氦气在天然气藏中主要富集模式_秦胜飞.pdf

在天然气藏中主要富集模式氦气是重要的稀有战略资源，主要来自天然气，其中，富氦天然气是目前提氦最主要的原料气。氦气富集和天然气成藏有很大区别，对于氦气富集模式方面的研究，国内外开展得都较少，对氦气的富集模式认识比较局限。中国含油气盆地类型较多，不同类型盆地形成的富氦气藏地质背景不同，氦气富集模式多样，根据多年研究，可划分出两大类共6种富集模式。氦气在正常的天然气成藏系统中聚集，很难形成富氦气藏，烃源岩和储集层中U和Th生成的氦气被天然气捕获并稀释后只能形成低氦气藏。富氦气藏的形成必须有其他氦源作更多的补充，称之为主力氦源。富氦气藏的形成需要经过“多源聚氦，主源富氦”的过程，主力氦源可以是古老基底，也可以是来自地幔流体中的幔源氦。根据氦气来源，可把氦气富集分为两大类，即壳源氦富集和壳幔混合氦富集，两类氦气富集可划分出6种富集模式。古老地层水上移释氦富集模式烃源岩沉积后，其含有的U和Th持续缓慢生氦。烃源岩埋深加大、温度升高，进入生烃门限开始生烃、排烃。烃源岩中的矿物也陆续达到破裂温度释放氦气，氦气随油气一起运移到储集层，温度如果进一步升高，原油和干酪根可裂解成气。此时气藏中捕获了来自烃源岩和储集层U和Th衰变产生的氦气，形成低氦气藏。深部基底岩石矿物中的U和Th经过更长时间的衰变产生的氦随温度升高突破各种矿物对氦的封闭温度释放出氦，释放出的氦溶解于水中保存下来。基底岩石地质年代一般较老，生氦时间较长，累计生成的氦气较多，地层水中溶解的氦气则较多。随喜马拉雅期构造运动使地层抬升，同时产生沟通深部地层水与上覆气藏的深大断裂，在构造运动的驱使下，溶解氦气的深部地层水沿断裂向上运移，随温度和压力的降低，沿途可能释放出部分游离态氦气。氦气继续向上运移到气藏中，其余的氦气随地层水与气藏秦胜飞（中国石油勘探开发研究院）氦气模式划分依据壳源氦富集底、边水混合，与气藏发生气体交换反应，在亨利定律作用下，水中的氦气几乎可以全部释放到气藏中，气藏中的其他气体一部分会进入到水中（图1）。这种氦气富集模式的气田有四川盆地威远气田、塔里木盆地和田河气田、鄂尔多斯盆地杭锦旗气田等。天然气沿古老储集层运移富氦模式当天然气沿储集层横向运移时，可以捕获沿途地层水中溶解的氦气（图2）。地层水中溶解的氦气多少取决于储集层年龄和U、Th含量，年龄越老，U和Th含量越高，生成的氦气就越多。因此，这种富集模式一般发生在古老储集层中，要求天然气沿古老储集层进行运移，储集层越老，富氦效果越明显，同时也说明为何氦气往往富集在构造高部位，除了深部地层水会向构造高部位运移释放出氦气，游离气沿储集层向上倾方向运移，氦气含量会出现逐渐增加的趋势。柴达木盆地东坪气田氦气富集属该种模式，气田位于阿尔金山前东段，是喜山期构造运动作用下发育的大图1 古老地层水沿断层上移释氦在气藏中富集模式8石油知识 双月刊勘探开发/EXPLORATION AND DEVELOPMENT壳幔混合富氦气藏氦气富集模式型盆缘鼻状古隆起。东坪气藏属基岩型气藏，天然气主要储集于古近系下伏基底结晶岩系的岩浆岩或变质岩中。基岩为多期花岗岩和古生界变质岩组成的复合基底，年龄在4亿年以上。基岩不具生烃能力，但有较高的U、Th含量，生成氦气离开封闭矿物后进入基岩裂隙水中，天然气自东南向西北进入基岩储集层，捕获水中的氦气。富氦页岩气（煤层气）藏氦气富集模式页岩气藏因烃源岩生气量很大，对氦气有强烈的稀释作用，页岩气中很难发现富氦气藏，例如四川盆地焦石坝、昭通和威远志留系龙马溪组页岩气，氦气平均含量仅0.03%左右。富有机质页岩在热演化过程中生成的天然气一部分运移到上覆圈闭中形成贫氦天然气藏，另一部分保留在页岩形成贫氦页岩气藏。但如果是古老页岩气藏，气藏下面或附近可能发育其他古老岩层，比如古老花岗岩，就有可能形成富氦的页岩气藏（图3）。古老岩石中U和Th经过漫长地质时期累计生成的氦溶解于古老地层水中，地层水通过断裂运移与页岩气发生气体交换，可以使页岩气富氦。这样的例子在寒武系页岩气中可以见到。虽然威远地区龙马溪组页岩气藏氦气含量较低，但在寒武系页岩气中却发现了高氦含量的页岩气藏，W201-H3钻遇的寒武系页岩气，氦气含量为0.13%，达到富氦气藏标图2 天然气沿古老储集层运移过程的富氦模式准；另外，W201-H1井页岩气井通过4个不同时间的取样测试，氦气含量为0.1200%0.1286%，平均0.1236%。不仅是四川盆地，其他地区寒武系页岩气也可以形成富氦气藏，例如宜昌地区针对下寒武统页岩钻探的宜页1井经压裂后获高产气流，在压裂段采集的9个天然气样品，氦气平均含量为0.16%，该井位于黄陵花岗岩附近，主氦源应该是花岗岩体中的水溶氦。图3 富氦页岩气藏氦气富集模式图4 以烃类气为主的壳幔混合成因氦气富集模式目前发现的壳幔混合富氦气藏分布在东部含油气盆地，这些盆地是在陆壳内部基底上发育起来的拉张型中新生代断陷坳陷型含油气盆地。新生代以来，由于太平洋板块向欧亚板块的俯冲，使中国陆壳沿北北东方向产生地壳破裂带，上地幔沿着地壳减薄和地裂带隆升，局部地幔隆起区岩石圈减薄，上层地壳处于引张应力作用下，使原来古生界的基底块断破裂，形成一系列断陷盆地，并演化为大型坳陷盆地，包括幔源氦在内的地幔流体不可避免地或多或少参与到油气成藏过程中，在一些气藏中形成壳幔混合成因的富氦气藏。根据氦气富集具体特点，东部含油气盆地氦气的富集又可分为3种模式。以烃类为主壳幔混合氦气富集模式烃源岩在正常演化过程中生成的天然气，携带烃源岩中U和Th经放射性衰变形成的氦气运移到储集层，沿途可能会捕获运移路径上的少量氦气，最终把储集层溶解于水中的氦气捕获，这个过程只能形成贫氦气藏。构造活动产生了沟通上地幔的深大断裂，同时也在地壳中产生一系列断裂，断裂把基底中溶解在水中的氦气和幔源氦气带入气藏，使气藏富氦。这类气藏中的氦气幔源成分不高，主力氦源是基底岩石中溶解在水中的氦气（图4）。2023 年第 1 期92023 年第 1 期松辽盆地双城-太平川地区五站和太平庄气田中的氦气属于这类富集模式，气田以烷烃气为主，来自高-过成熟煤系烃源岩，氦气含量平均0.14%，幔源氦占比仅为2.2%6.0%。如果把幔源氦的成分扣除，仅壳源氦也可达富氦气藏标准，主力氦源为基岩中的水溶氦。以二氧化碳气为主壳幔混合氦气富集模式这类气藏以二氧化碳为主，含有少量氮气和烃类气体，气藏中幔源氦的比例超过50%。二氧化碳为无机成因，与岩浆活动有关，岩浆活动把深部流体带入气藏，同时形成的断裂把基底和其他岩层中的壳源氦气释放出来，一起带入气藏，这类气藏主力氦源来自地幔（图5）。例如三水盆地，形成于北西南东向挤压背景，沿北西向张性断裂发育的断陷盆地，沉积了巨厚的第三系，火山活动频繁、强烈，岩浆岩夹杂于沉积岩之中，属于深源岩浆。盆地中隶属于宝月气田的水深22、水深44等气藏，以二氧化碳为主，氦气主要来自地幔流体，少部分来自壳源氦；二氧化碳主要为岩浆幔源成因，也不排除部分二氧化碳来自被岩浆烘烤的碳酸盐岩，或热液与碳酸盐岩接触产生的二氧化碳，也可能来自酸性地层水溶解碳酸盐岩生成二氧化碳。松辽盆地万金塔二氧化碳气田中氦气接近富氦气藏，氦气富集模式与此相似，为壳幔混合型，以幔源氦气为主，气藏的形成与万金塔构造紧邻郯庐大断裂有关，也可能是万金塔气田正好坐落在古火山口上。以氮气为主的壳幔混合氦气富集模式气藏以氮气为主，含少量烃类和二氧化碳气体。氦气中幔源氦的比例往往小于50%，多以壳源氦为主。氦气主要主要由深部地壳U和Th的放射性衰变，氮气主要由地壳深部含氮化合物经过高温裂解生成，高温来自岩浆烘烤或热液。在岩浆和热液作用下，一方面，地壳中含氮化合物裂解产生氮气，另一方面，温度升高会突破氦气在各种矿物中的封闭温度，有利于氦从矿物中释放，释放出的微量氦与含氮化合物产生的氮气先溶解于孔隙水中，水中溶解的气体如果达到饱和可以形成游离气向上运移。岩浆活动在地壳产生断裂，在幔源流体上涌的同时，驱使深部地壳流体沿断层向上运移，在适当圈闭中形成以氮气为主的富氦气藏。如果区内有多个气藏叠加，下部气藏中二氧化碳含量往往较高，主要是因为下部气藏更靠近幔源流体，也可以接受水中释放的二氧化碳（图6）。图5 以二氧化碳气为主的壳幔混合成因氦气富集模式图6 以氮气为主的壳幔混合成因氦气富集模式典型的实例有苏北盆地黄桥气田中的溪桥气藏，该气藏为富氦的氮气藏，另外该气田还有以烃类气体为主和以二氧化碳为主的气藏，二氧化碳气藏位于氮气藏的下部。溪桥气藏中幔源氦的比例多介于30%50%，受岩浆活动影响，氦气来自壳幔混合来源。幔源流体驱使深部地壳流体沿断层向上运移，氮气和氦气优先占据上部储集空间，形成以氮气为主的富氦气藏，氦气不仅有来自壳源氦气，幔源流体中的部分挥发性气体有少部分混入到氮气藏中；幔源流体中的二氧化碳只能占据下部储集空间形成二氧化碳气藏，因二氧化碳气藏中仅存有幔源氦，未能形成富氦气藏。10石油知识 双月刊勘探开发/EXPLORATION AND DEVELOPMENT