柴达木盆地东坪氦工业气田发现及氦气来源和勘探前景

为进一步明确柴达木盆地氦气资源分布情况,对东坪等气田天然气地球化学特征进行分析。结果表明：东坪气田东坪1井区、东坪3井区和尖顶山气田尖探1井区等21个天然气样中氦气含量大于0.05%,达到了工业标准,其中最小值为0.075%,最大值为1.069%,平均值为0.386%,据此在柴达木盆地首次发现了东坪氦工业气田。东坪气田及其附近的牛东气田³He/⁴He最小值为1.01×10^-8,最大值为3.62×10^-8,平均值为1.86×10^-8,均位于10^-8量级,应属壳源氦。综合分析认为东坪、尖顶山等气田已发现氦工业气藏的氦主要来源于花岗岩或花岗片麻岩基底。柴达木盆地花岗岩与花岗片麻岩基底分布广泛,具备形成高含氦天然气的条件,氦资源勘探前景十分广阔。     

常规天然气伴生氦气成藏条件

氦气作为一种稀有战略资源,关系国家安全和高新技术产业发展。在总结前人成果的基础上,对柴达木盆地北缘地区各气田的氦气含量及同位素进行了分析,试图探讨常规天然气藏中的氦气成藏条件。结果表明：东坪气田的氦气含量介于0.012%~1.07%之间,平均为0.24%。利用壳—幔二元混合模式计算天然气中幔源氦的贡献比例,发现幔源氦的比例介于0.01%~0.84%之间,平均为0.3%;R/Ra值介于0.003 5~0.059 2之间,平均为0.022 6,属于典型的壳源氦。研究区氦气含量与甲烷含量呈明显负相关,与氮气含量呈正相关关系。异常高温扰动有利于促进研究区基岩中氦气发生初次运移,马北气田与牛东气田氦气富集离不开地层水作为有效载体,而东坪气田氦气富集的载体需进一步研究。壳源成因的氦可能主要来源于基底富U、Th的花岗岩和片麻岩的放射性衰变,载氦流体运移通道主要是山前深大断裂和不整合面,盖层分为基岩上覆的含膏泥岩和泥岩的区域盖层,以及咸水下渗形成的基岩顶封式局部盖层2种,这些有利的成藏条件为研究区氦气富集提供了良好的地质基础。体积法得出研究区氦气资源量约为27×10⁸ m³,每克岩石平均每年产生⁴He量约为（12.61~121.95）×10^-20 m³,平均为48.81×10^-20 m³。     

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。     

苏北盆地CO2气藏成藏规律及富氦成因

随着“碳达峰”“碳中和”双碳目标的提出,CO₂地质封存研究越来越受到重视。针对苏北盆地已发现的CO₂气藏,利用δ¹³C值、³He/⁴He值等的分析,对CO₂气藏分布、CO₂来源以及富氦气藏He富集成因等进行研究。认为苏北盆地CO₂气藏主要分布于盆地南侧的苏南隆起区、苏南隆起与东台坳陷交接处的断裂带以及断裂带外延断层发育区,苏北盆地CO₂整体为幔源岩浆成因,黄桥气藏中的氦气为混合来源。在前人提出He的富集过程主要与CO₂的溶解与矿化有关的基础上,提出He富集成藏可能是CO₂大量溶解和散失而形成的观点。     

页岩气和煤层气中氦气的地球化学特征和富集规律

氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略资源。近年来,国内外常规天然气藏中氦气的研究日益受到关注,但非常规气藏（如页岩气和煤层气）中氦气的含量特征及成因研究至今仍处于起步状态。研究通过对国内外非常规领域氦气研究文献的梳理,系统总结了国内外页岩气和煤层气中氦气的含量及分布,明确了氦及其他稀有气体同位素特征,并在此基础上分析了页岩气和煤层气中氦气的成因及来源,揭示了氦气的富集主控因素。研究数据表明：页岩气中氦气的含量分布范围在（0.12~3 100）\times10^-6之间,均值约为378\times10^-6;煤层气的氦气含量分布范围在（0.04~19 000）\text{?}\times10^-6之间,均值约为816\times10^-6。页岩气和煤层气中的氦气含量普遍低于同一地区常规天然气藏中的氦含量。这可能是因为常规天然气一般经历过较长的二次运移,能够在途中捕获更多的外源氦。页岩气和煤层气中的³He/⁴He值一般较低,指示壳源放射性衰变氦为主要来源。氦和氖同位素特征显示,页岩气和煤层气中的幔源氦和大气氦贡献率一般小于5%。页岩气和煤层气中的氦是内源氦（页岩和煤层自身放射性衰变生成的氦）和外源氦的加和,外源氦的补充对于富氦页岩气和煤层气藏的形成必不可少。优越的氦源条件［铀（U）、钍（Th）等放射性元素的丰度、页岩和煤的地层时代、发育规模和含气量等］、有效的输导条件以及良好的保存条件是页岩气和煤层气中氦气富集的重要影响因素。     

基于自然伽马能谱测井的氦气资源评价方法

塔里木盆地是我国天然气勘探开发的主战场,其中不乏具有工业开采价值的氦气藏,但对其氦气生成潜力的研究仍处于空白阶段。据此,对塔里木盆地古城地区奥陶系的岩石样品展开测试,生氦潜量呈现出泥岩>泥质灰岩>高铀白云岩>白云岩>灰岩的特征。基于自然伽马能谱测井资料,提出了一套氦气资源评价流程和方法。以古城地区15口钻井为例进行实际案例研究,结果表明：古城地区奥陶系地层的生氦潜量为1.50×10^-10 cm³/g,氦气生成量为13.91 km³。生氦潜量最高最广的区域位于古城14井区域,其次为古城12井区域。却尔却克组泥岩生氦潜量为1.45×10^-10 cm³/g,生氦量占比为83.5%,是研究区生氦的主力层位,但是估算的天然气中氦气含量约为0.033%,低于工业开采标准。原因在于富含有机质的泥岩大量生烃,大大稀释了氦气的浓度,因此在对油气烃源岩进行氦资源评价时应该保持谨慎。基于自然伽马能谱测井的氦气资源评价方法的提出有助于含油气盆地中氦气资源评价工作的开展,为我国氦气资源勘探调查研究提供新的思路和方法。     

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³He/⁴He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。     

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 cm³/(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 cm³/(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×...     

富氦天然气藏成藏特征及主控因素

在充分调研全球探明氦资源分布及开采现状的基础上,对国外典型富氦天然气藏的空间分布特征、氦气成因来源和气藏类型进行解剖,再结合地质背景分析了富氦天然气藏的成藏主控因素。研究结果表明,美国是目前世界上探明氦资源最多的国家;由于受技术手段等条件的制约,目前主要是从富氦、高氦天然气藏中获取氦气资源。通过对国外富氦天然气藏的解剖发现,富氦天然气藏平面上主要分布在古老克拉通地区,垂向上以埋藏较浅的元古界和古生界为主;绝大多数富氦天然气中的氦气主要是由地壳中的铀、钍等放射性元素衰变形成。根据天然气组成特征可将富氦天然气藏划分为富氦烃类气藏、富氦二氧化碳气藏和富氦氮气藏,其中大多数富氦烃类气藏主要位于克拉通内部隆起带之上,气藏规模和氦资源量较大;富氦二氧化碳/氮气藏多位于克拉通边缘活动带,气藏规模和氦资源量较小。在对气藏特征进行总结的基础上,综合实际地质背景提出两种富氦天然气藏成藏模式:古老克拉通内部隆起富氦天然气藏成藏模式和古老克拉通边缘活动带富氦天然气藏成藏模式,其中具备花岗岩基底隆起、深大断裂、晚期构造活动和区域性盖层等地质条件的地区是氦资源勘探的重点有利区。     

黔南坳陷震旦系—寒武系页岩解析气中氦气成因及来源

氦气由于其独特的物理化学性质及稀缺性被列为重要的战略资源。目前中国氦气资源需求缺口巨大,对外依存度极高,急需加强氦气资源的勘探及研究工作。以黔南坳陷震旦系陡山沱组和寒武系牛蹄塘组页岩（气）为研究对象,基于气体组分及碳同位素、稀有气体组成及同位素比值、页岩的主、微量元素分析等测试结果,对页岩气中氦气成因及来源进行研究。结果表明：陡山沱组和牛蹄塘组页岩气主要以N₂为主,CH₄含量次之,He含量介于（1 533.1~2 323.7）×10^-6之间,³He/⁴He值为0.009 ~0.010 Ra（Ra=1.4×10^-6）,显示以壳源氦为主。页岩气样品中²¹Ne/²²Ne值和⁴⁰Ar/³⁶Ar值高于相应的空气值,表明存在不同比例壳源²¹Ne和⁴⁰Ar加入。研究气体样品中壳源放射性成因⁴He/⁴⁰Ar的实测值与地壳放射性成因⁴He/⁴⁰Ar值接近,而远小于岩石原位放射性成因⁴He/⁴⁰Ar的理论计算值,表明可能存在地壳或岩石解析过程中空气来源的稀有气体稀释了岩石原位放射性成因的⁴He和⁴⁰Ar。基于页岩层段原位氦气生成速率与地壳氦释放通量的理论计算,页岩气样品中⁴He的原位累积时间和地壳补给时间都远小于对应地层的沉积年龄,表明地层沉积过程中存在构造运动导致原位生成的氦气发生散失。     

鄂尔多斯盆地致密砂岩气及伴生氦气形成演化特征

鄂尔多斯盆地孕育了中国最大的超大型致密砂岩大气区及目前中国最大的特大型富/含氦气田——东胜气田,也是中国首例特大型致密砂岩富/含氦气田。运用流体包裹体地球化学方法,对比分析流体包裹体气体与现今气藏中天然气组分和同位素差异,揭示了古今天然气地球化学与成藏演化过程及氦气地球化学特征。结果表明,现今气田主要以烃类气体为主,甲烷含量多数为90％~95％;现今气田中天然气δ¹³C₁、δ¹³C₂、δ¹³C₃、δ¹³C₄值分别为-36.5‰~-28.7‰、-25.3‰~-22.1‰、-27.0‰~-21.8‰、-25.6‰~-20.7‰。气层流体包裹体中δ¹³C₁、δ¹³C₂、δ¹³C₃值分布区间分别为-42.6‰~-24.6‰、-32.7‰~-18.0‰、-27.6‰~-15.1‰。流体包裹体中烷烃气与非烃气含量变化区间范围较大,主要为气源岩干酪根热降解气。流体包裹体中的烃类气,包含3个阶段捕获的天然气：①浅埋藏过程中,较低成熟烃源岩生成的轻碳同位素天然气;②最大深埋阶段,较高成熟源岩生烃排出的重碳同位素天然气;③抬升阶段,先期聚集的天然气次生调整捕获的轻碳同位素天然气。综合研究认为,上古生界煤系致密砂岩气,在天然气大规模生成、排放和充注过程中,运移方向以垂向运移为主,兼有侧向运移;进入致密砂岩后的二次运移及后期次生调整阶段,具有由南向北、由西向东短距离运移的总体趋势。致密砂岩气田中普遍含氦,总体资源规模巨大,位居中国多个盆地之首。鄂尔多斯盆地氦气为典型壳源成因,呈现弥散式分布、局部富集,氦气分布和富集受古老富U、Th元素基底岩系和深大断裂复合控制。     

壳源富氦天然气藏成藏模式及关键条件

近年来,氦气资源勘探与研究工作在中国得到了高度重视,但有关壳源富氦天然气藏的成藏条件与成藏机理的研究仍较薄弱。氦气特殊的物理化学性质以及氦源条件等决定了其从生成、释放、运移、聚集到保存均具有显著的独特性。壳源氦气主要是由岩石中铀、钍元素的放射性衰变而生成的,从生氦矿物中释放后,大部分溶解到地下流体中,进而以水溶态或气溶态进行运移。根据氦气的运聚过程以及载体的特征,氦气的聚集模式主要可归纳为3种：①地下水脱氦聚集模式;②独立气相“抽吸”聚集模式;③混合流体脱气聚集模式。通过分析和总结国内外代表性富氦天然气藏的地质特征,提出了连续成藏和幕式成藏2种壳源氦气的成藏模式。其中,美国潘汉德—胡果顿气田中的氦气具有连续成藏的特征,氦气充注时间长,主要通过地下水脱氦聚集到早先形成的烃类气藏中;坦桑尼亚Rukwa盆地、中国四川盆地威远气田以及塔里木盆地和田河气田则表现出幕式成藏特征,富氦天然气藏的形成主要受控于构造活动,且氦气与载气可能为同时成藏。基于系统总结提出了壳源富氦天然气藏的3个成藏关键条件：①稳定古老的基底,充足的氦源;②促进释放的热作用与构造活动,推动运聚的流体介质与构造活动;③早期存在的或与氦气同时成藏的载体气藏。     

中国中西部富氦气藏氦气富集机理——古老地层水脱氦富集

氦气是天然气中的伴生资源,是重要的稀缺战略物资,但对其富集机理研究却比较薄弱。针对富氦气藏中的氦气如何富集这一备受关注的难点问题,采用地球化学研究方法,在分析中国主要富氦气藏中氦气富集的基础上,认为氦气之所以在少数气藏中富集,是因为气藏额外捕获了古老地层水中释放出的氦气。古老地层水溶解的氦气释放到气藏,是富氦气藏中氦气富集的主要机理。首次提出富氦气藏的形成经历过“多源供氦、主源富氦”的观点,氦源来自烃源岩、储集层中U和Th的放射性衰变,以及地层水中溶解的来自其他岩石U和Th的衰变,主源是古老地层水中溶解的氦气,来自古老地层中U和Th经长时间的衰变积累的水溶氦。当溶有氦气的古老地层水与游离气或气藏相遇,由于水中氦气的分压远高于游离气或气藏中氦气的分压,根据亨利定律,水中的氦气几乎完全可以释放到气藏中,形成富氦气藏。     

松辽盆地富氦气藏差异性富集规律及有利区预测

氦气是稀缺战略资源,在国家安全和高新技术等领域发挥着重要的作用。松辽盆地作为中国大型陆相含油气盆地之一,具有良好的氦气资源显示,但对氦气来源尚无统一的认识,尤其对其富集规律缺少系统总结。基于此,对松辽盆地氦气来源、分布等特征进行了归纳,结合构造演化和岩浆作用等对其运移及富集规律做出初步分析,并预测了富氦气藏勘探有利区。结果表明：松辽盆地主要为幔源氦及壳源氦的混合气,幔源氦贡献在南北呈现一定的差异;盆地基底及周缘花岗岩、深大断裂和有利的盖层,是氦气富集的最重要影响因素;盆地中南部为幔源氦聚集的有利区带,东南部是壳源氦的有利富集区带,中央坳陷及东南隆起带是壳幔混源氦气聚集的有利区域。研究结果对松辽盆地氦气的高效勘探开发具有指导意义。