氦氣在天然氣藏中主要富集模式

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(mén)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。基巖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?；鶐r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。

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