7m） （图 2.8） ，Webster 认为它与其下伏巴肯组中段呈整合接触。

24、上段页岩地层与下段页岩层类似，说明其沉积条件一致。巴肯组上段页岩总有机碳（TOC）含量平均为 10%，具备了成为极好烃源岩的条件。这是一套薄层状黑色页岩，含有伊利石粘土矿物、石英、长石和碳酸盐等颗粒，还有较多的黄铁矿。12图图2.72.7 威利斯顿盆地美国部分巴肯组中砂岩段等厚度图威利斯顿盆地美国部分巴肯组中砂岩段等厚度图图图2.82.8 威利斯顿盆地美国部分巴肯组上页岩段等厚图威利斯顿盆地美国部分巴肯组上页岩段等厚图2.3 烃类的生成和运移巴肯页岩尽管相对较薄，仍是非常好的烃源岩，总有机质含量达到了1322%（加拿大萨斯喀彻温省） 。在美国，总有机碳含量一般在 2%到 12%之间，通常盆地中

25、心的数值更高。有机质主要是藻类。在威利斯顿盆地的边缘，埋深小于 9000ft（2743.2m） ，巴肯页岩未达到生油门限。在盆地中部，等效镜质体反射率大约是 1.0，与生油窗非常接近（DeMis，1988） （图 2.9） 。一般认为巴肯页岩在晚白垩世到早始新世已经开始生油，并且在晚始新世达到生油高峰。生成的石油比从页岩中运移出去的要多，这导致页岩层中出现很高的原油饱和度、剩余压力和发育的微裂缝。从 20 世纪70 年代起就认为原油从巴肯页岩中经过裂缝运移到下伏的 Mission Canyon 层。Burrus 等人通过模拟研究，指出巴肯页岩所生成的原油中，85%已经运移到其它层位。但 Pri

26、ce 和 Lefever（1994）却认为，大多数生成原油还保存于原岩中，这将对巴肯页岩层的勘探和开发工作起到非常大的鼓舞作用。烃源岩未成熟区烃源岩开始生油区烃源岩大量生油区图图 2.9 巴肯组烃源岩演化程度图（等值线单位为英尺）巴肯组烃源岩演化程度图（等值线单位为英尺）2.4 储层特征2.4.1 储层厚度及物性特征巴肯组高压产区有效厚度为 6l5ft（1.834.57m） 。孔隙度平均在812之间，渗透率在 0.05mD 到 0.5mD 之间，盆地大部分地层都分布有高14压产区。但也有报道认为，巴肯组的页岩具有双孔隙度系统，在油藏压力条件下，岩石基质孔隙度只有 2%3%（Burrus 等，1

27、992） ，其中微裂缝占十分之一（裂缝孔隙度 0.2%0.3%） （Breit 等，1992） 。巴肯页岩岩心样本显示，其基质渗透率为 0.020.05mD，但是并没有说明这些渗透率是水平还是垂向上的（Reisz，1992） 。由于微裂缝的出现，巴肯页岩的有效渗透率大约是0.6mD（Breit 等，1992）2.4.2 裂缝发育特点巴肯页岩中构造应力造成的张性裂缝一般为垂向的，并且通常间隔数十厘米（图 2.10） ，但是这类裂缝的第一手观测资料非常少。比林斯鼻状构造区域的压力恢复试井一般体现不出这类裂缝的影响，因而储层均质性较高。尽管如此，薄片中可见大量水平的、垂直的、倾斜的、部分胶结的微裂缝

28、（Cramer，1986） 。与此相似的，通过在埃尔克霍思兰奇油田的水平井模拟实验发现，巴肯页岩包含的微裂缝的间距只有 2cm 左右（Breit 等，1992） 。这些微裂缝的开度随着页岩中流体压力的增大而减小。图图 2.10 巴肯组中段砂岩、灰岩互层段裂缝发育特征（水平井取心）巴肯组中段砂岩、灰岩互层段裂缝发育特征（水平井取心）2.4.3 裂缝成因分析过去广泛认为威利斯顿盆地巴肯页岩中天然裂缝的形成是由于大量生成的石油无法运移出去而产生高压的结果。Burrus 等（1996）通过他们的模拟实验15发现，巴肯组在中始新世已经具有足够的压力，可以在短时间内通过这种方式产生裂缝，这与主要的生油期相

29、对应。因此很有可能在这个时期发育了密集的裂缝网络。巴肯页岩中的张性裂缝也可能是构造变化作用造成的结果，或是深层基底断层复活的结果，这在威利斯顿盆地有大量的证据。某些情况下，页岩出现褶皱，比如羚羊背斜，其裂缝就是由张性应力引起的。而在岩石没有明显变形的区域，裂缝的形成被认为与局部构造应力有关。2.4.4 裂缝分布特点巴肯页岩中的裂缝组系较简单，在埃尔克霍思兰奇油田，对水平井进行的生产和干扰测试发现渗透率各向异性为 4：1，主要的裂缝走向是东西向的（Breit 等，1992） 。人造裂缝走向一般与天然裂缝平行。就目前资料而言，天然裂缝在巴肯页岩西南部最为密集。这个地区的上部单元更容易产生裂缝，因为

30、这个单元岩性更脆、更易断裂（Leibman，1990） 。2.5 油藏特点巴肯组储层没有明显的边底水存在，目前投入生产的油藏主要受裂缝发育程度的控制。因此，对于巴肯组储层，只要储集性能好，就可以形成具有工业价值的油气聚集。据 Balcron 44-24 Varia 井的压力恢复中途测试（DST）资料可知，巴肯组略显超压，压力梯度为 0.53psi/ft（0.02kPa/m） 。井底温度平均为 115左右。采出的石油在 15.5条件下的比重为 42API（0.82g/cm3） ，气油比为 50104 ft3 / bbl（1.4104m3/bbl） ，在油田西部上倾方向上，气油比增加到 70801

31、04 ft3 / bbl（2.01042.2104 m3/bbl） 。该油田的驱动机理是溶解气驱。2.6 最新资源量评价2000 年以后，由于页岩内油气逐渐受到石油部门的重视，从巴肯组页岩获得的油气储量不断增加。2008 年，美国地质调查局对巴肯-Lodgepole 总含油气系统（TPS）重新进行资源评估。评估内容包括：（1）源岩分布、厚度、有机质丰度、有机质成熟度、石油生成和运移；16（2）储层岩石类型、分布和储集性能；（3）关于石油生成、运移、圈闭特性和地层年代，还考虑了勘探历史和生产分析以及详细的地层学和构造地质学框架。在 TPS 范围内定义了 7 个评价单元（图（图 2.112.11）

32、 。050英里埃尔姆古力比林斯鼻状构造评价单元威林斯顿盆地中部-杨穹隆价单元-白评西北排烃门限评价单元中段砂岩评价单元东部排烃门限评价单元奈 森 小 刀 构 造 评 价 单 元中段砂岩评价单元图图 2.112.11 美国地质调查局资源调查的美国地质调查局资源调查的 7 7 个单元分布图个单元分布图美国地质调查局估计，在威利斯顿盆地巴肯组总平均技术可采资源量(可采资源的 50)为 36.5108bbl（5.8108m3）石油，这个结果与 1995 年的预测结果比较，可采储量增长了 25 倍。其中埃尔姆古力比林斯鼻状构造评价单元 4.1108bbl（0.65108m3）待发现可采储量，盆地中部白杨

33、穹隆评价单元有 4.85108bbl（0.77108m3） ，奈森小刀构造评价单元有 9.09108bbl（1.45108m3） ，东部排烃门限评价单元有9.73108bbl（1.55108m3） ，西北排烃门限评价单元有 8.68108bbl（1.38108m3） ，传统的中段砂岩评价单元有 400104bbl（63.59104m3） （表 2-1） 。平均情况在一个高值（5%的概率，43108bbl（6.84108m3） ）和一个低值（95的概率，3O108bbl（4.77108m3） ）之间。新评估使得巴肯组成为由美国地质调查局评估的美国本土最大的远景石油聚集区，聚集了美国本土 48 个

34、州 485108bbl（77.11108m3）待发现可采储量的 7.5%。巴肯组油气储量还包括 1.851012ft3（523108m3）伴生气和溶解气以及 1.48108bbl（0.29108m3）天然气液。17表表 2-12-1 美国地质调查局对巴肯组待发现可采储量评估表美国地质调查局对巴肯组待发现可采储量评估表 总待发现资源油，106m3气，109m3天然气液，106m3总含油气系统和评价单元油田类型P=95%P=5%均值P=95%P=5%均值P=95%P=5%均值埃尔姆古力比林斯鼻状构造评价单元油59.571.565.23.349.405.891.274.612.70盆地中部白杨穹隆评

35、价单元油62.693.677.13.7911.416.971.595.563.18奈森小刀构造评价单元油130.0160.1144.57.3620.9013.053.0210.175.88东部排烃门限评价单元油137.4173.4154.77.782.4013.956.0410.816.20西北排烃门限评价单元油97.5187.9138.06.3421.3512.462.5410.175.56总连续资源482.7686.6579.528.7185.4652.3311.6141.3423.53中段砂岩评价单元油0.161.270.640.030.090.06000总常规资源0.161.270.6

36、40.030.090.06000总待发现资源487.128.7485.5552.3911.6141.3423.53183 巴肯组中段储层特征3.1 区域框架巴肯组局限于蒙太拿州东南、北达科他州西北、萨斯喀彻温省东南、曼尼托巴省西南的地下。在（加拿大）萨斯喀彻温省，它不整合地上覆于大峡谷和“三叉组”的 Torquay 组，依次被苏里谷床或者 Lodgepole 地层（Christopher,1961;LeFever 等，1991;Kasper,1995;Smith 等，1995）(图 2.1)超覆。往西，在阿尔伯塔省和不列颠哥伦比亚省，它（巴肯组）与 Exshaw 和Banff 组相关，继而在北

37、部被萨斯喀彻温省中西部的次-中生代的不整合截断（Smith 等,1995） 。图图 3.13.1 蒙太拿州、北达科他州、萨斯喀彻温省、曼尼托巴省、北达科他州上泥盆统、下密蒙太拿州、北达科他州、萨斯喀彻温省、曼尼托巴省、北达科他州上泥盆统、下密西西比统地层图，展示威利斯顿盆地内的巴肯组，西西比统地层图，展示威利斯顿盆地内的巴肯组，KasperKasper 修改（修改（19951995） 。巴肯组划分为三个段：上、下段为有机质富集的页岩段，中段是灰质至白云质和砂质至粉砂质岩石。这些层段出现在整个威利斯顿盆地的地下，在北达科州达到最大厚度，然后向盆地的北部、南部和东部边缘，沉积或者被侵蚀变薄至厚度为

38、零。在电缆测井中，因为下段和上段页岩（Meissner,1978;Webster,1982,1984）异常高的伽马射线读数（200API） 、而中19段（LeFever 等，1991）的硅质碎屑和碳酸盐电缆测井显示正常的特征，这个单元很容易被识别出来。中段被很多地球科学家非正式地细分。在本研究中，它被分为三个单元，A,B 和 C，而单元 A 和 B 又分别被细分为亚单元 A1，A2以及 B1,B2（图 3.2） 。在地质年代来说，巴肯组属于晚泥盆世-早石炭世。在牙形刺生物地层的基础上，Hayes(1985)和 Karma(1991)将下段分为法门期、将上段分为金德胡克期。在下段和上段页岩之间极

39、少发现牙形刺，因此难以识别晚泥盆世-早石炭世的边界，但模型假定边界在中段内。图图 3.23.2 巴肯组岩心录井（根据钻井岩心巴肯组岩心录井（根据钻井岩心 15-31-3-11W215-31-3-11W2） ，展示伽马射线和声波电缆测井以，展示伽马射线和声波电缆测井以及假设的巴肯古环境和层序地层模式。及假设的巴肯古环境和层序地层模式。LST=LST=低水位体系域；低水位体系域；TST=TST=海侵体系域；海侵体系域；HST=HST=高水位高水位体系域；体系域；FSST=FSST=水位下降期体系域。水位下降期体系域。3.2 巴肯组复杂的镶嵌型“沉积相”3.2.1 沉积相和相组合11 个沉积相，分为

40、两种沉积相组合（开阔海和半咸边缘海） ，这些沉积相在萨斯喀彻温省东南巴肯组的岩心中被识别出来。巴肯组的上段和下段由一个沉积相（沉积相 1）组成，其特征是大部分为非生物扰动的黑色页岩；而中段20则更具有非均质性并且包含一个大的沉积相复合体（沉积相 2-11） （表 3-1；图3.3,3.4）.表表 3-13-1 萨斯喀彻温省东南沉积相的沉积和遗迹特点萨斯喀彻温省东南沉积相的沉积和遗迹特点沉积相岩性沉积构造生物扰动遗迹化石沉积环境1黑色页岩，黄铁矿，局部偶见贝壳碎片块状。局部平行纹理和注入裂纹0；顶部局部为 1在 Exshaw 地层露头存在Chondrites isp.以及Thalassinoid

41、es isp陆棚2绿灰色穴斑粉砂岩，通常为钙质，有穿孔贝类和海百合块状。偶见离散层或者没有，但是观察到沙性或者粉砂性的层段。5-6Phycosiphon incertum,穴斑远滨下部3A浅灰色或绿灰色穴斑砂质粉砂岩至粉砂之极细颗粒砂岩，通常为钙质、黄铁矿质；局部有穿孔贝类残余和不连续页岩薄层块状。松散地层缺失或者及少见，但在一些层段，观察到含沙区域和含粉砂区域。含沙层段罕见丘状起伏和极薄平行纹理。5主要生迹单元：Phycosiphon incertum 和 Nereites missouriensis.次要的有：Asterosoma isp.,Techichnus rectus 以及 Pla

42、nolites montanus,罕见的有 Rosselia isp.远滨上部（低频率和强度的波浪）3B深灰色、高度生物扰动的粉砂岩和浅灰色极细颗粒的砂岩互层微小丘装起伏的交错层理和砂岩中极薄的平行纹理；在一些地方，丘状起伏层的顶部存在波痕。高度变化：粉砂岩中为6；砂岩中 0-1。粉砂岩中的主要成分：Phycosiphon incertum 和Nereites missouriensis.砂岩的主要成分：echichnus rectus，稀有成分：Siphonichnus eccaensis远滨上部（中等强度和频率的波浪）214浅灰色、块状、极细颗粒的砂岩和粉砂岩互层。沉积物一般为轻度或者中度

43、钙质。岩层界限扩散。局部有连续的页岩纹层存在。4-5主要成分：Nereites missouriensis 和 Planolites montanus；次要生迹单元：Phycosiphon incertum，Asterosoma isp.；稀有成分：Rosselia isp.远滨过渡5块状、浅灰色、极细颗粒砂岩（有泥质夹层，1mm）与细装纹理的极细颗粒砂岩互层块状，有波状纹理或者平行纹理的层段；局部平行纹理或者波状纹理。有连续的页岩纹层存在。高度变化：在块状层段为4-5；薄片层 0-1主要成分：Planolites montanus；次要成分：Nereites missouriensis，Ph

44、ycosiphon incertum，Asterosoma isp.临滨下部6淡灰褐色极细颗粒砂岩，分选性好，钙质，局部有鲕状岩和黄铁矿侵蚀基础上的高角度平面交错层理。一些层段为块状或者存在平行纹理、低角度交错层理。0障壁沙坝7浅灰色，极细颗粒砂岩，分选性好，有泥质盖层。泥波层状，有波痕和流水波痕；爬升波痕和泥岩盖层(厚度 1mm-8cm）也很常见0波控潮坪8A浅色至深灰色，浅褐色，局部为浅红色，一般黄铁矿质，某些地方轻微钙质，极细颗粒砂岩波状纹理；泥岩盖层；罕见微断层1-2Planolites montanus 和穴斑障壁沙坝和边缘湾228B浅色至深灰色极细颗粒砂岩，通常为页岩薄层；局部有泥

45、碎屑穴斑构造,不规律页岩纹层，一般为柔软变形结构，罕见微断层3-4主要成分：Planolites montanus；稀有成分：Nereites missouriensis，Teichichnus rectus远端湾8C浅色极细颗粒砂岩，有普通的页岩薄层通常有泥岩盖层（37 英里） 、厚度小于 11 米（36 英尺） ，宽厚比为 5454，这与地质记录所报告的深切谷尺寸不同。 另外一个与深切谷不一致的地方是关于充填的方向和分布。大部分的深切谷可以从远滨到陆上分为三个带：一个外带，主要受海洋水动力控制；一个相对低能量的中部地带，长期内因河流（中部盆地）而相对平衡；以及一个受河流控制的内部地带（弯头

46、三角洲） （Dalrymple 等，1992） 。但是，巴肯中段的半咸水-边缘海相的分布并没有显示这种三分带。被解释为中心盆地沉积的相地域性伸长，覆盖整个研究区域；最后，根本没有识别出河口沉积物。然而，本论文提倡的海湾模型可能与小型的古河谷（与海岸线垂直，形成于海平面下降时期）存在相一致。至今为止，没有找到相关证据证明这些古河谷存在。423.6.3 水位下降期临滨复合体与 Smith 和 Bustin(2000)相似，Kohlruss 和 Nickel(2009)认为巴肯中段是远滨到临滨环境。他们认为 A 单元反映了滨外海洋到浅海环境的变化，而 B 单元则代表 A 单元的近端等效，A 单元由临

47、滨沉积组成（图 3.3） 。Kohlruss 和 Nickel(2009)在巴肯组内识别出四个体系域：（1）一个底部海侵体系域（TST） ，包含下段的下部；一个高水位体系域，包括下段的上部分以及中段的 A 单元；一个高水位体系域，包括下段的上部和中段的 A 单元；一个水位下降期体系域和低水位体系域，包含 B 单元；一个上部海侵体系域，包含C 单元和上段。底部海侵体系域以非常慢的沉积速率在相对深的水中累积。因为海平面上升的速度减小，产生海岸线的（推进）进积，下段和 A 单元沉积在一个高水位系域内，该体系域在顶部被海蚀面所限制，而海蚀面标志着水位下降期体系域的开始。在这个模型中，下降期海平面的特征

48、是在古地理低地沉积物支路和沉积物累积。通过围绕在萨斯喀彻温省 Viewfield 地区边缘的 B 单元加积，Kohlruss 和 Nickel(2009)识别出了的低水位沉积物。根据这些作者，加积是临滨连续进积的结果，但是一种减小的速度加积，这样可以建立沉积物。在相对海平面上升时期，底部海侵壳滞留形成，C 单元与下伏沉积重叠并且覆盖了整个研究区域。上段页岩代表海进的最后阶段以及随之而来的相对海平面高水位期。 与 Smith 和 Bustin(2000)的意见相反，而与 Angulo 等人意见相一致的Kohlruss 和 Nickel（2009）所推荐的模型，认为下段和中段（A 单元）之间的界面

49、是渐变的、对应的层序，因为源于正常海退。同样地，新模型与 Angulo 等人(2008)的意见相一致，它认为 A 单元和 B 单元之间的接触面是明显、不整合的接触面。然而，主要的偏差是：关于 B1 单元解释为水位下降期临滨，B2 最底部解释为远滨沉积。该解释的主要问题是：生物扰动度低、遗迹化石分异度低以及贫化的 Cruziana 遗迹相，这些代表大部分 B 单元的特征，在开阔海条件下无法解释。象征临滨-远滨沉积的 Cruziana 遗迹相、Skolithos 遗迹相以及高生物扰动作用、高遗迹化石分异度，在 B 单元中得不到证实。此外，这些沉积显示丰富的脱水收缩裂隙和沉积构造，这就暗示潮汐影响（

50、例如泥质盖层和压扁条纹） ，而不是表示振荡流的沉积构造，如在一个波控远滨-临滨复合体中所期待的振荡流。然而，因为支路与下降的海平面相连，在本文中，我们认为在离研究区更远的地方（例如，东南方向） ，强制海退临滨沉积可能存在于更底部的位置。433.7 小结综合巴肯组的化石遗迹、沉积学数据不仅仅可以识别开阔海环境-如先前的一些解释，也可识别萨斯喀彻温省东南的半咸水边缘海环境。生物扰动度低，遗迹化石分异度低，以及贫化的 Cruziana 遗迹相，与沉积构造一起暗示潮汐影响（例如，压扁条理，泥质盖层） 、盐度变化（例如，脱水收缩裂隙）以及沉积相的空间分布，所有这些都为 B 单元沉积期间半咸水海湾的建立提

51、供证据。识别巴肯组边缘海沉积对于认识单元地质演化和层序地层结构有很大影响。不论是 Smith 还是 Bustin(2000)的低水位期远滨-临滨复合体（2000） ，还是Kohlruss 和 Nickel（2009）的水位下降期临滨复合体的说法，都不能解释 B 单元的半咸水环境。尽管如此，虽然 Angulo 等人（2008 建议的远滨-临滨复合体和下切河口模式可以解释遗迹特征以及 B 单元的一些沉积学特点，但是边缘海沉积的分布、几何形态与湾口沉积互相矛盾。因此，为了协调所有可用证据，此处建议采用海湾模式。 根据巴肯组沉积相的岩石物理性质，相 6,7,4 以及亚相 SC 有最好的储集岩质量，最高

52、孔隙度（8.6-12%）和渗透率（0.09-0.29md）.虽然参数不同，例如岩性学，成岩作用和生物扰动，这些都是控制储集岩质量的关键因素，但是潜力储集岩中沉积相空间分布的重要性也不容忽略。作为有最好质量的储集岩（组合 3）之一，相 4 是唯一沉积在开阔海生物区系内的相，并有着广泛分布的特点，而且是相对厚的层段。因此，在萨斯喀彻温省东南，沉积相 4 似乎拥有最好的储层潜力，而沉积相 6 和 7 以及亚相 8C 局部构成好的目标层。444 尼尔布拉勒含油气系统 4.1 区域地质背景美国怀俄明州西南部（SWWP）(5037) 是一个沉积构造盆地，形成于拉拉米造山期（晚白垩世到始新世） 。美国怀俄明

53、州西南部大约 23000 平方英里，几乎占据怀俄明州西南部的大部分，科罗拉多西北部的一部分和犹他州东北部的一小部分地区（fig.1） 。在构造上怀俄明州逆冲断层带是盆地的西界，北部以风河及花岗岩山脉隆起为界，东部以罗林斯维、马德雷和帕克山脉为界，南部以尤因塔山脉和轴向盆地隆起为界。尼尔布拉勒整体含油气系统(TPS) (503703)初始产油主要产自大格林河盆地的东部，上白垩统尼尔布拉勒组或相应岩层中的裂缝、含钙质页岩、泥灰岩。 （GRRB）45图图 4.14.1：怀俄明州西南部、犹他州东北部和科罗拉多州西北部构造轮廓、盆地内隆起和次：怀俄明州西南部、犹他州东北部和科罗拉多州西北部构造轮廓、盆地

54、内隆起和次盆地的示意图。构造等高线以佛得角台地组顶部为中心。等高层盆地的示意图。构造等高线以佛得角台地组顶部为中心。等高层=1,000=1,000 英尺。英尺。 Wind River Mountains 温德河山脉 Granite Mountains 花岗岩山脉Rawlins uplift 罗林斯隆起Sierra Madre 马德雷山脉Park Range 帕克山脉Axial Basin uplift 轴向盆地隆起Wyoming thrust belt 怀俄明州逆冲断层带Uinta 尤因塔Fremont 菲蒙市 Natrona 纳特罗那 Rio Blanco 奥利布兰科 Moffat 莫菲特J

55、ackson 杰克逊市 Hoback Basin 荷巴克盆地Pinedate anticline pinedate 背斜La Barge platform 拉巴奇平台Sandy Bend arch 桑迪 bend 背斜Great Divide Basin 大峡谷盆地Wamsutter arch 万苏特背斜Washakie Basin 瓦沙基盆地Sand Wash Basin 冲砂盆地Cherokee ridge 切诺基山脊Moxa arch MOXa 背斜Green River Basin 格林河盆地Outcrop of Mesaverde Group 梅萨维德组露头Southwestern

56、Wyoming Province 怀俄明西南部4.2 构造背景SWWP 的西缘是由怀俄明逆冲断层带形成（图.4.1）, 塞维尔造山带东部46的突出部分开始形成于侏罗纪末期或白垩纪早期，结束于始新世（阿姆斯特朗和奥利尔，1965） 。西部边界地区的主要特点是边缘重叠成瓦状，略微西倾，向东滑脱构造冲断层（薄皮构造） ，仅仅包括沉积岩、北向褶皱（罗伊斯和其他地区，1975） 。塞维尔造山带东部发育了宽阔的不对称前陆盆地发育以响应构造和沉积物的充填（约旦，1981） ，在白垩世大部分时期内，前陆盆地部分地区被西部内海道完全淹没（图 4.2） 。海道形成响应了下沉前陆盆地的出现以及海平面周期性升降过程。

57、白垩世结束前（麦斯里希特阶）正当赛尔维造山带的隆起经过侵蚀后的沉积物逐步将前陆盆地充填时，海道的西海岸线开始向东退缩（图4.2） 。白垩世末期的标志是拉拉米造山带，这一时期前陆盆地地壳的不稳定性和挤压构造一直持续到始新世。拉拉米造山运动期间，前陆盆地断裂成了许多小盆地，这些小盆地的边缘多是以基底为核心的上升隆起。这类小盆地，诸如大格林河盆地，之所以能够迅速沉积并成为沉积中心是依靠较厚的湖泊和大陆沉积物的堆积。SWWP 现今的构造形态， 大部分是由于拉拉米造山运动的挤压变形造成，其特点是以基底参与逆冲断层（厚皮构造） 、逆断层、扭断层以及褶曲幅度大的断裂背斜和向斜。盆地东部、南部、东部边缘由前寒

58、武纪以基底为核心的隆起构成，沉积盆地沿着陡角基底参与逆冲断层（厚皮构造）的许多地段已经被覆盖（瑞德，1988） 。现今存在于 SWWP 中的几个盆地内隆起，分别是 Moxa 背斜、拉巴奇地台、桑迪 bend 背斜、石泉隆起、万苏特背斜和切诺基山脊（fig.1） 。其中几个将 SWWP 分成了结构地形更小的次盆地。大多数隆起是呈南北向分布，从石泉隆起，一个两端倾伏的不规则背斜将 SWWP 几乎平均分成了两半。石泉隆起西部，西北东南向的桑迪 bend 背斜从拉巴奇地台延伸至石泉隆起的西翼，将格林河盆地（或称布拉杰盆地）南部与荷巴克盆地北部分隔开。石泉隆起东部，东西向的万苏特背斜从石泉隆起的东翼向罗

59、林斯隆起南部延伸，将位于 SWWP 东北角的大峡谷盆地与瓦沙基盆地分割开。切诺基山脊大致与科罗拉多-怀俄明州州界平行，将瓦沙基盆地北部与冲砂盆地南部分隔开。4.2.1 沉积背景晚白垩世期间，一个较宽的陆源海道，西部内陆海道，从北冰洋延伸至墨西哥湾。这个海道（图 4.2）淹没了一个不对称前陆盆地，该盆地西部与塞维尔造山运动形成的高原构造带相邻，此高原构造带为流向东面的小溪提供沉积物。东海岸处于稳定的克拉通地台上，克拉通地台提供少量沉积物(Molenaar and Rice, 1988; Williams and Stelck, 1975)。晚白垩世大部时期内，海进和海退穿过前陆盆地西部，导致海相

60、和陆相沉积复杂交错。陆相沉积以砂岩、砂泥岩、泥47岩和煤混合的碎屑岩楔为代表，向东逐渐变薄。海相沉积以海相页岩和粉砂岩为代表，向西以舌形变薄（图 3） 。海道的东部和中心饥饿沉积地区，碎屑输入量低，有利于碳酸盐岩沉积。在 SWWP 东部和东南部，碳酸盐富集的沉积物以尼尔布拉勒组和曼克斯和斯蒂勒泥岩下段的相应岩石为代表。4.2.2 尼尔布拉勒组西部内陆海道的海平面和地壳沉降时期，尼尔布拉勒组和横向对应层位岩石被沉积下来，导致一次大海侵，其条件有利于碳酸盐岩沉积。海道东部地区碎屑输入较少，东科罗拉多丹佛盆地的尼尔布拉勒组主要岩性为白垩纪石灰岩。(Pollastro and Scholle, 198