塔里木盆地中石化探區(qū)含氦氣藏資源調查研究*

韓 強 耿 鋒 虎北辰 高山林 金仙梅 王璽童 李振宇

1 中國石化西北油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆烏魯木齊830011

2 中國石油化工股份有限公司油田事業(yè)部，北京100728

1 概述

氦氣是一種重要的稀有戰(zhàn)略資源，在航天工業(yè)、深海潛水、科研、醫(yī)療等高新技術產業(yè)的發(fā)展中有不可替代的作用（秦勝飛和李濟遠，2021；張哲等，2022）。中國氦氣產量很低，供應幾乎完全依賴進口，資源安全形勢十分嚴峻（張哲等，2022）。目前，世界范圍內尚未發(fā)現(xiàn)以氦氣為主的天然氣聚集，而是伴生于載體天然氣氣藏中（李玉宏等，2022）。從天然氣藏中提取氦氣是全球范圍內唯一的工業(yè)化來源，因此對已發(fā)現(xiàn)天然氣藏的氦氣資源調查評價意義重大。美國地質調查局（USGS）將氦含量大于0.1%（摩爾分數(shù)）的天然氣資源稱為含氦天然氣資源，氦含量大于0.3%（摩爾分數(shù)）的資源稱為經濟可采資源（張哲等，2022）。自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心開展“十三五”資源評價時，將天然氣組分中含氦量達到0.1%及以上的氣藏稱為含氦氣藏。塔里木盆地天然氣資源豐富，從“八五”至今，已有不少專家學者對塔里木盆地氦氣成因、富集規(guī)律及氦氣遠景做過研究，取得了一系列成果及認識。鄧樹立（1995）對塔里木盆地北部雅克拉S5井（白堊系）、SC2井（奧陶系），沙西地區(qū)S10井及桑塔木地區(qū)（三疊系）等的天然氣藏氦氣含量進行檢測，其氦含量高達0.23%～0.61%，達到了工業(yè)利用標準。常興浩和宋凱（1997）對巴什托構造石炭系小海子組高氦氣藏成藏機理淺析，認為巴什托小海子組小海子組高氮高氦氣藏的形成與張（扭）性斷裂深切下地殼，大量基性巖漿侵入或噴發(fā)有關。余琪祥等（2013）從綜合利用氦氣資源考慮，對塔里木盆地西北部氦氣富集特征和成藏條件進行了分析，認為雅克拉、巴什托和亞松迪等油氣藏天然氣組分中氦氣含量較高，具有工業(yè)利用價值。陶小晚等（2019）通過對和田河氣田及周緣11口井天然氣樣品精細取樣、分析，首次發(fā)現(xiàn)和田河氣田為富氦氣田，氦氣體積含量為0.30%～0.37%（平均0.32%），折算氦氣探明儲量1.959 1×108m3，是中國發(fā)現(xiàn)的首個特大型富氦氦氣田。雖然取得上述成果，但尚未對塔里木盆地進行過系統(tǒng)的氦氣資源調查研究，氦氣富集規(guī)律不清，同時受檢測方法和勘探研究程度所限，相同地區(qū)、相同類型油氣藏在不同年份的檢測結果差異較大，影響了氦氣資源評價。為了進一步評價中石化探區(qū)氦氣資源潛力，本次研究系統(tǒng)采集了中石化探區(qū)9個氣藏22個樣品，并對其氦氣含量進行檢測，在數(shù)據(jù)成果基礎上，對氦氣富集機理的研究，用來指導后續(xù)對氦氣未發(fā)現(xiàn)資源的評價。

2 樣品采集與實驗方法

2.1 樣品采集

中石化西北油田在塔里木盆地沙雅隆起、順托果勒及巴楚隆起等多個區(qū)帶的不同勘探層系中發(fā)現(xiàn)大小天然氣藏20余個，探明儲量超過1000億立方米。為全面客觀探索塔里木盆地含氦氣藏成藏模式，采取“應采盡采，能測盡測”原則，對研究區(qū)范圍內油氣藏進行全覆蓋取樣。因部分油氣藏生產井關停或封井，部分地區(qū)未能取到天然氣樣品，最終采集9個油氣藏，5個層系的22個樣品。其中天山南緣區(qū)塊4個氣藏8個樣品，塔河區(qū)塊5個氣藏9個樣品，順北區(qū)塊1個氣藏4個樣品，巴什托區(qū)塊1個樣品（圖1）?？紤]到氣源地離實驗室距離遠的因素，天然氣樣品主要采用鋼瓶來采集保存，確保運輸過程安全。

圖1 塔里木盆地中石化探區(qū)氦氣資源調查樣品分布及樣品清單Fig.1 Distribution map and sample list of helium gas resources in Sinopec exploration area，Tarim Basin

2.2 實驗方法

天然氣中氦氣含量和同位素分析應用天然氣中稀有氣體濃度與同位素比值聯(lián)測儀器，該儀器由中國石化油氣成藏重點實驗室自主研發(fā)，能滿足各類天然氣體樣品的分析。天然氣樣品直接接入稀有氣體純化富集前處理裝置，通過物理和化學手段去除烴類氣體和無機類等活性氣體，得到稀有氣體He、Ne、Ar、Kr、Xe混合氣體，送入四極桿質譜進行組分定量測定，隨后利用5種稀有氣體組分在不同溫度點的吸附性能差異進行分離，通過擴散平衡轉移，送入稀有氣體同位素質譜計分別測定He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素比值。其中稀有氣體純化富集前處理裝置能夠實現(xiàn)超高真空（10-10mbar）條件下痕量稀有氣體高度純化（＞99.9%）；四極桿質譜儀質量數(shù)范圍1～200 aum，電子倍增器40Ar檢測靈敏度不小于0.18 A／mbar；稀有氣體同位素質譜儀（Noblesse質譜儀）質量數(shù)范圍1～200 aum，法拉第杯檢測4He靈敏度不小于0.15 A／bar，法拉第杯檢測40Ar靈敏度不小于1.0 A／bar，電子倍增器—離子計數(shù)組成的多接收檢測系統(tǒng)中同軸電子倍增器的質量分辨率大于700 M／dM。

天然氣中稀有氣體含量和同位素比值測定采用峰高比法，參照《稀有氣體同位素比值質譜測定方法：SY／T7359-2017》。實驗應用純化富集后的氣體樣品通過雙閥截取少量待測混合氣體，送入四極桿質譜進行質量數(shù)掃描，通過組分分壓計算定量氣體組分，其中計算稀有氣體組分所占待測氣體總量應不小于95%。隨后氣體送入Noblesse同位素質譜儀進行稀有氣體同位素比值測定，過程中將工作標準空氣、待測樣品交叉進行分析，同時保證分析流程的一致性，依據(jù)空氣的檢測結果對樣品稀有氣體各組分同位素比值測量結果進行校正。

3 數(shù)據(jù)結果分析

3.1 氦氣含量測定

巴什托地區(qū)BK3井巴楚組天然氣樣品2次測定的氦氣含量為0.103%、0.116%，達到了含氦氣藏的標準；順北地區(qū)奧陶系天然氣樣品氦氣含量在0.026%～0.151%之間，僅1個樣品達到含氦氣標準。塔北地區(qū)震旦系—古近系32個天然氣樣品的氦氣含量在0.01%～0.08%之間，均未達到含氦氣標準（表1）。

表1 塔里木盆地中石化探區(qū)氦氣樣品檢測結果Table 1 Statistics of helium sample test results of Sinopec exp loration area in Tarim Basin

3.2 與前人數(shù)據(jù)的對比分析

統(tǒng)計前人氦氣研究數(shù)據(jù)成果發(fā)現(xiàn)，氦氣測定方法主要有2種，早期主要使用使用色譜法，而近年來采用質譜法檢測天然氣樣品氦氣濃度。色譜法分析天然氣成分時，通過色譜儀的定量管將待測天然氣樣品送進氣相色譜儀的進樣口，各類組分被送進色譜柱分離后檢測分析（余琪祥等，2013）。質譜法則是將自制的稀有氣體濃縮裝置與質譜儀聯(lián)用，利用活性炭、鋯鋁吸附劑等將天然氣樣中活性氣體吸附，再對純化濃縮后的氣樣進行檢測（陶成等，2014）。就方法原理而言，色譜法進樣系統(tǒng)為非真空進樣，質譜法采用真空進樣系統(tǒng)，而當天然氣樣品中混有氫氣時，由于氫氣與氦氣的熱導率和相對分子質量十分接近，會對氦氣含量檢測產生嚴重干擾。從前人氦氣含量檢測結果對比來看，相鄰地區(qū)相同類型油氣藏色譜法氦氣含量檢測結果明顯高于質譜法，且樣品數(shù)量較多的區(qū)域，色譜法檢測結果上下限差異巨大，如輪南三疊系氦氣含量最小值為0.03%，而最大值可達0.93%（圖2）。造成這種差異的原因可能是部分樣品中恰好混入氫氣，導致整體結果偏高。

圖2 塔里木盆地色譜法與質譜法氦氣含量檢測結果統(tǒng)計Fig.2 Statistics of helium content detection results by chromatographic method and mass spectrometry in Tarim Basin

通過對比方法原理和檢測結果，可以看出質譜法檢測結果相比色譜法具有更高的可靠性，因此本次研究將76組質譜法檢測結果納入使用范圍，包括劉全有等（2009）、陶成等（2014）、陶小晚等（2019）的成果數(shù)據(jù)。篩選出的76組數(shù)據(jù)和本次測定的共計30組結果，形成高可靠性數(shù)據(jù)106組，分布于庫車、塔北、順北、塔中、塔西南地區(qū)，涉及塔里木盆地8個含油氣層系。

從數(shù)據(jù)檢測結果的分布來看，106組數(shù)據(jù)中，達到工業(yè)標準的（He（%）≥0.1%）的數(shù)據(jù)共計15組，主要分布于塔西南和順托果勒2個地區(qū)；塔北廣大地區(qū)天然氣藏氦氣含量均未達到工業(yè)標準，呈現(xiàn)出了良好的規(guī)律性（圖3）。

圖3 塔里木盆地可靠氦氣含量數(shù)據(jù)達標情況分布Fig.3 Distribution diagram of reliable helium content data compliance in Tarim Basin

3.3 氦氣以殼源氦占絕對優(yōu)勢

自然界中的氦氣來源主要有殼源氦、幔源氦和大氣氦3種成因（李玉宏等，2022）。3He和4He成因差異為氦氣來源提供了判斷依據(jù)，可以根據(jù)兩者比值確定氦氣來源，大氣源的3He／4He值為1.4×10-6，殼源3He／4He值為2×10-8，幔源的3He／4He值為1.1×10-5（陶成等，2014）。氦同位素分析化驗結果表明，塔里木盆地殼源氦占絕對優(yōu)勢，部分地區(qū)（雅克拉、巴什托等）混有微量幔源氦，含量僅為1.6%（表1；圖4）。

圖4 塔里木盆地氦同位素檢測結果Fig.4 Helium isotope detection results in Tarim Basin

4 氦氣成藏主控因素探討

含氦氣藏中的He成藏必須具有3個必要條件：（1）有效氦源（花崗巖、變質巖、地幔玄武巖等）；（2）高效運移通道（存在通源斷裂）；（3）穩(wěn)定的保存條件，形成氦氣富集的氣藏載體（何發(fā)岐等，2022）。本研究結合不同區(qū)帶天然氣藏的地質特征，對氦氣主控因素進行討論。

4.1 深部巖漿巖為氦氣富集提供物質基礎

盆地基底、巖體、沉積地層都可成為潛在的氦源，但多數(shù)地質體都是“貧乏”的氦源巖，需要巨大的巖石體積和漫長的地質時間來產生He。富氦天然氣的形成需要再配備生氦能力較好、但不生烴或弱生烴能力的外部氦源巖，例如花崗巖、鋁土巖等。已知世界上大多數(shù)氦氣田下部均有巨大、古老的花崗巖體，這些巖體可能是氦氣的有效源巖。富氦天然氣的形成一般與下部古巨大、古老的花崗巖有關，如美國Panhandle-Hugoton、Cliff-side氣田，四川威遠氣田、鄂爾多斯東勝氣田等（李玉宏等，2022）。

4.1.1 塔西南—塔中地區(qū)深層巖漿巖發(fā)育

前人對塔里木盆地周緣露頭研究表明，塔西南地區(qū)深部發(fā)育多套巖漿巖或變質巖體。塔西南地區(qū)的赫羅斯坦群是一套變質的侵入雜巖，其巖石組成主要為斜長角閃巖、花崗閃長巖、含角閃石二長花崗巖和二云母花崗巖，形成時代為2.3～2.4 Ga（張傳林等，2006）。在西昆侖的鐵克里克等基底，對卡拉喀什群和塞拉加茲塔格群中的變質火山巖及火山碎屑巖鋯石SHRIMP測定顯示，其鋯石年齡存在1000Ma左右年齡，最年輕的鋯石年齡在800Ma左右（王超等，2009），表明存在中、新元古界巖漿活動。隨著油氣勘探的不斷深入，塔里木盆地內部越來越多鉆井不同程度地揭示了盆地基底，為基底研究提供了依據(jù)。塔深1井底部發(fā)現(xiàn)了閃長巖和花崗閃長巖，其年齡分別約為900Ma和1200Ma，說明塔里木中部地區(qū)曾發(fā)生過晉寧造山運動，被卷入過廣泛的晉寧造山帶（李曰俊等，2005）。

4.1.2 塔北地區(qū)以變質基底為主，局部發(fā)育元古界巖漿巖

塔北地區(qū)鉆井揭示其前震旦基底主要為阿克蘇群，由含藍閃石片巖、陽起石片巖、綠簾陽起片巖和鈉長石英片巖組成，其原巖為火山巖和火山碎屑巖（鄔光輝等，2007）。局部發(fā)育巖漿巖，如塔西北的三道橋地區(qū)沙53井、橋古2井等鉆遇的前震旦紀花崗巖的變質年齡在1.8Ga（韓強等，2017b）。值得注意的是橋古氣田下伏地層就是這套花崗巖（韓強等，2017a），但本次1個天然氣樣品氦氣含量為0.055%，未達到工業(yè)起算標準，其值與同一區(qū)帶的雅克拉氣田5個樣品接近，并無異常。說明氦源巖是氦氣富集基本條件，但不是唯一條件，氦氣富集還與其他條件有關。

從塔里木盆地古地磁異常分布情況來看，塔西南、塔中、塔東基底發(fā)育花崗巖、片麻巖可能與古地磁異常有關。巴什托—和田河達標氦氣含量分布與該區(qū)航磁異常體有較好的一致性，航磁異?？赡艽砹似渖畈康奶庞睢庞钭冑|巖—花崗巖體（圖5）。巴什托、順北、塔北及庫車廣大地區(qū)均發(fā)育深大斷裂（何登發(fā)等，2005），本次分析的天然氣藏多數(shù)位于深大基底斷裂附近，深大斷裂為深層氦元素向上運移提供了有利通道（陶小晚等，2019）。

圖5 塔里木盆地航磁等值線與達標樣品分布Fig.5 Aeromagnetic isolines and distribution map of samples meeting standard in Tarim Basin

4.2 成藏期越早的氣藏越有利于氦氣富集

對于通過α衰變形成的殼源氦而言，生氣強度低、周期長，與常規(guī)氣藏相比是絕對的弱源氣，如何保證弱源氣在漫長的歷史時期也被圈閉捕獲成藏，是決定氦氣是否富集的關鍵因素（李玉宏等，2022）。天然氣的混入有利于溶解氦脫溶形成游離氦，因此天然氣充注得越早，意味著越多的富氦水中的氦氣可以加速脫溶，天然氣充注結束之后，地層水的循環(huán)還可以不斷補充氦氣，使得天然氣藏中氦氣含量升高。塔里木疊合盆地天然氣具有多階段生烴和多期運移、聚集、調整和破壞的油氣成藏特征，成藏期越早的天然氣越有利于氦氣富集。臺盆區(qū)海相油氣主要存在加里東晚期、海西晚期及喜馬拉雅期等3期油氣成藏過程（呂海濤等，2009）。塔北地區(qū)的雅克拉、橋古凝析氣藏主成藏期在喜馬拉雅中—晚期，距今14～5Ma、5～2Ma和2～0Ma，成藏期較晚。塔河地區(qū)的石炭系、三疊系及奧陶系天然氣藏的成藏期在晚期中新世至上新世（12～2Ma），成藏期亦較晚。順托果勒地區(qū)斷控縫洞體油氣藏的主成藏期在海西晚期（漆立新，2014；王玉偉等，2019）。巴什托油氣田的主成藏期為海西晚期，喜山晚期分異調整改造，形成3個獨立的油氣藏。因此，相比而言，南塔里木盆地的天然氣藏更有利于氦氣富集。

4.3 保存條件差異是影響氦氣富集的關鍵

氦氣分子半徑很小，僅為0.26 nm，是自然界中發(fā)現(xiàn)的分子半徑最小的物質，（甲烷半徑為0.42 nm），不易與其他物質發(fā)生化學變化，具有很強的擴散和穿透能力，因而氦氣成藏相較于烴類對保存條件要求更加苛刻（盧雪梅，2022）。氦氣的保存條件研究目前還沒有定量化的評價標準，本研究主要討論含氦氣藏油氣充注后的斷裂構造活動對氦氣含量的影響。

本次氦氣測定結果含量達到工業(yè)標準的巴什托凝析氣藏，斷裂切穿寒武系溝通深部氦源，但消失于二疊系，未切穿上覆蓋層。對順北地區(qū)SHB1-3H、SHB5-5H、SHB5-11H、SHB5-12H等4口井分別取樣，進行氦氣含量檢測，僅SHB5-12H井樣品達標。

圖6 塔里木盆地順北地區(qū)過SHB5-12H（a）、SHB5-5H（b）和SBH 5-11H井（c）地震剖面Fig.6 Seismic profiles across wells SHB5-12H（a），SHB5-5H（b）and SHB5-11H（c）in Shunbei area，Tarim Basin

從過這些鉆井的地震剖面中可以看到，氦氣含量較高的SHB5-12H井斷裂未斷穿上覆桑塔木組巨厚泥巖蓋層，而含量較低的SHB5-11H和SHB5-5H井斷裂則切穿了桑塔木組，破壞了泥巖蓋層的完整性。

塔北地區(qū)的塔河油田和雅克拉凝析氣藏雖然局部蓋層較發(fā)育，但塔北地區(qū)喜馬拉雅晚期由于庫車坳陷快速沉降，中新生界構造發(fā)生了“翹傾”作用，輪臺斷裂、桑塔木等基底斷裂在新近紀康村組—庫車組沉積期仍在活動，油氣藏后期改造現(xiàn)象明顯，不利于氦氣保存，氦氣含量均未達到工業(yè)標準（韓強等，2019）。前人曾對塔河油田周邊的桑塔木、吉拉克和艾協(xié)克油田進行地表大氣組分檢測，結果顯示，地表大氣中氦氣含量超標（鄧樹立，1995），這一現(xiàn)象也與保存條件差相吻合。

綜上所述，塔里木盆地含氦氣成藏富集主要受氦源、深大通源斷裂、成藏期次、保存條件等因素共同控制。相比而言，塔西南、塔東、順托果勒地區(qū)成藏條件相對較好。在常規(guī)天然氣有利區(qū)，主要考慮斷裂發(fā)育特征和埋深，兼顧油氣充注期，綜合認為順托果勒低隆和麥蓋提斜坡2個地區(qū)為含氦氣藏較為有利區(qū)。

5 結論

1）塔里木盆地中石化探區(qū)9個油氣藏、6個層系的22個天然氣樣品的氦氣含量中，僅巴什托地區(qū)BK3井和順北地區(qū)SHB5-12H井達到含氦氣藏的標準，其余均未達到含氣標準；同位素分布表明，大多數(shù)樣品氦氣來源為殼源氦，塔西南地區(qū)、塔河西部和雅克拉白堊系混有少量幔源氦，含量約為1.6%，與前人實驗結果一致性較好，表明本研究實驗方法與數(shù)據(jù)是可靠的。

2）質譜法檢測結果相比色譜法具有更高的可靠性。色譜法進樣系統(tǒng)為非真空進樣，而當天然氣樣品中混有氫氣時，由于氫氣與氦氣的熱導率和相對分子質量十分接近，會對氦氣含量檢測產生嚴重干擾。因此前人采用該方法所測試結果氦氣含量偏高。而質譜法采用真空進樣系統(tǒng)，測試數(shù)據(jù)具有更高的可靠性。

3）結合前人研究成果認為，達到含氦氣標準的樣品大部分分布于巴楚南緣、順北地區(qū)；含氦氣成藏富集主要受氦源、深大通源斷裂、成藏期次、保存條件等因素共同控制。含氦氣藏深部巖漿巖或變質巖為氦氣富集提供物質基礎，巴楚—順托果勒地區(qū)海西晚期成藏的氣藏更有利于氦氣富集，穩(wěn)定的保存條件是氦氣富集的關鍵。塔西南、塔東、順托果勒地區(qū)氦氣成藏條件相對較好，塔北地區(qū)相對不利。