四川盆地金秋气田:一个典型以中生界沉积岩为氦源岩的含氦-富氦气田

氦气成藏长期以来研究较少,成藏条件与成藏机理还不十分清楚,氦源岩类型和形成条件争议较大。通过解剖含氦-富氦的金秋气田认为:(1)金秋气田氦气含量主要分布在0.05%~0.10%,平均为0.07%,部分井含量超过0.10%,最高为0.20%。同位素分析认为氦气为壳源成因,没有幔源的贡献。(2)金秋气田是一个典型以中生界沉积岩为氦源岩的含氦-富氦气田。上三叠统须家河组和侏罗系具有较高的铀、钍元素含量和较大的地层厚度,在金秋地区具有较高的氦气生气强度,是形成含氦-富氦气藏的氦源基础。氦气应该主要来源于侏罗系储层,而非上三叠统须家河组烃源岩层系。(3)金秋气田含氦-富氦气田的形成受3个主要因素控制,具有高氦气生气强度的氦源岩提供了很好的物质基础;具有适度充注强度的烃类气体的存在有利于氦气富集;地层抬升剥蚀温、压下降导致的原位溶解氦气脱溶作用是氦气富集的有益补充。

鄂尔多斯盆地氦源岩特征及生氦潜力

氦源是氦气资源形成的首要条件,盆地基底变质岩、泥岩、泥质白云岩、煤和铝土岩等沉积岩为潜在氦源岩。通过野外地质调查、重磁资料解释、岩心描述与主、微量元素测试等方法,研究了鄂尔多斯盆地2大类5套潜在氦源岩及其成氦潜力。研究结果表明:鄂尔多斯盆地的潜在氦源岩分为基底型和沉积型两大类。基底型氦源岩发育在太古宇陆块及其上叠加的古元古界之中,岩性主要为高级变质片麻岩-变粒岩、大理岩、混合岩和花岗片麻岩,U和Th元素平均丰度分别为3.15×10^(-6)和12.38×10^(-6),生氦强度为0.735×10^(-6)cm^(3)/(a·g)。沉积型氦源岩主要发育在中元古界长城系沉积变质岩和古生界沉积岩之中。长城系黑色板岩主要分布在盆地北部和西南部,U和Th平均丰度分别为2.36×10^(-6)和8.28×10^(-6),生氦强度为0.522×10^(-6)cm^(3)/(a·g);下古生界下奥陶统马家沟组泥质白云岩分布在盆地中部及东部,U和Th平均丰度分别为1.71×10^(-6)和9.80×10^(-6),生氦强度为0.487×10^(-6)cm^(3)/(a·g);上古生界石炭系-二叠系泥岩和煤在全盆地广泛分布,太原组泥岩U和Th平均丰度分别为9.69×10^(-6)和22.68×10^(-6),生氦强度为1.82×10^(-6)cm^(3)/(a·g),太原组煤U和Th平均丰度分别为16.12×10^(-6)和44.13×10^(-6),生氦强度为3.21×10^(-6)cm^(3)/(a·g);上古生界石炭系铝土岩主要分布在盆地东部和西南部,U和Th平均丰度分别为7.14×10^(-6)和38.57×10^(-6),生氦强度为1.97×10^(-6)cm^(3)/(a·g)。鄂尔多斯盆地西南部发育各类氦源岩,具有“多源供氦”特征。该研究为鄂尔多斯盆地氦气资源勘查奠定了基础。

富氦天然气藏氦源岩特征及关键评价参数

对氦气成因与来源的研究是氦气资源勘探中的关键和核心内容之一,其不仅可以为氦气成藏机制的建立提供理论基础和支撑,也可为富氦天然气藏预测提供关键证据和认识。为此,基于前人研究成果,系统梳理了富氦天然气藏中氦源研究现状与研究方法,总结了壳源氦源岩的特征和关键评价参数。研究结果表明:①天然气藏中氦气的3个主要来源为大气源、壳源和幔源,现有研究富氦天然气藏中的氦多数以壳源氦贡献为主;②壳源氦的氦源岩从根本上决定了气藏中氦气含量,其通常为富含铀、钍放射性元素的古老岩石,如地壳中花岗岩、富有机质页岩、变质岩等,其中古老的基底花岗岩是全球大部分富氦天然气藏的主要氦源岩;③富有机质页岩由于生烃能力较生氦能力强,天然气作为运载气的同时也将生成的氦气稀释到工业品味以下,难以独立作为富氦天然气藏的氦源岩。结论认为,目前对有关氦源岩的研究还不够系统和深入,为了建立氦源岩评价体系,提出了4个氦源岩关键评价参数,分别为氦源岩石类型、氦源岩铀、钍元素丰度、氦源岩形成年龄及氦源岩体积规模,以期为氦源相关理论研究奠定基础。

壳源富氦天然气藏潜在氦源岩主要特征及有效性分析

潜在氦源岩有效性评价是氦资源勘探开发领域关注的核心问题,但在以往的研究中,潜在氦源岩有效性评价多以岩石U、Th元素含量及年龄为主,未能全面表征影响氦源岩有效性的关键因素。为此,以花岗岩、泥页岩、片麻岩、铝土岩4种典型潜在氦源岩为研究对象,通过建立孔隙水累积溶解氦计算模型同时结合气藏实例,对各潜在氦源岩孔隙中溶解氦的累积、脱溶情况进行定量分析,从而对各潜在氦源岩有效性及有效氦源岩评价方法进行讨论与总结。研究认为:(1)潜在氦源岩孔隙中积累的溶解氦能否在适宜条件下规模性脱溶为游离氦是判识潜在氦源岩是否有效的关键性先决条件;(2)除岩石U、Th元素含量外,巨大的体量规模,适宜的孔隙度和含水饱和度,良好的“沉积埋藏史—气藏成藏史—构造演化史”时空匹配关系,以及相对专一的生氦能力也是评判潜在氦源岩有效性的关键参数;(3)通过建立溶解氦富集效率(η_(He))计算方法,认为在相同条件下花岗岩最易形成游离氦富集,泥页岩与铝土岩次之,片麻岩最难。

氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术

鉴于我国氦气产业链理论技术需求,针对国内外尚无系统的氦气地质理论认识,缺乏针对性的氦气资源评价方法、参数取值标准,缺乏氦气含量综合准确检测、有利富集区优选方法,无成本指标优化体系及全产业链一体化评价方法等卡点和难点,本文运用地质、地球化学、重磁电震、投资经济等多学科方法及实验技术,集中力量攻克氦气成藏机理、资源评价及资产评价的关键技术瓶颈。研发形成1项地质理论认识和3项关键技术:基于典型富氦气藏解剖、地下流体中“氦-气-水”相平衡及相-势耦合分析,研究提出氦气“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态、“集流、渗流、扩散”3种运移机理、“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4项分布富集控制因素,初步建立了基于“优质氦源、高效输导、适宜载体”的氦气“生-运-聚”地质理论认识。针对国内氦气含量检测技术参差不齐、部分准确度差、与国外数据差别大、无针对性的氦气资源评价方法等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,研发氦气含量综合准确检测技术,构建4类10种氦气资源评价方法,解决了氦气资源分级分类评价的技术瓶颈。针对基底氦源分布、岩性识别、通源断裂刻画及含氦储层评价难题,创建了归一化重磁下延方案,研发了基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定了基础。通过建立多元控氦的富氦区带与目标优选技术,解决了富氦区带与目标优选难题。针对国内贫氦实际情况,以提氦装置投资和操作成本最小化为目标,采用响应面法建立优化目标与各主要工艺参数的非线性回归模型,建立了氦气全产业链一体化评价技术,初步解决了天然气低成本提氦工艺流程优化的技术需求。研究成果为我国长期、安全、规模利用氦气资源资产提供了有效支撑。

花岗岩在氦气成藏中的双重作用:氦源与储集

氦气是重要战略性稀有气体资源,寻找富氦天然气藏是解决氦气资源短缺的关键。目前工业利用的氦资源主要是壳源氦气,有效氦源岩是富氦天然气藏形成的基础,储层是氦气聚集的必须条件。资料调研表明已知富氦天然气藏与花岗岩关系密切,为研究花岗岩生氦、排氦及储氦能力,利用花岗岩铀钍含量与赋存状态、分段加热释氦、氩离子抛光扫描电镜等实验分析数据,结合前人成果综合研究表明:(1)渭河盆地南缘(北秦岭)花岗岩和银额盆地蒙额地1井花岗岩均富铀、钍,生氦能力较强。(2)花岗岩中的铀、钍有铀钍独立矿物和铀钍类质同象矿物等2种赋存状态。(3)温度是控制花岗岩中氦气释放的首要因素,不同矿物对氦气的封闭温度差异较大,晶质铀矿中(4)^He封闭温度最低,为27℃~76℃,而磁铁矿封闭温度最高,可达250℃,即花岗岩在温度大于250℃时对(4)^He无封闭能力,27℃~250℃具有部分封闭能力,27℃以下具有完全封闭能力。(4)花岗岩纳米级孔隙大小优于页岩(页岩气储层),微裂缝发育,具有氦气运移和储存能力。可见,花岗岩不仅是有效氦源岩,也可以是氦气储集岩。与在烃源岩中找页岩气类似,可在花岗岩等氦源岩中寻找氦气聚集。

富氦气藏源储关系及富集机理

针对氦气成因来源、富集成藏和资源潜力,世界各国重视程度日益增加。多种类型地质体中氦气能否富集成藏的关键因素是氦气来源与储层之间的有效配置关系。本文系统梳理国内外不同构造背景和不同类型的富氦气藏基本特征,开展主要潜在氦源岩铀和钍含量测试与统计,并重点对鄂尔多斯盆地铝土岩层系富氦气藏进行解剖。在这些研究的基础上,明确了地质体中氦气主要来自壳源放射性成因氦和幔源氦。大规模高铀和钍含量的古老基底花岗岩/变质岩等氦源岩、有利的源储配置和氦气从源向储高效的运移疏导是世界上大型富氦气田形成的关键条件。氦气通常与CH_(4)、CO_(2)、N_(2)等在油气藏中呈共伴生关系。与N_(2)总体呈正相关关系,表明成因上有一定的联系;而与CO_(2)和CH_(4)呈负相关关系,表明CO_(2)和CH_(4)4的富集对氦气的稀释作用。依据富氦气藏氦源和储层之间的关系,分为内源型氦气藏、外源型氦气藏和复合型氦气藏。内源型氦气藏主要包括富氦页岩气藏,其中的氦气来自页岩本身所含有铀和钍衰变,与页岩有机质生成的天然气构成同源同储富氦气藏。外源型氦气藏主要包括常规碎屑岩和碳酸盐岩气藏,其中的氦气主要来自气藏储层之外的基底的壳源氦气或者幔源氦气。断裂沟通深部氦源,氦气通过水或者天然气携带运移至隆起高点位置的圈闭富集成为富氦气藏。铝土岩层系富氦气藏为混合型氦气藏,氦气即可来自古老基底,也可来自铝土岩层系的富铀和钍的铝土岩、泥页岩和煤岩;内源和外源的氦气与来自泥岩或煤层的烃类气体共同在铝土岩层系中富集成藏,形成异源同储的混合型氦气藏。

鄂尔多斯盆地含氦天然气地球化学特征与富集影响因素

鄂尔多斯盆地天然气资源丰富,部分地区天然气中的氦气含量较高,亟需深入研究含氦天然气地球化学特征与富集影响因素。通过采集天然气样品并进行组分和同位素等实验分析测试,结合地质条件,研究了鄂尔多斯盆地含氦天然气的分布、地球化学特征和影响因素,研究结果表明:(1)鄂尔多斯盆地天然气主要为烃类气体,氦气含量为0.016%~0.487%,平均值为0.060%;(2)鄂尔多斯盆地含氦天然气甲烷碳同位素值分布在-53.88‰~-29.23‰,甲烷、乙烷、丙烷和丁烷碳同位素表明烃类气为有机成因;(3)鄂尔多斯盆地含氦天然气3He/4He含量比值为20.10×10^(-9)~120.00×10^(-9),平均值为42.00×10^(-9),R/Ra值为0.014~0.085,平均值为0.030,为壳源氦的特征,不受天然气成因类型和成熟度等因素影响;(4)氦气含量较高的天然气主要分布在鄂尔多斯盆地北部东胜气田、西南部庆阳气田和东南部黄龙气田的上古生界石炭系-二叠系,其分布与古今构造位置、基底断裂、生氦强度及生烃强度相对强弱等因素密切相关。根据含氦天然气地球化学特征评价出富氦-中氦区、低氦区及贫氦区。

柴达木盆地水溶氦气资源的发现及富集机理

通过采集、测试柴达木盆地卤水井、温泉水样品,以及氦源岩及其生氦强度研究,梳理水溶性氦气分布特征,总结成因,探究富集机理,以期了解柴达木盆地水溶性氦气资源现状,并拓展氦气藏勘探、研究的新思路。结果表明:柴达木盆地氦源岩是多元的、开放的,除花岗岩外,侏罗纪、石炭纪泥页岩是潜在的生氦母岩,且侏罗纪泥页岩生氦强度最大,志留纪二长花岗岩次之,石炭纪泥页岩最低;以油砂山组、狮子沟组为主要聚集层的水溶性氦气分布于柴中断裂以北区域,且存在北、中、南3条控氦断裂带;柴达木盆地水溶性氦气基本为壳源型氦气,幔源氦仅占0.005%~0.42%;水溶性氦气成藏的关键在于“生、运、储”,其中泥页岩、中酸性岩体是氦气潜在生成母源,地下水、断裂提供运移载体及通道,油砂山组、狮子沟组提供储集空间。

四川盆地前震旦系勘探高含氦天然气藏的可行性

目前,我国的氦气资源主要依赖进口,寻找大中型高含氦天然气田是改变这一现状最现实的途径。为此,对四川盆地威远地区高含氦天然气藏的成藏机理和氦气来源进行了分析,以探讨在该盆地前震旦系勘探高含氦天然气藏的可行性。首先根据盆地周缘12条野外露头剖面和4口钻穿震旦系单井的资料,系统分析了前震旦系的岩石学、沉积相、烃源岩等特征,认为前震旦系发育的沉积地层为南华系,东南缘露头剖面的地层序列为南沱组、大塘坡组、古城组和莲沱组,推测盆地内部可能发育相同的地层序列;南沱组、古城组和莲沱组主要为冰川沉积,为砂砾岩夹泥岩;而大塘坡组为间冰期沉积,发育一套砂泥岩地层,其下部泥页岩的有机质含量高,为较好烃源岩。进一步的研究表明:南沱组砂砾岩储层、大塘坡组烃源岩和地层中侵入的花岗岩"氦源岩"可形成较好的高含氦天然气藏成藏组合;前震旦系沉积岩的分布主要受早期裂谷控制,在裂谷内部充填厚层的沉积岩地层。结合地震资料预测了威远—资阳地区沉积岩和花岗岩的分布,结论认为在资阳地区对震旦系—前震旦系进行高含氦天然气藏的勘探是可行的。

鄂尔多斯盆地杭锦旗地区东胜气田氦气成因来源及富集规律

近期勘探发现,鄂尔多斯盆地杭锦旗地区东胜气田上古生界多口井天然气中氦气含量达到0.1%以上,具有较好的工业开发价值。基于天然气地球化学特征的系统分析,发现氦气含量分布介于0.045%~0.487%之间,氦气以微量组分赋存于以烃类气体为主的烃类—富氦气藏中。杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩中U、Th元素含量高于基底岩石,基底岩石中石英砂岩—石英岩U、Th元素含量稍高于片麻岩—花岗片麻岩;研究发现片麻岩—花岗片麻岩解析氦气丰度含量要高于石英砂岩—石英岩,煤系烃源岩解析氦气丰度远低于基底岩石,这主要与其生成的大规模烷烃气的稀释以及地质时代年轻有关,说明烃源岩作为潜在氦源岩所生成的氦气含量较低,无法形成具有工业价值的含氦气藏。东胜气田上古生界天然气伴生氦气^(3)He/^(4)He值介于(1.83~6.25)×10^(-8)之间,系统对比研究发现其来源于基底发育的太古界—中元古界变质岩—花岗岩系,氦气所赋存的天然气为典型煤型气,来源于石炭系—二叠系煤系烃源岩,与伴生氦气具有不同的来源,二者具有异源同储成藏特征,伴生氦气在运移、聚集与成藏过程中与上古生界常规天然气藏的储、盖、圈及运聚组合具有良好的时空配置关系。东胜气田氦气富集主要受基底变质岩—花岗岩系岩相发育和深大断裂展布等双重因素控制,主要分布在二级断裂的沟通氦源岩断裂与四级断裂的输导体系交会处和太古界—中元古界基底岩相发育区,断裂带的展布控制了油气及其伴生氦气藏的空间分布。

含油气盆地氦气分布特征与成藏机制

氦气是一种不可替代的战略性矿产资源,全球的商业性富氦气藏(He>0.1%)都是在油气勘探过程中偶然发现的.通过对全球75个富氦气田和1048个天然气样品统计分析发现,天然气中氦气普遍具有“稀”“伴”和“杂”的特征,富氦气田的埋深通常小于4500m.He-CH_(4)和He-CO_(2)气田的氦气含量明显低于He-N_(2)气田(He>1%).然而,前两种气田的氦气地质储量主要为10^(7)~10^(11)m^(3)量级,而后者仅为10^(5)~10^(7)m^(3)量级.氦气与烃类气体在成因和运移方式存在显著的差异.氦气聚集以及长距离运移必须借助载体(地层水、烃类流体、N_(2)、幔源流体等),氦气的运移通道不局限在沉积地层,可延伸至盆地基底、下地壳,甚至岩石圈地幔.然而,氦气与烃类气体的成藏条件几乎可视为等同.烃类气体的存在不仅促进含氦流体中氦气快速解析和高效聚集,而且降低了氦气扩散性能、减少逸散通量.膏盐岩和厚层泥页岩作为盖层,有利于氦气在地质时间尺度下长期保存.大型富氦气田集中分布在古老克拉通盆地的隆起区及其周缘,几乎全部为壳源型.根据He含量与He/N_(2)比值图版,壳源型氦气藏可划分为基岩供氦性、基岩-沉积岩联合供氦型和沉积岩供氦型.综合考虑中国的氦气品位、氦气资源禀赋、天然气工业化进程,以及目前的氦气提纯工艺,中、西部鄂尔多斯、塔里木、四川和柴达木盆地的富氦气田是氦气工业提取优先部署区域,部分(特)大型含氦气田可作为重要接替区域.

基于磁力资料的鄂尔多斯盆地氦气分布规律

氦气因其独特的化学性质而成为重要的战略资源,中国氦气资源相对贫乏,资源安全形势极其严峻。鄂尔多斯盆地已有一定的氦气显示,但目前对于盆地内天然气中氦气体积分数的认识存在较大差异,对于氦气资源分布规律认识不足,制约了鄂尔多斯盆地氦气资源潜力评价及开发利用。在广泛收集和认识前人研究成果的基础上,以鄂尔多斯盆地磁力异常资料为主,结合347个天然气样品中氦气含量测试结果,分析了鄂尔多斯盆地氦气分布规律。通过对苏里格、庆阳和宜川3个气田天然气样品氦气含量进行测试,发现氦气含量均达到了工业生产的标准(>0.05%),其中庆阳气田Q1区和苏里格气田S47区氦气平均含量超过0.1%。结合岩石磁性特征对磁力异常进行分析,结果表明鄂尔多斯盆地的磁力异常呈明显的分区特征,反映了盆地基底具有多阶段拼合的地质特征,区域性磁力异常变化主要与盆地基底岩性相关,高磁异常条带可能系盆地基底太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体引起;低磁异常主要由板岩、片岩、千枚岩、石英岩、大理岩等弱磁性岩体引起。鄂尔多斯盆地氦气主要为壳源成因,盆地基底下元古界强磁性深变质岩系为鄂尔多斯盆地的氦源岩,盆地中部平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带为盆地主要的氦气分布区。