1.1.1 完成了全盆地地热井伴生气含氦调查

调查发现渭河盆地新生界地热井中氦气显示十分普遍, 80口井的地热水溶气样品中氦含量(体积分数)大于1%的有39口, 大于2%的有17口, 大于3%的有10口, 氦含量最高达到9.2%, 居世界前列(氦气工业品位0.05%~0.1%)。利用已有钻井气层测试成果、地热井伴生氦气动态监测、渭新1井测试分析、气体组分分析和稀有气体同位素示踪等手段, 进一步揭示了氦气赋存状态, 提出了渭河盆地水溶气广泛分布、富氦天然气局部富集的新认识, 为渭河盆地氦气资源实现工业化开发利用指明了勘探方向^{[4, 5]}。

1.1.2 基本查明了渭河盆地氦气富集地质条件

调查表明渭河盆地不仅具备有利的常规油气的储、盖与圈闭条件, 也具备优越氦气富集基本条件。调查表明: 盆地具有长期稳定的古老基底, 盆地南缘分布大量富铀、钍花岗岩, 基底存在多个磁性异常体, 具备优质、充足的氦源; 盆地基底残存上古生界煤系烃源岩, 具备生气强度适中的载体气源条件; 盆内断裂系统是氦气富集的运移通道; 主要储集层上覆有巨厚的泥岩盖层, 后期构造活动对盖层改造作用较弱, 有利于富氦气藏保存; 活跃的地下水为水溶气提供了巨大的存储载体, 为氦气的运移、富集提供了介质。同时发现有油气的产出, 表明渭河盆地有望成为热(地热)、油、气(天然气、氦气)等多能源资源盆地^{[4, 6-8]}。

1.1.3 圈定氦气富集远景区3处

通过开展地热井伴生气含氦调查、面积性重力和磁法测量, 1∶ 5万面积性油气-氦气化探、大地电磁测深、二维地震测量氦源岩野外调查、老井复查与资料补录、氦气气测录井等工作, 基本查明了渭河盆地氦气远景区地层层序和构造格架, 重点刻画了隐伏氦源岩(花岗岩体)和断裂特征。分别圈定了华州— 潼关、武功— 咸阳和鄠邑— 蓝田3处氦气远景区和渭南— 固市油气资源远景区, 指出咸渭凸起武功— 兴平地区和固市凹陷南部华州— 华阴地区为氦气富集有利目标区(图1)^[4]。

图1

Fig.1

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	图1 渭河盆地氦气远景区评价[4]Fig.1 Evaluation of helium prospective areas in Weihe Basin[4]

1.1.4 初步评价了渭河盆地氦气资源量

基于氦源岩调查成果, 估算盆地内4 000 m以浅的水溶氦气资源量达21.30× 10⁸ m³。初步预测了渭河盆地潜在氦源岩在不同时间段的生氦量, 估算结果为自花岗岩体形成、渭河盆地断陷和主储氦层(蓝田— 灞河组)形成以来等3个关键时段的生氦量分别为185.21× 10⁸ m³、37.58× 10⁸ m³ 和4.16× 10⁸ m³, 进一步明确了盆地氦气资源前景^[9]。

1.1.5 重点评价了渭河盆地固市凹陷华州北地区氦气资源前景

通过氦气成藏地质条件研究与二维地震资料精细解释, 优选有利圈闭1个, 论证井位目标1个, 为氦气调查井钻探奠定了坚实基础。区内富华农邦、华县2等多口地热井显示该地区深部存在富氦天然气藏。地质、物探、化探资料显示, 固市凹陷基底存在上古生界烃源岩系, 具备载体气源岩条件。南缘及基底大面积分布富铀、钍花岗岩, 氦源岩条件优越。张家坡组为一套上千米厚的浅湖相泥岩、薄砂岩互层, 封盖条件好, 蓝田— 灞河组和高陵群为扇三角洲、河流相砂泥岩互层, 储集条件优越, 储盖配置有利, 岩性圈闭发育。二维地震揭示该区东部背斜圈闭成藏条件良好, 提交了陕华氦地1井井位目标。初步建立了华州北地区富氦天然气成藏模式(图2), 首先, CH₄和N₂在有利圈闭形成游离气藏; 然后, 含氦溶解气随地下水运移过程中, 与气藏底部持续接触; 最终, 溶解氦在气水界面处不断脱溶进入天然气藏中, 长期积累形成富氦混合气藏^[10]。

图2

Fig.2

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	图2 渭河盆地固市凹陷华州北地区氦气成藏模式[10] Ar.太古界变质岩; E3b.白鹿原组; N1g.高陵群; N2l+b.蓝田灞河组; N2z.张家坡组; Q1s.三门组; γ 5+6.印支— 燕山期花岗岩Fig.2 Helium accumulation model of Gusi Depression in Northern Huazhou of Weihe Basin[10]

目前工业利用的氦气主要为放射性元素U、Th衰变形成的壳源氦。氦气富集过程与油气虽有相似性, 但也有明显的差异。基于地壳中U、Th元素的丰度非常低、半衰期又特别长、壳源氦生气强度极低的特点, 提出了壳源氦为典型的“ 弱源气” 的基本认识。按照油气地质理论, 壳源氦形成过程不存在集中的生气高峰, 生氦强度(单位体积生氦速率)极低, 难以形成足够压力以突破“ 压力封存箱” 形成大规模集中排气。据此提出氦气弱源成藏概念。形成了以地下流体(含氦地下水)循环为纽带, 岩石-地下水-气藏物质交换与氦赋存状态转换为核心的氦气富集概念模型^{[11, 12, 13, 14]}。

根据亨利定律, 提出了地层水中低溶解度和低丰度(低分压)氦气从水溶态转变为游离气态进入气藏的富集(氦含量达到0.05%~0.1%)机制。即含氦地下水(流体)一旦遇到天然气藏, 氦在水中的低溶解度和在气藏中的低丰度(低分压)决定了氦趋向于从水溶态转变为气相游离态进入气藏, 使得气藏附近水体中溶解氦形成低浓度漏斗, 导致渗流系统内的水溶态氦向气藏附近迁移, 并最终大部分以气相进入气藏, 氦气的运聚系数因此大大提高, 很好地弥补了弱源氦难富集的问题。基于氦气在不同相态中分压与溶解度的差异, 提出气藏中小分子氦难以溶解扩散, 并得以保存的机理。系统性回答了弱源氦在氦源岩处能够“ 运得出” 、遇到气藏可以“ 脱得出” 、进入气藏还能“ 保得住” 的富集(成藏)过程中的关键地质问题^[15]。

氦气生成的“ 弱源性” 是影响其与天然气(烃类)成藏过程差异的最重要因素, 决定了氦气只能以微量组分伴生于烃类等载体气藏中, 因氦气与天然气(载体气)成因不同, 富集与天然气(载体气)藏密切相关, 富集过程必然是“ 异源同储” 过程。富氦气藏形成需要有载体气藏的存在, 还必需要有富铀、钍, 且贫有机质的岩类作为氦源岩, 以避免氦气被过度稀释^[13]。

在油气区, 富氦气藏为氦气与烃类气异源同储成因, 含氦流体运移通道上有天然气藏发育时, 按照“ 亨利定律” , 因氦气在气藏中的低丰度即可成矿, 导致分压降低的幅度可远高于深度减小引起的压力降低, 使水溶氦更容易在气水(流体)界面脱溶, 以气相进入载体气藏并积累, 形成富氦气藏。由于氦源多来自深部, 在氦源不足的背景下, 位于含氦流体运移通道前端的深部天然气藏, 因“ 近水楼台先得月” , 可优先“ 捕获” 氦气, 比运移通道后端的天然气藏更富氦, 不在运移通道上的天然气藏难以“ 捕获” 氦气而贫氦(图3)^[13]。如果氦源充足时, 浅部更有利于氦脱溶, 保存条件将成为气藏氦丰度的重要影响因素之一。

图3

Fig.3

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	图3 氦气脱溶充注富集模式[13]Fig.3 Diagram for helium enrichment model of desolvation charging[13]

在非油气区, 深源流体向上运移过程中没有载体气藏来降低分压使溶解氦脱溶, 深部高压溶解的N₂-He气, 与溶剂流体一起持续向上疏导, 至浅部时因地层压力显著降低, 而脱溶形成N₂-He气藏。由于N₂-He气藏未像油区气藏那样经历外部异源气体的稀释, 因此氦丰度一般远高于烃类气藏氦含量^[13]。

作为异源同储气藏的氦源和载体气气源合理配置对氦气富集具有重要作用。没有载体气藏, 氦气难以脱溶以气相形成富氦气藏, 而有限的氦资源注入到储集量巨大的载体气藏中, 则因过度稀释而丰度不足(有量无质), 载体气藏规模太小则难以维持合理的生产时间, 不利工业开发(有质无量), 只有储集的氦资源量与载体气资源量配合适当, 才能形成相对量(品位)与绝对量(体量)均衡的工业性富氦天然气藏^[14]。

根据氦气富集的特殊性, 总结出有效氦源岩、高效运移通道、适度的载体气藏是氦气富集(成藏)的基本条件^[4]。

氦气富集需要合适的地质活动。氦源一般较烃类气源埋藏更深, 生成的氦资源更加分散, 没有一定的地质活动和断裂等高效运移通道, 深部氦源运移到载体气藏处完成充注、富集, 比烃类气难度更大; 而地质活动太强则没有保存条件, 富氦气藏同样难以形成。因此, 富氦天然气藏形成需要活动与稳定恰当配置的地质条件, 即富氦天然气藏多发育于稳定区的活动带或活动区的稳定带, 如克拉通隆起区及克拉通边缘活化带^[13]。

目前工业利用的氦气资源主要为放射性元素U、Th衰变形成的壳源氦。在各类岩石中, 除铀矿外, 烃源岩铀、钍含量最高, 是生氦效率最高的岩类(图4), 但其生烃能力太强, 氦气则被大大稀释, 无法足够富集。而形成富氦气藏需要有富铀、钍而贫有机质的岩类作为氦源岩。目前花岗岩等酸性岩是较为公认的主要氦源岩之一, 与花岗岩类相关的变质基底也是氦源的重要贡献者^[16]。

图4

Fig.4

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	图4 不同岩石生氦速率示意图(据参考文献[17]修编) 注: 1 ft3=0.028 3 m3。Fig.4 Schematic diagram of helium generation rates for different rocks (modified by reference[17])

华北地区本溪组(C₂b)为主的铝土岩系, 铀、钍含量好于渭河盆地周缘花岗岩, 计算表明, 生氦速率仅次于烃源岩(图4), 由于本溪组时代较老, 每立方米岩石计算累计生氦2.43 L, 生氦能力好于渭河盆地中生代花岗岩及鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7油页岩(表1), 属优质氦源岩。虽然铝土岩系厚度不是很大, 生氦总量不是非常大, 但生氦强度较大, 有利于氦气聚集。其对氦气富集的作用, 类似于长7烃源岩对鄂尔多斯盆地中生界油气的作用。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 不同氦源岩生氦能力数据 Tab.1 Data of helium production capacity for different helium source rocks 氦源岩 渭河中生代 花岗岩 鄂尔多斯盆地 长7油页岩 本溪组铝土岩 河南 晋中 年龄/Ma 150 230 310 生氦强度/ (L· m-3) 0.47 2.22 2.43 3.69

表1 不同氦源岩生氦能力数据 Tab.1 Data of helium production capacity for different helium source rocks

区内石炭系本溪组铝土岩系之上的煤系可为氦气富集提供载体气。铝土岩系及其下伏碳酸盐岩顶部风化带裂隙发育, 是天然气良好储集层, 铝土岩系之上的煤系地层是其区域盖层。研究区发育多级断阶构造, 可使盆内烃源岩生成的天然气沿断裂向上运移到外围断块相对构造位置更高的铝土岩系及其下伏碳酸盐岩风化带裂隙中, 聚集形成载体气藏, 铝土岩系作为氦源岩生成的氦气持续进入载体气藏, 不断积累形成富氦烃类气藏, 同时基底等其他地层中生成的氦气亦可通过断裂与地下流体一起疏导至气藏附近, 脱溶进入气藏成为补充氦源(图5)^[16]。丰富的氦源和良好的保存条件为形成高丰度富氦气藏创造了条件。

图5

Fig.5

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	图5 晋中盆地富氦天然气成藏模式[16]Fig.5 Accumulation model of helium-rich natural gas in Jinzhong Basin[16]

基于调查实践, 为完成基底氦源岩调查、远景区与有利区优选、圈闭探测识别和井下氦气富集层段标定等目的, 开展了针对性技术方法研究与试验, 形成了调查技术方法系列(图6)^{[4, 18]}。具体为: ①富集模式指引勘查方向; ②重力-电法探测盆地结构(高效运移通道); ③磁法识别基底磁性岩体(氦源岩); ④化探圈定氦气富集区; ⑤地震测量落实有利圈闭; ⑥气测录井标定富集层段的氦气调查技术方法。

图6

Fig.6

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	图6 中国氦气显示分布示意图[18]Fig.6 Schematic diagram of helium display distribution in China[18]

1.5.1 证实了柴达木盆地东坪、马北气田为典型富氦天然气田

根据渭河盆地取得的认识, 项目团队通过综合研究, 预测柴达木盆地北缘马海— 大红沟凸起、大风山凸起和牛东地区具有良好氦气富集地质条件, 并通过了氦气调查工作, 证实了东坪、马北气田为典型富氦天然气田^{[19, 20]}。在银额盆地等地区依托油气项目, 开展了氦气兼探工作, 发现了银额盆地氦气找矿线索。推动山西、江西等地勘单位开展了氦气资源调查评价工作^{[18, 21]}。

1.5.2 初步评价了全国氦气资源潜力

前述研究提出富氦气藏多位于克拉通隆起及克拉通边缘活化带, 陆内裂谷盆地是目前的勘探热点。通过收集整理了我国主要盆地天然气含氦资料, 通过与美国、阿尔及利亚、卡塔尔等国富含氦天然气藏对比研究, 表明我国西部大型叠合盆地、东部郯庐断裂带周缘盆地具有氦气资源前景, 渭河、塔里木、柴达木、鄂尔多斯和四川等盆地局部地区氦气富集条件优越, 找矿线索丰富, 具有良好找矿前景(图6)^{[18, 22, 23, 24]}。

1.5.3 提出了我国氦气资源保障的途径

根据我国氦气资源调查评价现状, 明确了低品位资源的有效利用是短期提升我国氦气资源保障水平的现实途径; 公益性氦气地质调查引领油气企业在氦气成藏远景区以富氦气藏为目标开展气-氦兼探, 是中、长期提高我国氦气资源保障水平的必经途径; 开展国际合作、制定国家氦气产业扶持政策、建立我国氦资源战略储备体系, 是形成氦气资源多元化保障、改善保障能力的有效途径。总结提出“ 用旧、找新、合作、储备” 是实现我国氦气资源保障有效途径的工作思路^[18]。

鄂尔多斯盆地是目前国内主要的天然气生产基地之一, 天然气氦含量稳定, 平均含量0.04%, 盆地周缘少数气田氦气含量可达到0.1%左右, 虽然整体上未发现高氦天然气田, 但具有较好的远景, 目前液化天然气(liquefied natural gas, LNG)闪蒸气提氦装置建设发展迅速, 是有效利用低品位资源迅速提升我国氦气资源保障水平的重要基地。