松遼盆地北部氦氣分布特征及控制因素

鐘鑫

（大慶油田有限責(zé)任公司采氣分公司，黑龍江大慶163700）

氦氣是一種稀有非烴類(lèi)惰性氣體。它具有不易液化、穩(wěn)定性好、擴(kuò)散性強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展領(lǐng)域[1]。我國(guó)氦氣資源相當(dāng)貧乏，其主要來(lái)源是從含氦天然氣中提取。

據(jù)一些文獻(xiàn)報(bào)道，賦存在天然氣中的氦皆為無(wú)機(jī)成因氣[2-3]，主要為幔源成因和殼源成因兩種。幔源氦是由于上地幔的底劈作用造成巖石圈的抬升、伸展變薄、層圈拆離，最終導(dǎo)致巖石圈斷裂發(fā)育，使得幔源物質(zhì)沿巖石圈斷裂上涌進(jìn)入地殼，氦也隨之帶入。殼源氦主要為地殼內(nèi)放射性元素鈾、釷和鐳衰變所產(chǎn)生。地層中獨(dú)立的氦氣藏非常少，多數(shù)作為天然氣的伴生物而成藏。因此，沉積盆地內(nèi)的天然氣藏是氦氣富集的主要場(chǎng)所。松遼盆地是大型陸相沉積盆地，油氣資源非常豐富，目前已發(fā)現(xiàn)了宋站、汪家屯、五站等天然氣田。松遼盆地北部是指盆地位于黑龍江省所屬區(qū)域，以松花江為界以北的油氣勘探區(qū)域，油氣勘探礦權(quán)隸屬于大慶油田公司。

據(jù)徐永昌等1990年提出工業(yè)天然氣井中氦含量大于0.1%即具有工業(yè)價(jià)值[4]。大慶油田公司在盆地北部的油氣勘探過(guò)程中，對(duì)天然氣井組分分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些井中的氦氣含量超過(guò)了0.1%的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有的最高可達(dá)2.104%，表明在天然氣藏形成過(guò)程中也發(fā)生了氦氣的聚集過(guò)程，展示了松遼盆地北部具有較好的氦氣勘探前景。因此，深入研究盆地內(nèi)氦氣的分布特征及控制因素對(duì)勘查該盆地氦氣成藏具有重要的指導(dǎo)意義。

1 盆地基本地質(zhì)特征

松遼盆地位于中朝板塊和西伯利亞板塊復(fù)雜的構(gòu)造演化帶內(nèi)，是疊置于古生代基底之上的大型中、新生代陸相沉積盆地。松遼盆地的形成和演化與其它張裂型盆地相似，大致經(jīng)歷了熱隆張裂、裂陷、坳陷和萎縮褶皺四個(gè)階段。沉積蓋層的發(fā)育主要受燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與古氣候兩大因素的控制，在盆地發(fā)育的早期斷陷階段，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以斷裂作用為主，形成一系列斷陷盆地，隨后是暫短的斷坳轉(zhuǎn)換期，接下來(lái)是長(zhǎng)期的坳陷階段，最后是構(gòu)造反轉(zhuǎn)沉積時(shí)期。因此，盆地沉積蓋層可劃分為下部斷陷沉積層序（下白堊統(tǒng)的火石嶺組、沙河子組和營(yíng)城組），中部坳陷沉積層序（下白堊統(tǒng)登婁庫(kù)組至上白堊統(tǒng)嫩江組）和上部反轉(zhuǎn)期沉積層序[5]（上白堊統(tǒng)的四方臺(tái)組—新近系）（圖1）。坳陷期是盆地發(fā)育的鼎盛時(shí)期，共劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[6]，即西部斜坡區(qū)、北部?jī)A沒(méi)區(qū)、中央坳陷區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)。這套地層在空間展布上總體呈碟形，構(gòu)造面貌以寬緩褶皺構(gòu)造為特征，正向構(gòu)造和負(fù)向構(gòu)造相間排列，總體走向?yàn)楸睎|、北北東向，是盆地坳陷期沉積作用和反轉(zhuǎn)期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)變形改造的綜合表現(xiàn)。

坳陷期構(gòu)造發(fā)育具有長(zhǎng)期性與繼承性，登婁庫(kù)組沉積早期，沉降、沉積作用仍受早期斷陷作用影響，登婁庫(kù)組一、二段的沉積主要受基底斷裂控制，到登婁庫(kù)組三、四段沉積時(shí)開(kāi)始超越斷陷帶的影響逐漸向外超覆。泉頭組-嫩江組沉積時(shí)期，是盆地整體沉降、坳陷層序堆積建造階段和同生構(gòu)造的形成期。此時(shí)，盆地大型坳陷發(fā)展進(jìn)入全盛時(shí)期，沉積范圍逐漸擴(kuò)大，各組段地層向邊緣超覆。至嫩江組二段沉積時(shí)期范圍達(dá)到最大。青山口組沉積時(shí)期為盆地坳陷沉降最強(qiáng)烈時(shí)期之一，并伴有區(qū)域性強(qiáng)烈伸展作用。嫩江組沉積末期，盆地開(kāi)始收縮反轉(zhuǎn)，進(jìn)入反轉(zhuǎn)期沉積層序序列。

2 盆地北部氦氣成因及分布特征

松遼盆地是大型陸相含油氣盆地，大慶油田公司在盆地北部發(fā)現(xiàn)了眾多油氣田，油氣勘探過(guò)程中，在對(duì)天然氣工業(yè)氣流井組分進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)很多井都含有氦氣成分，并且一些井氦氣含量大于0.1%的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，最高的井氦氣含量達(dá)到了2.104%，為在盆地內(nèi)尋找氦氣藏提供了重要線索。

2.1 氦氣成因分析

一些研究成果表明[2-3]，賦存在天然氣中的氦都是無(wú)機(jī)成因，即殼源成因和幔源成因兩種。一般用同位素3He/4He比值來(lái)確定是那種成因，在氦的同位素中，3He是元素合成時(shí)形成的核素，即地球形成過(guò)程中捕獲的原始氦，4He是地球中放射性元素鈾和釷元素衰變產(chǎn)生的。一般情況下殼源氦與幔源氦在同位素3He/4He比值上差別較大，殼源氦的典型值為2.0×10-8，幔源氦的典型值為1.1×10-5。

表1是松遼盆地北部天然氣田（藏）中一些天然氣工業(yè)氣流井中的氦氣同位素測(cè)試結(jié)果，從中可以看出測(cè)試出的范圍值為2.88×10-7～4.21×10-6，介于殼源和幔源兩種成因的氦典型值之間，應(yīng)該為兩種類(lèi)型的混合成因。

2.2 氦氣分布特征

松遼盆地北部目前已發(fā)現(xiàn)大量的天然氣田（藏），主要是中淺層（泉頭組三段以上地層）天然氣田（藏）和深層（登婁庫(kù)組-火石嶺組）天然氣田（藏）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)井的氦氣含量值一般在0.102%～0.404%，埋深范圍為589.6～3 630.0 m，與天然氣產(chǎn)出層位基本一致[7]（表2）。

從表2中可以看出，氦氣的產(chǎn)出層位自中部坳陷期的嫩江組至下部斷陷期的火石嶺組皆有分布，且含量呈逐漸增大的趨勢(shì)。嫩江組至姚家組氦氣含量為0.119%～0.310%，平均值0.172%；泉頭組四段至泉頭組三段氦氣含量為0.110%～0.251%，平均值0.181%；登婁庫(kù)組至火石嶺組地層氦氣含量為0.102%～0.404%，平均值0.234%。這種現(xiàn)象表明盆地內(nèi)儲(chǔ)氣層中的氦氣應(yīng)該主要來(lái)自深部的地殼和上地幔，在沿深大斷裂進(jìn)入沉積蓋層過(guò)程中，由于擴(kuò)散作用其含量逐漸降低，而與來(lái)源空氣中的氦關(guān)系不大。

表2 松遼盆地北部天然氣井氦氣含量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Helium content of natural gas wells in the north of Songliao basin

3 主要控制因素

分布在松遼盆地北部各區(qū)域和各層位的氦氣，主要作為天然氣的一種組分，賦存在天然氣田（藏）內(nèi)，其成藏條件與天然氣一樣，要有良好的圈閉條件作為儲(chǔ)集空間。由于氦的分子量較小滲透性極強(qiáng)，即使存在于良好的天然氣藏圈閉內(nèi)的氦氣也非常容易通過(guò)微孔隙進(jìn)行散失。因此，這就需要有良好的區(qū)域蓋層條件及氦氣源進(jìn)行源源不斷的補(bǔ)給，以補(bǔ)充不斷散失的部分來(lái)達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。那么發(fā)育有能夠斷穿基底和地殼或斷至上地幔的深大斷裂，作為溝通深部氦氣源向上運(yùn)移通道，以及發(fā)育良好的泥巖蓋層確保氦氣成藏尤為重要。

3.1 深大斷裂發(fā)育特征

大慶油田在油氣勘探過(guò)程中積累了大量區(qū)域地質(zhì)、地球物理及鉆井等資料，為研究松遼盆地的地殼結(jié)構(gòu)和斷裂特征提供了依據(jù)。如大慶油田研究院的李安峰先生應(yīng)用上述資料，又結(jié)合了不同時(shí)代的地層分布、不同性質(zhì)巖漿巖帶的分布和現(xiàn)代天然地震活動(dòng)的分布特征，在宏觀分析的基礎(chǔ)上研究認(rèn)為松遼盆地主要發(fā)育深大斷裂帶有7條，即北北東向4條和北北西向3條[8]（圖2）。從盆地西緣向盆地東緣發(fā)育4條規(guī)模較大的北北東向斷裂帶為嫩江斷裂帶、齊西-敖古拉-哈拉海斷裂帶、孫吳-雙遼斷裂帶和任民鎮(zhèn)-肇州斷裂帶。從盆地北緣向南發(fā)育的北北西向3條斷裂帶，依次為訥河-綏化斷裂帶、濱州斷裂帶和扎賚特-吉林?jǐn)嗔褞?。其中嫩江斷裂帶、孫吳-雙遼斷裂帶為地殼斷裂，地球物理特征表現(xiàn)為重力異常為區(qū)域正背景場(chǎng)中的狹窄負(fù)異常帶，磁性異常為不同磁場(chǎng)區(qū)的分界線。其它5條為基底斷裂斷裂，重力異常特征整體表現(xiàn)為正負(fù)異常分界明顯，磁性異常表現(xiàn)為局部異常錯(cuò)動(dòng)，正負(fù)磁場(chǎng)的分界線。

每條斷裂帶又由多條次級(jí)斷裂組成。例如：嫩江斷裂帶由三支平行發(fā)育的北北東向基底斷裂組成；孫吳-雙遼斷裂帶由四支平行分布的基底斷裂組成。上述兩個(gè)方向的斷裂帶交叉分布，交織聯(lián)絡(luò)組成網(wǎng)格狀，它控制著基底結(jié)構(gòu)，是形成深部斷陷期地層的主要控制因素。從已知天然氣井中氦氣組分檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，嫩江組至火石嶺組，氦氣平均含量逐漸增大，這種變化趨勢(shì)表明上述兩組深大斷裂對(duì)于來(lái)源于幔源和殼源的氦氣的重要性，另外圖2中氦氣的分布主要集中在大斷裂的附近，由此認(rèn)為這些深大斷裂是深部氦氣向上運(yùn)移的主要通道，是形成氦氣藏的主要控制因素之一。

圖2 松遼盆地北部深大斷裂分布圖Fig.2 Distribution of deep faults in northern Songliao basin

3.2 蓋層封閉性及其發(fā)育特征

松遼盆地坳陷層發(fā)育多套蓋層，控制著油氣聚集與分布，因此，也控制著氦氣藏的聚集與分布，這些蓋層具有以下特征：1）在巖性上多為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，垂向上各種巖性蓋層互層較多。2）在規(guī)模上青山組一段、嫩江組一、二段泥質(zhì)巖蓋層在全區(qū)發(fā)育表現(xiàn)為區(qū)域性蓋層（圖3、4、5）；青山口組二、三段泥質(zhì)巖蓋層在少數(shù)部分地區(qū)有缺失，但蓋層厚度比較大，也可視為區(qū)域性蓋層（圖6）。而明水組一段、泉頭組一、二段是以泥質(zhì)巖為主夾薄層砂巖的蓋層，屬于泥質(zhì)巖與砂巖互層的蓋層，連續(xù)性較差，厚度較薄，屬于局部蓋層。3）在成分上青山口組一、二、三段及嫩一、二段等區(qū)域蓋層呈現(xiàn)為均質(zhì)性蓋層的特征，其中泥頁(yè)巖和泥質(zhì)巖類(lèi)所占比例大于75%。而其他局部蓋層泥頁(yè)巖和泥質(zhì)巖類(lèi)所占比例小于75%為非均質(zhì)蓋層。

圖3 松遼盆地青山口組一段泥巖厚度圖Fig.3 Thickness map of the mudstone in the Qing1 formation of Songliao basin

圖4 松遼盆地嫩江組一段泥巖厚度圖Fig.4 Thickness map of the mudstone in the Nen1 formation of Songliao basin

圖5 松遼盆地嫩江組二段泥巖厚度圖Fig.5 Thickness map of the mudstone in the Nen2 formation of Songliao basin

圖6 松遼盆地青山口組二、三段泥巖厚度圖Fig.6 Thickness map of the mudstone in the Qing2-3 formation of Songliao basin

松遼盆地北部這幾套區(qū)域性泥巖蓋層的空間分布主要受沉積環(huán)境的影響，其沉積特征主要表現(xiàn)為：1）青山口組一段沉積時(shí)期是湖盆發(fā)育的第一個(gè)興盛期，以濱淺湖-深湖相為主，沉積了大面積較純泥巖，除西部斜坡帶的齊齊哈爾-依安地區(qū)分布有灰綠-紅色泥巖以外，其它區(qū)域皆為暗色泥巖。中央坳陷區(qū)泥巖厚度最大，最高可達(dá)130 m，沉積穩(wěn)定，向四周逐漸變薄，僅在盆地邊緣有缺失。該層是盆地主要的烴源巖層，孔隙流體存在超壓，具有很好的封蓋性能。2）青山口組二、三段也屬于濱淺湖-深湖相沉積，沉積厚度也比較大，一般介于200～450 m，主要分布在中央坳陷區(qū)內(nèi)，并且處于中成巖早期和中成巖晚期，可形成很好的封蓋。但在西部斜坡區(qū)、東北隆起區(qū)和北部?jī)A沒(méi)區(qū)的明水階地處缺失該套地層。3）嫩江組一段同樣也屬于濱淺湖-深湖相沉積，全區(qū)分布，泥巖沉積面積大，厚度介于20～120 m，在中央坳陷區(qū)的朝長(zhǎng)階地、三肇凹陷，東北隆起區(qū)和北部?jī)A沒(méi)區(qū)的明水階地厚度最大為80～120 m。4）嫩江組二段沉積時(shí)期是盆地最大侵水期，沉積了較厚的濱淺湖-深湖相暗色泥巖，泥巖分布面積大。

在中央坳陷區(qū)為半深-深湖相沉積，與嫩江組一段一樣泥巖沉積厚度最大，位于在中央坳陷區(qū)的朝長(zhǎng)階地和三肇凹陷內(nèi)，東北隆起區(qū)和北部?jī)A沒(méi)區(qū)的明水階地，最大可達(dá)240 m。嫩二段以深湖相沉積環(huán)境為主，泥巖厚度大且分布穩(wěn)定，處于早成巖末期和中成巖早期，是盆地非常好的一套封蓋層。另外，火石嶺組至泉頭組沉積相展布特征為火山巖-沖積扇、扇三角洲-湖泊-沖積平原相，其中以扇三角洲-湖泊體系為主，巖性以砂礫巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。但也有一些組段在局部區(qū)域是以泥質(zhì)巖夾薄層砂巖為主，如泉頭組三段、登婁庫(kù)組二、三段和營(yíng)城組二、三段，可形成良好的局部蓋層。

目前，大慶油田在姚家組、青山口組二、三段所發(fā)現(xiàn)的天然氣田（藏）都是在嫩江組一、二段泥巖的封蓋下形成的。而在泉頭組三、四段內(nèi)形成的天然氣田（藏）的蓋層為青山口組一、二段泥巖。在下部斷陷期形成的深層天然氣田（藏），主要是局部蓋層在起封蓋作用。由于氦氣是賦存在天然氣田（藏）內(nèi)，因此，這些區(qū)域蓋層和局部蓋層也就成為氦氣藏的重要控制因素之一。

3.3 氦氣成藏綜合分析

據(jù)油氣井統(tǒng)計(jì)揭示，氦氣主要賦存在天然氣田（藏）內(nèi)，這表明氦氣成藏條件與天然氣成藏條件除氣源不同外，其圈閉條件應(yīng)該是相同的。首先要有良好的背斜、斷鼻等構(gòu)造圈閉條件，松遼盆地北部已發(fā)現(xiàn)的天然氣田（藏）皆為這種類(lèi)型。其次構(gòu)造上方發(fā)育優(yōu)質(zhì)的泥巖蓋層也是成藏的重要條件。前面已敘述過(guò)，松遼盆地北部共發(fā)育四套較厚的泥巖，這四套泥巖既是盆地形成油氣藏良好的烴源巖又是抑制油氣向上運(yùn)移的區(qū)域封堵蓋層，因此它對(duì)氦氣成藏也具有相同的作用。氦氣是無(wú)機(jī)成因氣，主要來(lái)自地下深部的地殼和上地幔，因此長(zhǎng)期發(fā)育的深大斷裂是氦氣向上運(yùn)移的主要通道，是氦氣成藏又一重要的必不可少的條件之一。從圖2可以看出，富含氦氣的井多數(shù)在深大斷裂附近。表2揭示出了地層由淺向深氦氣含量在逐漸增大，也間接證明了深大斷裂的作用。綜合上述分析，在含油氣盆地內(nèi)尋找氦氣藏，要依附于天然氣田（藏），并且要深入研究深大斷裂的發(fā)育情況及與天然氣田（藏）的關(guān)系，以此確定氦氣聚集部位，找到相對(duì)富集的氦氣藏。

4 結(jié)論

（1）松遼盆地北部氦氣主要分布在嫩江組以下地層的天然氣氣藏中，其含量向下逐漸增大。這種趨勢(shì)表明了氦氣應(yīng)該主要來(lái)自深部的地殼和上地幔，沿深大斷裂向上運(yùn)移進(jìn)入到盆地內(nèi)儲(chǔ)氣層中，與甲烷天然氣相伴生。

（2）松遼盆地北部共發(fā)育4條北北東向深大斷裂帶和3條北北西向斷裂帶。兩組斷裂交叉分布，交織聯(lián)絡(luò)組成網(wǎng)格狀，即是深部斷陷格局的主控因素，又是深部氦氣向上運(yùn)移的主要通道。

（3）松遼盆地發(fā)育以泥巖為主的青山口組一、二、三段、嫩江組一、二段4套區(qū)域蓋層，它既是大慶油田形成油氣田（藏）的主要烴源巖，又是形成油氣田（藏）的良好蓋層，由于氦氣賦存在天然氣田（藏）內(nèi)。因此，它也是氦氣聚集與分布的主要控制因素之一。

[1]史斗譯.美國(guó)的氦氣工業(yè).天然氣地球科學(xué)[J]，1991，2（5）：245-248.

[2]Mamyrin B A,Tolstikhin I N.Helium isotopes in nature[M].Amsterdam,Elsevier,1984,175-179.

[3]Kaneoka I,Takakka N.Noble-gas state[J].Chemical Geology（Isotope Geoscience section）,1985,52:75-95.

[4]徐永昌，沈平，等.幔源氦的工業(yè)儲(chǔ)集和郯廬斷裂帶[J].科學(xué)通報(bào)，1990，35（12）：932-935.

[5]高瑞祺，蔡希源.松遼盆地油氣田形成條件與分布規(guī)律[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997，12-40.

[6]侯啟君，馮志強(qiáng)，馮子輝，等.松遼盆地陸相石油地質(zhì)學(xué)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009，50-101.

[7]馮子輝，霍秋立，王雪.松遼盆地北部氦氣成藏特征研究[J].天然氣工業(yè)，2001，21（5）：27-30.

[8]郭占謙.石油天然氣地質(zhì)論文集（李安峰，郭占謙.松遼盆地地殼結(jié)構(gòu)及大地構(gòu)造環(huán)境）[M].北京：石油工業(yè)出版社，2003：97-109.