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。     

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)×10^-6之间,均值约为378×10^-6;煤层气的氦气含量分布范围在(0.04～19 000)×10^-6之间,均值约为816×10^-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...     

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。     

四川盆地涪陵页岩气田氦气资源潜力与成因机理

四川盆地涪陵页岩气田的页岩气中普遍含氦,氦气含量介于0.034%～0.062%之间,分布较均匀、稳定,为典型壳源氦,氦含量高值区无明显分布规律,粗略来看,有机碳含量介于3.7%～3.9%之间,氦含量普遍相对较高,基本都大于0.042%,或许在这一区间,氦气与页岩气含量比值在涪陵地区达到了一个相对最佳值。分别采用组分法和成因法对涪陵页岩气田氦气资源量进行估算,结果显示：氦气资源量均在2.5×10⁸ m³左右,氦气丰度大约是页岩气丰度的0.04%,属于特大型贫氦气田。富有机质页岩也是一种良好的氦源岩,涪陵地区富有机质页岩中放射性元素铀、钍的含量普遍较高,且越靠近龙马溪组底部,样品铀含量越高,该套页岩在漫长的地质历史时期产生了大量的氦气;同时研究区良好的保存条件能有效阻止氦气扩散和渗漏,这对氦气的富集与保存起到至关重要的作用。     

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...     

中国氦气资源成藏规律与开发前景

氦气是一种关系国民经济和高新技术产业发展的全球性稀缺资源,中国工业用氦主要依赖进口,因此急需明确氦气成藏富集规律、寻找富氦气田,落实中国氦气资源家底和开发潜力。系统梳理了全球氦气资源分布及开发现状,开展国内氦气资源普查与分布研究,剖析了国内典型富氦气田气藏特征及成藏条件,明确了中国主要富氦气田氦气成因来源和富集成藏主控因素,认为中国天然气中氦气主要以壳源为主,指出相对浅埋的富铀钍古老花岗岩基底或侵入体、早期形成的大型稳定古隆起或古潜山、良好的上覆巨厚膏盐岩或泥岩盖层、沟通基底和储层的运移通道是氦气成藏富集的主控因素,建立了富氦常规气、富氦页岩气、富氦非烃气和富氦水溶气4种不同类型富氦气藏的成藏模式并预测富氦有利勘探区。在此基础上分析了中国氦气资源开发前景,提出了寻找富氦气田,加强中、低丰度氦气资源综合开发利用是未来提高中国国内氦气产量的重要方式。     

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。     

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...     

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。     

基岩型富氦气藏形成条件

氦气是一种广泛应用于军工、航天、医疗等高新技术产业的稀缺战略资源,但其在世界分布极其不均,中国是贫氦国家面临着严峻的氦气供给安全问题。在系统总结前人研究成果基础上,结合本次实验分析对比了世界上最成熟的氦气生产气田（美国潘汉德—胡果顿气田）与中国氦气生产潜力较大的东坪气田,探讨两者的成藏要素及富氦机理。结果发现：两者均是以天然气作为载体气的基岩型富氦气藏,储层物性好,均发育以膏岩为主的低渗致密的良好盖层。两者的差异性在于,前者花岗岩形成年代更为古老,尤其是碳酸盐岩地层中富含的花岗岩碎屑,其年龄集中在元古宙,平均比东坪气田花岗岩的形成年代早400 Ma;前者氦气运移模式偏向于单一的饱和地下水脱溶释放,而后者存在“过路”古老花岗岩储层的天然气“萃取”释放。两者对比之下,提出形成年代久远的高U、Th氦源岩、充足的载体气、良好的基岩风化壳储层与致密的盖层,和充足的地下水（边底水）作为媒介参与氦气运移,是形成基岩型富氦气藏的必要条件。     

天然气中氦资源研究现状及我国氦资源前景

氦气具有强化学惰性和低沸点等独有特征,在高新技术产业和科研实验中具有不可替代的作用。氦在地球上以微量组分广泛分布,但从含氦、富氦天然气藏中提取氦气仍是工业制氦的唯一途径。目前全球已发现的氦储量主要分布在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大等国,上述五国氦储量占全球总储量的92%。天然气藏中的氦气有3个主要来源：大气源、壳源和幔源。目前主要根据³He/⁴He值来确定氦的来源,通常大气源的³He/⁴He值为1.4×10^-6、壳源的³He/⁴He值为2×10^-8和幔源的³He/⁴He值为1.1×10^-5。富氦天然气的成藏条件和成藏特征与常规天然气藏既有共性又有明显的差异,一些有利于形成大型油气藏的高生烃强度地区,反而不利于富氦、高氦气藏的形成。而生烃强度相对低的隆起区则有利于富氦、高氦气藏的形成。全球已发现的氦气资源主要分布于晚元古代—古生代地台背景下的沉积盆地,此外在中—新生代构造—岩浆活动强烈且具有古老花岗岩的基底区也是富氦气藏发育的有利区带。现有资料表明,中国四川盆地、塔里木盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯盆地和东部中新生界含油气盆地中已发现一些富氦气藏。同时非常规天然气领域亦展现出良好的氦资源勘探前景,如渭河盆地水溶气和四川盆地页岩气。中国富氦天然气具有点多、类型多、资源前景较好的特征,但氦气资源整体研究程度很低。     

塔里木盆地氦气地球化学特征及有利勘探区

基于对塔里木盆地多个构造单元天然气中氦气相对含量及同位素组成特征,结合地质背景与典型富氦气藏分析该盆地氦气地球化学特征及有利勘探区。研究表明：塔里木盆地富氦天然气显示良好,总体上台盆区富氦天然气显示优于前陆区;塔里木盆地氦气以壳源成因为主;该盆地天然气中氦气相对含量与氮气相对含量具有一定的正相关关系,氮气相对含量高的气藏中氦气相对含量一般较高。塔里木盆地氦气勘探普查可以重点关注氮气相对含量高的气藏。氦在地质体中可能主要以水溶形式发生运移,富集成藏与地层水关系密切。受到不同物质在水中分压差异影响,结合亨利定律分析,地层水在富氦天然气聚集过程中可以起到“提氦泵”的作用。良好的输导体系以及优质的氦源是富氦气藏形成的基础;塔里木盆地多个区块具有良好的富氦天然气显示,尤其是在沙雅隆起、卡塔克隆起、麦盖提斜坡、巴楚隆起等构造单元,该系列构造单元具有良好的氦源以及天然气成藏条件,有利于富氦天然气聚集,该系列构造单元是塔里木盆地氦气勘探的优先考虑区块。大顺北地区天然气勘探前景好,并且该构造单元是“十四五”海相天然气勘探重点区块,也应该加强对该区的氦气勘探普查工作。     

氦气资源的分类、特征及富集主控因素分析

我国氦气供应量不足,根本原因是氦气资源相对贫乏。加强对富氦天然气的分类研究,明确不同类型氦气藏的特征及富集主控因素,对促进我国氦气勘探开发研究和保障我国用氦安全都具有重要意义。通过研究氦气的成因,同时考虑氦气资源丰度禀赋,铀、钍放射性元素所处空间层位,载体气藏类型,以及成藏主控因素的差别,对含氦气藏进行了细致划分。氦气藏总体分为两类：壳幔混合型和壳源型,壳源型又可细分为壳源远源型(包括烃类伴生型和水溶气型)和壳源近源型(页岩气型),不同类型氦气资源特征大相径庭。从国内目前发现的氦气藏来看,只有与烃类气藏共同成藏的壳源氦才具有工业利用价值,尽管其资源品位相对较低,但资源潜力较大。壳源远源型和壳源近源型氦气藏富集主控因素大致相同,但在氦源岩和运移通道上存在差异。     

鄂尔多斯盆地东胜与大牛地气田壳源氦气成藏差异性

当前研究发现,氦气的成藏与天然气具有耦合效应,二者表现为异生同储关系,但氦气的成藏理论尚不完善。研究从氦源岩、运移方式等方面入手,剖析鄂尔多斯盆地东胜与大牛地气田氦气成藏差异性,研究表明：(1)2个气田主要氦源均为基底岩石氦气,东胜气田可能氦源岩有富U、Th的基底岩石、煤层,大牛地气田可能氦源岩有基底岩石、煤层与铝土岩层;(2)东胜气田内部发育连通基底的断裂,为烷烃气与氦气运移提供通道,大牛地气田下方也存在基底断裂,但气田内部靠生烃作用产生的微裂缝进行运移;(3)对比二者成藏模式,认为连通基底与储层的深大断裂对于氦气成藏具有促进作用。     

氦气与氮气富集耦合作用及其重要意义

氦气是重要的稀有战略资源,目前主要来自天然气。氦气如何在气藏中富集是当前研究热点,也是氦气勘探迫切需要解决的关键问题。在柴达木盆地、四川盆地和准噶尔盆地采集天然气样品进行氦气和氮气含量测试及分析,并结合对其他国内外主要富氦气田天然气组分和氦气含量研究,发现富氦气田中氦气含量与氮气具有很好的相关性。不仅如此,一些贫氦气田也存在该现象。据此,提出氦气富集与氮气具有耦合作用,二者同时在天然气中富集,都与地下水有关,可能来自相同的源岩。氦气与氮气耦合关系的提出,或许能够真正找到氦气富集的奥秘,为寻找富氦资源打开新思路,为氦气富集理论提供依据。     

放射性成因氦气如何在气藏中富集

<正>氦是迄今发现的自然界中熔点和沸点最低的元素,广泛应用于航天、军工、核工业等高科技等领域,是重要的稀有战略资源,且不可代替。氦气作为天然气的伴生资源,仅在少数气藏中富集,绝大多数天然气藏中氦气含量较低,为贫氦气藏。氦气为什么仅在少数气藏中富集？富氦气藏的氦源来自哪里？富集机理是什么？这些问题一直困扰着研究人员。     

煤层气藏与页岩气藏

该文介绍了煤层气藏和页岩气藏的储层机理及其钻井、完井和开采方法;储量的计算方法;商业价值的评估;美国主要煤层气藏和页岩气藏的地理位置、产量和开采特点;煤层气藏和页岩气藏开发的技术支持以及在美国以外国家的发现现状。煤层气藏和页岩气藏的开发在美国已进行了二十多年,美国的经验会对其他国家的煤层气开发起到很好的借鉴作用。     

塔里木盆地雅克拉地区氦气资源评价与成藏模式

塔里木盆地北部雅克拉地区发现具有开采价值的含氦气田,其中古生界氦气的平均含量为0.31%,是氦气资源量最丰富的层位,高于氦气工业生产标准,但其氦气资源潜力和成藏模式尚不清楚。基于雅克拉地区14口钻井的自然伽马能谱测井资料,对雅克拉地区古生界氦气资源生成量进行了定量评估,并结合成藏要素进行综合分析,根据氦气的运聚过程及载体特征,总结出氦气成藏模式。结果表明：雅克拉地区古生界平均生氦潜量为2.37×10^-10 cm³/g,氦气生成总量为3.22×10⁹ m³。生氦潜量最高的区域位于沙15井附近区域,其次为沙49井附近区域,从沙5井至沙49井的呈带状展布的狭长地带是生氦主力。区域内古生界沉积岩系供给含氦气藏的氦气量可高于天然气藏中的氦气总量,沉积岩系可为有效氦源岩,生成氦气以主要形成于加里东—海西构造期的断裂、裂缝为运移通道,在地下水和天然气的协助下持续运移,以古老地层水运移聚氦模式、天然气沿古老储层运移聚氦模式进行聚集成藏,上覆3套厚度较大的泥岩层、膏岩层,可对气藏有效的封存保护。     

高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷吸附—扩散性能的实验分析

煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能是煤层气/页岩气资源评价的关键参数之一。通过对晋城矿区寺河井田二叠系山西组3号煤层样和华南古生界下志留统龙马溪组页岩样进行低温液氮和甲烷等温吸附实验,剖析了高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附—扩散性能,建立了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性模型,对比分析了煤/页岩中甲烷的吸附—扩散性能的差异性和控制机理。结果表明,高演化富有机质页岩样和高煤阶煤样的孔容均主要由介孔和大孔贡献,比表面积主要由微孔和介孔贡献,且高演化富有机质页岩样纳米孔隙更发育,比表面积和孔容要大于煤样。高演化富有机质页岩和高煤阶煤中甲烷的吸附和扩散规律服从Langmuir方程,高演化富有机质页岩中甲烷吸附性能明显低于高煤阶煤,且随着高演化富有机质页岩TOC含量的增加而增高;但其对甲烷扩散性能要高于高煤阶煤一个数量级。高演化富有机质页岩样中孔隙多为开放型,而高阶煤基质孔隙多为半封闭型。对于半封闭型孔隙,强吸附质的溶入会改变吸附剂的大分子结构,其吸附与解吸过程不是可逆的,存在解吸滞后现象,导致高演化富有机质页岩与高煤阶煤中甲烷解吸—扩散过程与扩散—吸附过程中的扩散性能差异性。     

哈萨克斯坦苏克气田富氦天然气藏地质特征及成藏主控因素

根据13口新井岩心、物性、测井、试气、气组分和氦气分布等资料,结合区域构造演化、沉积背景和典型气藏剖面,分析并总结富氦天然气藏地质特征及成藏主控因素。研究结果表明：自下而上发育基底花岗岩和变质岩裂缝型气藏、上泥盆统致密砂岩构造气藏和下石炭统大面积分布的连续型碳酸盐岩气藏;构造高点裂缝发育形成高产,构造低点普遍含气;干气天然气中富含氦气,氦气含量自下向上逐渐减少;广覆式分布的前泥盆系花岗岩和变质岩基底为氦气主要来源,上泥盆统和下石炭统百米厚度高伽马砂岩作为次要氦源;断层形成双向输导,一方面将下石炭统烃源岩生成的烃类气体向下运移至上泥盆统和基底圈闭;另一方面将下部生成的氦气向上运移至下石炭统气藏中;下石炭统顶部发育厚层、互层状硬石膏和致密灰岩作为区域盖层对富氦天然气藏起到保存作用。