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1、威利斯顿盆地埃尔姆古力大油田(yutin)石油地质研究 Stephen A.Sonnenberg 和 Aris Pramudito 摘要(zhiyo):威利斯顿盆地(pnd)埃尔姆古力(Elm Coulee)油田发现(fxin)于 2000年，是巴肯组中段(泥盆系-密西西比系)的一个大型油田，其石油最终可采储量估计在两亿桶以上。2000年开始在这个油田钻水平井，到目前为止油井总数已达 600多口。油田区域内巴肯组的总厚度介于 3.1到 15.3m之间，可划分为三段：(1)上页岩段；(2)中粉沙质白云岩段；和(3)下粉砂岩段。上页岩段呈黑灰色到黑色，质地坚硬，以硅质为主，略含钙质，含黄铁矿，呈页
2、状。页岩的组成包括暗色干酪根、少量粘土、粉沙级石英及一些方解石和白云石。干酪根以无定型为主，而且整个页岩段内有机质均匀分布(而不是呈层状或透镜状集中分布)。上页岩段的厚度为 1.83.1m。中段为粉砂质白云岩，厚度为3.112.2m。下段为棕灰色富含有机质的泥质粉砂岩，常见掘穴动物和腕足动物化石碎片。它相当于这个油田以北地区巴肯组下段的黑色页岩相，被解释为较深水黑色页岩相在向陆上倾方向上的同位地层。下段的厚度为 0.611.8m。根据化石的丰富程度和掘穴的数量来判断，巴肯组各段的沉积环境分别为含氧环境(中段，掘穴常见，但化石少见)、低氧环境(下段，化石常见，但掘穴数量较少)和缺氧环境(上段，化
3、石和掘穴都少见)。埃尔姆古力油田的储层主要分布在巴肯组中段，其基质孔隙度和渗透率都比较低，埋藏深度为 25933203m。目前探明的含油面积大约为 1165km2。巴肯组中段的孔隙度介于 3%到 9%之间，渗透率平均为 0.04md。总体上，巴肯组中段的储层物性向上随着粘土基质含量减少而变好。地下成像和白云岩岩相分析结果显示，巴肯组中段为白云岩化的碳酸盐滩相沉积。基质渗透率在区内石油开采中发挥着主要作用。在岩心中偶见垂直裂缝和水平裂缝。成藏层带的纵向厚度为 2.44.3m。巴肯组略微超压，压力梯度为0.53psi/ft(0.02kPa/m)。水平井的井距为 6401280英亩(259518.4
4、 公顷)，水平井的类型有单分支井、双分支井和三分支井。水平井段通过加砂压裂、凝胶基液压裂或水基液压裂进行增 产 处理。初产量为 2001900 桶/日。该油田的巴肯组上段可能对石油产量也有一定的贡献，但具体大小并不清楚，估计在总产量的 20%以下。埃尔姆古力油田的情况说明，威利斯顿盆地巴肯组油气系统的勘探潜力(qinl)十分巨大。1 引言 密西西比系泥盆系巴肯油气系统具有以下特点：储层低孔低渗、烃源岩富含有机质和区域油气充注。目前非常规成藏层带是，很多油气公司勘探开发的重点。前人(qinrn)的研究认为巴肯组烃源岩的潜力巨大，这个油气系统的生油量估计在 1004000亿桶(Dow，1974，W
5、illiams，1974，Meissner，1978；Schmoker 和 Hester，1983；Price等，1984；Webster，1984；Meissner和 Banks，2000；Pitman 等，2001；Flannery和 Kraus，2006；LeFever 和Helms，2006)美国(mi u)地质调查局(USGS)(2008)评价认为，巴肯组的技术可采油(ci yu)气资源量中值分别为石油 36.5亿桶(5.8亿方)、伴生气和溶解气 1.85万亿立方英尺(518 亿立方米)、天然气液 1.48亿桶(0.235亿方)。图 l 显示了威利斯顿盆地密西西比系的底面构造图。这个
6、盆地呈半网形，内森(Nesson)、比灵斯(Billings)和锡达克里克(Cedar Creek)背斜的构造特征比较明显。1950年代第一个石油发现就是在内森背斜中获得的。1951年，内森背斜的志留系因特莱克(Interlake)组油藏首先投入开发，随后密西西比系麦迪逊群(该盆地主要的产油层)也投入开发。有证据表明，这些构造很多都具有古老的成因，而且对古生界的沉积样式有影响(Gerhard等，1990)。巴肯油气系统由巴肯组、洛奇波尔(Lodgepole)组下段和斯里福克斯(Three Forks)组上段组成(图 2)。在威利斯顿盆地大部分地区，巴肯组都由三段组成：(1)上页岩段；(2)中段
7、粉沙质自云岩或白云质粉砂岩和砂岩；和(3)下页岩段(LeFever，2008)。巴肯油气系统的烃源岩为富含有机质的巴肯组上段和下段，其储集层有巴肯组的三个段、洛奇波尔组下段和斯里福克斯组上段。研究认为，巴肯油气系统在威利斯顿盆地的较深部位形成了连续性油气聚集(Nordeng，2009)。连续性油气聚集是指具有以下部分或者全部特征的油气聚集：大面积弥漫性油气充注；没有明确的油水或气水界面；扩散边界通常超压原始油气地质储量很大但采收率很低；几乎不产水；存在受控于地质条件的“甜点”；储层通常距离成熟烃源岩非常近；储层的基质渗透率非常低；油藏上倾方向存在含水层巴肯油气系统具备以上所讲的所有特征。巴肯油
8、气系统中很多储层的渗透率都很低。产油区或甜点是储层渗透率比较高的局部区域，其渗透率的改善(gishn)是天然裂缝发育或基质渗透率发育或者两者共同作用的结果。埃尔姆古力油田(yutin)发现于 2000年，其发现井是在巴肯组中段完井的一口(yku)水平井该油田位于蒙大拿州东北部威利斯顿盆地的西部(图 1)。在 2000年钻水平探井(tnjng)之前，区内有几口零星的垂直生产井(具有边际经济效益或无经济效益)从巴肯组采油(这些油井的主要目的层是较深部储层，而巴肯组只是它们的次要目的层)。2000年开始在这个油田钻水平井，到目前为止水平井数已达到了 600多口。这个油田的最终可采储量估计在 2 亿桶
9、(3180亿方)以上水平钻井技术和水平井段的压裂增产处理技术是开发低渗油藏的关键技术。深入研究局部圈闭机理和油藏性质可能有助于巴肯油气系统其他产油区的勘探。文中总结了威利斯顿盆地巴肯组的区域石油地质特征，并介绍了埃尔姆古力油田和蒙大拿州东北部地区的最新研究成果埃尔姆古力油田的最新研究成果包括巴肯组烃源岩成熟度、储层描述、储层性质以及圈闭机理等。图 1 威利斯顿盆地(pnd)的位置图及密西西比系底面构造等高线图 图 2 巴肯组及相邻(xin ln)地层的柱状剖面图 2 巴肯组区域石油(shyu)地质特征 威利斯顿盆地是一个(y)大型克拉通内沉积盆地，跨北达科他州、蒙大拿州、南达科他州、萨斯喀彻温
10、省和曼尼托巴省(图 1)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(ynhu)成为一个克拉通内盆地(Gerhard等，1990)(图 3)。在显生宙的大部分时间都有沉积作用，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几种沉积类型。古生界地层主要由旋回性碳酸盐岩组成；而中生界和新生界地层 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拉张盆地，位于赤道附近的热带区域(图 3)。威利斯顿盆地巴肯组总体上可以划分为三个段：上段和
11、下段为富含有机质的页岩，中段为粉沙质白云岩或石灰岩和砂岩(LeFever等，1991；LeFever，2006)(图 2、4、5)。巴肯组的厚度变化很大，薄的只有楔体尖缘那么厚，而厚的可达 42.7m 以上(图 4)，最大厚度出现在内森背斜以东北达科他州西北部地区。向威利斯顿盆地的边缘方向，巴肯组的三个地层段逐渐减薄并会聚，上超到下伏的斯里福克斯组之上(图 5)。在盆地的中部，巴肯组与斯里福克斯组可能呈整合接触，而在盆地的边缘两者呈不整合接触。洛奇波尔组整合上覆在巴肯组之上。巴肯组的三个地层段有可能代表了两个海退一海进旋回(Meissner等，1984)。在斯里福克斯组沉积之后，威利斯顿盆地边
12、缘一带发生了重大的隆升和剥蚀作用(Webster，1984)。随后相对海平面上升并出现了低能海进，沉积了巴肯组下页岩段。之后又一次的海退导致了巴肯组中段的沉积，随后又发生了一次海进，沉积了巴肯组上页岩段。图 3 晚泥盆世(360Ma)北美古地貌(dmo)和黑色页岩沉积的分布图 巴肯组的上段和下页岩(y yn)段都是潜在的烃源岩，而在盆地的大部分地 区两者的岩性都接近(Dow，1974；Webster，1984)。这些(zhxi)页岩是向巴肯组、斯里福克斯组、洛奇波尔组和米申峡谷组供烃的潜在烃源岩(Meissner等，1984)。这些(zhxi)页岩呈黑灰色到黑色质地坚硬，以硅质为主，略显钙质，
13、含黄铁矿，块状到页状，常沿水平裂缝裂开或含贝壳状裂缝(conchoidal fracture)。它们含牙形石、介形类、小型头足类、小型腕足类和塔斯马尼亚孢属(藻类)等动物化石(Webster，1984)。上页岩段和下页岩段的岩性也有一定的差别，下页岩段局部可见灰岩层和绿灰色页岩层，而上段没有这种现象(Pitman等，2001)。次生黄铁矿散布在整个页岩段中，或者以独立的薄纹层和透镜体的形式出现。页岩含有黑色有机质、粘土、粉沙级石英以及部分方解石和白云石。在盆地的较深部位，页岩富含干酪根，而且有机质分布均匀。巴肯组的干酪根属于腐泥型无定形干酪根，其组成为7095%的无定形物质、020%的草质、最
14、高可达 30%的媒质(次生沉积碎屑惰性体)和 5%的木质(Webster，1984)。Webster(1984)认为这些无定形物质源于藻类物质，因为裂解实验表明它们的生烃能力很强(在浅部500mgHC/g有机OC)。根据他的估算，巴肯页岩的总有机碳含量(TOC)平均为 11.3%。Schmoker和Hester(1983)推导出了利用体积密度测井资料计算 TOC 的方程。解释认为，上页岩段和下页岩段都是在海平面上升期间在缺氧或含氧量有限的海洋环境中沉积的(Price等，1984；Webster，1984；LeFever等，1991；Pitman 等，2001)。缺氧条件可能是由层状水文动态造成
15、的(Webster，1984；Smith 和Bustin，1996，2000)。层状水柱存在一个上含水层，这个水层含氧量充足而且营养物质丰富，有机质产量很高(可能是浮游藻类)。这些生物死亡后向下沉降穿过停滞的底部水体，并沉积下来。由于底部水体的循环受限，再加上生物分解这些有机物质时要消耗氧气并释放出硫化氢气体，因而形成了缺氧环境(Meissner等，1984；Webster，1984)。底栖动物群和掘穴生物的缺乏以及高TOC 含量都指示沉积环境缺氧。巴肯组可能是晚 Famennian期到 Kinderhookia期整个大陆范围的一次缺氧事件的产物(Meissner等，1984)。巴肯组可能与西
16、科迪勒拉和南克拉通边缘地槽的伍德福德珀查莱瑟姆萨平顿埃克斯肖卡顿伍德峡谷组烃源岩以及阿巴拉契亚地槽的安特里姆森伯里新奥尔巴尼查塔努加组同位烃源岩具有可比性(Meissner等，1984)(图 3)。图 4 威利斯顿盆地美国(mi u)部分巴肯组的等厚度图 图 5 威利斯顿盆地(pnd)的横剖面示意图 在整个威利斯顿盆地内，巴肯组烃源岩都还没有达到热成熟(chngsh)。该盆地东部的页岩未成熟，在测井图上表现为低阻特征(即水湿(shu sh)，而在盆地的西部，这些页岩表现出高阻特征，被认为是油湿(Meissner，1978)。最近 Nordeng(2008)以及 Nordeng和 LeFever
17、(2008)采用时间温度指数(TTI)法模拟了有机质的成熟度。模拟结果显示，有机物质大约在 100Ma 进入成熟期。Carlisle(1991)认为生烃始于早白垩世。Webster(1984)采用 TTI图研究认为，生油始于75Ma左右(晚白垩世)。巴肯组黑色页岩所生成的石油大都排人了巴肯组中段(Pitman等，2001)。Price和 LeFever(1994)也用证据说明，巴肯组烃源岩所生石油大都保留在巴肯组内，并没有运移进入上覆的麦迪逊群。早期的研究认为，巴肯油气系统内巴肯页岩向整个麦迪逊群储层供烃(Dow，1974；Williams，1974；Meissner，1978)。巴肯组中段的
18、沉积环境为海平面快速下降(xijing)之后形成的浅水，这次海平面下降引发了一次海退事件(Meissner等，1984；Smith 和 Bustin，1996)。在盆地的中部，巴肯组中段的组成(z chn)为富含化石且含黄铁矿的绿灰色泥质粉砂岩，这说明其沉积环境为适度含氧但偶尔贫氧。中段的上部为砂质交错层，说明波浪作用很强(LeFever 等，1991)。巴肯组中段的矿物学特征(tzhng)在盆地中有变化，其矿物组成包括 30%60%的硅质碎屑物质(wzh)(石英和长石)，30%80%的碳酸盐(方解石和白云石)以及少量的基质(伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石)(LeFever，2007)。巴肯组
19、中段的碎屑物质源自北面和西北面(Webster，1984)。裂缝改善了致密巴肯储层的储集性能(Murray，1089；Meissner，1978；Pitman等，2001)。研究认为巴肯组存在 3 种类型的裂缝：(1)与构造有关的构造裂缝；(2)与应力有关的区域裂缝；(3)与生烃引起的超压有关的排驱裂缝(Druyff，1991)。Murray(1968)认为，安蒂洛普油田(图 5)的裂缝性油藏是安蒂洛普构造强烈褶皱作用的结果。巴肯组因生烃作用而区域超压，而超压作用引发了水力裂缝(Meissner，1978；Pitman 等，2001；Nordeng和 LeFever，2008)。已有报告称，巴
20、肯页岩中富含粘土和有机质的层段发育水平排驱裂缝(Carlisle 等，1992，Pitman 等，2001)。烃源岩的成熟过程和生油作用也引起巴肯页岩的体积发生巨大的变化和声波速度的大幅下降，而这种声波速度的变化可以通过声波测井加以识别(Meissner，1978；Carlisle，1991)。引起巴肯组厚度变化的因素有多种，包括沉积速率的变化、基底断层作用或泥盆纪普雷里组蒸发岩溶蚀作用产生的古构造以及盆地边缘的上超地层等。诸如内森背斜的构造特征极大地影响了巴肯组的沉积样式，而且还影响了油气的运移。威利斯顿盆地巴肯组的最大厚度出现在内森背斜以东的邻近区域(图 4)。在这个区域，巴肯组三个地层段
21、的厚度都比较大。泥盆系普雷里组蒸发岩出现在巴肯组以下大约 244-335m的地方，经历了区域或局部溶蚀作用(Parker，1967；Rogers 和 Mattox，1985；Gerhard等，1990；Martiniuk，1991；LeFever，2005)。溶蚀形态有的大致呈线性前缘状，而有的则表现为孤立的半圆形。在古生代和中生代，泥盆系普雷里组蒸发岩曾发生过多期溶解作用(Parker，1967；Rogers 和 Mattox，1985)。盐溶蚀模式包括：(1)沉积相控制作用(溶蚀性流体穿过盐层附近的渗透性地层流动)；(2)周围沉积物的压实和脱水作用(提供盐溶解所需的流体)；(3)地表水从露
22、头充注进入地层(向盆流动的流体溶解盐)；(4)与前寒武纪基底构造有关的小规模构造运动的直接或间接产物(例如断层为流体提供流动通道(Martiniuk，1991；LeFever，2005)。普雷里组的溶蚀作用发生在巴肯期，并影响了巴肯组的沉积(Rogers和 Mattonx，1985；Martiniuk，1991；Sperr，1991)。3 威利斯顿盆地(pnd)巴肯油气系统的勘探历史 自 1950年代(nindi)以来，威利斯顿盆地巴肯组已开展了多轮勘探和开发(表 1)。1953年在北达科他州获得了第一个油气发现，即安蒂洛普油田(yutin)，这个油田的开发一直持续到 1960年代(nindi
23、)。以巴肯组及斯里福克斯组上段(被称作 Sanish段)为钻探目标，在一个紧密褶皱构造上部署了 63口井。巴肯组及斯里福克斯组上段是安蒂洛普油田的低渗裂缝性储层，这些裂缝的形成与紧密褶皱作用有关(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 209桶/日。安蒂洛普油田已累积产油 1940万桶，产气 327亿立方英尺(9 亿立方米)。在获得安蒂洛普油气发现之后，勘探工作仍在继续，但进展比较缓慢安蒂洛普油田巴肯组的三个地层段和上覆的斯里福克斯组都进行过射孔作业，获得的油气产量证实这些地层都是油气储层。表 1 威利斯顿盆地巴肯组油气勘探历史 1961
24、年，壳牌集团获得 了巴肯油气系统的第二个重大油气发现，即埃尔克霍恩兰奇油田。在比较深的主要(zhyo)目的层红河段(奥陶系)的钻探失利之后，在次要(cyo)目的层巴肯组上页岩段中进行了完井作业。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年才在巴肯油气(yuq)系统中钻了第二口探井。从此以后这个地区就被称为巴肯成藏有利区(Fairway)，在这里所钻的井都以巴肯组上页岩段及其他的古生界地层(包括较深部和较浅部的地层)为 目的层。这个成藏有利(yul)区沿比灵斯诺斯地区巴肯沉积盆地的西南缘展
25、布(图 1)。这些井都进行过油基压裂液加砂压裂增产处理。1987 年开始在成藏有利区的巴肯组上页岩段钻水平井(LeFever，2006)。第一水平井是由 Meridian 公司钻的 33-11MO 井(Sec.11，T143N，R102W，埃尔克霍恩兰奇油田)，这口井在巴肯组地层中的水平井段长 794m，日产油 258桶，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。这个成藏层带的勘探开发一直持续到了 1990年代在这里经营的油气公司多达 20多家。1990年代石油价格大幅下降，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，
26、致使这一轮水平井开发结束。这个成藏有利区的开发井出现了好坏并存的复杂局面，而高产井的经济效益往往被低产井抵消。此外，有报告称部分井出现了压力衰竭和井问连通的情况。由于这里的生产井良莠不齐，再加上油价比较低，巴肯组再一次由首要勘探目标变为此要勘探目标。这种局面随着埃尔姆古力油田巴肯组中段大量油气储量的发现而改观。巴肯组中段油气藏的发现和开发引发了新一轮勘探开发热潮，而这一轮勘探开发热潮最强劲并一直持续至今。4 埃尔姆古力油田 4.1 油田历史 2000年在蒙大拿州里奇兰县开展的水平井钻探发现了埃尔姆古力油田。比灵斯一家独立石油公司的Dick Findley发现了这个成藏层带，并在以较深部Nisk
27、u组为目标展开钻探时注意到了巴肯组中段的气测井显示。发现巴肯组油气潜力的关键井是 Kelly/Prospector 2-33 Albin FIB(Sec.33，T24N，R57E，里奇兰县)。这口井原本设计测试 Nisku 组，但没有获得任何发现，所以就转而测试较浅的次要钻探目标巴肯组。根据气测井显示，2-33 井只打开了巴肯组中段(而正常情况下上页岩段一般也要进行射孔作业)。采用水基加砂压裂液对这口井进行了增产处理，配制压裂液采用了 303328L水和 68917kg 砂。巴肯组中段从 1996年 3 开始出油，前 20天的产量为 157桶/日，在后续的 3个月内产量仍保持在 80 桶/日。
28、这口井的钻探结果非常鼓舞人心，人们确信在这个已有 100多口井的地区存在一个曾被忽视的大型油田。对一个 6.4-8km宽、48km长的区域进行了成图，观察到了高阻地层中孔隙度比较发育的现象。Findley最初把这个远景区称作“沉睡的大油田”，因为有很多井已经钻穿了这个成藏层带，但都没有发现它。为了认识这个成藏层带，1990年代后期开展了多次再入钻和重新完井(在开发这个成藏层带之时油价为 8 美元/桶)。2000年开始在巴肯组中段钻水平井，发现了埃尔姆古力油田，并从此把这个油田投入了连续开发。每口水平井都要采用水基加砂压裂液进行增产处理，它们的初产量都在 2001200桶/日之间，单井最终开采量
29、估计为 3075万桶。这个油田的最终石油开采量估计在 2亿桶以上(Walker等，2006)。到 2008 年底，埃尔姆古力油田已经累计产油 7840万桶，产气 15108m3。水平钻井和压裂增产处理新技术在这个油田的开发中发挥了重要的作用。受埃尔姆古力油田发现和开发(kif)的鼓舞，石油公司把北达科他的巴肯组中段也列为钻探目标。而在艾尔姆古力油田(yutin)发现之前，大多数石油公司都只把巴肯组上页岩段作为钻探目标。目前人们正在把这个成藏层带向北达科他州扩展，并且已经获得了多个新发现，其中就包括趴歇尔油田（图1、5）。北达科他州的这些新发现揭示了一个非常巨大的非常规成藏层带。石油价格也会对这
30、一轮勘探开发热潮产生一定的影响。虽然威利斯顿盆地被认为是一个勘探程度非常高的盆地，但仍不断(bdun)有大型油田发现。巴肯油气系统的勘探方法有多种（Rogers 和 Mattox，1985；Sperry，1991），包括在沉积盆地边缘一带展开勘探（这里更易于发生破裂作用而且裂缝的间距随着地层厚度的减小而较小）、勘探挠曲构造和线性构造、寻找普雷里溶蚀区域（这里破裂作用可能更强烈）、寻找地热异常（大量生烃会加剧破裂作用）、寻找优质储层（即巴肯组中段）、寻找由测井识别出的破裂带。Hansen和 Long（1991）曾对测井图上的裂缝特征进行(jnxng)过描述。巴肯组的微球形聚焦测井曲线和双侧向测井
31、曲线相差很大，这说明存在侵入效应，而且要么存在基质渗透率要么存在裂缝渗透率。在井筒中采用中的盐基泥浆控制巴肯组的异常压力或防止几个浅层盐层（例如查尔斯组盐层）发生盐溶解时，会出现这种侵入效应。4.2 构造(guzo)埃尔姆古力油田巴肯组的顶面构造(guzo)呈现向盆地较深部东倾的特征（图 6）。波普勒穹隆是一个背斜构造(guzo)，位于埃尔姆古力油田的西北部。在构造图上可以看到很多隐蔽的鼻状构造。这些构造可能与基底断层系统和/普雷里蒸发(zhngf)岩溶蚀作用有关（Parker，1967；Rogers和Mattox，1985）。它们一般都延伸到了基底，因而都是勘探目标。这些鼻状构造和紧密褶皱可
32、能也有助于埃尔姆古力油田巴肯组发生破裂作用。这个油田的油柱高度大约为 610m。这个油田东半部的构造走向为北西向到中部转变为南北向，而在西部为北东向。成图区域的构造走向和倾向的变化，可能是多种因素共同作用的结果，包括基底构造和断层、普雷里蒸发岩的溶解以及巴肯组之下古生界地层厚度的变化等。4.3 地层 埃尔姆古力油田巴肯组分为三段：(1)上页岩段；(2)中粉砂质白云岩段；(3)下粉砂岩段(图 7)。油田区域内整个巴肯组的厚度介于 3.1到 12.2m 之间(图8)。图 9中的三个横剖面显示了巴肯组各段的连续性及其相互关系。埃尔姆古力油田的分布范围大致与巴肯组发育良好、厚度大的北西-南东轴向带一致
33、。巴肯组厚度最大的区域位于埃尔姆古力的北侧(图 8)。这个异常厚度走向带的形成可能与基底构造作用有关，也可能与普雷里蒸发岩溶蚀造成的超大可容纳空问有关。向南，巴肯组因聚敛而减薄，并上超到斯里福克斯组之上，向北，存在局部变薄的现象(和等厚线图的趋势一致)，而向威利斯顿盆地的中部还有区域增厚的现象。巴肯组与上覆的洛奇波尔组呈整合接触，而与下伏的斯里福克斯组呈不整合接触。巴肯组与斯里福克斯组的接触关系具有突变的性质，代表着海退和海进侵蚀面(相对海平面上升之后的隆升和剥蚀)。美国(mi u)地质调查局(USGS)岩心实验室提供了埃尔姆古力油田(yutin)巴肯组的两块岩心及其分析结果和烃源岩分析资料(
34、Cenergy 1-4 Williams，Sec.4，T23N，R55E；Balcron 44-24 Vaira，Sec.24，T24N，R54E)。Peters（1986）总结 了采用裂解方法评价烃源岩的指导原则。业界对这些岩心进行了大量(dling)的采样和研究。下面将介绍通过岩心手标本观察和薄片岩性分析得到的一些岩石物性。4.3.1上页岩(y yn)段和烃源岩分析 巴肯上页岩段呈黑灰色到黑色，质地坚硬，以硅质为主，含少量钙质，含黄铁矿，为块状到易剥裂页岩。次生黄铁矿在整个页岩段都有分布，并以单个薄层或透镜体的形式出现。页岩的矿物组成包括黑色干酪根少量粘土、粉沙级石英以及一些方解石和白云石
35、。页岩富含干酪根(以无定形为主)，而且有机质在整个页岩段分布均匀(没有呈薄层或层状集中分布)。油田区域内上页岩段的厚度为 1.83.1m(图 10)。在埃尔姆古力油田的西部，上页岩段的厚度在西北方向上略微偏厚，在 2.4m以上，而在个别地方可达 3.1m以上。图 6 埃尔姆古力油田(yutin)巴肯组顶面构造图（虚线）图 7 Balcron44-24井（Sec.24-T24NR54E，蒙大拿州里奇兰县)的测井曲线(qxin)图 8 埃尔姆古力油田(yutin)巴肯组的等厚度图 图 9（A）Raster测井横剖面 AA；（B）Raster测井横剖面 BB；（C）Raster测井横剖面 CC 图
36、10 巴肯组上页岩(y yn)段的等厚图 从 Cenergy 1-4 Williams岩心(ynxn)（Sec.4，T23N，R55E）上采集了多个样品(yngpn)，进行了 TOC 分析，其中一个样品进行(jnxng)了裂解分析(表 2)。这些岩样的 TOC 介于 7.23到 10.6之间，从巴肯组上段和中段间的界面向上，TOC 值呈增大的趋势。在 3.065m 深处所采集岩样的分析结果表明，上页岩段的氢指数为 472，其 Tmax 值为 443。此外，还对在 3065m 深处采集的 Williams 上页岩段的岩样进行了矿物学和粘土含量分析。这个页岩样品的矿物组成包括 52%石英、9%长石
37、、13%白云石、9%黄铁矿和 17%粘土。粘土的组成为 3%绿泥石和 97%伊利石。我们采用 Schmoker和 Hester（1983）方法计算出上页岩段 TOC 的最大值为 9.6。从 Balcron 44-24 Vaira 岩心（Sec.24，T24N，R54E）上采集了两个岩样，进行了裂解和分析，求取了 TOC(表 2)。其 TOC 值介于 7.49(3051m深处)和 13.9(3050.5m 深处)之间。从巴肯组上段和中段间的界面向上，TOC 值呈增大趋势。在 3050.5m 深处所采集岩样的氢指数为 307，T ma x 为 447。干酪根呈黄棕色，其组成包括 98%的无定形物质
38、和 2%的木植质。采用 Schmoker和 Hester（1983）方法计算的上页岩段的 TOC 最大值为 9.3。表 2 埃尔姆古力油田(yutin)的 TOC 和岩石热解仪分析数据 Williams 和 Vaira岩心(ynxn)的分析结果与 Price 等人（1984）以及Webster（1984）报道的北达科他州巴肯组其他岩样的裂解资料(zlio)进行了对比。图 11 是根据公开(gngki)的资料和埃尔姆古力油 田的数据点绘制的Van Krevelen图。从图中可以看出，干酪根的类型为腐泥型，这也证实了Webster（1984）提出的藻类成因的观点。氢指数随着埋藏深度的增大(成熟度提
39、高)而减小。在类似的深度范围内，埃尔姆古力油田的分析结果与北达科他州的一致。图 11修改(xigi)后的威利斯顿盆地巴肯组的 Van Krevelen 图 4.3.2 巴肯组中段(zhn dun)(主要(zhyo)的储层)油田(yutin)区域内巴肯组中段为粉砂质白云岩，厚度为3.112.2m(图12)。巴肯组中段的厚度变化趋势与巴肯组总厚度的一致(图 8、9、12)。的一个区域，巴肯组中段的厚度比较薄(小于 7.6m)，这个区域的展布平行于厚度比较大的区域。在巴肯组中段沉积过程中，后者的可容纳空间增大，导致这里中段的沉积厚度比较大。巴肯组巾段与上页岩段呈突变接触，这个界面可能代表着海进侵蚀面
40、(图7、9)。在这个界面上可见滞留沉积，其组成包括极细粒到细粒砂级沉积物、牙形石碎片和黄铁矿。巴肯组中段和下页岩段呈渐变接触。图 12巴肯组中段(zhn dun)的等厚图 在埃尔姆古力油田(yutin)的巴肯组中段识别出了两种岩相（图 13），自下而上分别(fnbi)为生物扰动白云岩相和砂质白云岩相。这两种岩相在测井曲线上很容易识别和对 比（图 9，砂质白云岩相的伽马值明显很低；而生物扰动白云岩相表现(bioxin)出向上变粗的测井特征）。图 13 Vaira44-24井的岩心描述显示(xinsh)巴肯组中段存在两种岩相(生物(shngw)扰动白云岩和砂质白云岩)生物扰动白云岩相的生物扰动程度
41、中等到强烈。在这种岩相中观察不到原生沉积构造(guzo)，但可见 Phycosiphon、Zoophycos 和 Pianolites 遗迹(yj)化石（Pramudito，2008）。生物扰动现象丰富和原生沉积构造缺乏，说明沉积环境为低能富氧的浅海陆架环境，沉积速率比较低。遗迹化石种类单，说明水体深度有限或者水体含盐度比较低。巴肯组中段的孔隙度和渗透率分别为 57%和 0.020.04md。砂质白云岩相具波痕层理，呈层状，砂质，粒度极细(图 13)，而且掘穴现象少见。原生沉积构造的存在说明其沉积环境的能量中等。解释认为，其沉积环境为下滨前到近浅海(浅水陆架)。孔隙度测井和岩心分析发现其孔隙度
42、最高。由密度和中子孔隙度测井得出的孔隙度为 5%8%，有时可达 10%以上(图 7)。岩心分析得出的孔隙度介于 5%到 10%之间。这个层段的基质渗透率也最高，介于 0.03 到 0.1md之间。巴肯组中段的孔隙类型包括粒间孔隙和晶间孔隙，其中晶间孔隙是主要的孔隙类型，而且其数量向上增多。可见大量的白云石菱面体和粉砂颗粒，偶见砂级颗粒。这些白云石是次生成因，形成于巴肯组沉积之后。主要的孔隙度和渗透率可能与碳酸盐滩相复合体的白云石化作用有关。这个层段的原始孔隙度未知，而且没有识别出残余颗粒。在埃尔姆古力油田以北地区，这个层段岩心的岩性为粉砂质石灰岩(以泥状灰岩为主)。在埃尔姆古力油田，这个层段可
43、见小规模的垂直裂缝。图 14 Vaira44-24井中巴肯组中段(zhn dun)的孔隙度和渗透率剖面 绘制(huzh)了 Balcron 44-24 Vaira井的深度(shnd)孔隙(kngx)度和渗透率交会图(图 14)。岩心孔隙度为 3%8%，渗透率介于 0.010.19md 之间，平均为 0.05md。总体上，储层物性向上变好。岩相对孔隙度和渗透率具有很强的控制作用。砂质白云岩相和生物扰动白云岩相上段的储层物性最好，因而是水平井的首要钻探目标。储层物性的改善与地球物理测井曲线的总体形状吻合(图 7、9)。伽马测井曲线呈漏斗状，伽马值向上变小说明粘土和有机质的含量向上减少(向上岩性变纯
44、净或岩相转变为滩相的测井特征)。隙度曲线向上聚敛也表明粘土含量减少(图 7)。对 Vaira井岩心进行了 25 次测量得出平均颗粒密度为 2.75g/cm3。Vaira井取心采用的是油基泥浆系统。由 Vaira井岩心分析得出的含水饱和度介于 10%到 50%之间，平均为 25%。取心段的含油饱和度为 10%到 71%，平均为 51%(残余油饱和度比较高是由油基泥浆造成的)。此外，还有一定的含气饱和度。图 7 中 Vaira井的数字测井曲线显示了计算出的含水饱和度曲线。计算含水饱和度采用的是简化的阿尔奇方程：Sw=Rw/(RtPhim)(1.0/N)，式中 Sw为含水饱和度，Rw为地层水 的电阻
45、率，Rt 是地层真电阻率，Phi 是孔隙度，M 是胶结指数，N是饱和度指数。计算采用的软件是 HISPETRA，这些变量的取值分别为 M 和 N=2；Rw=0.03ohmm。这条曲线上的数据表明，巴肯组中段中高阻地层的含水饱和度不到 20%。图 15 巴肯组中段(zhn dun)净产层的等厚度(hud)图 巴肯组中段(zhn dun)的产层埋深为 25933203m，判别(pnbi)净产层采用的孔隙度截止值为 5%，电阻率截止值为 15ohmm。净产层的厚度最薄的只有楔形尖缘那样厚，而最厚的可达 4.3m以上(图 15)。净产层厚度图显示了储集岩相的分布。埃尔姆古力油田明显呈北西南东向展布，油
46、田西北部的宽度为 19.3km，而东南部的宽度为 8.1k m。在储层净厚度最大的区域，初产量和累积产量都是最高的。最大净产层厚度的轴线就位于巴肯组中段最大总厚度轴线的东南面(对比图 12和 15)。对于巴肯组中段而言，这种不一致性出现在向陆方向。在油田的东北部一东部，虽然一些低阻储层的孔隙度达到了截止值，但它们并没有被纳入净产层，其原因是它们的储层物性比较差和/或含水饱和度比较高(图 15上的 LRA)。这就是这个油田向东南方向明显变窄的原因。埃尔姆古力油田巴肯组中段略显超压，压力梯度为0.53psi/ft(0.02kPa/m)。这个压力梯度是根据 Balcron 44-24 Varia 井
47、（Sec.24，T24N，R54E）压力恢复中途测试（DST）资料外插得出的。对于在发现埃尔姆古力油田之前的大多数中途测试而言，井史卡上所报告的最终关井压力都要低得多，这说明在解释和应用中途测试资料时要小心。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 42。API，气油比为 50万立方英尺/桶(14150立方米/桶)，在油田西部上倾方向上气油比增加到 7080 万立方英尺/桶(1981022640 立方米/桶)。该油田的驱动机理是溶解气驱。水平井的井距为 640 或 1280 英亩(259 或 518 公顷)。一般来讲，每个钻井单元上部署两口水平井。曾在一个钻井单元上部署过
48、第三口水平井，但这口水平井出现了一定的采竭现象，人们认为它加快了开采速度(这些产量原本可由现有井开采)并动用了部分新储量(Eberhard，2008)。在埃尔姆古力油田，水平井的方位从南北向到东西向不等，而且水平井的类型也比较多，包括单个长水平井段水平井、双水平井段水平井和三个水平井段水平井。很多石油公司都优先采用南北向的方位，但东西向方位的水平井也有效果很好的。如果要部署单水平井段的水平井，建议采用北西南东向的钻井方位（Vincent，2008）。压裂增产处理的设计方案相差很大(Eberhard，2008)，其部分原因是在这个油田作业的公司很多，各自都有不同的完井策略。一次采油(ci yu)
49、的采收率估计为 10%左右(zuyu)。每平方英里的石油地质储量(ch lin)估计为 500万桶(79万立方米)(Walker等，2006)。2009年，巴肯水平井的钻井(zun jn)和完井成本为 500600万美元(Berman，2008)。影响总建井成本的因素很多，包括钻机租费、套管的数量、分支水平井的数量、分支井的长度、压裂增产处理的类型等。对于巴肯组中段的石油开采而言，压裂增产处理是关键，2009 年单井压裂成本为 100200万美元。经营者认为，在建井成本不超过 450 万美元且单井控制储量在 25 万桶以上的条件下，如果西德克萨斯中质油的价格保持在 50 美元/桶，巴肯油气系统
50、就具有经济开采价值(Fox，2009)。4.3.3 巴肯组下粉砂岩段 在埃尔姆古力地区，巴肯组下段典型的黑色页岩并没有出现。埃尔姆古力油田巴肯组下段由富含有机质的棕灰色泥质粉砂岩到泥岩构成。这种岩相相当于该油田北部的黑色页岩相，被解释为深水黑色页岩在上倾向陆方向上的同位地层。在横剖面 AA和 BB(图 9)上可见这种相变，而且大致上与 1.2m等厚线的展布一致(图 16)。高电阻率且高伽马值的页岩横向上向南转变为电阻率比较低且伽马值也略低的页岩。这种岩相含有丰富的有机质和散布的黄铁矿。掘穴和化石碎片也常见。在这段地层中见到的化石有腕足动物小碎片和少量有柄棘皮动物碎片。矿物类型有白云石、石英和黄