形成工业氦气藏的条件除常规天然气气藏的储、盖与圈闭条件外, 还与以下3个条件有关:①伸展性断裂发育的构造活动区(伸展性断裂发育并与上地壳深部或地幔勾通, 从而发育开启性良好的通道, 使氦气藏能源源不断地得到补给); ②盆地基底和周边发育火成岩体, 无论是壳源氦还是幔源氦气藏, 其来源都与深部岩浆作用有关, 壳源氦与富铀花岗岩关系密切^{[4, 5, 6]}(图1); ③氦气不能独立成藏, 必需有载体气(CH₄、CO₂、N₂等)气藏存在, 形成富氦载体气藏^[6]。

图 1

Fig.1

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	图 1 苏北地区断裂系统与含氦气藏关系图Fig.1 The fault system and helium gas reservoirs in Northern Jiangsu province

渭河盆地具备氦气成藏基本条件:①盆地深部和周边花岗岩体发育; ②现今仍为构造活动区, 大断裂发育; ③具有CH₄等载体气藏成藏条件, 并显示有天然气成藏信息。

渭深13井曾钻遇良好的气显示。油气测试产少量天然气, 气体组分为甲烷 20.80%~22.9%, 重烃0.09%~0.19%, 氮气50%~76%, 氦气2.13%~4.14%。

渭河盆地新生界地热井中伴生气显示十分普遍^{[7, 8, 9]}。世界上氦含量大于1 %的气藏极少, 目前国内报道氦含量大于1 %的仅黄桥气田黄浅2井、黄浅14井, 而区内63口井的气体样品中氦含量大于1%的有31口, 最高达9.23%, 居世界前列, 资源品位高。氦气含量较高井与靠近深大断裂分布的磁性体有关^{[9, 10]}。

天然气在自然界赋存状态有游离态、溶解态、吸附态及水合态。前3种都是渭河盆地氦气可能的赋存状态。

吸附气在自然界广泛存在, 但开发利用难度大、效益差, 吸附态氦气未见专门开发利用的报道。

从理论上讲, 凡是已经找到了油气聚集的盆地都存在水溶气资源, 那些没有发现工业价值油气藏的盆地也可能有水溶气资源。已查明的水溶气的资源量非常丰富, 但多数气体在水中的溶解度低, 水溶气资源丰度一般较低, 经济性差, 影响了对其的进一步利用^[11]。

目前获得广泛工业利用和具有巨大经济效益的主要是以游离态赋存的常规天然气。氦与载体气一起以游离态赋存于地层圈闭中, 是目前最有利于工业利用和具有良好经济效益的氦赋存状态。

现有资料初步表明, 渭河盆地不仅具有丰富的水溶氦气^[12], 还存在游离态富氦天然气藏。水溶气资源量巨大, 一旦分离、集输与多种资源综合利用工艺获得突破, 应用前景广阔。游离态富氦天然气经济、社会效益显著。

渭深13井蓝田-灞河组气层测试时曾发生“ 井喷” , 气体自井内喷出7 m多高, 说明“ 气层” 应有一定的压力和产能, 说明渭河局部存在富氦天然气藏。

长期观测的三普2号井, 在供暖季取水量增加, 井口压力减小时, 不仅伴生气总量增加, 伴生气相对含量也增加, 说明伴生气为非水溶气。如果是水溶气, 则对于压力相对稳定的地层水中水溶气含量基本稳定, 产水量增加时, 产气量同比例增加, 而气水比不应有大的变化。气水比随压力变化, 且略有滞后, 差别可达数倍, 只能说明压力下降可“ 解放” 气层产能, 压力下降时气层产出量比水层产出量增加更多, 气水产出不同源, 不是水溶气。

根据盆内广泛分布的高热演化煤型甲烷气及有机成因CO₂气, 结合地质及物探成果推测渭河盆地存在上古生代煤系地层^[13]。渭河盆地邻区, 鄂尔多斯盆地内部(陕北斜坡)广泛分布的上古生界煤系地层及三叠系烃源岩, 广泛出露于鄂尔多斯盆地南缘铜川— 韩城(即渭北隆起)一带, 在秦岭地区也有多处零星残留。上古生代煤系地层是鄂尔多斯盆地最重要的烃源岩层系, 渭河新生界盆地基底能够保存或部分残留该套地层, 将是渭河盆地烃类气的重要气源岩, 也为氦气富集提供了重要的载体气。

区内伴生甲烷气普遍发育, 渭河盆地地热井伴生气氦同位素为2.06× 10^-8~76.0× 10^-8, 以壳源氦为主, 形成了独特的壳源氦为主体的高氦— 富氦天然气(图2)。

图 2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 2 渭河盆地氦体积分数— 氦同位素关系及与我国东部气田对比图Fig.2 The helium volume fraction and helium isotope diagram of Weihe basin and Eastern China

气体中含甲烷普遍, 多数井甲烷含量为10%~20%, 固市凹陷渭南中医学院地热井水中伴生气甲烷含量为82.86%, 渭热1井伴生气甲烷含量为89.74%; 渭热2-1井张家坡组产可燃自喷气, 甲烷含量达98.51%, 发育甲烷气藏。浅层(张家坡组)甲烷气为生物气, 深部以高热演化煤型甲烷气为主^[14]。

固市凹陷渭南中医学院地热井水中伴生气甲烷含量为82.86%, 渭热1井伴生气甲烷含量为89.74%; 渭热2井发现良好气测显示, 渭热2-1井张家坡组产可燃自喷气, 甲烷含量达98.51%, 发育甲烷气藏。渭河盆地固市凹陷新近系张家坡组湖相暗色泥岩累计厚度数百米, 最大累计厚度达800余m(图3), 有机碳含量最大为1.3%, 一般0.5%左右, R_o值0.48%~0.60%, 平均0.55%, 演化程度为未成熟阶段, 是重要的生物气源岩^[11]。固市凹陷南部20余km²范围内, 10余口地热井新近系张家坡组产出低产可燃生物气(甲烷)流(图4), 生物气初现规模, 资源前景良好。

图 3

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	图 3 渭河盆地张家坡组暗色泥岩等厚图Fig.3 Isopach map of dark mudstone in Zhangjiapo Formation of Weihe basin

图 4

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	图 4 地热水伴生生物甲烷气点火照片Fig.4 Photos for the ignition of biogenic methane gas accompanying geothermal water

重力、电法和地震可探测盆地结构、构造。壳源氦来源于铀钍衰变, 花岗岩铀钍含量相对较高, 是主要的氦源岩, 盆地沉积盖层中发育花岗岩侵入体时, 地表显示弱正磁性异常, 1∶ 5万磁测可进一步查证和圈定磁性体(花岗岩)的分布范围(图5)。氦气化探显示地下有氦的局部富集, 地表异常以不规则块状异常为主, 并与磁性体分布范围吻合较好(图5、图6), 也反映了本区隐伏花岗岩是主要的氦源岩。气测录井能够标定天然气相对富集层段。

图 5

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	Figure Option ViewDownloadNew Window
'>	图 5 西安凹陷周至地区1∶ 5万磁法测量成果图Fig.5 Map of 1∶ 50 000 magnetic anomalies in Zhouzhi region of Xi'an depression

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
'>	图 6 西安凹陷周至地区1∶ 5万氦气化探成果图Fig.6 Map of 1∶ 50 000 helium anomalies in Zhouzhi region of Xi'an depression

氦气产生的速度相对较慢, 但氦气运移或聚集的速度则相对较快, 难以像常规油气那样以连续游离气相, 靠浮力作为主要动力进行二次运移, 而是以地下水为载体(水溶相或局部过饱和的有限分散游离相)进行二次运移, 相对常规油气为弱源气藏(图7)。这一模式对改造型叠合盆地深部烃源岩二次生气(强度较弱), 以水溶态运移, 游离态存储的深成弱源天然气成藏具有借鉴意义。

目前全球工业利用的氦气均为常规天然气藏的伴生氦气(甲烷等载体气在氦源元素铀的富集、He的脱溶与保存过程中都发挥着重要作用, 找He先得找其载体天然气气藏), 根据氦气富集模式, 可确定渭河盆地氦气资源调查应针对2个矿种(氦和甲烷), 4种类型(水溶性氦、甲烷伴生氦、煤型甲烷、生物气甲烷), 3种气藏(富氦甲烷气藏、生物气藏、水溶氦气藏)开展工作, 同时重视氮气藏。其中, 寻找甲烷等天然气伴生氦气藏为氦气调查的主要方向, 目前渭河盆地资料显示富氦甲烷气主要为产于深部的煤型甲烷气, 浅部张家滩组生物气含氦普遍较低; 水溶性氦气目前因绝对产量低, 分离、提纯、集输难度大, 工业利用工艺有待进一步突破; 浅层甲烷生物气藏具有重要工业意义。

图 7

Fig.7

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	图 7 氦气成藏模式示意图Fig.7 Schematic diagram of helium accumulation model