天然气地球科学 >

2023 , Vol. 34 >Issue 10: 1780 - 1789

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.06.002

非烃气体

基于磁力资料的鄂尔多斯盆地氦气分布规律

  • 范立勇 , 1, 2 ,
  • 单长安 , 3 ,
  • 李进步 1, 2 ,
  • 冯旭亮 3 ,
  • 于占海 1 ,
  • 王大海 1
展开
  • 1. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018
  • 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018
  • 3. 西安石油大学地球科学与工程学院，陕西 西安 710065
单长安（1985-），男，山东单县人，博士，副教授，主要从事油气与氦气地质综合评价研究. E-mail：.

范立勇（1978-），男，山东泰安人，博士，高级工程师，主要从事油气地质及资源评价研究.E-mail：.

收稿日期: 2023-03-10

  修回日期: 2023-05-23

  网络出版日期: 2023-10-08

收起

Distribution of helium resources in Ordos Basin based on magnetic data

  • Liyong FAN , 1, 2 ,
  • Chang'an SHAN , 3 ,
  • Jinbu LI 1, 2 ,
  • Xuliang FENG 3 ,
  • Zhanhai YU 1 ,
  • Dahai WANG 1
Expand
  • 1. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China
  • 2. National Engineering Laboratory of Low⁃permeability Oil & Gas Exploration and Development，Xi'an 710018，China
  • 3. School of Earth Sciences and Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China

Received date: 2023-03-10

  Revised date: 2023-05-23

  Online published: 2023-10-08

Supported by

The China National Science and Technology Project(GG20211701-01)

Fold

摘要

氦气因其独特的化学性质而成为重要的战略资源，中国氦气资源相对贫乏，资源安全形势极其严峻。鄂尔多斯盆地已有一定的氦气显示，但目前对于盆地内天然气中氦气体积分数的认识存在较大差异，对于氦气资源分布规律认识不足，制约了鄂尔多斯盆地氦气资源潜力评价及开发利用。在广泛收集和认识前人研究成果的基础上，以鄂尔多斯盆地磁力异常资料为主，结合347个天然气样品中氦气含量测试结果，分析了鄂尔多斯盆地氦气分布规律。通过对苏里格、庆阳和宜川3个气田天然气样品氦气含量进行测试，发现氦气含量均达到了工业生产的标准（>0.05%），其中庆阳气田Q1区和苏里格气田S47区氦气平均含量超过0.1%。结合岩石磁性特征对磁力异常进行分析，结果表明鄂尔多斯盆地的磁力异常呈明显的分区特征，反映了盆地基底具有多阶段拼合的地质特征，区域性磁力异常变化主要与盆地基底岩性相关，高磁异常条带可能系盆地基底太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体引起；低磁异常主要由板岩、片岩、千枚岩、石英岩、大理岩等弱磁性岩体引起。鄂尔多斯盆地氦气主要为壳源成因，盆地基底下元古界强磁性深变质岩系为鄂尔多斯盆地的氦源岩，盆地中部平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带为盆地主要的氦气分布区。

关键词： 鄂尔多斯盆地; 氦气含量; 磁力异常; 氦源岩; 基底变质岩

本文引用格式

范立勇 , 单长安 , 李进步 , 冯旭亮 , 于占海 , 王大海 . 基于磁力资料的鄂尔多斯盆地氦气分布规律[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(10) : 1780 -1789 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.06.002

Abstract

Helium has become an important strategic resource because of its unique chemical properties. China's helium resources are relatively poor， and the security situation of helium resources is extremely serious. Helium has been discovered in Ordos Basin， but there are great differences in the understanding of helium volume fraction in the natural gas in the basin and insufficient understanding of the distribution law of helium resources at present， which restricts the potential evaluation and development and utilization of helium resources in the Ordos Basin. In this paper， based on the extensive collection and understanding of previous research results， the distribution of helium in Ordos Basin was analyzed based on magnetic anomaly data and helium content test results of 347 natural gas samples. The helium content of natural gas samples from Sulige， Qingyang and Yichuan gas fields is measured， and it is found that the helium content reaches the industrial level. The average helium content in Qing 1 well block of Qingyang Gas Field and Su 47 well block of Sulige Gas Field is more than 0.1%. We analyzed the magnetic anomaly based on the magnetic characteristics of rocks， and the results indicate that the magnetic anomaly of Ordos Basin have obvious zoning characteristics， reflecting the geological characteristics of multi-stage integration of basin basement. The regional magnetic anomaly variations are mainly related to the lithology of the basin basement， and the high magnetic anomaly bands may be caused by the strong magnetic rock mass such as the archaean-Lower Proterozoic deep metamorphic gneiss， metaggrin， basic volcanic rocks， and the corresponding granites in the basin basement. Low magnetic anomaly is mainly caused by weak magnetic rock mass such as slate， schist， phyllite， quartzite and marble. The helium gas in Ordos Basin is mainly derived from crust， and the deep metamorphic rocks in the lower Proterozoic are the helium source rocks in Ordos Basin. The northeast high magnetic anomaly belt in Pingliang-Qingyang-Yan’an-Jiaxian area in the middle of ordos Basin is the main helium distribution area.

Key words： Ordos Basin; Helium content; Magnetic anomaly; Helium source rocks; Basement metamorphic rock

0 引言

氦气具有无色、无味、强化学惰性和沸点低的独有特征，广泛应用于航空工业、医疗领域、核工业、电子产业等国防和高新技术领域，是重要的稀有战略资源［1-2］。近年来，国际上发达国家开始审视氦气的地位，氦被多个发达国家列入“关键矿产清单”［3］。目前全球氦气年需求量约为2.2×108 m3，但年产量不足1.7×108 m3，供需矛盾突出［2］。中国氦气资源相对贫乏，主要依靠国外进口［4］，年进口量约为2 800×104 m3，对外依存度超过95%，资源安全形势极其严峻［2］。
我国的含油气盆地普遍含氦，如东部松辽盆地、苏北盆地等，中部鄂尔多斯盆地、四川盆地、百色盆地等，西部塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地等［4-5］，所有气田中的氦气均以4He为主，东部地区的3He含量要高于中西部地区，表现为3He/4He值在东部地区明显偏高［6］。四川盆地威远气田是我国最大的氦资源气田，天然气含氦量为0.2%［7］，也是目前唯一实现氦气商业开发的气田［1，8］。塔里木盆地氦气以壳源成因为主，盆地内部的钻井资料证实富氦天然气显示良好，且天然气中氮气与氦气含量具有一定的正相关性［9］。渭河盆地地热水伴生天然气中普遍显示具有高丰度的氦气含量，水溶气中氦气含量最高达30%［8］，根据盆地内地热流体储量、气水比、氦气体积分数估算出盆地内氦气资源量可达21.30×108 m3，具有良好的资源前景［10］。2012年以来，中国地质调查局西安地质调查中心成立了氦气调查研究团队，以渭河盆地为靶区开展了氦气成藏理论、评价方法等研究，初步建立了地质找矿模型，并圈定了华州—潼关、武功—咸阳、户县—蓝田3处氦气远景区［11］。基于这一成果认识，2018年，陕西省国土资源厅依法设立了渭南市华州—华阴地区地热水及氦气探矿权，这也是我国首个氦气探矿权。
水溶性氦气资源分布广泛，He丰度一般偏高，但从工业利用价值来看，此类资源品位高、产量低，经济性差，属于“有质无量”的资源［2］。含氦天然气迄今仍是工业化生产氦气的唯一来源［12］，目前全球90%以上的氦气是从富氦、高氦的天然气藏（氦含量大于0.1%的天然气藏）提取，因此目前全球可进行工业利用的氦气资源主要赋存于含氦、富氦天然气藏中［1］。近年来，塔里木盆地西南部和北部地区均发现一些富氦、高氦天然气藏或天然气井显示，如和田气田氦气体积含量为0.30%~0.37%（平均为0.32%），折算氦气探明储量1.959 1×108 m3，是我国发现的首个特大型富氦气田［13］。
鄂尔多斯盆地是我国最稳定的含油气盆地，也是目前探明天然气储量最多的盆地。早在2005年，为指导勘探鄂尔多斯盆地大气田及深入了解盆地构造，戴金星等［14］分析了鄂尔多斯盆地46个天然气样氦同位素特征，结果表明盆地氦气为典型壳源氦特征。近几年，随着氦气资源被重视，在鄂尔多斯盆地开展了天然气样品中氦气含量的相关研究，结果表明在苏里格气田氦气含量为0.054%~0.091%，高于0.05%的商业下限［15］。盆地周缘也陆续有良好的氦气显示，例如盆地东缘石西区块25口井81个天然气样分析结果显示氦气体积分数为0.02%~0.23%，平均值为0.089%，具备潜在利用价值［16］；盆地北缘杭锦旗地区东胜气田天然气中普遍伴生具有工业价值的氦气，166口天然气样品分析结果显示氦气含量为0.045%~0.487%，达到含氦—富氦气田标准［17］。鄂尔多斯盆地内部目前仅有北部大牛地气田进行过氦气含量测试，结果表明氦气含量分布在0.018%~0.048%之间［18］，含量似乎不高。然而，目前长庆油田针对长庆气区天然气组分统计，初步得出黄龙气田氦气含量最高（2.233%），为富氦气田，表明了鄂尔多斯盆地可能有较好的氦气资源前景。此外，塔里木盆地等稳定的含油气盆地也已经显示出了较好的氦气资源前景，而鄂尔多斯盆地周缘被多个大造山带围限，其中富铀花岗岩较为发育，应该具有较好的氦气资源前景。可见，目前对于鄂尔多斯盆地氦气资源分布研究非常少，对于盆地内天然气中氦气体积分数的认识存在较大的差异，许多相关的勘探开发问题等都有待深入研究，例如天然气井中的氦气含量、氦气来源的确定、有效氦源岩等。
国内研究较多的含氦盆地（如渭河盆地）的勘探实践表明，地球物理是分析盆地氦气资源分布规律的有效手段，其中磁力资料能在很大程度上反映氦源岩的分布特征，例如渭河盆地内部高氦气含量井在空间分布上往往与局部高磁异常有关［19-20］。本文拟以鄂尔多斯盆地磁力资料为主，在分析磁力异常特征的基础上结合新测试的347个天然气样中氦气含量结果，分析鄂尔多斯盆地氦气来源及分布规律，为盆地氦气资源勘探开发提供参考。

1 鄂尔多斯盆地氦气成因及含量

1.1　氦同位素及成因特征

天然气中的氦有大气氦、壳源氦和幔源氦3种来源，氦有2个稳定同位素3He和4He，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、钍的α衰变的产物［21］。通常以氦的同位素3He/4He值作为判识地球上氦的3种来源的主要标志，即大气氦为1.4×10-6，壳源成因氦为2×10-8，幔源氦为1.1×10-6［22］。我国东部诸多含油气盆地天然气中3He/4He值处于10-7~10-6量级，其中靠近郯庐断裂带的盆地为10-6量级，距郯庐断裂带较远的盆地3He/4He值相对较低，为10-7量级；中部含油气盆地中天然气中3He/4He值为10-8量级；西北含油气盆地3He/4He值平均为10-8~10-7量级［21-22］。根据我国主要富氦盆地氦同位素测定统计结果，我国东部各富氦盆地（海拉尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、苏北盆地、三水盆地）氦气来源以壳幔混合为主，幔源氦含量以20%及50%左右为主；西部（塔里木盆地）及中部（四川盆地、渭河盆地）地区的氦气为壳源成因，仅混有少量甚至微量的幔源氦［4］。
鄂尔多斯盆地中46个气样氦同位素测定结果显示，3He/4He值为3.10×10-8~1.2×10-7，平均值为4.36×10-8，R/Ra（R为样品3He/4He，Ra为大气中3He/4He）值为0.022~0.085，具有典型壳源氦特征，并且3He/4He值和R/Ra值在盆地内变化幅度很小，说明鄂尔多斯盆地在构造上十分稳定，盆地内没有大断裂，古生代以来没有岩浆活动［14］。在盆地边部，鄂尔多斯盆地东缘石西区块25口井81个天然气样分析结果表明氦同位素3He/4He值为（2.0~5.0）×10-8，R/Ra值为0.01~0.08，属于典型的壳源氦，氦气的来源可能与尖家沟—紫金山岩体深部放射性元素衰变生气有关［16］；盆地北缘东胜气田166口井天然气样品分析结果显示，天然气中3He/4He值为（1.83~6.25）×10-8，为典型的壳源成因氦［17］。东胜气田上古生界天然气中3He/4He值变化不大，与基底太古宇—元古宇变质岩—花岗岩系岩石脱附气3He/4He值具有相似变化趋势，二者分布范围也比较一致，而与石炭系—二叠系煤系烃源岩以及长7段的油页岩脱附气处于不同范围内，反映出东胜气田上古生界天然气中氦气来源于太古宇—元古宇基底岩石，而与中生界煤系烃源岩和延长组烃源岩等沉积岩无关［17］。盆地内部伊陕斜坡东段（靠近伊盟隆起）的大牛地气田上古生界天然气中含有微量氦气，3He/4He值为（2.83~6.07）×10-8，R/Ra值为0.02~0.043，为典型的壳源成因。

1.2　氦气含量及稳定性

1.2.1　盆地边部氦气含量特征

关于鄂尔多斯盆地氦气含量的研究较少，目前仅有盆地北缘东胜气田进行过天然气含量测定。何发岐等［17］选取了59口天然气生产井进行了为期一个月的连续动态监测，并结合近5年的长期氦气含量监测，共计对166口生产井开展了天然气样品采集。东胜气田单井一个月内氦气含量的相对标准偏差为0.96%~2.91%，氦气含量稳定，无明显变化。166口产气井的气样分析结果显示氦气含量为0.045%~0.487%，基本都具有工业价值，独贵加汗区带氦气含量为0.061%~0.487%，氦气含量平均值较高，为0.138%；其次为什股壕区带，其氦气含量为0.072%~0.158%，均值为0.113%；新召和十里加汗区带氦气含量较低，分别为0.066%~0.094%（均值为0.081%）和0.043%~0.076%（均值为0.063%）（表1）。氦气含量大于0.1%的井数占比最高为什股壕区带（占井数的67.7%），其次为独贵加汗区带（占井数的59.1%）。根据何发岐等［17］的研究，纵向上从下（盒1段）到上（盒3段）氦气平均含量依次降低，平均值分别为0.129%、0.123%、0.098%，除山西组和太原组混合产层外，其他混合产层的氦气平均含量均低于0.1%（表2）。上述特征说明，盒1段和盒２段氦气含量高，为主要的氦气勘探开发层系。
表1 鄂尔多斯盆地东胜气田不同区带氦气含量统计[14]

Table 1 Helium content statistics in different zones of Dongsheng Gas Field, Ordos Basin[14]

区带

样品井数

/口

 He含量大于0.1%井数/口 He含量大于0.1%井数占比/%

He平均

含量/%
合计 166 78 47.0 0.118
什股壕 34 23 67.7 0.113
独贵加汗 93 55 59.1 0.138
新召东 28 0 0 0.081
十里加汗 11 0 0 0.063
表2 鄂尔多斯盆地东胜气田不同层位氦气含量统计[14]

Table 2 Helium content statistics of different formations in Dongsheng Gas Field, Ordos Basin[14]

层位

井数

/口

 He含量大于0.1%井数/口 He含量大于0.1%井占比/%

He含量

均值/%
合计 166 78 47.0 0.118
盒3段 23 11 47.8 0.098
盒2段 29 22 75.9 0.123
盒1段 85 39 45.9 0.129
盒1+盒2+盒3段 13 4 30.8 0.085
山西组+下石盒子组 11 1 9.1 0.084
山西组 4 0 0 0.082
山西组+太原组 1 1 100.0 0.487

1.2.2　盆地内部氦气含量特征

鄂尔多斯盆地内部为天然气主要产区，其氦气含量特征对于整个盆地氦气资源潜力评价至关重要，但目前尚未见到鄂尔多斯盆地内部氦气含量及稳定性的相关测试及分析结果。本文针对鄂尔多斯盆地内部苏里格西区和中区、庆阳气田和宜川气田进行了347个天然气样品采集及氦气含量测试。
天然气中氦气含量由陕西省油气成藏地质学重点实验室完成，氦气含量分析采用Agilent 7890A气相色谱仪，色谱柱采用HP-1毛细管柱（50 m×0.20 mm），载气体采用纯度为99.995%~99.999 5%的氮气。程序升温：初始温度120 ℃，以4 ℃/min的升温速率升温至300 ℃，恒温30 min，进样器温度为250 ℃，检测器温度300 ℃，FID检测。氦气含量结果显示：
（1）苏里格气田T2区（45口）含量范围为0.051%~1.648%，平均为0.097%，集气站（3个）为0.055%；S13—S14区（23口）含量范围为0.027%~0.088%，平均为0.067%，集气站（1个）为0.062%；S47区（29口）含量范围为0.085%~0.429%，平均为0.127%，集气站（2个）为0.108%；苏48井（17口）含量范围为0.069%~0.106%，平均为0.085%。
（2）庆阳气田Q1区（66口）含量范围为0.122%~0.205%，平均值为0.141%，集气站为0.141 06%。
（3）宜川气田Y10区（81口）含量范围为0.060 8%~0.177%，平均为0.086%。
由以上结果可见，目前采样测试的3个气田氦气含量均达到工业化生产水平（>0.05%），以庆阳气田和苏里格S47含量最高（>0.1%）（表3，图1，图2）。
表3 鄂尔多斯盆地内部各气田井区氦气平均含量对比

Table 3 Comparison of average helium content in well areas of various gas fields in Ordos Basin

气田 井区 He含量（mol/mol）/%
庆阳气田 Q1 0.143 503
宜川气田 Y10 0.086 699

苏里格

中—西区

 T2 0.097 163
S14 0.066 610
S47 0.127 080
S48 0.084 816
图1 鄂尔多斯盆地内部各气田井区氦气含量对比直方图

Fig.1 Correlation histogram of helium content in well areas of various gas fields in Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地氦气样品分布及含量结果

Fig.2 Distribution and content of helium samples in Ordos Basin

为验证氦气含量测试结果的稳定性，针对同一袋气样进行间隔测试，测试间隔19 d，氦气误差为8.77%，误差原因为实验环境影响，而非气样的变化，证明了气袋具有较好的稳定性。此外，还进行了平行样品测试，在取样时同一口井取了7袋样品，间隔一周进行每袋样品测试，某井平行样品最大值为0.134%，最小值为0.116%，平均值为0.127%，具有较好的稳定性。

2 鄂尔多斯盆地磁力场特征

2.1　岩石磁性特征

岩石磁性特征是处理和解释磁力场的前提和重要依据。本文收集并整理了鄂尔多斯盆地各类岩石磁性资料［23-26］，结果见表4。鄂尔多斯盆地沉积岩几乎无磁性，磁异常主要来自结晶基底的变质岩系和火成岩系［23］。结晶基底内部，混合岩、大理岩、千枚岩、石英岩等变质岩属于无磁性或弱磁性，太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩磁性较强［23］。
表4 鄂尔多斯盆地岩石磁性统计

Table 4 Statistical table of rock magnetism in Ordos Basin

地层/岩体 磁化率/（10-5SI）
变化范围 平均值
新生界 第四系 36~79 56

古近系

新近系

 5~13 9.6
中生界 白垩系 10.5~58.9 18.6
侏罗系 6.5~17.3 10.5
三叠系 8.8~18.6 15.3
古生界 二叠系 2.5~22.0 16.3
石炭系 3.2~20.8 9.6
奥陶系 5.6~14.6 8.8
寒武系 10.5~16.8 12.7
元古界 5.4~9.2 7.8
太古界 变粒岩 1 800~10 600 5 600
片麻岩
混合岩 10.5~16.8 13.6
大理岩 11.6~245 18.4
侵入岩 闪长岩 40~9 545 5 332
花岗闪长岩 1 374.18
花岗岩 0~6 048 3 206
玄武岩 10~2 713 1 250
二长石 771.16
鄂尔多斯盆地在中生代曾发生过4次火山活动：第一次为晚三叠世延长期；第二次为早侏罗世延安期；第三次为中侏罗世直罗期；第四次为早白垩世东胜期［27］。从目前的盆地边缘的露头和西南缘L2井（在二叠系钻遇火山岩）的勘探认为，这4次火山活动都在盆地边缘的造山带周围发生，而不是在盆地内部［23］。可见，鄂尔多斯盆地在结晶基底形成之后的地质演化过程中盆地内部岩浆活动较弱［23］。

2.2　磁力异常特征

鄂尔多斯盆地化极磁力异常如图3所示。由图3可以看出，鄂尔多斯盆地化极磁力异常呈现明显的分区特征。在盆地北部伊盟隆起一带，化极磁力异常主体呈3个近东西并向南凸出的弧形条带，分别为巴彦淖尔—包头、磴口—杭锦旗—达拉特旗、乌海—乌审召，该区也为盆地内磁力异常幅值变化最大的区域，高磁异常的幅值大多为200~700 nT，在最南部的乌海—乌审召高磁异常条带上霍3井、双158井中军钻遇了花岗片麻岩。盆地中部和南部呈北东向高低相间的条带状磁异常，盆地中部的平凉—庆阳—延安—佳县一带的高磁异常条带上，磁力异常相对平缓，高磁异常幅值多为50~300 nT，该条带东部的LT1井和Y9井中也均钻遇了较厚的花岗片麻岩；盆地东南部铜川—韩城一带，磁力异常幅值稍大，为100~500 nT，区内永济一带可见太古界黑云斜长片麻岩。
图3 鄂尔多斯盆地化极磁力异常

Fig.3 Distribution of polarization magnetic anomalies in Ordos Basin

2条北东向高磁异常条带中间分布有2个低磁异常区，其中盆地中部银川—鄂托克前旗—乌审旗—神木一带的低磁异常区处于伊盟隆起和盆地中部北东向高磁异常条带中间，呈三角状，磁力异常整体以中低磁力为主，幅值为-400~20 nT，局部分布有等轴状或团块状高磁异常，部分高磁异常幅值较大，如石嘴山和鄂托克旗之间的高磁异常最大幅值可达1 000 nT，此高磁异常上棋探1井中钻遇了较厚的花岗片麻岩、片麻岩等；鄂托克前旗附近的高磁异常幅值超过了50 nT，其附近古探1井中钻遇了长城系辉长岩和蚀变玄武岩，李34井中钻遇了玄武岩和蚀变粗玄岩等。盆地东南部彬州—黄陵—富县—延川一带为另一个明显的低磁异常区，该异常区呈北东走向，异常整体幅值在-100~50 nT之间，区域内分布有多个形态不规则的高磁异常区，异常幅值不大，且主要位于2个北东向高磁异常的边部。此外，盆地北部伊盟隆起内部3个高磁异常条带中间也分布有2个低磁异常条带，可能是由一些变质程度较低的岩石如板岩、片岩、千枚岩、石英岩等，引起如在鄂2、鄂3井中遇到大面积的负磁异常主要由这些岩性引起［28］。
结合钻井信息及岩石磁性特征来看，鄂尔多斯盆地区域性高磁异常条带可能系盆地基底太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体引起；低磁异常主要由板岩、片岩、千枚岩、石英岩、大理岩等弱磁性岩体引起。鄂尔多斯盆地化极磁力异常反映了盆地基底结构的分区特征，其中盆地北部以乌拉山群为主，大体呈近东西走向，中南部则分别由北东走向的集宁群、吕梁群、太华群构成，形成了鄂尔多斯盆地基底结构的主体［29］。鄂尔多斯盆地的磁力异常分区较为明显，可能反映了盆地基底并非简单的刚性块体［28］，鄂尔多斯盆地中部北东向高磁异常条带与低磁异常条带之间的区域可能是基底沉积岩与火成岩的缝合带，早期陆核拼接于基底形成阶段，陆核两侧的火成岩和沉积岩逐次拼贴在古陆核两侧［23］。可见，鄂尔多斯盆地基底具有多阶段拼合的地质特征，主要形成于新元古代—古元古代陆块拼贴、固化增生的过程中，是一套岩性极为复杂的中—高变质岩系［29］，在盆地基底形成初期可能有岩浆活动。

3 鄂尔多斯盆地氦气分布规律

氦的同位素3He/4He值结果表明，我国中部包括鄂尔多斯盆地在内的含油气盆地氦气主要为壳源氦，其成因为壳内岩体放射性衰变［4，21］。渭河盆地壳源氦的研究结果表明，盆地基底侵入的燕山期花岗岩为主要氦源岩［10，19］。由于花岗岩具有较强的磁性，因此渭河盆地基底花岗岩等通常表现为局部高磁异常［19］，高氦气含量井分布多与局部高磁异常相关［20］。因此，对于壳源氦而言，其可能与磁力异常分布具有一定的相关性。为进一步研究鄂尔多斯盆地氦气分布特征，将氦气井与化极磁力异常进行叠合，结果如图3所示。整体而言，苏里格西区高氦含量（>0.05%）气井主要分布于鄂托克前旗附近的局部高磁异常南侧，苏里格中区氦气含量相对较低，主要位于靖边高磁异常北侧；庆阳气田氦气含量普遍较高，氦气井整体位于盆地中部的北东向高磁异常条带上，正好位于泾川—庆阳高磁异常和庆城—延安高磁异常中间；宜川气田氦气井主要分布于宜川东高磁异常之上，该异常也为盆地东南部高磁异常的一部分。显然，鄂尔多斯盆地氦气分布与磁力异常之间存在一定的对应关系，就图3的结果来看，似乎局部高磁异常范围较大时，氦气含量整体较高。然而，苏里格中区和西区氦气井均位于局部高磁异常附近，但西区氦气含量整体高于中区。为进一步研究氦气分布与化极磁力异常的关系，需要对磁力异常进行处理。
磁力异常是地表以下磁性不均匀的综合反映。鄂尔多斯盆地化极磁力异常不但反映了区域性基底岩性的变化及基底结构拼合特征，其也包含了局部岩体分布或岩性变化特征。一般而言，需对磁力异常进行分离或计算其垂向导数以突出局部磁力异常变化（其可反映局部岩体的分布位置或岩体顶面的起伏状态）。本文采用最小曲率位场分离方法［30］对化极磁力异常进行处理，结果如图4所示。
图4 鄂尔多斯盆地氦气测试点分布与剩余化极磁力异常（白色虚线为剩余异常零值线）

Fig.4 Distribution of helium test sites residual polarization magnetic force anomalies in Ordos Basin （the dashed white line is the zero line of residual anomalies）

相对于化极磁力异常而言，剩余化极磁力异常零值线可以反映磁性地质体的范围。从图4来看，苏里格西区和中区的氦气井分布与剩余磁力异常关系并不明显，其中西区的氦气含量较高，氦气井主要分布于局部高磁异常周围，而苏里格中区的高磁异常附近，氦气含量并不高（绝大多数不高于0.07%）。庆阳气田氦气井分布与区内局部高磁异常吻合较好，高磁异常附近的氦气含量略高于其北侧的氦气含量。宜川气田氦气井主要分布于局部高磁异常之上，可见，氦气含量与局部磁异常之间具有一定的对应关系。
从整个盆地化极磁力异常和剩余化极磁力异常与氦气含量的分布关系来看，一个明显的特征为高氦气含量井（庆阳气田）主要分布于盆地中部的平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带上，上文已提及该高磁异常条带是下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体的反映。苏里格气田和宜川气田氦气分布也与低磁异常区的局部高磁异常有关，而这些局部高磁异常可能也为区域性分布的板岩、片岩、千枚岩、石英岩等副变质岩中局部强磁性正变质岩引起，但这些正变质岩的规模明显小于盆地中部北东向的高磁异常条带，因此，苏里格气田和宜川气田的氦气含量也小于庆阳气田氦气含量。壳源氦的形成与基底岩体U、Th元素的放射性衰变密切相关，花岗岩中普遍含有可观的U、Th元素，例如秦岭地区的花岗岩等［11］。实际上在其他造山带内也发现了变质岩具有一定的U、Th含量，例如大别—苏鲁造山带中片麻岩、麻粒岩和变花岗岩中的U含量为（98~1 883）×10-6，Th含量为（0.5~659）×10-6［31］，鄂尔多斯盆地的一些钻遇基底变质岩的钻井（如G1、L34）中，测井曲线也表明花岗片麻岩具有一定U、Th含量。可见，鄂尔多斯盆地基底下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩等可通过U、Th元素衰变产生氦气，而鄂尔多斯盆地自形成之后盆地内部几乎无岩浆活动，因此鄂尔多斯盆地氦源岩应该为盆地基底下元古界强磁性深变质岩系，从整个盆地来看，盆地北部地区分布有多条大型东西向的高磁异常条带，盆地中部地区平凉—庆阳—延安—佳县一带分布北东向高磁异常条带及盆地东南地区韩城—运城一带的北北东向高磁异常区均可能为盆地主要的氦气分布区。从局部磁力异常分布来看，氦气含量与磁力异常并无明显相关关系，推测氦气可能沿着断裂发生了运移。
为进一步研究氦气与断裂的关系，以宜川地区为例对盆地氦气分布规律进行进一步探讨，归一化总水平导数垂向导数方法（NVDR-THDR）［32］是一种结合水平导数与垂向导数的一种位场边缘识别方法，通过极大值连线位置判断岩体的边界位置，在断裂识别方面有显著的识别效果，并已广泛应用［33-35］，利用此方法共识别出9条断裂（图5），其中F6断裂位于氦气井附近，通过分析可以发现，处于F6断裂上的氦气含量大部分在0.1%左右甚至达到了0.15%以上，而远离断裂6 km的氦气井含量通常在0.08%以下，推测氦气资源沿着断裂发生了运移且在断裂附近的氦气含量呈现高值，远离断裂的氦气含量则相对较低。可见，鄂尔多斯盆地氦气分布受断裂与氦源岩（基底变质岩系）分布的双重控制。氦源岩为盆地内部的氦气富集提供了气源条件，断裂活动则为氦气运移提供了通道。
图5 宜川地区氦气测试点与布格重力异常NVDR-THDR图

Fig.5 NVDR-THDR diagram of helium test sites and Bouguer gravity anomaly in Yichuan area

4 结论与认识

为研究鄂尔多斯盆地氦气分布规律，本文在广泛收集和认识前人研究成果的基础上，以鄂尔多斯盆地磁力异常资料为主，结合347个天然气样品中氦气含量测试结果，分析了鄂尔多斯盆地氦气分布规律，取得以下主要认识：
（1）目前已采样测试的苏里格气田、庆阳气田和宜川气田3个气田氦气含量均达到工业化生产水平（>0.05%），其中庆阳气田Q1区氦气含量最高，含量范围为0.122%~0.205%，平均为0.141%，其次为苏里格气田S47井区，含量范围平均0.127%，苏里格气田S13井—S14井区氦气平均含量为0.067%，苏里格气田T2井区氦气平均含量为0.097%，宜川气田Y10井区氦气平均含量为0.086%。
（2）鄂尔多斯盆地的磁力异常呈明显的分区特征，反映了盆地基底具有多阶段拼合的地质特征，主要形成于新元古代—古元古代陆块拼贴、固化增生的过程中。鄂尔多斯盆地区域性磁力异常变化主要与盆地基底岩性相关，高磁异常条带可能系盆地基底太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体引起；低磁异常主要由板岩、片岩、千枚岩、石英岩及大理岩等弱磁性岩体引起。
（3）氦的同位素3He/4He值结果反映了鄂尔多斯盆地氦气主要为壳源成因，为壳内岩体放射性衰变产生。盆地高氦气含量井（庆阳气田）主要分布于盆地中部的平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带上，该高磁异常带是下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体的反映，其为鄂尔多斯盆地的氦源岩。从基底强磁性变质岩规模的角度考虑，盆地北部东西向的高磁异常条带，盆地中部平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带及盆地东南部北北东向的高值异常区为盆地主要的氦气分布区。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
陈践发， 刘凯旋， 董勍伟， 等. 天然气中氦资源研究现状及我国氦资源前景［J］. 天然气地球科学， 2021， 32（10）： 1436-1449.

CHEN J F， LIU K X， DONG Q W， et al. Research status of helium resources in natural gas and prospects of helium resources in China［J］. Natural Gas Geoscience， 2021， 32（10）： 1436-1449.

2
李玉宏， 李济远， 周俊林， 等. 氦气评价相关问题认识与进展［J］. 地球科学与环境学报， 2022， 44（3）： 363-373.

LI Y H， LI J Y， ZHOU J L， et al. Research progress and new views on evaluation of helium resources［J］. Journal of Earth Sciences and Environment， 2022， 44（3）： 363-373.

3
贾凌霄， 马冰， 王欢， 等. 全球氦气勘探开发进展与利用现状［J］. 中国地质， 2022，49（5）：1427-1437.

JIA L X， MA B， WANG H， et al. Global helium exploration and development progress and utilization status［J］. Geology in China， 2022， 49（5）：1427-1437.

4
张雪， 刘建朝， 李荣西， 等. 中国富氦天然气资源研究现状与进展［J］. 地质通报， 2018， 37（2-3）： 476-486.

ZHANG X， LIU J C， LI R X， et al. President situation and progress in the study of helium gas resources in China［J］. Geological Bulletin of China， 2018， 37（2-3）： 476-486.

5
徐永昌， 沈平， 陶明信， 等. 中国含油气盆地天然气中氦同位素分布［J］. 科学通报， 1994， 39（16）： 1505-1508.

XU Y C， SHEN P， TAO M X， et al. Helium isotope distribution of natural gas in petroliferous basins of China［J］. Chinese Science Bulletin， 1994， 39（16）： 1505-1508.

6
秦胜飞，李济远，王佳美，等.中国含油气盆地富氦天然气藏氦气富集模式［J］.天然气工业，2022，42（7）：125-134.

QIN S F， LI J Y， WANG J M， et al. Helium enrichment model of helium-rich gas reservoirs in petroliferous basins in China［J］. Natural Gas Industry， 2022， 42（7）： 125-134.

7
封万芳. 威远天然气提氦的经济效益分析［J］. 天然气工业， 1989， 9（3）： 69-71.

FENG W F. Analysis of economic benefit of extracting helium from Weiyuan natural gas［J］.Natural Gas Industry，1989，9（3）：69-71.

8
韩元红， 罗厚勇， 薛宇泽， 等. 渭河盆地地热水伴生天然气成因及氦气富集机理［J］. 天然气地球科学，2022，33（2）：277-287.

HAN Y H， LUO H Y， XUE Y Z， et al. Genesis and helium enrichment mechanism of geothermal water-associated gas in Weihe Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2022，33（2）：277-287.

9
彭威龙，林会喜，刘全有， 等. 塔里木盆地氦气地球化学特征及有利勘探区［J］.天然气地球科学，2023，34（4）：576-586.

PENG W L，LIN H X，LIU Q Y，et al. Geochemical characteristics of helium and favorable exploration areas in the Tarim Basin，China［J］.Natural Gas Geoscience，2023，34（4）：576-586.

10
张文， 李玉宏， 王利， 等. 渭河盆地氦气成藏条件分析及资源量预测［J］. 天然气地球科学， 2018， 29（2）： 236-244.

ZHANG W， LI Y H， WANG L， et al. The analysis of helium accumulation conditions and prediction of helium resource in Weihe Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2018，29（2）：236-244.

11
李玉宏， 周俊林， 张文， 等. 渭河盆地氦气成藏条件及资源前景［M］. 北京： 地质出版社， 2018.

LI Y H， ZHOU J L， ZHANG W， et al. Helium Accumulation Conditions and Resource Prospects in Weihe Basin， China［J］. Being： Geology Press， 2018.

12
邢国海. 天然气提取氦气技术现状与发展［J］. 天然气工业， 2008， 28（8）： 1-3.

XING G H. Status quo and development of the technology on helium gas abstracted from natural gas［J］. Natural Gas Industry， 2008， 28（8）： 1-3.

13
陶小晚， 李建忠， 赵力彬， 等. 我国氦气资源现状及首个特大型富氦储量的发现：和田河气田［J］. 地球科学， 2019， 44（3）： 1024-1041.

TAO X W， LI J Z， ZHAO L B， et al. Helium resources and discovery of first supergiant Helium reserve in China： Hetianhe Gas Field［J］. Earth Science， 2019， 44（3）： 1024-1041.

14
戴金星， 李剑， 候路. 鄂尔多斯盆地氦同位素的特征［J］. 高校地质学报， 2005， 11（4）： 473-478.

DAI J X， LI J， HOU L. Characteristics of helium isotopes in the Ordos Basin［J］. Geological Journal of China Universities， 2005， 11（4）： 473-478.

15
DAI J X，NI Y Y，QIN S F， et al. Geochemical characteristics of He and CO2 from the Ordos （cratonic） and Bohaibay （rift） basins in China［J］.Chemical Geology，2017，469：192-213.

16
刘超， 孙蓓蕾， 曾凡桂， 等. 鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现与成因初探［J］. 煤炭学报，2021，46（4）：1280-1287.

LIU C， SUN B L， ZENG F G， et al. Discovery and origin of helium-rich gas on the Shixi area， eastern margin of the Ordos Basin［J］. Journal of China Coal Society，2021，46（4）：1280-1287.

17
何发岐， 王付斌， 王杰， 等. 鄂尔多斯盆地东胜气田氦气分布规律及特大型富氦气田的发现［J］. 石油实验地质， 2022， 44（1）： 1-10.

HE F Q， WANG F B， WANG J， et al. Helium distribution of Dongsheng Gas Field in Ordos Basin and discovery of a super large helium-rich gas field［J］. Petroleum Geology & Experiment， 2022， 44（1）： 1-10.

18
孙晓， 王杰， 陶成， 等. 鄂尔多斯盆地大牛地下古生界天然气地球化学特征及其来源综合判识［J］. 石油实验地质， 2021， 43（2）： 307-314.

SUN X， WANG J， TAO C， et al. Evaluation of geochemical characteristics and source of natural gas in Lower Paleozoic， Daniudi area， Ordos Basin［J］. Petroleum Geology & Experiment，2021，43（2）：307-314.

19
李玉宏， 卢进才， 李金超， 等. 渭河盆地富氦天然气井分布特征与氦气成因［J］. 吉林大学学报（地球科学版），2011，41（增刊1）：47-53.

LI Y H， LU J C， LI J C， et al. Distribution of the helium-rich wells and helium derivation in Weihe Basin［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2011， 41（supplement 1）： 47-53.

20
张春灌， 袁炳强， 李玉宏， 等. 基于重磁资料的渭河盆地氦气资源分布规律［J］. 地球物理学进展，2017，32（1）：344-349.

ZHANG C G， YUAN B Q， LI Y H， et al. Distribution of Helium resources in Weihe Basin based on gravity and magnetic data［J］. Progress in Geophysics， 2017， 32（1）： 344-349.

21
徐永昌. 天然气中氦同位素分布及构造环境［J］. 地学前缘（中国地质大学），1997，4（3-4）：185-190.

XU Y C. Helium isotope distribution of natural gasses and its structural setting［J］. Earth Science Frontiers（China University of Geosciences），1997，4（3-4）：185-190.

22
徐永昌. 天然气中的幔源稀有气体［J］. 地学前缘（中国地质大学），1996，4（3-4）：63-71.

XU Y C. The mantle noble gas of natural gases［J］. Earth Science Frontiers（China University of Geosciences），1996，4（3-4）： 63-71.

23
李明， 高建荣. 鄂尔多斯盆地基底断裂与火成岩的分布［J］. 中国科学（地球科学），2010，40（8）：1005-1013.

LI M， GAO J R. Basement faults and volcanic rock distributions in the Ordos Basin［J］.Science China（Earth Science），2010， 40（8）： 1005-1013.

24
李冰， 宋燕兵， 石磊， 等. 鄂尔多斯盆地的磁场特征及地质意义［J］. 物探与化探， 2019， 43（4） ：767-777.

LI B， SONG Y B， SHI L， et al. Characteristics of gravity and magnetic fields in Ordos Basin and their geological significance［J］. Geophysical and Geochemical Exploration， 2019， 43（4）： 767-777.

25
宁媛丽， 周子阳， 孙栋华. 重磁资料在鄂尔多斯盆地西南缘基底研究中的应用［J］. 物探与化探， 2020， 44（1）： 34-41.

NING Y L， ZHOU Z Y， SUN D H. The application of magnetic and gravity data on research the basement in the Southwest of Ordos Basin［J］. Geophysical and Geochemical Exploration， 2020， 44（1）： 34-41.

26
邵伟， 高焕平， 徐斌. 鄂尔多斯盆地南缘重磁电剖面深部结构特征及地质意义［J］. 世界有色金属， 2019 （9）： 259-261.

SHAO W， GAO H P， XU B. Deep structure characteristics and geological significance of gravity， magnetic and electric profile in the southern margin of Ordos Basin［J］. World Nonferrous Metals， 2019 （9）： 259-261.

27
赵宏刚. 鄂尔多斯盆地构造热演化与砂岩型铀成矿［J］. 铀矿地质， 2005， 21（5）： 275-282.

ZHAO H G. The relationship between tectonic thermal evolution and sandstone type uranium ore formation in Ordos Basin［J］. Uranium Geology， 2005， 21（5）： 275-282.

28
李明， 闫磊， 韩绍阳. 鄂尔多斯盆地基底构造特征［J］. 吉林大学学报（地球科学版）， 2012， 42（增刊3）： 38-43.

LI M， YAN L， HAN S Y. The basement tectonic characteristics in Ordos Basin［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2012， 42（supplement 3）： 38-43.

29
包洪平， 邵东波， 郝松立， 等.鄂尔多斯盆地基底结构及早期沉积盖层演化［J］.地学前缘，2019，26（1）：33-43.

BAO H P， SHAO D B， HAO S L， et al. Basement structure and evolution of early sedimentary cover of the Ordos Basin［J］. Earth Science Frontiers， 2019， 26（1）： 33-43.

30
纪晓琳，王万银，邱之云.最小曲率位场分离方法研究［J］.地球物理学报，2015，58（3）：1042-1058.

JI X L， WANG W Y， QIU Z Y. The research to the minimum curvature technique for potential field data separation［J］. Chinese Journal of Geophysics， 2019， 26（1）： 33-43.

31
陈道公， 倪涛. 大别—苏鲁造山带高级变质岩中锆石微区U，Th和Pb化学组成特征统计［J］. 岩石学报， 2004， 20（5）： 999-1006.

CHEN D G， NI T.Zircon U， Th and Pb characteristics of high-grade metamorphic rocks from Dabie-Sulu orogen［J］. Acta Petrologica Sinica， 2004， 20（5）： 999-1006.

32
WANG W Y， PAN Y， QIU Z Y， et al. A new edge recognition technology based on the normalized vertical derivative of the total horizontal derivative for potential field data［J］. Applied Geophysics， 2009， 6（3）： 226-229.

33
马涛， 朱莹洁， 杨永，等. 基于重磁异常的嘉偕平顶山群构造区划特征研究［J］. 物探与化探， 2020， 44（4）： 938-948.

MA T，ZHU Y J，YANG Y，et al.Research on tectonic division in Jiaxie guyots based on gravity and magnetic anomalies［J］. Geophysical & Geochemical Exploration，2020，44（4）：938-948.

34
王万银， 王云鹏， 李建国， 等. 利用重、磁资料研究于都—赣县矿集区盘古山地区断裂构造及花岗岩体分布［J］. 物探与化探， 2014， 38（4）： 825-834.

WANG W Y，WANG Y P，LI J G，et al.Study on the faults stru-cture and granite body distribution in Pangushan area of Yudu-Ganxian ore district using gravity and magnetic data［J］. Geo-physical ＆ Geochemical Exploration，2014，38（4）： 825-834.

35
纪晓琳，王万银，杜向东，等.利用重磁资料研究西非中南段含盐盆地构造区划［J］.地球物理学报，2019，62（4）：1502-1514.

JI X L， WANG W Y， DU X D， et al. Tectonic division by gravity and magnetic anomaly data of salt-bearing basins， south-central section of West Africa［J］.Chinese Journal of Geo-physics， 2019，62（4） ：1502-1514.

Options
文章导航

/

〈 〉

陇ICP备2021001824号-7　 甘公网安备 62010202000678号
版权所有 © 《天然气地球科学》编辑部
地址：甘肃省兰州市天水中路8号　
邮编：730000　
电话：(0931)8277790　
E-mail：geogas@lzb.ac.cn
总访问量 　 今日访问 　 在线人数
技术支持：北京玛格泰克科技发展有限公司