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美国页岩油气勘探开发爆发性增长：新进展及地质特征

原文作者: ECF国际页岩气论坛 原文日期: 2024-11-29

关键词: 哈里伯顿, 美国能源信息署, 钻井, 钻完井, 完井, 测井, 动力钻具, 伽马, 储层改造, 页岩气, 压裂液, 页岩油, 美国, 墨西哥湾, EIA 学科主题: 储层改造::压裂液

美国页岩油气地质特征及勘探开发进展

MCMAHONTP，LARSONTE，ZHANGT，SHUSTERM

美国德克萨斯大学奥斯汀分校杰克逊地质科学学院经济地质局

第一作者：MCMAHONTP，美国德克萨斯州大学奥斯汀分校教授，主要从事页岩油气方面研究。

ECF编者按：

全球范围内，页岩气资源的探索与商业化开采的先河由美国开辟，其大规模的商业行动不仅触发了能源领域的第三次重大变革，还深刻地重塑了国际政治版图。从2007年至2023年间，美国的页岩油与气日产量实现了从约11.2万吨油当量到超过300.0万吨油当量的飞跃，并于2017年超越了传统油气的产量，至2023年，这一比例已攀升至总产量的60%以上。美国非常规天然气开发的迅猛势头超乎预期，不仅扭转了依赖进口的局面，实现了自给自足，还成为了向欧洲等地出口液化天然气的重要力量。美国页岩气领域的这一“革命”在全球范围内激发了页岩资源勘探与开发的热潮。

为何美国能够实现页岩油气的规模化商业开采？其地质特征与勘探技术如何？发展历程及最新动态又怎样？这些问题受到了业内外人士的广泛关注。

本文旨在通过回顾美国页岩油气勘探与开发的历史进程，对关键页岩盆地的地质演变、页岩层系的油气地质特性及开发进展进行全面梳理与总结。我们将分析盆地地质演变过程、页岩层系的地质特点及当前开发状况，并评估资源量与产量的变化趋势。

研究揭示，美国主要页岩盆地中的富烃页岩主要形成于六个地质时代：中奥陶世、中-晚泥盆世、早石炭世（中-晚密西西比世）、早二叠世、晚侏罗世和晚白垩世（塞诺曼期-土伦期），其构造沉积环境涵盖克拉通内盆地、前陆盆地和被动大陆边缘盆地。古生界富烃页岩主要分布于阿巴拉契亚盆地、阿纳达科盆地、威利斯顿盆地、阿卡马盆地、沃思堡盆地和二叠盆地等地。而中生界富烃页岩则主要发育于西墨西哥湾盆地和落基山盆地群。

对各页岩区域的深入分析表明，页岩的岩相与矿物构成存在差异，且“页岩储层”并非仅指页岩本身，页岩油气也常产自粉砂岩、碳酸盐岩等其他岩石类型。据估算，美国的页岩油地质资源量超过2460亿吨，页岩气地质资源量则超过290万亿立方米。

在“页岩革命”标志性技术——水平井水力压裂技术问世之前，美国经历了长达20年的勘探开发实践与理论技术积累。2007年后，页岩油气产量才得以迅速增长，勘探开发取得重大突破。这一进展主要得益于钻完井技术的革新、“立体开发”策略的实施，以及重复压裂、提高采收率技术和“U”形井等先进技术的应用。基于美国丰富的页岩资源储备与技术的持续进步，页岩油气将继续为美国的油气生产贡献更大力量。

1 美国页岩油气勘探开发历程

2 主要页岩盆地地质演化

2.1 古生代盆地

2.2 中生代盆地

3 主要页岩层系地质特征及开发现状

3.1 古生界页岩

3.1.1 阿巴拉契亚盆地尤蒂卡组页岩和马塞勒斯组页岩

3.1.2 伍德福德组页岩和查塔努加组页岩

3.1.3 巴肯组页岩和三叉组页岩

3.1.4 上密西西比统页岩组合

3.1.5 二叠系页岩

3.2 中生界页岩

3.2.1 海恩斯维尔组页岩

3.2.2 鹰滩组页岩

3.2.3 尼尔布拉勒组页岩

4 资源量和产量

5 技术进展

6 结论

1 美国页岩油气勘探开发历程

美国地质调查局（USGS）将页岩油气区带定义为“连续型油气资源” 。这类油气储层并非独立圈闭，也不是通过油气运聚而成，而是广覆式油气聚集，通常赋存于基质渗透率相对较低的岩石中。严格意义上讲，页岩油气是指页岩层段既是烃源岩又是储层的油气藏，但实际上，页岩油气产层包含了多种岩石类型。近年来，页岩油气开发呈现井喷式发展，而美国早在约200年前就已经开始开发页岩油气。 1825年，美国在纽约州西部弗雷多尼亚镇附近的上泥盆统页岩中成功完钻第1口工业天然气井。 1863年，在肯塔基州泥盆系页岩地层开始商业天然气开采，该套地层的天然气开发一直持续到20世纪90年代。上述气井开发采用的技术并非全新技术。 1929年，德克萨斯州完钻第1口水平井。 1857年，纽约州西部的一口天然气井首次实施了火药压裂改造，药剂用量约3.6kg（8磅）。 19世纪60年代，硝酸甘油被用于油井的压裂改造。 1947年，斯坦林得石油公司（StanolindOil）开发的水力压裂技术首次应用于灰岩储层改造。 1949年，哈里伯顿公司申请并获得水力压裂方法的专利。 1953年，在北达科他州威利斯顿（Williston）盆地发现了Antelope油田，标志着美国开始进入页岩油时代。其部分页岩油产量来自局部的砂岩储层，密西西比系巴肯组（Bakken）上段页岩也有一定贡献。从20世纪60年代初开始，巴肯组开始了零星钻探工作。 20世纪70年代末开始，页岩油气的生产潜力成为了新的关注点。 20世纪70年代，美国遭遇能源短缺，促使美国政府资助含气页岩的勘探开发研究，尤其是美国东部地区的页岩地层。 20世纪70—80年代，美国能源部、天然气研究所和作业公司之间开展合作，涉及水平井钻井试验、水力压裂新方法等。随着动力钻具的改进，水平井的工业应用不断提高。20世纪70年代末，米切尔能源公司（Mitchell Energy Corporation）为应对沃思堡（Fort Worth）盆地宾夕法尼亚系常规储层产量下降的问题，开始积极寻找新的气源。针对深层奥陶系碳酸盐岩的钻井过程中，在密西西比系巴内特组（Barnett）页岩发现连续天然气显示。于是在1981年，米切尔能源公司开钻了第1口巴内特组页岩气井，并实施水力压裂。1981—1990年间，米切尔能源公司共钻了100口井，并从1985年开始实施大规模凝胶体系水力压裂。 20世纪80年代，人们开始关注巴肯组页岩油，并开展了直井水力压裂实验。 1987年，Meridian石油公司完钻第1口巴肯组水平井，试图在页岩地层中钻遇垂直裂缝。尽管水平井效果优于直井，但巴肯组水平井开采仅实现了微弱经济效益。 1995—2002年是页岩油气作为商业资源开发的转折点。1995年，有地质家指出，蒙大拿州威利斯顿盆地巴肯组中段发育高孔隙度裂缝型白云岩，巴肯组上段页岩生成的石油最终聚集到这套白云岩地层中。 1996—1997年，在这套白云岩层段完钻了几口直井进行试油，发现了Elm Coulee油田。此外，1998年米切尔能源公司改变了对巴内特组页岩的压裂改造方法，由凝胶基压裂液改为水基压裂液，大大降低了压裂成本。 2000年，Elm Coulee油田完钻了第1口水平井并进行了压裂改造。 2002年，收购米切尔能源公司的德文能源公司（Devon Energy）在7口水平井对巴内特组页岩储层进行试采，既提高了产量，又降低了压裂到其他可能含水地层的风险。钻完井技术的发展和应用促进了页岩油气的商业开发，是美国油气开发领域的一项重大突破，同时使页岩油气变得越来越重要。自2007年至2023年，美国页岩油气产量已从11.2×10 ⁴t/d油当量增加到超过300.0×10 ⁴t/d油当量。在美国油气总产量中，页岩油气占比从2007年的5%提高到2023年的60%以上（见图1）。

图1 2007—2023年美国油气总产量中的页岩油气占比

美国能源信息署（EIA）指出，美国境内发育大量页岩油气资源，有些已经发现，有些还有待发现。本文将重点介绍已经利用水力压裂和水平井钻井技术实现大规模开发的主要页岩盆地和页岩层系（见图2），分析其盆地地质演化、页岩层系地质特征及开发现状，评估资源量及产量变化趋势，指出美国页岩油气开发技术发展的新趋势。

图2 美国主要页岩盆地和页岩层系分布图

2 主要页岩盆地地质演化

美国主要盆地的富烃页岩位于中奥陶统—上白垩统，主要形成于6个地质时期：中奥陶世、中—晚泥盆世、早石炭世（中—晚密西西比世）、早二叠世、晚侏罗世和晚白垩世（塞诺曼期—土伦期）（见图3）。富烃页岩沉积后发生的构造事件，促成了现今盆地的部分轮廓；而早期盆地内的富烃页岩可能在盆地边缘部分出露，甚至被剥蚀。下文将探讨这些富烃页岩盆地的地质演化特征。

图3 美国主要页岩盆地地层柱状简图

App—阿巴拉契亚盆地；Ark—阿卡马盆地（所示为阿肯色州部分）；GC—SU—墨西哥湾沿岸萨拜因隆起；Ana—阿纳达科盆地；FW—沃思堡盆地；GC—SMA—墨西哥湾沿岸圣马科斯隆起；WTX—西德克萨斯盆地（二叠盆地）；Wil—威利斯顿盆地；DJ—丹佛—朱尔斯堡盆地

主要页岩层系（*表示目前尚未开发）：1—尤蒂卡/波因特普莱森特组；2—马塞勒斯组；3—查塔努加组^*；4—费耶特维尔组；5—海恩斯维尔/博西尔组；6—伍德福德组；7—凯尼组^*；8—巴内特组；9—鹰滩组；10—狼营组；11—骨泉/斯帕瑞组；12—巴肯组；13—尼尔布拉勒组；14—皮埃尔/曼柯斯组^*

2.1古生代盆地

除了威利斯顿盆地以外，美国发育古生界页岩的盆地有着相似的地质历史，这些盆地位于劳伦大陆（Laurentia）陆缘，处于罗迪尼亚大陆（Rodinia）裂解之后、盘古大陆（Pangea）形成之前。新元古代晚期至寒武纪，罗迪尼亚大陆裂解导致裂陷作用，随后开始发生碎屑沉积。早奥陶世，海平面上升形成一个碳酸盐滩体，覆盖了美国大部分地区。中奥陶世，一个复杂的岛弧地块与现今美国东北部的劳伦大陆陆缘相撞，引发塔科尼克造山运动（Taconic Orogeny。在塔科尼克造山运动期间形成的阿巴拉契亚（Appalachian）前陆盆地中（见图4a），沉积了尤蒂卡（Utica）组页岩，这也是本文讨论的最古老的一套富烃页岩。在此期间，东部地区还发育了独特的威利斯顿盆地，其属于克拉通内盆地，与造山运动无关。

图4北美地区页岩油气主要产层沉积期古地理图

中泥盆世至早密西西比世，随着阿莫里卡（Amorica）微大陆向劳伦大陆挤压，发生第2次造山运动，形成了阿巴拉契亚山脉和前陆盆地。该前陆盆地与之前形成的塔科尼克前陆盆地几乎重合（见图4b），主要沉积了马塞勒斯（Marcellus）组页岩和其他泥盆系黑色页岩。在劳伦大陆西南缘，大规模海侵导致被动陆缘沉积黑色页岩（伍德福德组（Woodford）和查塔努加组（Chattanooga）页岩），同时上升洋流促进了有机物发育。这一时期，随着威利斯顿盆地内的海侵作用，还沉积了巴肯组页岩。中—晚泥盆世，前陆盆地、被动大陆边缘及克拉通内盆地，均同时沉积了富烃页岩。早—中密西西比世（早石炭世），威利斯顿盆地的沉积相转变为碳酸盐台地（见图4c）。在阿巴拉契亚盆地，浅水沉积占据主导，尽管这一时期也发生了隆升和溶蚀作用。该时期两个盆地均未见富烃页岩发育。在西南被动陆缘，持续海侵导致先前隆起区水淹，并沉积了一套近台地相碳酸盐岩和近海页岩层序，包括巴内特组页岩、凯尼（Caney）组页岩和费耶特维尔（Fayetteville）组页岩。晚密西西比世至二叠纪，冈瓦纳大陆和劳伦大陆发生碰撞，形成了潘基亚超大陆，同时发生了多次构造事件，导致劳伦大陆南缘形成了一系列薄皮褶皱-逆冲带，包括阿利根尼（Alleghenian）、沃希托（Ouachita）和马拉松（Marathon）造山带（见图4d）。阿巴拉契亚山脉区典型褶皱-逆冲构造的沉积物主要沉积于早期的阿巴拉契亚前陆盆地中。阿卡马（Arkoma）盆地和沃思堡盆地（见图4d）是沃希塔造山带的前陆盆地。这次碰撞还产生了一系列以基底为核心的隆起，称为原始落基山脉（Ancestral Rocky Mountains），广泛分布在北美中部和西部地区。与原始落基山脉变形相关的页岩盆地包括俄克拉荷马州的阿纳达科（Anadarko）盆地和阿德莫（Ardmore）盆地，以及西德克萨斯州和新墨西哥州的二叠（Permian）盆地。由于俄克拉荷马州的落基山脉初始变形作用早于西德克萨斯州，二叠盆地尚未被分割成特拉华（Delaware）盆地和米德兰（Midland）盆地。宾夕法尼亚纪（晚石炭世），前陆盆地和落基山脉初始盆地均经历了复杂的沉积作用，构造隆升形成的粗碎屑沉积与浅水碳酸盐岩交替发育。这一时期，多期冰川作用导致海平面变化，这是造成上述复杂沉积的部分原因。此外，威利斯顿盆地主要沉积了陆相—浅海相沉积物和蒸发岩，该时期没有发现富烃页岩沉积，可能是来自隆起区的陆源输入增加所致。中宾夕法尼亚世阿托卡（Atokan）组沉积期至早二叠世狼营（Wolfcampian）期，原始落基山脉构造变形作用比较活跃，形成了一系列中央隆起（称为“盆地中央台地”），西侧为较深的特拉华盆地，东侧为较浅的米德兰盆地（见图4e）。宾夕法尼亚纪至早二叠世期间，发育碳酸盐岩和碎屑岩混积体系，在盆地中央台地和陆架隆起地区为台地相碳酸盐岩，而盆地沉降坳陷区内为盆地相碳酸盐岩和页岩。到伦纳德（Leonardian）期（早二叠世晚期），构造变形作用已经停止，盆地的沉积模式主要由海平面变化驱动，高水位期沉积富含碳酸盐和泥岩相，低水位期沉积粉砂岩和砂岩。狼营阶和伦纳德阶是米德兰盆地和特拉华盆地的主要页岩油气产层。

2.2 中生代盆地

古生代页岩盆地发育的主要地质背景是罗迪尼亚超大陆裂解和潘基亚超大陆的形成，而中生代页岩盆地的发育则始于潘基亚超大陆的解体和墨西哥湾的形成。晚三叠世—早侏罗世形成了一个裂谷系统，开始将北美板块的南部边缘与南美和非洲板块分开，盆地北部由一系列地垒和地堑组成。到中侏罗世晚期（卡洛夫期），周期性海水入侵导致蒸发岩广泛沉积。到晚侏罗世早期（牛津期），随着尤加顿（Yucatan）地块脱离北美板块，洋壳侵位期结束后，裂谷作用停止（见图4f）。随后发生海侵，一直持续到早白垩世。海侵早期，萨拜因（Sabine）隆起顶部和东翼沉积了中上侏罗统钦莫利阶（Kimmeridgian）海恩斯维尔（Haynesville）组页岩（见图4f），萨拜因隆起是一个孤立的地垒块体。钦莫利阶沉积的是博西尔（Bossier）组页岩，但在萨拜因隆起区东、西部，海恩斯维尔组岩性则以碳酸盐岩为主。晚白垩世早期，鹰滩（EagleFord）组和尼尔布拉勒（Niobrara）组页岩沉积发育，这是本文探讨的最年轻的两套页岩层系（见图4g）。鹰滩组在塞诺曼晚期—土伦期沿墨西哥湾边缘沉积在一个较老的碳酸盐台地之上，鹰滩组富有机质泥灰岩和伴生灰岩主要发育在圣马科斯隆起（SanMarcosArch）以西地区，该隆起属于间歇性活动背斜，起源不明。圣马科斯隆起以东地区，受伍德拜恩（Woodbine）和哈里斯（Harris）三角洲影响，鹰滩组黏土含量较高。北美大陆西缘经历了持续的板块汇聚和各种地块的增生，塞诺曼期—土伦期，陆缘内侧发育薄皮逆冲带（塞维尔造山带）。塞维尔（Sevier）前陆盆地发生挠曲沉降并遭受整体海侵，导致北美大陆内部水淹，形成了西部陆内海道（WesternInteriorSeaway）。科尼亚克（Coniacian）期至坎帕（Campanian）早期，海道大部分地区沉积尼尔布拉勒组和相关地层单元（见图4g），但盆地发育尚未结束。晚白垩世末期至始新世，受拉勒米（Laramide）造山运动影响，地壳持续变薄，在落基山南段的东部地区形成了基底核心隆起和相关盆地，将原本连续分布的尼尔布拉勒组分开（见图4h）。

3 主要页岩层系地质特征及开发现状

以下将对美国主要页岩地层进行介绍，重点涉及各层系的地质、开发特征。表1列出了美国主要页岩层系的分布面积、厚度、孔隙度、黏土含量及 TOC 等基本信息。

表1 美国主要页岩层系地质特征

3.1 古生界页岩

3.1.1 阿巴拉契亚盆地尤蒂卡组页岩和马塞勒斯组页岩

尤蒂卡组页岩主要分布在俄亥俄州，但延伸至宾夕法尼亚州的西部和北部以及西弗吉尼亚州。纽约州也见该地层发育，但该州禁止水力压裂，阻碍了该地区的页岩油气开发。在俄亥俄州东部、西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州，尤蒂卡组页岩以产气为主，而在俄亥俄州西部和宾夕法尼亚州西北部的部分地区，其油产量占比较其他主要产气区有所提高（见图5a）。 2008年，森林石油公司（ForestOil）在加拿大魁北克省完钻了2口垂直井，开始了尤蒂卡组页岩的初步开发。 2009年，塔利斯曼能源公司（TalismanEnergy）开始在魁北克省进行作业；而在2012年，魁北克省发布水力压裂禁令，结束了这一阶段的勘探。 2011年，切萨皮克能源公司（ChesapeakeEnergy）在俄亥俄州尤蒂卡组完钻4口井，其中3口井钻遇富油层段。尤蒂卡组页岩分布面积约64000km^{2，现有生产井近3300口。}

图5尤蒂卡组（a）和马塞勒斯组（b）页岩油气生产情况

尤蒂卡组页岩由尤蒂卡组钙质页岩和波因特普莱森特组灰岩和页岩互层组成。与尤蒂卡组相比，波因特普莱森特组总有机碳含量较高，且碳酸盐占比也较高，因此大多数开发井以波因特普莱森特组为目的层。尤蒂卡组页岩在俄亥俄州东部和宾夕法尼亚州西北部厚度为60～90m，在俄亥俄州南部则减薄至15m以下，而波因特普莱森特组在宾夕法尼亚州中部厚度超过60m，在肯塔基州东部减薄至6m以下。 2003年，Range资源公司以下志留统为目的层开钻一口井，钻至中泥盆统马塞勒斯组时，发现了明显的气体显示，马塞勒斯组页岩气开采自此开始。随后，沿用Bakken组的开发技术，Range资源公司于2007年开始从马塞勒斯组商业开采天然气。马塞勒斯组页岩的分布面积约为140000km ²，平均厚度30m。马塞勒斯组页岩开发主要集中在宾夕法尼亚州，其次是西弗吉尼亚州，以及俄亥俄州小范围区域（见图5b）。该层系以干气为主，但在西缘地区也有一定产油量。自2003年以来，马塞勒斯组页岩已投产开发井近15000口。在该区带范围内，马塞勒斯组由一套灰岩和页岩混积层序分隔成两个黑色页岩层段，厚度较大，对水力压裂形成阻碍，可以采用叠加水平井开发方式。

3.1.2 伍德福德组页岩和查塔努加组页岩

上泥盆统伍德福德组页岩是俄克拉荷马州的主要页岩层系，这套页岩在德克萨斯州二叠盆地也受到了关注（见图6）。大部分产量来自劳伦大陆与冈瓦纳大陆碰撞形成的盆地（例如阿纳达科盆地、阿卡马盆地、阿德莫/马里塔盆地、二叠盆地）；部分产量来自切诺基（Cherokee）台地，该台地位于劳伦大陆被动陆缘南段，这个地区未曾受到碰撞的影响。在阿卡马盆地阿肯色州部分，查塔努加组页岩只开展了一口井的开发测试（见图6）。尽管这套页岩可能具有一定潜力，但埋藏较浅，地层太薄，没有勘探前景。阿卡马盆地伍德福德组页岩以产气为主，而俄克拉荷马州其他盆地的这套页岩则以产油为主（见图6）。二叠盆地的有限数据表明，特拉华盆地西缘以产气为主，而盆地中央台地和米德兰盆地以产油为主。

图6 伍德福德组和查塔努加组页岩油气生产情况

俄克拉荷马州的伍德福德组页岩首次产气可追溯到1926年，而截至1995年，投产气井仅有22口。本世纪，伍德福德组页岩第1口井于2004年完钻，第1口水平井于2005年完钻，2口井均位于阿卡马盆地，作业公司是新田勘探公司（Newfield Exploration）。巴肯组页岩油的成功开发以及天然气价格的下降，使作业者将注意力转向了伍德福德组页岩正处于生油窗的区域，其中德文能源公司于2007年开始在Cana地区进行钻探。俄克拉荷马州伍德福德组页岩分布面积约70000km²，共有投产井5959口。二叠盆地伍德福德组页岩分布面积约27000km²，目前生产井只有145口。特拉华盆地西部以产气为主，而特拉华盆地东部和盆地中央台地则以产油为主（见图6）。在米德兰盆地伍德福德组，有两口井测试含油，其中一口井位于盆地中央台地边缘。俄克拉荷马州伍德福德组页岩可分为3段，主要由2种岩性组成：硅质/炭质页岩和燧石。燧石主要发育在伍德福德组上段，特别是南部地区，燧石在阿肯色州组砂岩非常发育。在阿卡马盆地，燧石夹层数量在东部、南部含量较高，可能与沉积水体深度增加有关。伍德福德组下段和中段的主要岩性是富含黏土的硅质泥岩。在切诺基台地和阿纳达科盆地北部，伍德福德组厚度为8m，在阿纳达科盆地南部和马里塔（Marietta）盆地，伍德福德组最厚超过200m，在阿卡马盆地，伍德福德组平均厚度为76m。二叠盆地伍德福德组页岩主要由黑色硅质泥岩组成，含少量燧石、粉砂岩和白云岩，它是在宾夕法尼亚纪盆地构造分割之前沉积的，分布在米德兰盆地和特拉华盆地以及盆地中央台地之下。在特拉华盆地东部和盆地中央台地之下，伍德福德组页岩最大厚度达200m ，在米德兰盆地东部陆架减薄并逐渐尖灭。在二叠盆地以南的瓦尔沃德（ValVerde）盆地也发育伍德福德组页岩，与俄克拉荷马州伍德福德组页岩类似，瓦尔沃德盆地的这段地层亦非富含燧石，但与南部的马拉松隆起区的卡瓦略斯（Caballos）砂岩属同期沉积，与阿卡马盆地伍德福德组页岩和奥克拉荷马区阿肯色砂岩之间的关系相似。德克萨斯西部伍德福德组页岩在盆地中央台地以下的特拉华盆地东部地区最大厚度约200m。

3.1.3巴肯组页岩和三叉组页岩

如前所述，上泥盆统—下密西西比统巴肯组页岩是美国开发的第1套页岩油层系，巴肯油田主要产油，但盆地中心附近天然气产量不断增加（见图7），这与盆地和地层的整体碗状结构形态相吻合（见图7）。美国境内巴肯组页岩分布面积约46600km^{2，现有水平井数量超过20400口}。

图7 威利斯顿盆地巴肯组和三叉组油气生产情况

巴肯组分为3段：上、下两段为富有机质黑色页岩，中段为钙质粉砂岩。巴肯组上段和下段为烃源，巴肯组中段或下伏三叉（ThreeForks）组上段为油气产层。巴肯组中段为碳酸盐岩和硅质碎屑岩混积序列。在蒙大拿州的ElmCoulee油田，巴肯组中段储层岩性为裂缝性白云岩，而通常情况下层状砂岩/粉砂岩是巴肯组中段最优质的储集岩性。三叉组上段由粉砂—砂质白云岩、白云质粉砂岩和灰绿色页岩组成。在这些地层中，巴肯组中段的厚度较大（约24m），而三叉组上段的最大厚度约为15m 。

3.1.4上密西西比统页岩组合

3.1.4.1巴内特组页岩

劳伦大陆南缘上密西西比统发育多套页岩层系，包括巴内特组页岩。如前所述，沃思堡盆地巴内特组页岩是美国第1个大规模开发的页岩层系。巴内特组页岩主要以产干气为主，北部、西部产油量增加（见图8）。在沃思堡盆地，巴内特组页岩分布面积约为27000km²，现有投产井超过15800口。在二叠盆地，巴内特组页岩同样潜力较大，但目前开发程度较低，分布面积为17600km ^{2，128口井已揭示一定产能（见图8）。}特拉华盆地西部主要产出天然气和凝析气，而米德兰盆地西部则以产油为主。

图8 巴内特组页岩、凯尼组页岩、费耶特维尔组页岩以及密西西比系灰岩油气生产情况

在沃思堡盆地，巴内特组页岩主要由层状硅质泥岩、层状黏土质灰泥岩和黏土质泥粒灰岩组成。巴内特组下段局部逐渐过渡为浅水查普尔（Chappell）组灰岩。在东北部，巴内特组厚度超过300m，含有一系列碳酸盐碎屑，平均厚度约为85m。在东北部最远端，福里斯特堡（Forestburg）组灰岩（厚度达60m）将巴内特组分隔为上、下两段，但在盆地的大部分地区，巴内特组内部并未分段。巴内特组页岩沉积在一个角度不整合面上，对该地层的未来开发存在一定影响，因为在南部和西部，巴内特组页岩直接上覆于艾伦博格（Ellenburger）组可能含水的岩溶碳酸盐岩地层之上，可能成为压裂改造过程中的一个隐患。在二叠盆地，巴内特组页岩上覆于下密西西比统（肯德胡克群—奥萨吉安群）灰岩之上，该套灰岩在特拉华盆地向北、向东增厚。巴内特组向北至新墨西哥州从页岩逐渐过渡为陆架碳酸盐岩。在特拉华盆地北部，根据自然伽马测井响应特征，巴内特组可分为2段：下段为炭质页岩，上段为硅质碎屑页岩，下段还可根据电阻率曲线特征进一步细分。岩心数据显示，特拉华盆地巴内特组由层状泥岩、微层状泥岩、非层状泥岩和黏土质泥岩组成。特拉华盆地巴内特组下段厚度由西向东从约60m增加到200m以上，而在特拉华盆地中部，巴内特组上段厚度达365m 。