咸陽(yáng)市區(qū)富氦水溶氣組分特征及成因分析

張 瑾，鄒彥榮，陳淑惠，劉棣民.

(中國(guó)石化華北油氣分公司采氣二廠，陜西咸陽(yáng) 712000)

氦是一種無(wú)色、無(wú)味、不燃燒也不助燃的稀有惰性氣體，是熔點(diǎn)(26 atm，-272.1 ℃)和沸點(diǎn)(1 atm，-268.94 ℃)最低的已知元素[1]。由于其在軍工、航天、核工業(yè)、深海潛水及民用高科技等諸多領(lǐng)域的不可替代性，氦氣又是關(guān)系國(guó)家安全和高新產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略性稀有氣體資源，因此，我國(guó)近年來(lái)對(duì)氦氣的需求量逐年遞增，但國(guó)內(nèi)資源極其稀缺，氦氣供應(yīng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，資源安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻[2-3]。

咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)峋樯鷼庵泻赓Y源豐富，濃度大[4]，但在近些年的地?zé)衢_(kāi)發(fā)中并未開(kāi)展相應(yīng)工作。若在后期將氦氣作為地區(qū)伴生資源加以提取利用，必將改變我國(guó)氦氣資源緊缺的局面。

1 咸陽(yáng)市區(qū)地質(zhì)概況

咸陽(yáng)市位于渭河盆地中心部位。該地區(qū)新生界地層發(fā)育比較完整且厚度較大，從老至新依次發(fā)育有白鹿塬組、高陵群、藍(lán)田灞河組、張家坡組、三門(mén)組和秦川群(表1)，其中高陵群和藍(lán)田灞河組為咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)豳Y源的主力儲(chǔ)層[5-6]。

表1 咸陽(yáng)市區(qū)新生界地層劃分Table 1 Stratigraphic division of Cenozoic strata in Xianyang

構(gòu)造上，咸陽(yáng)市位于渭河盆地西安凹陷北部緩斜坡帶。西安凹陷的北部緩斜坡帶被近東西向的乾縣斷裂、禮泉斷裂和渭河北岸斷裂自北向南分割成依次遞降的3個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元帶，分別是北部緩坡高斷階帶、北部緩坡中斷階帶和北部緩坡低斷階帶。咸陽(yáng)市區(qū)橫跨北部緩坡中斷階帶和低斷階帶這兩個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元帶。

2 市區(qū)水溶天然氣組分特征

通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)峋a(chǎn)情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明市區(qū)內(nèi)地?zé)峋a(chǎn)地?zé)崴衅毡榘樯胁煌康乃軞?，并大致呈現(xiàn)出南高北低、沿著渭河北岸斷裂帶(F1)附近含量較高的特征(圖1)。

通過(guò)對(duì)咸陽(yáng)市區(qū)有取樣條件的30余口地?zé)峋木谒軞鈽悠窔怏w組分的分析表明，咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)峋軞庵衅毡楹屑淄闅?，含量差別較大(最低為0.37%，最高為63.71%)，基本以低甲烷含量(甲烷含量小于30%)為主(表2)。在非烴氣體含量方面，均以氮?dú)鉃橹?平均含量為74.5%)，其余均具有較低的非烴氣體含量，普遍含有稀有氣體氦，氫氣含量甚微(平均含量為0.03%)。二氧化碳含量差異較大(最大為79.38%，最小為0%，平均為9.9%)。

表2 咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)峋軞庵饕M分表Table 2 Main components of water-soluble gas in geothermal wells in Xianyang

由于目前地?zé)峋∷畬佣味酁槎鄬雍喜?，無(wú)法確定單一層位水溶氣的組分特征，故采用各井取水段中部位置進(jìn)行對(duì)比。水溶氣中甲烷含量與取水段中部深度關(guān)系圖(圖2)表明，除XY62、XY39井外，市區(qū)內(nèi)地?zé)峋軞庵屑淄楹炕颈憩F(xiàn)出隨取水段中部深度增大而增加的趨勢(shì)，渭河北岸斷裂南北兩側(cè)甲烷組分差別較小。

通過(guò)對(duì)采集的水溶氣樣品組分進(jìn)行化驗(yàn)，結(jié)果表明，在35個(gè)樣品中，氦氣含量均超過(guò)0.1%工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中氦氣濃度大于1%的有26個(gè)，說(shuō)明氦氣在咸陽(yáng)地區(qū)內(nèi)廣泛分布且濃度普遍較高。從水溶氦氣濃度分布圖(圖3)可以看出，渭河北岸斷裂帶附近為氦氣含量的高值區(qū)，氦氣濃度均大于2%，最高為三普2號(hào)井(3.0%)，表明該斷裂對(duì)氦氣分布的控制作用明顯。以該斷裂帶為界，水溶氦氣含量具有斷裂帶以北自北向南逐漸增大、斷裂帶以南自南向北增大、氦氣濃度與斷裂距離呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性的規(guī)律特征。氦氣含量與取水段中部深度關(guān)系圖(圖4)表明，斷裂北側(cè)水溶氣中氦氣濃度值整體偏高，斷裂南側(cè)氦氣濃度值差異較大，整體與取水段深度關(guān)系都不明顯。

3 成因分析

3.1 氦同位素及成因分析

地層水溶氣中氦的來(lái)源有兩種，即通過(guò)深大斷裂運(yùn)移，或巖漿巖、火山巖脫氣的幔源氦和巖石所含放射性鈾、釷(主要是花崗巖中) 衰變形成殼源氦[7]。

自然界中氦(He)有兩種穩(wěn)定同位素：3He和4He，通常選用樣品中R(3He/4He)的值來(lái)判別氦氣的來(lái)源：R=1.1×10-5為典型幔源氦特征，R=2.2×10-8為典型殼源氦特征。大氣中的氦含量很少但分布穩(wěn)定，其Ra(3He/4He)的值為1.4×10-6。由于殼源和幔源氦氣的R值相差較大，也可以用R/Ra值作為依據(jù)判斷氦氣來(lái)源：當(dāng)R/Ra=1時(shí)，為大氣氦；R/Ra=6～9時(shí)，為幔源氦；R/Ra=0.01～0.05時(shí)，為殼源氦。

由咸陽(yáng)市區(qū)20個(gè)水溶氣樣品的氦同位素分析結(jié)果(表3)可以看出，其3He/4He的值介于(2.5～10)×10-8之間，僅XY08井值較大，R/Ra的值介于0.019～0.214之間，屬殼源氣混有極少量幔源氣。

表3 咸陽(yáng)市區(qū)水溶氣氦同位素?cái)?shù)值表Table 3 Helium isotope table of water-soluble gas in Xianyang

測(cè)定出3He/4He的值后，可利用二元混合模式計(jì)算出氣體中幔源氦和殼源氦含量的百分比，公式為：

(1)

式中R——氦氣實(shí)測(cè)值；

R殼——?dú)ぴ?He/4He標(biāo)準(zhǔn)值，2.2×10-8；

R?！Ｔ?He/4He標(biāo)準(zhǔn)值，1.1×10-5。

以上測(cè)試及計(jì)算結(jié)果表明，咸陽(yáng)市區(qū)天然氣樣品中的氦氣以殼源成因?yàn)橹?，混有極少量的幔源氦。在渭河北岸斷裂附近，幔源氦占比較大，尤其是助劑廠井，達(dá)到2.53%。

3.2 碳同位素及成因

天然氣的成因類型可分為無(wú)機(jī)成因氣、有機(jī)成因氣和混合成因氣3大類[8-9]，分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合相關(guān)圖版[10-14]對(duì)市區(qū)內(nèi)天然氣的成因進(jìn)行研究。

本次碳同位素分析的樣品共計(jì)20個(gè)，其中18個(gè)樣品的δ13CCO2值在-10‰到-20‰之間，2個(gè)樣品的值大于-10‰(表5)，表明咸陽(yáng)市區(qū)水溶天然氣中的CO2氣體主要來(lái)源于有機(jī)質(zhì)的熱演化及巖漿脫氣，與之共生的烴類推測(cè)成因相同。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，20個(gè)樣品中，沒(méi)有δ13C1>-10‰的樣品，14個(gè)樣品的δ13C1值在-30‰和-10‰之間(表5)，參考表4分類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，所采樣品中甲烷成因主要為煤成氣。

表5 咸陽(yáng)市區(qū)水溶氣樣品成因類型Table 5 Genetic types of water-soluble gas samples in Xianyang

表4 天然氣成因分類[3]Table 4 Natural gas genetic classification

根據(jù)實(shí)測(cè)氣樣品的δ13C1值和計(jì)算的甲烷與乙烷、丙烷含量之和的比值，繪制了δ13C1與C1/C2+3關(guān)系的天然氣成因圖[14-17](圖5)，據(jù)圖可以看出，咸陽(yáng)市區(qū)天然氣以煤成氣和無(wú)機(jī)氣為主。

根據(jù)咸陽(yáng)市區(qū)20個(gè)水溶氣樣品的組分及碳和二氧化碳同位素測(cè)定結(jié)果，參照以上兩個(gè)成因分類圖版，對(duì)這些天然氣樣品的成因做出綜合分析。研究結(jié)果表明，咸陽(yáng)地區(qū)水溶氣中甲烷以煤成氣為主，部分混有少量的無(wú)機(jī)成因氣，其中，XY12、XY13等10口井主要為煤成氣，XY22、XY23等9口井以煤成氣為主并混有少量無(wú)機(jī)氣，XY17井主要為油型和煤成混合氣。

4 結(jié)論

(1)咸陽(yáng)市區(qū)地?zé)峋烊粴庵写蟛糠忠缘獨(dú)鉃橹?，甲烷含量較低(大部分小于30%)，普遍含有較高濃度的氦氣，其主要富集區(qū)分布在渭河斷裂兩側(cè)。

(2)市區(qū)內(nèi)水溶氣中甲烷以煤成氣為主，部分混有少量的無(wú)機(jī)成因氣。

(3)市區(qū)內(nèi)氦氣主要以殼源氦為主，部分井混有極少量幔源氦。