渭河盆地水溶氦氣資源評價

張福禮，孫啟邦，王行運，鄒彥榮

(中國石化集團華北石油局三普石油工程公司，陜西咸陽712000)

渭河盆地水溶氦氣資源評價

張福禮，孫啟邦，王行運，鄒彥榮

(中國石化集團華北石油局三普石油工程公司，陜西咸陽712000)

通過對渭河盆地水溶氦氣資源的評價，認為渭河盆地水溶氦氣資源分布廣泛、品位高，水溶氣成因類型具有異巖多源混合的特點。水溶氦氣主要來自于殼源氣，富鈾花崗巖是其主要的源巖;盆地中深層地熱水水溶氦氣有4種成藏模式，即深大斷裂帶對流型水溶氦氣成藏、斷塊對流-傳導復合型水溶氦氣成藏、斷階傳導型水溶氦氣成藏、凹陷傳導型水溶氦氣成藏;采用含氦水溶氣計算法和鈾放射性衰變計算法求得盆地水溶氦氣資源量為984.20×108～1141.31×108m3。

渭河盆地;水溶氣;水溶氦氣;發(fā)現(xiàn)和評價;發(fā)展前景

0 前言

氦(He)在化學元素周期表上被列為零族元素，是一種稀有惰性氣體，有“黃金氣體”之稱，可見其之貴重。

1868年8月18日，法國天文學家彼埃爾·讓桑(Pierre Janssen)在印度南部觀測日全食時，意外發(fā)現(xiàn)太陽光譜里面有一條陌生的明亮黃線，英國天文學家約瑟夫·洛基爾(Joseph Lockyer)也獨立地發(fā)現(xiàn)了這條黃線，并把這種元素命名為“氦”，它的英語為helium(來自希臘語“太陽”)一詞首音節(jié)的音譯。1895年英國化學家威廉·拉姆塞(William Ramsay)從一種含鈾礦物中分離到氦的時候，讓人們認識到地球上也有氦的分布。

氦是無色、無味、無毒的氣體，化學性質(zhì)極不活潑，不能燃燒，也不助燃，幾乎不與任何物質(zhì)發(fā)生化學反應。由于氦具有諸多獨特性質(zhì)，它在工業(yè)、國防及許多尖端科學領域有很重要的用途:

①用作提升氣。氦氣相對密度較空氣小，為氫氣浮力的93%，氦又是惰性氣體，因此是比氫氣更為可靠的提升氣，用于充填氣球和飛艇。

②合成呼吸氣。由于氦在血液和細胞組織中的溶解度很小，用氦與氧混合的呼吸氣，代替空氣供深水潛水員呼吸用，可以減少病理學上稱作“潛水病”的危險。氦氣滲透性很強，可以較快地滲透肺部，用于治療哮喘、肺氣腫等呼吸道疾病。

③航天發(fā)射中用作壓送和吸掃氣。氦氣具化學惰性，沸點低，在航天發(fā)射中用作燃燒系統(tǒng)吹掃氣和各種燃料及氧化劑如液氫、液氧等壓送，還用于火箭助推器和宇宙飛船上氣動機構(gòu)加壓。

④焊接和其它用保護氣。廣泛用于不銹鋼、銅、鎂、鋯、鈦等易氧化金屬或合金的焊接。氦氣還可用作半導體、光導纖維等生產(chǎn)過程的保護氣。

⑤傳熱介質(zhì)。由于氦不與原子反應堆的燃料和其它物質(zhì)起化學反應，故氦氣可用作原子反應堆冷卻和熱交換的傳熱介質(zhì)。

⑥光學儀器填充氣。由于氦氣的性質(zhì)與理想氣體接近，折射率又小，因此用作光學儀器的填充氣，使光學儀器獲得很高靈敏度。

⑦低溫—超低溫和超導技術材料。還可用作氣相色譜載氣，用于真空設備檢漏等。

由于空氣中氦含量極低，從空氣中分離氦成本太高，世界市場上消費的氦氣主要來自含氦天然氣。目前世界上僅有少數(shù)幾個國家存在具經(jīng)濟價值的氦資源，氦資源最豐富的國家為美國，其次是阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大等國。氦氣已成為各個國家的重要戰(zhàn)略資源，在國內(nèi)經(jīng)濟和國防建設中發(fā)揮越來越重要的作用。

1 渭河盆地水溶氦氣資源的發(fā)現(xiàn)

渭河盆地是指陜西省中部秦嶺以北、北山以南的狹長平坦地帶，地理坐標東經(jīng)107°10'—110°20'，北緯34°10'—35°10'。西端為寶雞峽谷地帶，東以潼關與汾河盆地為界，略作東西向延伸，長約300 km，西部局促，東部漸行開闊，寬約35～70 km，面積約20000 km2。渭河自西而東貫穿盆地之中部，形成了現(xiàn)今的“關中”沖積平原，古有“八百里秦川”之稱。

在構(gòu)造成因上，渭河盆地是喜馬拉雅期構(gòu)造運動裂陷、伸展發(fā)展而來的新生代斷陷盆地，具有凹陷深、地層新、形成晚的特點。沉積蓋層在南部最厚，約7000 m，為南深北淺、南陡北緩的不對稱箕狀斷陷(見圖1)。

圖1 渭河盆地構(gòu)造-地質(zhì)略圖Fig.1 Schematic structural-geological map of Weihe Basin

1961—1965年和1971—1975年，中國石化集團華北石油局第三普查勘探大隊(原地礦部第三石油普查勘探大隊，簡稱三普，下同)曾先后兩上渭河盆地開展石油天然氣普查，在區(qū)域綜合物探、油氣綜合地質(zhì)研究基礎上，打出油氣普查井32口，其中發(fā)現(xiàn)氣測異常井15口。1974年在周至的渭深13井氣測中，發(fā)現(xiàn)8個組段氣測異常，其中深部新近系上新統(tǒng)藍田—灞河組底部和中新統(tǒng)高陵群頂部異常層段，試氣測得少量天然氣流，天然氣甲烷含量20.8%～22.1%，重烴含量0.09%～0.18%，氮氣含量50%～76%，氦氣含量2.13%～4.14%。氦氣含量超過天然氣氦氣工業(yè)指標(0.1%)，已經(jīng)達到富氦(0.7%)標準，這是在盆地首次發(fā)現(xiàn)稀有氣體氦氣。限于當時工作的局限性和后來石油普查區(qū)域的轉(zhuǎn)移，這一發(fā)現(xiàn)未能引起更多的重視。

1986年，三普三上渭河盆地，開展地熱新能源開發(fā)。2004年年初，筆者在分析西安四軍大地熱井地熱水污染問題時，在提取的地熱水水溶氣分析樣品中發(fā)現(xiàn)氦氣含量高達1.005%，聯(lián)想到渭深13井的富氦天然氣，筆者意識到渭河盆地可能形成分布廣泛、儲存規(guī)模很大的水溶性富氦資源。之后在西安和咸陽等多口地熱井中提取地熱水溶氣樣品，實測氦氣含量均高于其工業(yè)標準，達到0.214%～1.740%。從2004年至2010年，連續(xù)立項開展了對渭河盆地新型水溶氦資源的評價和綜合利用的攻關研究，取得了系統(tǒng)、完整的研究成果，其中《渭河盆地水溶含氦天然氣的資源評價及綜合利用》項目獲得了中國石化集團科技進步三等獎。取得的主要成果有:

①通過深化渭河盆地形成大型地熱盆地、大型水溶氦氣盆地的基礎地質(zhì)、區(qū)域地質(zhì)、地熱地質(zhì)特征研究，明確了盆地地下熱水和水溶氦氣賦存的優(yōu)越地質(zhì)條件。

②依據(jù)地熱井實測數(shù)據(jù)及鈾放射性衰變生氦機理，進行了兩種方法氦氣資源量定量計算。

③依據(jù)盆地流體循環(huán)特點，建立了渭河盆地流體系統(tǒng)和水溶氦氣成藏模式、類型。

④完成了盆地水溶氦氣成藏區(qū)和深部熱流溶氦成藏遠景區(qū)劃分，優(yōu)選出了重點勘探開發(fā)區(qū)塊和靶區(qū)。

⑤完成了地熱井井口含氦水溶氣的氣水分離和提濃技術方法實驗，為盆地氦氣資源的評價提供了直接實物證據(jù)。

綜上所述，渭河盆地新型水溶氦氣資源的系統(tǒng)評價和水溶氦氣提取技術方法的進展和突破，為我國開辟水溶氦氣新領域及氦氣資源的開發(fā)利用提供了地質(zhì)依據(jù)、勘探方向和工藝技術保證，其應用前景十分廣闊。

2 渭河盆地水溶氦氣資源評價

2.1 含氦水溶氣特征

2.1.1 水溶氦氣含量及分布特征

盆地內(nèi)58口地熱井井口水溶氣樣品測試結(jié)果(見表1)表明，井井含氣、井井有氦。地下熱水實際是溶解大量含氦天然氣的特殊溶液。地下熱水受盆地性質(zhì)、深部構(gòu)造、深大斷裂、活動性構(gòu)造和斷裂、熱源、水源、熱儲及成藏類型、資源規(guī)模等諸多條件的綜合控制。含氦水溶氣除受上述因素影響外，還受到壓力、溫度、水溶劑礦化度、天然氣成分的控制。

表1 渭河盆地地熱井水溶氣中氦氣含量統(tǒng)計Table1 Water soluble Helium content statistics in geothermic wells in Weihe Basin

檢測結(jié)果表明，所檢樣品氦氣含量均超過0.1%的氦氣工業(yè)標準，其中達到富氦標準(0.7%)的樣品占總檢測井次的68%，反映出盆地富氦程度相當高。

2.1.2 含氦水溶氣氣體組成

盆地含氦水溶氣樣品中檢測出的烴類氣體有甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷共7種組分，其中甲烷含量0.072%～82.860%，平均10.860%;乙烷含量0～3.422%，平均0.190%;丙烷以后至戊烷含量更低，多在0.001%～0.010%之間。

C2/C3比值從1.0到87.0，高低相差懸殊，以低比值為主，說明有機質(zhì)成熟度高、低并存，以高成熟度為主。

iC4/nC4比值0.44～1.93，比值較低，也反映有機質(zhì)成熟度高的特點。

檢測出非烴類氣體H2、N2和CO2，在氦氣提濃過程中檢測出痕量H2S。其中H2含量0～1.895%，平均0.224%;N2含量4.593%～98.900%，平均78.300%;CO2含量0～44.62%，其中有4口地熱井CO2含量高達70%以上。

檢測氦氣含量最小為0.115%，最大4.140%(見表1)，平均1.295%。

2.1.3 水溶氦氣主要來源

氦同位素(3He/4He)測定結(jié)果顯示盆地水溶氦氣同位素值在(9.02±0.39)×10－8～(3.23±0.74)×10－7之間。

14口地熱井水溶氦氣中幔源百分含量0.11%～6.92%，殼源百分含量為99.89%～93.08%，表明盆地內(nèi)水溶氦氣主要為殼源氣，只有在深大斷裂帶附近有少量的幔源氦氣混入。

2.2 地熱井含氦水溶氣動態(tài)監(jiān)測和組分分析數(shù)據(jù)處理

2.2.1 地熱井含氦水溶氣動態(tài)監(jiān)測

為了全面了解掌握地熱井井口水溶氣和氦氣含量的穩(wěn)定性與變化規(guī)律，筆者在盆地內(nèi)選擇了2口地熱井(XSP1、XSP2)進行了連續(xù)5年的動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，水溶氣和氦氣穩(wěn)定存在;水溶氣含量與出水量成正比，與井口壓力成反比;水溶氦氣的含量非常穩(wěn)定，幾年來基本無大變化，分別為2.1%和2.2%。

2.2.2 地熱井含氦水溶氣氣體組分分析數(shù)據(jù)處理

對盆地有代表性的58口地熱井樣品的氣體組分分析數(shù)據(jù)進行了電算處理。R型聚類結(jié)果顯示，變量(指標)明顯分為3類(組)，第一類為C1—C5烴類，第二類為He、H2、CO2，第三類為N2，顯示組分指標成因上的關聯(lián)，烴類以有機烴源為主，He、H2、CO2以深成無機成因為主，N2為兩者的混合成因。

Q型聚類結(jié)果顯示了平面上水溶氦氣富集程度的差別，其中富集程度高的有利遠景區(qū)均處于活動性深大斷裂帶附近的構(gòu)造大斜坡、河流相和河湖相砂體發(fā)育的大沉積相帶中。

2.3 盆地含氦水溶氣成藏特征

2.3.1 盆地深部殼源氦氣生成的特殊性

首先，燕山期富鈾花崗巖是盆地殼源氦氣生成的主力源巖。盆地周緣及深部除燕山期富鈾花崗巖外，還有中元古代武陵期、新元古代楊子期、加里東期、海西期、印支期等多期花崗巖體，因鈾含量過低，或因所處年代過于久遠，大大超過了鈾的半衰期(235U的半衰期為7.5×108a)，只有燕山期花崗巖年齡(1.2×108a)與235U半衰期相當，成為盆地殼源氦的主力源巖。

其次，殼源氦的生成過程具有長期性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。放射性的衰變過程隨時間呈指數(shù)變化，其他任何外界作用(溫度、壓力、電場、磁場等)都不影響放射性衰變速度。衰變速度唯一取決于放射性本身的性質(zhì)，其衰變規(guī)律為:

上式中N0、N分別表示放射性元素在時間為0和t時的原子數(shù)，λ為衰變常數(shù)。衰變常數(shù)指單位時間內(nèi)鈾發(fā)生變化的原子數(shù)在原子總數(shù)中所占比例。燕山期花崗巖形成的1.2× 108a年以來，按照上述指數(shù)法則，衰變量隨時間呈幾何級數(shù)逐年減少，鈾的衰變常數(shù)為9.8458×10－10，這個過程是長期的(7.5×108a才衰變一半)、持續(xù)的和穩(wěn)定的。這與傳統(tǒng)的油氣烴類進入成油門限和成油高峰期后在短期內(nèi)大量生成油氣的狀況截然不同，使殼源氦形成了特有的生成、運移、儲集規(guī)律。

第三，富鈾花崗巖中放射性鈾衰變生成的氦氣具有顯著的分散性和稀有性。世界上含鈾花崗巖平均含鈾3.5×10－6，渭河地區(qū)燕山期花崗巖中鈾含量平均高達5.9×10－6，仁宗廟花崗巖中鈾含量更高達22.1×10－6。由于其絕對值仍是百萬分之幾，故此年生氦氣總量并不多，且生成的殼源氦氣具有分散性和稀有性的特點，致使氦氣不能獨立成藏，而是通過溶解在深部殼源熱流體并經(jīng)過運移混合于上部盆地熱水流體中，在有利的條件下提高其溶解濃度，達到氦氣的富集和成藏。

2.3.2 盆地深部殼源氦氣運移的特殊性

形成燕山期富鈾花崗巖的中生代巖漿活動，屬于盆地南部秦嶺造山帶向北部逆沖推覆的構(gòu)造熱事件的組成部分。一方面大的逆沖推覆帶下的滑脫面發(fā)育破碎帶，成為儲集深部熱流溶幔源氦氣的有利空間;同時深部殼源物質(zhì)上隆，使部分深埋在地下25 km的富鈾花崗巖體被帶入到地下7～10 km的中深部，為后期盆地水溶氦氣的運移聚集創(chuàng)造了便利條件。

活動性的深大斷裂深切深部富鈾花崗巖源巖，溝通深部殼源熱流溶氦氣，成為富集導熱流與導熱流溶氦氣、傳輸能量和物質(zhì)的重要通道。

盆地深部能量和物質(zhì)向上部傳輸，并不是處處上涌、處處排氣，渭河盆地的相對沉降和周緣活動性深大斷裂的發(fā)育，導致了深部物質(zhì)上隆、深部熱流體上涌和沿深大斷裂熱流溶(或水溶)對流等形式的運移機制。

2.3.3 盆地含氦水溶氣是異巖多源混合氣

按照天然氣成因類型指標劃分，盆地含氦水溶氣具有5個混合的特點，即幔源無機氣與殼源有機氣混合、無機氣與有機氣混合、有機但不同母質(zhì)類型(煤型、油型)氣混合、不同成熟度(未成熟、成熟、過成熟)天然氣混合、不同運移機制(擴散、混相涌流、水溶對流)的混合。

2.4 盆地中深層地熱水水溶氦氣成藏類型

渭河盆地的氦氣是溶解于地下熱水并富集成藏的水溶氦氣新類型，其成藏特點顯然與地下熱水成藏類型相關聯(lián)，依據(jù)盆地內(nèi)地下熱水成藏類型的劃分，可以確定盆地水溶氦氣有4種成藏類型，即深大斷裂帶對流型水溶氦氣成藏類型、斷塊對流-傳導復合型水溶氦氣成藏類型、斷階傳導型水溶氦氣成藏類型、凹陷傳導型水溶氦氣成藏類型。

上述4種成藏類型，宏觀控制了全盆地深層水溶氦氣的分布和富集成藏。深大斷裂帶對流型水溶氦氣藏主要分布在盆地邊緣深大斷裂帶，富集帶是狹窄條帶狀，沿斷裂帶富水、富氦，溫度、壓力異常變化大。斷塊對流-傳導復合型水溶氦氣藏主要分布在盆地的南部陡斜坡帶，由二、三級不同方向斷裂交叉形成斷塊網(wǎng)絡系統(tǒng)，連通相鄰深大斷裂，利于水溶氦氣的傳輸和聚集，網(wǎng)絡的結(jié)點和網(wǎng)眼中的傳導型熱儲，常為富集創(chuàng)造良好條件。此類成藏類型局部水動力條件變化大，水溶氣成藏的分割性較強，開放條件較復雜。斷階傳導型水溶氦氣藏主要分布在盆地的北部緩坡帶，幾條橫貫的深大斷裂分割形成3個斷階帶，熱儲層連片性強，水動力環(huán)境統(tǒng)一，與鄰近深大斷裂溝通的連片熱儲層，往往形成垂向上迭加錯列、平面上復合連片的整裝性成藏類型，成藏規(guī)模大，單井產(chǎn)量較大且穩(wěn)定性好，是開發(fā)風險較小的成藏類型;凹陷傳導型水溶氦氣藏分布在盆地的中心部位，因為處于現(xiàn)代盆地水動力循環(huán)系統(tǒng)中的滯流區(qū)，遠離溝通深源熱流和氦源的深大斷裂，其水溶氦氣聚集成藏的條件較差，是一種潛在的成藏類型。

2.5 盆地水溶氦氣資源量計算

采用2種方法對盆地水溶氦氣資源量進行了計算。第一種為含氦水溶氣計算法，計算步驟:①地下熱水資源定量評價(采用熱儲法、類比法、靜儲量法、動態(tài)分析法等);②水溶氣資源定量評價(采用類比法，借鑒松遼、下遼河、柴達木等油田模擬實驗及井下水溶氣實測數(shù)據(jù)，選定2500 m深度水溶氣與地熱水的比例為1∶5);③水溶氦氣資源定量評價(氦氣在水溶氣中含量的實測值)。以此法求取西安凹陷(1620 km2)內(nèi)水溶氦氣的資源量為176.82×108～353.53×108m3，渭河盆地(10000 km2)水溶氦氣資源量為841.75×108～1126.65×108m3，平均984.2×108m3。

第二種為鈾放射性衰變計算法，首先確定出盆地周緣及盆內(nèi)深埋的10個主要富鈾花崗巖體的形成地質(zhì)年代、分布面積、厚度、密度及同位素含量，根據(jù)絕對地質(zhì)年代學公式λ為衰變常數(shù)，N為剩余鈾同位素含量，D為已衰變同位素含量)，計算出已衰變的鈾的資源量;再利用235U的衰變公式計算出鈾衰變生成氦氣的資源量，求得盆內(nèi)氦氣資源總量為1141.31×108m3。

3 氦氣資源的開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

據(jù)2000年公布數(shù)據(jù)，全世界探明氦氣儲量約250×108m3，其中美國為140×108m3，其次為俄羅斯、阿爾及利亞、加拿大等少數(shù)國家，美國占52%，阿爾及利亞占25%，俄羅斯占18%，加拿大占3%，其他國家占2%，年產(chǎn)已超過1×108m3。

到目前為止，我國獲得探明儲量的天然氣田中含氦達到有回收經(jīng)濟價值的極少，只有四川威遠氣田局部地層的天然氣中氦含量為0.18%～0.20%，生產(chǎn)氦能力為5×104m3/a，但該氣田開采已超過30 a。目前我國需要的氦產(chǎn)品，主要從國際市場美國等西方國家購買，處于貧氦的被動地位。

根據(jù)有關專家預測，到2030年前，氦氣的世界年產(chǎn)量將從1.57×108m3下降到1.34×108m3，其主要原因是主產(chǎn)國美國原有產(chǎn)氦的部分氣田進入氣田開發(fā)衰竭期，其氦氣年產(chǎn)量將從7.7×108m3下降到4.4×108m3;而氦氣需求將從1.54×108m3提高到3.0×108m3。以目前的氦氣開采速度和2030年預計需求數(shù)量來看，氦氣短缺每年達到1.6×108m3。

大量的氦氣短缺，迫使氦氣資源開發(fā)要開辟新的思路。一方面要加快發(fā)現(xiàn)新的含氦天然氣田，以補充和擴大原有含氦天然氣田開發(fā)氦氣的規(guī)模，據(jù)報道俄羅斯西伯利亞地區(qū)亦有新發(fā)現(xiàn);另一方面，要開拓新的氦氣成藏類型或從貧氦天然氣資源中提取氦。

這次在中國渭河盆地發(fā)現(xiàn)和評價的水溶氦氣成藏新類型和新領域，適應了世界氦氣資源開發(fā)需求的大趨勢，具備較大規(guī)模開發(fā)的潛力，有望挑起加快中國氦氣資源開發(fā)和改變中國貧氦資源面貌的重任。隨著盆地氦氣富集規(guī)律和盆地整體評價的進一步深入，地熱和氦氣等資源開發(fā)項目的逐步實施，渭河盆地將成為中國集熱、礦、水于一體的地熱綜合性資源開發(fā)利用的重要基地。

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Abstract:ThediscoveryofwatersolubleheliuminWeiheBasinwasintroducedinthis paper.Researches showed that the water soluble helium resources in Weihe Basin the resources are widely distributed and highly graded in Weihe Basin.The cause types of water-soluble gas are of different rock multi-source mixed characteristics，and the water soluble helium gas mainly comes from the shell source gas，with uranium rich granite being the main source rock;four reservoir models build in deep basin geothermal water soluble helium;two kinds of methods to obtain the basin water soluble helium resources with quantity of(984.2－1141.31)×108m3。

Key words:Weihe Basin;water soluble gas;water soluble helium;discovery and evaluation; development prospect

EVALUATION OF WATER SOLUBLE HELIUM RESOURCES IN WEIHE BASIN

ZHANG Fu-li，SUN Qi-bang，WANG Xing-yun，ZOU Yan-rong
(Sanpu Petroleum Engineering Company，Sinopec North China Petroleum Bureau，Xianyang712000，China)

TE132.2

A

1006-6616(2012)02-0195-08

2011-12-01

張福禮(1939-)，男，漢族，教授級高級工程師，長期致力于地質(zhì)力學找油實踐，近年主要從事渭河盆地地熱流體資源研究。