天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 11: 1585 - 1592

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2020.03.014

非常规天然气

柴达木盆地东坪氦工业气田发现及氦气来源和勘探前景

  • 张晓宝 , 1, 2, 3 ,
  • 周飞 3 ,
  • 曹占元 1, 2, 3 ,
  • 梁明亮 4
展开
  • 1. 中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心，甘肃 兰州 730000
  • 2. 甘肃省油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000
  • 3. 中国石油青海油田分公司，甘肃 敦煌 736202
  • 4. 中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081

张晓宝（1958-），男，甘肃兰州人，研究员，博士，主要从事天然气地球化学研究.E-mail: .

收稿日期: 2020-02-17

  修回日期: 2020-03-23

  网络出版日期: 2020-11-24

基金资助

国家自然科学基金面上项目“氦气藏与气源岩气体、元素地球化学与矿物学相关性与气源追索——以柴达木盆地东坪气田为例”(41972135)

国家自然科学基金青年项目“天然气N2组成地球化学示踪指标研究——以柴达木盆地为例”(41702150)

收起

Finding of the Dongping economic Helium gas field in the Qaidam Basin， and Helium source and exploration prospect

  • Xiao-bao ZHANG , 1, 2, 3 ,
  • Fei ZHOU 3 ,
  • Zhan-yuan CAO 1, 2, 3 ,
  • Ming-liang LIANG 4
Expand
  • 1. Petroleum Resources Research Center，Northwest Institute of Eco⁃Environments and Resources，CAS，Lanzhou 730000，China
  • 2. Key Laboratory of Petroleum Resources Research，Gansu Province，Lanzhou 730000，China
  • 3. Qinghai Oil Field Company，CNPC，Dunhuang 736202，China
  • 4. China Academy of Geological Sciences，Institute of Geomechanics，Beijing 100081，China

Received date: 2020-02-17

  Revised date: 2020-03-23

  Online published: 2020-11-24

Fold

本文亮点

为进一步明确柴达木盆地氦气资源分布情况，对东坪等气田天然气地球化学特征进行分析。结果表明：东坪气田东坪1井区、东坪3井区和尖顶山气田尖探1井区等21个天然气样中氦气含量大于0.05%，达到了工业标准，其中最小值为0.075%，最大值为1.069%，平均值为0.386%，据此在柴达木盆地首次发现了东坪氦工业气田。东坪气田及其附近的牛东气田3He/4He最小值为1.01×10-8，最大值为3.62×10-8，平均值为1.86×10-8，均位于10-8量级，应属壳源氦。综合分析认为东坪、尖顶山等气田已发现氦工业气藏的氦主要来源于花岗岩或花岗片麻岩基底。柴达木盆地花岗岩与花岗片麻岩基底分布广泛，具备形成高含氦天然气的条件，氦资源勘探前景十分广阔。

本文引用格式

张晓宝 , 周飞 , 曹占元 , 梁明亮 . 柴达木盆地东坪氦工业气田发现及氦气来源和勘探前景[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(11) : 1585 -1592 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2020.03.014

Highlights

In order to further clarify the distribution of Helium resources in Qaidam Basin， the geochemical characteristics of natural gas in Dongping and other gas fields were analyzed. The results show that the Helium content of 21 natural gas samples from Dongping 1， Dongping 3 well areas in Dongping Gas Field and Jiantan 1 well area in Jiandingshan Gas Field is more than 0.05%， reaching an economic level， which has a minimum value of 0.07%， a maximum of 1.069%， and an average of 0.386%， therefore the economic Helium fields were found in the basin. The minimum 3He/4He of the Dongping Gas Field and its neighboring Niudong Gas Field is 1.01×10-8， the maximum is 3.62×10-8 and the average is 1.86×10-8， in an order of 1.86×10-8， showing a crust-sourced origin. A comprehensive analysis exhibits that the economic helium fields are sourced from the granite and granitic gneiss base. The granite and granitic gneiss base in the basin is widely distributed， which means the exploration prospect is very broad.

0 引言

氦气存在于有机成因天然气藏中，但其成因属无机成因，从不同成因气藏叠加的角度看，当其含量达到工业标准（0.05%）［1］时，就具有作为独立矿种进行开发的价值，本文将这类气田称为氦工业气田。
氦是惰性（稀有）气体之一，化学性质不活泼，不与其他元素化合，不能燃烧，也不助燃，具有很强的扩散性、良好的导热性、低密度、低溶解度、低蒸发潜热等性质，在航天、国防军工、核能、潜艇、低温超导、核磁共振、电子、科学仪器等领域广泛应用［2］。氦资源主要存在于天然气藏中，美国的天然气中氦含量比较高，平均约为0.8%，而我国天然气中氦含量极低，含量最高的威远天然气也仅为0.2%。世界氦资源量估计为519×108 m3［2］。美国是世界上氦资源最丰富的国家，氦气储量占世界总储量的近40%［1］，而我国氦资源稀缺，仅占2%，且提取氦的成本又相对较高，因此我国95%的氦气依靠从国外进口。由于在氦气资源量和生产量方面均占优势，美国在国际氦气市场上拥有绝对的话语权。全球已探明氦气资源在不断减少，但国际市场和我国对氦气的需求却按每年15%的速率在增长［3］，这就导致供需矛盾不断扩大。同时，美国对氦气的保护、储备、限制和禁运等措施以及美国挑起的贸易摩擦等，直接影响着国际和我国氦气市场的供给和价格。
我国已经在东部、中部和西部地区都陆续发现了达到工业标准的氦气田。20世纪60年代在四川威远发现了我国唯一一座制氦的工业气田［4-5］。80年代在我国东部郯庐大断裂附近的松辽盆地、海拉尔盆地、辽河盆地万金塔、苏北盆地黄桥［6-7］和广东三水盆地等都发现了来自地壳和地幔的混源氦气藏［1，8］。2000年以来在塔里木盆地雅克拉、沙西2号、巴什托和亚松迪等油气藏的天然气组分中发现氦气含量较高［9］。近年来在我国汾渭盆地地热井热水中的气体样品中发现氦含量最高达3.43%，很多大于1%［10-13］。陶小晚等［14］首次发现和田河气田为富氦气田，氦气体积含量为0.30%~0.37%（平均为0.32%），为壳源成因，折算氦气探明储量为1.959 1×108 m3，是我国发现的首个特大型富氦气田。张云鹏等［15］和杨振宁等［16］在柴达木盆地北缘全吉山、团鱼山地区的煤炭钻孔和泥页岩解吸气中发现了体积分数较高的氦气显示。2017年中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心和中国石油青海油田的科研人员在对柴达木盆地天然气组分进行测试时，发现天然气控制储量上千亿立方米的东坪等气田的21个天然气样品中氦含量超过了工业标准（0.05%），从而发现了东坪氦工业气田。本文将报道东坪氦工业气田的发现，论述其氦气的成因和来源，以及柴达木盆地氦资源勘探前景，指出该盆地氦气的成藏条件与机理等还尚需进一步的研究。

1 东坪气田地质特征概述

柴达木盆地阿尔金山前东段自东向西依次分布有冷北、牛东、东坪、尖顶山等斜坡，东坪气田位于东坪斜坡（图1）。东坪斜坡整体表现为古近纪以来持续发育的大型盆缘鼻状古隆起，倾向东南，被北西—南东向二级断裂分割形成5个较大的断块。东坪鼻隆形态主要受坪东断层控制，轴向与坪东断层走向平行，为北西—南东向（图2）。东坪气藏属基岩型自生自储气藏，平面上可分为东坪1井区和东坪3井区（图2），天然气主要储集于古近系下伏基底结晶岩系的岩浆岩或变质岩中，少量位于古近系E1+2和E3 1（图3）。气藏类型为裂缝型底水块状高压湿气气藏，探明叠合含气面积为32.67 km2。基岩为多期花岗岩和古生界变质岩组成的复合基底。应用U—Pb法测年，东坪1井的花岗片麻岩的结晶年龄为406.9 Ma，属于早泥盆世；东坪H301号井中黑云母花岗岩的结晶年龄为418.3 Ma，属于晚志留世［18］。基岩完整的风化壳结构划分为5层结构，从上到下分别为古土壤、完全风化层、半风化层溶蚀带、半风化层崩解带和母岩。基岩裂缝发育，裂缝主要为溶蚀缝、节理缝、结构缝及微小的微裂缝，裂缝角度一般较大且裂缝交织成网状。强溶蚀缝主要发育在溶蚀带，弱溶蚀节理缝主要发育在崩解带。东坪1井区控制储量约为600×108 m3，东坪3井区控制储量约为400×108 m3，尖探1井区控制储量为600×108 m3，因此阿尔金山前东段是一个千亿立方米规模的气区。
图1 东坪气田构造位置（据文献[17]，底图为路乐河组古构造图）

Fig.1 Structural location map of Dongping Gas Field(according to Ref.[17], the base map is the paleotectonic map of Lulehe Formation)

图2 东坪气田构造等深图（据文献[17]，蓝色直线为图3剖面位置）

Fig.2 Structural bathymetric map of Dongping Gas Field (according to Ref.[17], the blue straight line is the section position in Fig.3)

图3 东坪气田剖面及成气模式（据文献[17]，剖面位置见图2）

Fig.3 Profile of Dongping Gas Field (according to Ref.[17], the section position is shown in Fig.2)

2 样品采集与实验

应用钢瓶采集了东坪、尖顶山等气田的天然气样品，具体采样方法及要求见文献［19］。在考虑数量和分布2个方面代表性的基础上，本文研究共采集了东坪气田和尖顶山气田的21个气样。在中国科学院/甘肃省油气资源重点实验室进行了天然气组分和氦同位素分析，其中天然气组分分析采用Mat-271质谱仪，样品测试条件、方法及精度详见文献［20］，分析结果见表1。
表1 东坪气田和尖顶山气田天然气组分含量

Table 1 Table of component content of natural gas in Dongping and Jiandingshan Gas Fields

气田 井号 井段/m 层位 天然气组分含量/%
C1 C 2 + H2 He N2 O2 H2S Ar CO2
东坪气田 东坪1井 3 159~3 182 基岩 91.79 2.709 0.000 0.075 5.28 0.120 0.000 0.014 0.012
坪1H-2-8 3 388~3 663 基岩 88.61 2.895 0.000 0.080 7.37 0.640 0.000 0.025 0.381
坪1H-2-5 3 416~3 728 基岩 88.24 2.891 0.000 0.071 7.58 0.940 0.000 0.037 0.241
坪1H-2-7 3 188~3 554 基岩 88.21 3.398 0.000 0.045 7.44 0.560 0.000 0.016 0.322
坪1H-2-4 3 270~3 530 基岩 90.28 3.311 0.000 0.068 6.12 0.150 0.000 0.001 0.070
东坪306井 1 904~1 924 基岩 83.81 1.380 0.000 0.400 13.92 0.240 0.000 0.060 0.190
东坪307井 1 206.9~1 288 E3 1 87.23 0.650 0.000 0.280 10.72 0.990 0.000 0.080 0.050
东坪3H-6-4 1 950~2 250 基岩 70.11 1.400 0.000 0.810 27.13 0.370 0.000 0.140 0.040
东坪3井 1 803 E1+2 61.75 3.161 0.000 1.069 30.49 1.340 0.000 0.170 2.020
东坪3井 1 686 E1+2 71.75 1.381 0.000 0.475 25.56 0.603 0.000 0.128 0.104
东坪3井 1 101 E3 1 91.11 0.822 0.032 0.085 7.66 0.252 0.000 0.029 0.020
坪3-2-1井 685.4~935 E3 2 86.04 0.733 0.000 0.110 12.56 0.480 0.000 0.050 0.027
坪3-2-1井 681.2~693.2 E3 2 88.04 0.733 0.000 0.110 10.96 0.080 0.000 0.050 0.027
坪3H-6-2 1 985~2 480 基岩 66.07 1.354 0.000 0.750 30.04 1.510 0.000 0.190 0.086
坪3H-6-2 1 171~1 175 E3 1 73.57 1.354 0.000 0.750 24.04 0.010 0.000 0.190 0.086
东坪173井 4 635~4 645 E3 2 83.16 12.871 0.000 0.085 3.40 0.000 0.000 0.024 0.46
东坪11井 869~871 E3 2 88.91 0.760 0.000 0.130 7.89 1.360 0.000 0.080 0.870
东坪11井 1 013~1 018 E3 2 95.41 0.760 0.000 0.130 2.69 0.060 0.000 0.080 0.870
东坪11井 1 960~1 976 基岩 83.73 0.950 0.000 0.090 14.77 0.000 0.000 0.460
东坪15井 1 902 E1+2 93.02 0.684 0.122 0.315 5.83 0.000 0.000 0.02 0.010
尖顶山气田 尖探1井 4 707 基岩 80.54 2.436 0.000 0.569 15.71 0.000 0.000 0.244 0.504
天然气氦同位素测试在Nobleless SFT质谱仪上进行，具体测试条件、方法及精度参见文献［15］，分析结果见表2。
表2 东坪气田和牛东气田氦同位素数据

Table 2 Helium isotope data of Dongping and Niudong Gas Fields

气田 井号 深度/m 层位 3He/4He
东坪气田 东坪1H-2-8井 3 388~3 663 基岩 1.39×10-8
东坪1H-2-4井 3 270~3 530 基岩 1.01×10-8
东坪171井 4 778~4 788 基岩 2.21×10-8
东坪1井 3 159~3 182 基岩 1.26×10-8
牛东气田 牛1-2-1井 2 124~2 149 J 2.23×10-8
牛105井 3 190~3 200 J 3.62×10-8
牛1井 2 224~2 236 J 1.31×10-8

3 结果与讨论

3.1 天然气中氦含量

通过对盆地天然气组分测试，发现东坪等气田东坪1井区、东坪3井区和尖探1井区等21个天然气样品仍然以烃类气体为主，非烃为辅［21］，非烃类气体中N2含量较高，但N2与He含量的相关性较差，因此He的地质特征具有其独立性。He含量大于0.05%（表1），达到了工业标准，其中最小值为0.075%，最大值为1.069%，平均值为0.386%，样品采集区基本覆盖了整个气田，从而发现了东坪氦工业气田。东坪1井区共分析了5口井（其中1口直井，4口水平井），天然气中He含量，最小值为0.05%，最大值为0.08%，平均值为0.07%。东坪1井区（图2，图3）天然气产层主要为花岗片麻岩基底，探明天然气储量为454.1×108m3。东坪3井区（图2，图3）共分析了10个气样（其中3口直井5个气样、3口水平井5个气样），气层气中氦气含量最小值为0.09%，最大值为1.07%，平均值为0.49%。东坪3井区天然气产层主要为花岗岩基底及少量E1+2和E3 1，探明储量为62×108 m3。与东坪气田处在同一构造带上的尖探1井区（图1）基岩天然气产层中氦含量达到0.569%，天然气控制储量达到600×108 m3。
除了东坪1井区、东坪3井区和尖探1井区，东坪气田东坪11井区、东坪15井区、东坪17井区也发现了含量超过工业标准的He。整个阿尔金山前东段斜坡带He含量达到工业标准的天然气控制储量可达上千亿立方米。

3.2 氦气成因

氦有大气氦、壳源氦和幔源氦3种来源。氦有2种稳定同位素：3He 和4He，它们具有不同的成因。3He主要为元素合成时形成的原始核素，4He 则主要为地球上自然放射性元素铀、钍α衰变的产物。3He/4He丰度比值是判识氦来源的重要标志：大气氦为1.4×10-6，壳源氦为2×10-8，幔源氦为1.1×10-5 ［22-26］。
表2为柴达木盆地东坪气田和与其相邻的牛东气田天然气3He/4He数据表。从表2中可见，东坪气田和牛东气田3He/4He最小值为1.01×10-8，最大值为3.62×10-8，平均值为1.86×10-8，均位于10-8量级，应属壳源氦。值得一提的是，截至目前，在柴达木盆地油气田中尚未发现3He/4He值大于10-8量级的天然气，也说明该盆地油气田中基本没有来自于幔源的流体。

3.3 氦气来源

据钻井揭露和钻井约束的重力、磁力和电法等非地震勘探和地震勘探剖面解释结果，柴达木盆地柴北缘和阿尔金山前东段古近系气藏下伏地层存在前中生界花岗岩、花岗片麻岩基底和侏罗系。从已知气藏天然气组分看，只有存在花岗岩和花岗片麻岩基岩型气藏的东坪气田（图3）和尖顶山气田的天然气中才含有较高的氦，且多数井的氦含量达到工业标准；而古近系下伏地层为侏罗系，且研究发现不存在花岗岩和花岗片麻岩基底的油气田基本不含氦气（如牛东气田），因此推测该区天然气中的氦与侏罗系气源无关，而主要与花岗岩和花岗片麻岩基底有关。
如图3所示，东坪1井区气藏为基岩型气藏，基底为花岗片麻岩，东坪3井区气藏也为基岩型气藏，但基底为花岗岩。利用自然伽马曲线可推测花岗岩和花岗片麻岩基底放射性元素的含量。从自然伽马曲线看，东坪1井区花岗片麻岩具有低自然伽马值、低钾含量特征，东坪3井区花岗岩具有高自然伽马值特征，GR值在30~75 API之间，说明东坪1井区花岗片麻岩铀、钍等含量较低（图4）；东坪3井区花岗岩中放射性元素铀、钍等含量较高，GR值一般大于75 API，因此东坪3井区壳源放射性成因的氦气含量较高。此外，东坪3井区花岗岩形成的年代较长，为418.6 Ma，放射性成因的氦气含量较高；东坪1井区花岗片麻岩形成的年代较短，为408.9 Ma，放射性成因的氦气含量较低。因此，东坪1井区氦气含量较低（表1）。
图4 东坪1井区变质岩和东坪3井区花岗岩地震剖面与测井曲线特征对比（据参考文献[17]）

Fig.4 Comparison of seismic profile and logging curve characteristics of metamorphic rocks in Dongping 1 well block and granite in Dongping 3 well block (according to Ref.[17])

从表1也可看出，东坪3井距离花岗岩基底最近的E1+2气层（埋深1 803 m）的氦气含量最高，为1.069%；距基底较远的E1+2气层（埋深1 686 m）的氦气含量较低，为0.475%；距基底最远的位于E3 1气层的氦气含量最低，为0.085%，这种距基底越远的气层氦气含量越低的现象反映了氦气气源应来自于花岗岩基底。
国内外已发现的许多氦气藏也与花岗岩和火山岩有关。美国西南部的高氦气（0.7%）与浅层火山岩的分布密切相关［27-28］。我国目前已发现的东部辽河盆地万金塔、苏北盆地苏桥、广东三水盆地的氦气藏属壳幔复合成因［1， 6-8］，中部四川盆地威远［4-5］和西部塔里木盆地氦工业气藏［9］以及渭河盆地水溶性氦气藏［10-13］分布区基本都存在花岗岩或火山岩基底。

4 勘探前景

地层天然气中氦的来源有2种：①幔源氦通过深大断裂运移， 或岩浆岩、火山岩脱气形成氦； ②放射性铀、钍（主要是花岗岩中）衰变形成氦。幔源氦、壳幔混源氦和壳源氦都可以形成工业气藏，前二者如中国东部郯庐大断裂及其附近沉积盆地中的氦工业气藏，后者如塔里木盆地及本文论述的柴达木盆地东坪氦工业气藏，但据国内外资料统计，大型氦工业气藏主要是壳源成因的［27-28］。以钻井为约束的重、磁、电、震资料综合解释认为，柴达木盆地基底花岗岩、花岗片麻岩分布广泛，壳源氦来源丰富，资源前景广阔（图5）。除了东坪、尖顶山等气田以外，作者还在阿尔金山前带东段冷东、冷北，柴北缘的冷湖四号、伊克雅吾汝、垣1井、台吉深1井，以及柴西南扎5井等有花岗岩和花岗片麻岩分布的区带发现了氦含量超标的气藏或气井，预测含氦天然气储量达上千亿立方米。
图5 柴达木盆地基底岩性分布（据文献[17]）

Fig.5 Distribution map of basement lithology in Qaidam Basin (according to Ref.[17])

5 结论

（1）天然气组分测量表明柴达木盆地东坪等气田天然气中氦气含量达到了工业标准，东坪气田东坪1井区、东坪3井区和尖顶山气田尖探1井区等21个天然气样中氦含量大于0.05%，达到了工业标准，其中最小值为0.075%，最大值为1.069%，平均值为0.386%，从而发现了东坪氦工业气田。
（2）东坪气田和牛东气田3He/4He最小值为1.01×10-8，最大值为3.62×10-8，平均值为1.86×10-8，均位于10-8量级，应属壳源氦。
（3）钻井、地震和重磁非地震资料、基岩型氦气藏分布特征以及国内外资料调研均表明，柴达木盆地已发现氦工业气藏均与花岗岩或变质的花岗片麻岩基底有关。
（4）柴达木盆地北缘、阿尔金山前带和柴达木盆地西南部花岗岩与花岗片麻岩基底分布广泛，具有在基岩风化壳及其上覆地层中形成高氦含量的条件，氦资源勘探前景广阔。

中国石油青海油田等单位在盆地基础地质、气藏地质、钻井、测井、气田发现与开发、天然气组成测试等方面做了大量卓有成效的基础工作，东坪氦气藏的发现应该是以中国石油青海油田为主的石油地质工作者的共同贡献，本文只是对这一重要发现进行了初步的地质地球化学分析与总结，也在此向所有作出贡献的勘探家和学者表示深深的敬意和感谢。

参考文献

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