1美国巴肯组和尼尔布拉勒组页岩油气系统调研0 0 前言前言 .10.10.1 项目来源项目来源 .10.20.2 调研任务调研任务 11 1 巴肯组页岩油气勘探开发历程巴肯组页岩油气勘探开发历程21.11.1 勘探历程勘探历程 21.21.2 开发历程开发历程 31.2.1 第一阶段（1953 年到 1987 年）.31.2.2 第二阶段（1988 年到 1999 年）.41.2.3.第三阶段（2000 年以后）62 2 巴肯组页岩油气地质特征巴肯组页岩油气地质特征.72.12.1 构造特征构造特征 72.22.2 地层特征地层特征 82.2.1 岩性特征82.2.2 沉积环境102.2.3 详细地层划分112.32.3 烃类的生成和运移烃类的生成和运移 132.42.4 储层特征储层特征 142.4.1 储层厚度及物性特征142.4.2 裂缝发育特点142.4.3 裂缝成因分析152.4.4 裂缝分布特点152.52.5 油藏特点油藏特点 162.62.6 最新资源量评价最新资源量评价 163 3 巴肯组中段储层特征巴肯组中段储层特征193.13.1 区域框架区域框架 193.23.2 巴肯组复杂的镶嵌型巴肯组复杂的镶嵌型“沉积相沉积相” 203.2.1 沉积相和相组合2023.2.2 基底开阔海亚段253.2.3 中部半咸水边缘海亚段273.2.4 上开阔海亚段303.33.3 沉积相分布沉积相分布 .323.43.4 地层层序地层层序 .333.4.1 底部海侵体系域333.4.2 高水位体系域333.4.3 上部海侵体系域343.53.5 沉积相的岩石物性特征描述沉积相的岩石物性特征描述 363.63.6 巴肯组中段古环境和层序地层学模型巴肯组中段古环境和层序地层学模型 .393.6.1 高水位期远滨-临滨复合体393.6.2 正常海退远滨-临滨组合和深切湾口413.6.3 水位下降期临滨复合体423.73.7 小结小结 434 4 尼尔布拉勒含油气系统尼尔布拉勒含油气系统 454.14.1 区域地质背景区域地质背景 454.24.2 构造背景构造背景 464.2.1 沉积背景474.2.2 尼尔布拉勒组484.34.3 尼尔布拉勒整体油气系统尼尔布拉勒整体油气系统 554.3.1 烃源岩564.3.2 储集岩564.3.3 盖层.574.3.4 圈闭.584.3.5 热成熟度.604.3.6 油气生成614.3.7 油气运移总结634.3.8 事件图.634.44.4 尼尔布拉勒整体油气系统的评估单元尼尔布拉勒整体油气系统的评估单元 664.4.1 尼尔布拉勒连续油评估单元.664.4.2 尼尔布拉勒连续气评估单元684.54.5 未开发储层的评估结果未开发储层的评估结果 704.5.1 尼尔布拉勒连续油评估单元704.5.2 尼尔布拉勒连续气评估单元7135 5 巴肯组页岩油气开发特征巴肯组页岩油气开发特征.735 51 1 井生产趋势井生产趋势 74511 生产趋势的类型75512 在几种生产趋势下的储层特性.775 52 2 石油地质储量估算和基质供油面积（平方英尺）石油地质储量估算和基质供油面积（平方英尺） 8253 小结小结 876 6 页岩油气藏开发技术页岩油气藏开发技术896.16.1 水平井开发技术水平井开发技术 896.1.1 水平井布井原则及井网896.1.2 水平井造斜方式906.1.3 水平井完井方式916.26.2 压裂技术压裂技术 926.2.1 选择性裸眼井多级压裂技术936.2.2 低粘度压裂液技术956.2.3 纤维网络加砂压裂技术977 7 美国威利斯顿盆地页岩油气开发实例分析美国威利斯顿盆地页岩油气开发实例分析 987.17.1 蒙大拿州埃尔姆古力油田开发实例蒙大拿州埃尔姆古力油田开发实例 987.27.2 北达科他州帕歇尔油田开发实例北达科他州帕歇尔油田开发实例 1007.3 水平井重复压裂技术在巴肯组油田的成功应用水平井重复压裂技术在巴肯组油田的成功应用 .1027.3.1 春天湖/榆树古力区块概况1027.3.2 选井方法1037.3.3 重复压裂施工过程1047.3.4 施工效果1047.3.5 重复压裂效果.1097.3.6 重复压裂应用结果小结.1108 8 结论与建议结论与建议.11241 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（0.58108m3）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。51987 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；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） 。6截止 1987 年，在美国境内，巴肯页岩共有开发井 194 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，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）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）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7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（