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氦氣在天然氣藏中主要富集模式

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氦氣是重要的稀有戰(zhàn)略資源,主要來(lái)自天然氣,其中,富氦天然氣是目前提氦最主要的原料氣。氦氣富集和天然氣成藏有很大區(qū)別,對(duì)于氦氣富集模式方面的研究,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展得都較少,對(duì)氦氣的富集模式認(rèn)識(shí)比較局限。中國(guó)含油氣盆地類型較多,不同類型盆地形成的富氦氣藏地質(zhì)背景不同,氦氣富集模式多樣,根據(jù)多年研究,可劃分出兩大類共6種富集模式。

模式劃分依據(jù)

氦氣在正常的天然氣成藏系統(tǒng)中聚集,很難形成富氦氣藏,烴源巖和儲(chǔ)集層中U和Th生成的氦氣被天然氣捕獲并稀釋后只能形成低氦氣藏。富氦氣藏的形成必須有其他氦源作更多的補(bǔ)充,稱之為主力氦源。富氦氣藏的形成需要經(jīng)過(guò)“多源聚氦,主源富氦”的過(guò)程,主力氦源可以是古老基底,也可以是來(lái)自地幔流體中的幔源氦。根據(jù)氦氣來(lái)源,可把氦氣富集分為兩大類,即殼源氦富集和殼幔混合氦富集,兩類氦氣富集可劃分出6種富集模式。

殼源氦富集

古老地層水上移釋氦富集模式

烴源巖沉積后,其含有的U和Th持續(xù)緩慢生氦。烴源巖埋深加大、溫度升高,進(jìn)入生烴門限開(kāi)始生烴、排烴。烴源巖中的礦物也陸續(xù)達(dá)到破裂溫度釋放氦氣,氦氣隨油氣一起運(yùn)移到儲(chǔ)集層,溫度如果進(jìn)一步升高,原油和干酪根可裂解成氣。此時(shí)氣藏中捕獲了來(lái)自烴源巖和儲(chǔ)集層U和Th衰變產(chǎn)生的氦氣,形成低氦氣藏。深部基底巖石礦物中的U和Th經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的衰變產(chǎn)生的氦隨溫度升高突破各種礦物對(duì)氦的封閉溫度釋放出氦,釋放出的氦溶解于水中保存下來(lái)?;讕r石地質(zhì)年代一般較老,生氦時(shí)間較長(zhǎng),累計(jì)生成的氦氣較多,地層水中溶解的氦氣則較多。隨喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使地層抬升,同時(shí)產(chǎn)生溝通深部地層水與上覆氣藏的深大斷裂,在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的驅(qū)使下,溶解氦氣的深部地層水沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移,隨溫度和壓力的降低,沿途可能釋放出部分游離態(tài)氦氣。氦氣繼續(xù)向上運(yùn)移到氣藏中,其余的氦氣隨地層水與氣藏底、邊水混合,與氣藏發(fā)生氣體交換反應(yīng),在亨利定律作用下,水中的氦氣幾乎可以全部釋放到氣藏中,氣藏中的其他氣體一部分會(huì)進(jìn)入到水中(圖1)。這種氦氣富集模式的氣田有四川盆地威遠(yuǎn)氣田、塔里木盆地和田河氣田、鄂爾多斯盆地杭錦旗氣田等。

天然氣沿古老儲(chǔ)集層運(yùn)移富氦模式

當(dāng)天然氣沿儲(chǔ)集層橫向運(yùn)移時(shí),可以捕獲沿途地層水中溶解的氦氣(圖2)。地層水中溶解的氦氣多少取決于儲(chǔ)集層年齡和U、Th含量,年齡越老,U和Th含量越高,生成的氦氣就越多。因此,這種富集模式一般發(fā)生在古老儲(chǔ)集層中,要求天然氣沿古老儲(chǔ)集層進(jìn)行運(yùn)移,儲(chǔ)集層越老,富氦效果越明顯,同時(shí)也說(shuō)明為何氦氣往往富集在構(gòu)造高部位,除了深部地層水會(huì)向構(gòu)造高部位運(yùn)移釋放出氦氣,游離氣沿儲(chǔ)集層向上傾方向運(yùn)移,氦氣含量會(huì)出現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

柴達(dá)木盆地東坪氣田氦氣富集屬該種模式,氣田位于阿爾金山前東段,是喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下發(fā)育的大型盆緣鼻狀古隆起。東坪氣藏屬基巖型氣藏,天然氣主要儲(chǔ)集于古近系下伏基底結(jié)晶巖系的巖漿巖或變質(zhì)巖中?;鶐r為多期花崗巖和古生界變質(zhì)巖組成的復(fù)合基底,年齡在4億年以上。基巖不具生烴能力,但有較高的U、Th含量,生成氦氣離開(kāi)封閉礦物后進(jìn)入基巖裂隙水中,天然氣自東南向西北進(jìn)入基巖儲(chǔ)集層,捕獲水中的氦氣。

富氦頁(yè)巖氣(煤層氣)藏氦氣富集模式

頁(yè)巖氣藏因烴源巖生氣量很大,對(duì)氦氣有強(qiáng)烈的稀釋作用,頁(yè)巖氣中很難發(fā)現(xiàn)富氦氣藏,例如四川盆地焦石壩、昭通和威遠(yuǎn)志留系龍馬溪組頁(yè)巖氣,氦氣平均含量?jī)H0.03%左右。富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖在熱演化過(guò)程中生成的天然氣一部分運(yùn)移到上覆圈閉中形成貧氦天然氣藏,另一部分保留在頁(yè)巖形成貧氦頁(yè)巖氣藏。但如果是古老頁(yè)巖氣藏,氣藏下面或附近可能發(fā)育其他古老巖層,比如古老花崗巖,就有可能形成富氦的頁(yè)巖氣藏(圖3)。古老巖石中U和Th經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)地質(zhì)時(shí)期累計(jì)生成的氦溶解于古老地層水中,地層水通過(guò)斷裂運(yùn)移與頁(yè)巖氣發(fā)生氣體交換,可以使頁(yè)巖氣富氦。這樣的例子在寒武系頁(yè)巖氣中可以見(jiàn)到。

雖然威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁(yè)巖氣藏氦氣含量較低,但在寒武系頁(yè)巖氣中卻發(fā)現(xiàn)了高氦含量的頁(yè)巖氣藏,W201-H3鉆遇的寒武系頁(yè)巖氣,氦氣含量為0.13%,達(dá)到富氦氣藏標(biāo)準(zhǔn);另外,W201-H1井頁(yè)巖氣井通過(guò)4個(gè)不同時(shí)間的取樣測(cè)試,氦氣含量為0.1200%~0.1286%,平均0.1236%。不僅是四川盆地,其他地區(qū)寒武系頁(yè)巖氣也可以形成富氦氣藏,例如宜昌地區(qū)針對(duì)下寒武統(tǒng)頁(yè)巖鉆探的宜頁(yè)1井經(jīng)壓裂后獲高產(chǎn)氣流,在壓裂段采集的9個(gè)天然氣樣品,氦氣平均含量為0.16%,該井位于黃陵花崗巖附近,主氦源應(yīng)該是花崗巖體中的水溶氦。

殼?;旌细缓獠睾飧患J?/strong>

目前發(fā)現(xiàn)的殼?;旌细缓獠胤植荚跂|部含油氣盆地,這些盆地是在陸殼內(nèi)部基底上發(fā)育起來(lái)的拉張型中新生代斷陷-坳陷型含油氣盆地。新生代以來(lái),由于太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖,使中國(guó)陸殼沿北北東方向產(chǎn)生地殼破裂帶,上地幔沿著地殼減薄和地裂帶隆升,局部地幔隆起區(qū)巖石圈減薄,上層地殼處于引張應(yīng)力作用下,使原來(lái)古生界的基底塊斷破裂,形成一系列斷陷盆地,并演化為大型坳陷盆地,包括幔源氦在內(nèi)的地幔流體不可避免地或多或少參與到油氣成藏過(guò)程中,在一些氣藏中形成殼幔混合成因的富氦氣藏。根據(jù)氦氣富集具體特點(diǎn),東部含油氣盆地氦氣的富集又可分為3種模式。

以烴類為主殼?;旌虾飧患J?/p>

烴源巖在正常演化過(guò)程中生成的天然氣,攜帶烴源巖中U和Th經(jīng)放射性衰變形成的氦氣運(yùn)移到儲(chǔ)集層,沿途可能會(huì)捕獲運(yùn)移路徑上的少量氦氣,最終把儲(chǔ)集層溶解于水中的氦氣捕獲,這個(gè)過(guò)程只能形成貧氦氣藏。構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生了溝通上地幔的深大斷裂,同時(shí)也在地殼中產(chǎn)生一系列斷裂,斷裂把基底中溶解在水中的氦氣和幔源氦氣帶入氣藏,使氣藏富氦。這類氣藏中的氦氣幔源成分不高,主力氦源是基底巖石中溶解在水中的氦氣(圖4)。

松遼盆地雙城-太平川地區(qū)五站和太平莊氣田中的氦氣屬于這類富集模式,氣田以烷烴氣為主,來(lái)自高-過(guò)成熟煤系烴源巖,氦氣含量平均0.14%,幔源氦占比僅為2.2%~6.0%。如果把幔源氦的成分扣除,僅殼源氦也可達(dá)富氦氣藏標(biāo)準(zhǔn),主力氦源為基巖中的水溶氦。

以二氧化碳?xì)鉃橹鳉め;旌虾飧患J?/p>

這類氣藏以二氧化碳為主,含有少量氮?dú)夂蜔N類氣體,氣藏中幔源氦的比例超過(guò)50%。二氧化碳為無(wú)機(jī)成因,與巖漿活動(dòng)有關(guān),巖漿活動(dòng)把深部流體帶入氣藏,同時(shí)形成的斷裂把基底和其他巖層中的殼源氦氣釋放出來(lái),一起帶入氣藏,這類氣藏主力氦源來(lái)自地幔(圖5)。例如三水盆地,形成于北西-南東向擠壓背景,沿北西向張性斷裂發(fā)育的斷陷盆地,沉積了巨厚的第三系,火山活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈,巖漿巖夾雜于沉積巖之中,屬于深源巖漿。盆地中隸屬于寶月氣田的水深22、水深44等氣藏,以二氧化碳為主,氦氣主要來(lái)自地幔流體,少部分來(lái)自殼源氦;二氧化碳主要為巖漿-幔源成因,也不排除部分二氧化碳來(lái)自被巖漿烘烤的碳酸鹽巖,或熱液與碳酸鹽巖接觸產(chǎn)生的二氧化碳,也可能來(lái)自酸性地層水溶解碳酸鹽巖生成二氧化碳。松遼盆地萬(wàn)金塔二氧化碳?xì)馓镏泻饨咏缓獠兀飧患J脚c此相似,為殼?;旌闲停葬T春鉃橹?,氣藏的形成與萬(wàn)金塔構(gòu)造緊鄰郯廬大斷裂有關(guān),也可能是萬(wàn)金塔氣田正好坐落在古火山口上。

以氮?dú)鉃橹鞯臍め;旌虾飧患J?/p>

氣藏以氮?dú)鉃橹鳎倭繜N類和二氧化碳?xì)怏w。氦氣中幔源氦的比例往往小于50%,多以殼源氦為主。氦氣主要主要由深部地殼U和Th的放射性衰變,氮?dú)庵饕傻貧ど畈亢衔锝?jīng)過(guò)高溫裂解生成,高溫來(lái)自巖漿烘烤或熱液。在巖漿和熱液作用下,一方面,地殼中含氮化合物裂解產(chǎn)生氮?dú)?,另一方面,溫度升高?huì)突破氦氣在各種礦物中的封閉溫度,有利于氦從礦物中釋放,釋放出的微量氦與含氮化合物產(chǎn)生的氮?dú)庀热芙庥诳紫端?,水中溶解的氣體如果達(dá)到飽和可以形成游離氣向上運(yùn)移。巖漿活動(dòng)在地殼產(chǎn)生斷裂,在幔源流體上涌的同時(shí),驅(qū)使深部地殼流體沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移,在適當(dāng)圈閉中形成以氮?dú)鉃橹鞯母缓獠亍H绻麉^(qū)內(nèi)有多個(gè)氣藏疊加,下部氣藏中二氧化碳含量往往較高,主要是因?yàn)橄虏繗獠馗拷T戳黧w,也可以接受水中釋放的二氧化碳(圖6)。

典型的實(shí)例有蘇北盆地黃橋氣田中的溪橋氣藏,該氣藏為富氦的氮?dú)獠?,另外該氣田還有以烴類氣體為主和以二氧化碳為主的氣藏,二氧化碳?xì)獠匚挥诘獨(dú)獠氐南虏?。溪橋氣藏中幔源氦的比例多介?0%~50%,受巖漿活動(dòng)影響,氦氣來(lái)自殼?;旌蟻?lái)源。幔源流體驅(qū)使深部地殼流體沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移,氮?dú)夂秃鈨?yōu)先占據(jù)上部?jī)?chǔ)集空間,形成以氮?dú)鉃橹鞯母缓獠兀獠粌H有來(lái)自殼源氦氣,幔源流體中的部分揮發(fā)性氣體有少部分混入到氮?dú)獠刂?;幔源流體中的二氧化碳只能占據(jù)下部?jī)?chǔ)集空間形成二氧化碳?xì)獠兀蚨趸細(xì)獠刂袃H存有幔源氦,未能形成富氦氣藏。

作者:秦勝飛(中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院)

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