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。

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。

一种氦源装置的设计与应用

针对被检对象不允许另行开设检漏接口的检测要求,设计了一套氦源控制释放装置系统。系统中,气路以手动和电动相结合的控制方式可实现调试与预置模式的快速转换;其中,电动控制采用冗余设计,提高了系统控制释放的可靠性;以监测氦源气室内压力的变化判断气体是否可靠释放,解决了直接测量容器内气体百帕级增压而带来的技术难度大的问题。整套系统控制释放可靠性高,成本低,体积小,使用方便,已多次被应用。

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。

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。

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。

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。

氦气资源评价相关问题认识与进展

氦气是重要的稀有战略资源,全球供应短缺,中国长期依赖进口,近年来其重要性逐步得到相关业界和政府部门的重视。为了认识氦气成藏的特殊性,总结氦气资源调查评价方法,指导氦气调查工作,基于长期氦气资源评价工作经验和认识,对氦气成藏特征、调查评价方法等相关问题进行了讨论。结果表明:氦气属典型的“弱源气”,以溶解态或伴生气形式混储于天然气藏中,氦气与天然气成藏的关联性与差异性是认识氦气成藏规律、有效开展氦气调查评价的关键;有效氦源、高效运移通道(断裂、不整合)和适度的载体气藏是氦气富集成藏的基本条件;地质、物化探综合评价有利区,氦气气测录井标定富集层段,是有效的调查方法。根据氦气成藏特殊性及中国氦气资源调查现状,认为中国氦气资源前景良好。低品位氦资源的有效利用是实现短期提升氦气资源保障水平的现实途径,加强(天然)气-氦兼探、寻找富氦天然气是中长期提高中国氦气资源保障水平的重要途径,开展国际合作和建立战略储备体系是氦气资源多元保障的有效补充。

苏北盆地幔源氦气藏的特征与形成条件

指出:苏北盆地部分油气藏(井)中He的含量很高(0.08％～1.34％),达到或超过了工业品位;其~3He/~4He值为1.75×10^(-6)～4.9×10^(-6),是含幔源氦的同位素组成特征。通过对区域构造、盆内构造、壳幔结构、岩浆活动、成藏特征等方面的综合分析研究,认为这批幔源氦气藏形成于裂谷伸展构造环境,而幔源挥发份的上升运移与深断裂和幔源岩浆活动有密切关系;包括苏北盆地在内的大陆架裂谷区是寻找幔源氦资源的有利地区。

渤海湾盆地黄骅拗陷天然气中幔源氦

黄骅拗陷天然气中存在强烈的幔源氦入侵，氦同位素比值３Ｈｅ／４Ｈｅ０．１２Ｒａ至３．６２Ｒａ，表明天然气中氦组分有１％至４５％来自幔源。３Ｈｅ／４Ｈｅ频率分布图呈双峰式特点，低值峰０．１２Ｒａ至１．１９Ｒａ，位于新生代中后期构造、岩浆活动不发育和远离断裂交汇带地区，其仍远高于壳源流体特征０．０２Ｒａ，表明拗陷区总体上存在较强的幔源氦混染。高值峰１．２８Ｒａ至２．８０Ｒａ，均位于长期活动断裂，特别是断裂交汇带和新生代火山活动区。幔源氦自断裂交汇带释放．沿ＮＥ—ＮＥＥ向伸展断裂带运移、聚集，并向四周扩散。早第三纪伸展活动与幔源岩浆作用期是幔源氦主要释放期；晚第三纪至第四纪ＮＷ向深断裂活动和深源岩浆作用对区内幔源氦聚集亦具重要贡献。

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。

滇西南幔源氦释放:对思普地震带M6地震丛集活动的成因意义

位于滇西南中生代红层盆地中的思普地震带以6级地震在空间上的集中分布为显著特征。地质资料显示,该地区在第四纪有两座小规模的火山喷发、存在北东向的块状隆起构造和棋盘格式网状活动断裂。地球物理资料显示,该地区岩石圈地幔存在低速异常、地壳内存在高导体,意味着可能存在软流圈上涌和壳内岩浆活动。该地区现代软流圈上涌和壳内岩浆活动及其所产生的深源流体活动与思普地震带地震活动的关系问题成为一个有重要意义的科学问题。

准单色亚稳态氦原子束源系统研究

研究设计了一种亚稳态氦原子束源系统。采用电子激发方法产生亚稳态氦原子 ,利用喷嘴经等熵澎胀形成原子束 ,通过对该原子束的纵向速度进行选择 ,以及利用激光冷却来实现横向准直 ,制备出准单色亚稳态氦原子束。

松辽盆地天然气中稀有气体地球化学特征及其地质意义

稀有气体地球化学已运用于地球深部物质及天体陨石研究,随着测量技术的进步,在天然气研究中也开始得到越来越多的应用。使用目前最先进的稀有气体质谱仪,对中国东部松辽盆地中深部天然气的稀有气体全组分丰度及同位素进行了系统的分析,明确了断陷盆地稀有气体的组成特征。研究表明,天然气中稀有气体的丰度从轻稀有气体到重稀有气体具有逐渐减小的反“厂”字形趋势。稀有气体的同位素比值^(3)He/^(4)He为2.64×10^(-6)、^(20)Ne/^(22)Ne为9.94、21Ne/^(22)Ne为0.02922、^(40)Ar/^(36)Ar为743.7,均高于大气值,^(80)Kr、^(84)Kr、^(86)Kr、^(131-136)Xe均表现出相对大气过剩的特征,显示天然气中有幔源气体的混入。综合稀有气体的组成特征,说明松辽盆地中深部天然气均为壳幔混源的无机成因,而且不同构造区块、不同类别天然气的幔源组分贡献存在一定差异。对比稀有气体组成与天然气类型发现,轻稀有气体可以较好地区分天然气的类型,而重稀有气体的组成在各种天然气中没有明显差别。稀有气体同位素除了可以示踪天然气来源外,还可以应用在判别天然气成因、区分天然气类型、表征大地构造等方面。

下扬子无为盆地异常高压富氦天然气的发现及其成藏地质条件

在无为盆地WWY1井三叠系周冲村组首次发现了异常高压富氦天然气显示,对其中2个气样的气体组分分析发现,He的体积分数分别为4.51%和4.56%,远高于0.1%的氦气工业利用标准;3He/4He值分别为5.50×10^(-8)和6.40×10^(-8),幔源氦占比仅仅为0.32%和0.40%,应属典型的壳源氦。同时依据δ^(13)C_(CH_(4))、δ^(13)C_(CO_(2))、CO_(2)含量及N_(2)含量综合分析认为该天然气为有机成因,其烃源岩类型与研究区广泛发育的二叠系烃源岩相吻合。通过区域地质资料和深部地球物理资料分析认为其氦源极可能来源于古—中元古代基底花岗岩。长江深断裂带可作为联通深部地壳与浅部地层的重要通道,对于氦气扩散外移起到了关键作用。当富氦流体运移至浅部遇到天然气等载体气气藏时,流体的氦浓度迅速降低,氦气大量脱溶进入载体气气藏形成富氦天然气藏,活动的断裂系统和裂缝为其提供了运移和疏导通道。盆地内三叠系周冲村组多套膏岩盖层在一定的埋深条件下形成了超高压封闭条件,有可能是阻止富氦天然气向上扩散的重要原因,膏岩层下白云岩裂缝性储层为其提供了储存空间,具有良好的储盖时空配置关系。下扬子沿江地区具有多个与无为盆地地质条件相类似的同级盆地(如:望江盆地),预示着沿江地区具备十分有利的氦气勘探潜力,此外本次研究提出的氦气成藏模式也可为区域上氦气勘探提供重要的指导意义。

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。

低充氦浓度氦质谱检漏技术应用研究

为解决不允许抽真空和充压的密封装置的密封性能检测问题,开展了较低充氦浓度的氦质谱检漏模拟实验。实验采用通道型标准漏孔和模拟密封容器,在容器内的氦气浓度为0.5‰,1‰,3‰,5‰时分别实测了混合气体中氦气通过漏孔的漏率,基于混合气体以同种比分通过分子流漏孔的假设,不同浓度下测得的漏率结果与理论计算相比较;实验得出了在一定体积的空间内定点释放少量的氦气自由扩散至基本均匀分布所需时间。在实验的基础上,专门设计低充氦浓度检漏的标定装置,可降低因标准漏孔的氦浓度与检漏充氦浓度相差较大而引入检漏结果的不确定度。

中国含油气盆地富氦天然气藏氦气富集模式

氦气由于其化学惰性、分子量小、低沸点、强渗透性、高导热性等特点,广泛用于航空航天、低温超导、医疗以及高科技领域,是一种不可替代的战略性稀缺资源。但关于氦气如何在天然气藏中富集的研究较为薄弱。为此,在探讨富氦气藏划分标准的基础上,系统剖析了典型富氦气藏氦气成因、来源及富集过程,重点突出了主力氦源对富氦气藏的贡献,并提出了中国含油气盆地富氦气藏氦气富集模式。研究结果表明:①针对中国不同含油气盆地建立了壳源富氦和壳幔混合富氦2大类,6种氦气富集模式;②富氦气藏具有供氦多元、富集模式多样的特征;无论哪种氦气富集模式,都离不开主氦源对气藏的贡献;③中西部盆地富氦气藏中的氦气以壳源氦为主,富集模式包括古老地层水沿断层上移释氦、天然气沿古老储集层运移过程中富氦、页岩气富氦模式。④东部盆地富氦气藏中氦气为壳幔混合成因,富集模式包括以烃类气为主的气藏富氦模式、以二氧化碳为主的气藏富氦模式、以氮气为主的气藏富氦模式。结论认为,中国含油气盆地富氦气藏氦气富集模式的建立,可为氦气富集规律和富集主控因素的研究提供参考和借鉴,同时,该认识对氦气有利勘探区带评价具有重要意义。

α-tross He^-离子源的一项新改进

本文叙述对NEC生产的α-tross He^-源的一个重要零件——“Insert”的形状尺寸作出改进,使该源经常出现的一类故障发生的几率大为减少,从而使该源的寿命大大提高。目前经350 h的运行,情况仍然良好(原来寿命平均仅数十h)。