天然气地球科学 >

2023 , Vol. 34 >Issue 11: 1993 - 2008

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.08.008

非烃气体

塔里木盆地雅克拉地区氦气资源评价与成藏模式

  • 张朝鲲 , 1 ,
  • 弓明月 2 ,
  • 田伟 , 1 ,
  • 何衍鑫 1 ,
  • 朱东亚 2 ,
  • 王磊 1
展开
  • 1. 北京大学地球与空间科学学院，北京 100871
  • 2. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083
田伟（1976-），男，山东潍坊人，博士，副教授，主要从事岩浆岩与火山学研究. E-mail：.

张朝鲲（2001-），男，天津人，硕士研究生，主要从事非常规资源和岩浆岩地球化学研究. E-mail：.

收稿日期: 2023-04-27

  修回日期: 2023-08-18

  网络出版日期: 2023-11-24

收起

Helium resource evaluation and enrichment model in Yakela area， Tarim Basin

  • Chaokun ZHANG , 1 ,
  • Mingyue GONG 2 ,
  • Wei TIAN , 1 ,
  • Yanxin HE 1 ,
  • Dongya ZHU 2 ,
  • Lei WANG 1
Expand
  • 1. School of Earth and Space Sciences，Peking University，Beijing 100871，China
  • 2. SINOPEC Petroleum Exploration and Development Research Institute，Beijing 100083，China

Received date: 2023-04-27

  Revised date: 2023-08-18

  Online published: 2023-11-24

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42141021)

the China National Petroleum Corporation-Peking University Strategic Cooperation Basic Research Program “Hydrocarbon accumulation Rule under tectonic-volcanic thermal Event in Tatong area”

Fold

摘要

塔里木盆地北部雅克拉地区发现具有开采价值的含氦气田，其中古生界氦气的平均含量为0.31%，是氦气资源量最丰富的层位，高于氦气工业生产标准，但其氦气资源潜力和成藏模式尚不清楚。基于雅克拉地区14口钻井的自然伽马能谱测井资料，对雅克拉地区古生界氦气资源生成量进行了定量评估，并结合成藏要素进行综合分析，根据氦气的运聚过程及载体特征，总结出氦气成藏模式。结果表明：雅克拉地区古生界平均生氦潜量为2.37×10-10 cm3/g，氦气生成总量为3.22×109 m3。生氦潜量最高的区域位于沙15井附近区域，其次为沙49井附近区域，从沙5井至沙49井的呈带状展布的狭长地带是生氦主力。区域内古生界沉积岩系供给含氦气藏的氦气量可高于天然气藏中的氦气总量，沉积岩系可为有效氦源岩，生成氦气以主要形成于加里东—海西构造期的断裂、裂缝为运移通道，在地下水和天然气的协助下持续运移，以古老地层水运移聚氦模式、天然气沿古老储层运移聚氦模式进行聚集成藏，上覆3套厚度较大的泥岩层、膏岩层，可对气藏有效的封存保护。

关键词： 雅克拉; 氦气; 自然伽马能谱测井; 氦气资源评价; 成藏模式

本文引用格式

张朝鲲 , 弓明月 , 田伟 , 何衍鑫 , 朱东亚 , 王磊 . 塔里木盆地雅克拉地区氦气资源评价与成藏模式[J]. 天然气地球科学, 2023 , 34(11) : 1993 -2008 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.08.008

Abstract

A good prospect of helium resources have been found in Yakela area in the north of Tarim Basin. The previous research data have shown that the average content of helium in Paleozoic is 0.31%， which is the stratum with the most abundant helium resources and is higher than the industrial production standard of helium， but the potential of helium resources generation and the reservoir enrichment model in this stratum are still unclear. Based on the natural gamma spectrum logging data of 14 wells in the Yakela area， the helium resource generation of the Paleozoic in the Yakela area was quantitatively evaluated， and combined with the comprehensive analysis of the accumulation factors， the helium enrichment model was summarized according to the helium migration， accumulation processes and carrier characteristics. The results indicate that the average helium generation rate of the Paleozoic in Yakela area is 2.37×10-10 cm3/g and the helium generation is 3.22×109 m3. The area with the highest helium generation rate is predicted to be located near Well Sha 15， followed by the area near Well Sha 49. The main helium generation area is the strip stretching from Well Sha 5 to Well Sha 49. The amount of helium supplied by the Paleozoic sedimentary rock series to the helium-bearing reservoir in the region is higher than the total amount of helium in the natural gas reservoir， and the effective helium source rock can be the sedimentary rock series. With the faults and fractures mainly formed in the Caledonian-Hercynian tectonic period as the migration channels， helium continues to migrate with the help of groundwater and natural gas， and the helium is transported and accumulated by two models， including helium enrichment by ancient formation water moving upward along the fault and helium enrichment in the process of natural gas migration along ancient reservoirs， with three sets of thick Mesozoic and Cenozoic mudstone or gypsum layers being effectively sealed and protected above.

Key words： Yakela area; Helium; Natural gamma-ray spectrometry log; Helium resource evaluation; Enrichment model

0 引言

氦（He）是化学元素周期表中的零族元素，为一种无色、无味、无毒的稀有惰性气体，几乎不与任何物质发生化学反应，沸点极低，其不仅在地质研究中可以作为壳幔物质交换的信息载体［1-6］，还在工业、国防及许多尖端科学领域有重要用途［1-4，7-9］，因此被称为“黄金气体”，是一种关系到国家安全的战略性资源［1-7，10-16］。氦为一种不可再生的自然资源，空气中含量低，分离成本高。氦气的工业开采主要分离自含氦天然气，尚无单独的氦气成藏记录［4-7，13，15，17-20］。目前世界氦气资源分布极不均匀，主要产地有美国（如Hugoton-Panhandle气田、Cliffside气田、Keyes气田和Riley Ridge气田）、卡塔尔（如 North Field气田）和阿尔及利亚（如Hassi R'Mei气田）［3，15，18-23］。我国虽在塔里木盆地、四川盆地、柴达木盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、渭河盆地、苏北盆地等多个地区发现了含氦天然气藏［4，14-15，24-29］，但总体上氦气资源量小（占全球资源量的2%）［1-4，14-16］、品位差，其中威远气田天然气中的氦得到了工业利用，但开采近50年，接近枯竭，曾一度停产［1-2，15，30］。近年来面对氦气短缺的现状，国内相继投入了一批提氦项目，但仍无法填补国内氦气需求的巨大空缺［4-5］，我国作为贫氦国长期依赖进口的现状仍未改变。随着国内氦资源需求量的与日俱增，国内氦气资源分布特征、成藏模式及控制因素的探究受到了高度的重视［5，12-15］。
塔里木盆地是我国重要的能源富集盆地［4，14］，是我国天然气勘探开发的主阵地。近年来，多个气田发现了具工业利用价值的伴生氦气，证明塔里木盆地有发现富氦天然气的可能性［31-33］。雅克拉地区位于塔里木盆地沙雅隆起，前人在该区块中发现了含氦气藏［4，32，34］，主要分布于古生界。本文基于雅克拉地区14口高质量的自然伽马能谱测井资料，利用成因法对研究区氦气资源进行评价，从氦源岩、运移通道、运移载体及盖层4个方面对雅克拉地区的成藏要素进行综合分析，并建立该区域氦气成藏模式。

1 地质背景

雅克拉地区位于塔里木盆地北部库车县和轮台县境内，地处沙雅隆起雅克拉断凸中段，北邻库车坳陷，西邻沙溪凸起，南邻哈拉哈塘凹陷和阿克库勒凸起，呈东窄西宽长条状展布，面积约为600 km2（图1）［35-40］。雅克拉断凸作为沙雅隆起的一个主要隆起带，长期受边界断裂沙雅—轮台大断裂及亚南断裂南北夹持控制，先后经历了加里东期缓慢隆升、海西期强烈抬升、印支—燕山期继承性发育以及喜马拉雅期前缘隆起4个阶段，形成了继承性的断块隆起。多期构造运动导致了该区古生界地层被大幅度剥蚀，中上奥陶统、志留系—泥盆系、中石炭统—三叠系几乎被剥蚀殆尽，派生断裂极为发育［40-42］。
图1 雅克拉断凸与周缘地区主要井位分布（a）及沙雅隆起构造示意（b）（修改自文献［40］）

Fig.1 Distribution of major well locations in Yakela broken convex and peripheral area （a） and structural diagram of Shaya Uplift （b） （modified from Ref. ［40］）

雅克拉断凸及周缘在古生界自下至上发育寒武系玉尔吐斯组、寒武系肖尔布拉克组、寒武系吾松格尔组、寒武系沙依力克组、寒武系阿瓦塔格组、寒武系下丘里塔格组、奥陶系蓬莱坝组、奥陶系鹰山组和石炭系巴楚组（图2）［40， 43-45］。玉尔吐斯组主要发育炭质页岩，沉积厚度在10~30 m之间。肖尔布拉克组主要发育灰岩和白云岩互层，沉积厚度在160~200 m之间。吾松格尔组主要发育泥粉晶云岩，沉积厚度在100~115 m之间。沙依力克组主要发育泥粉晶云岩，沉积厚度在60~120 m之间。阿瓦塔格组主要发育泥灰岩和泥云岩互层，沉积厚度在30~260 m之间。下丘里塔格组主要发育白云岩，沉积厚度在291~914.3 m之间。蓬莱坝组主要发育灰岩和白云岩互层，见泥灰岩、泥云岩层；鹰山组主要发育灰岩和白云岩互层，见泥灰岩层，蓬莱坝组与鹰山组沉积厚度在28.4~914.3 m之间。巴楚组主要发育泥晶灰岩和砂岩互层，沉积厚度在0~300 m之间。
图2 雅克拉地区地层综合柱状图（修改自文献［40， 43-45］）

Fig.2 Stratigraphic column of Yakela area （modified from Refs.［40， 43-45］）

2 雅克拉地区油气田勘探开发现状

雅克拉地区所在的雅克拉断凸先后受4期大型构造运动叠加改造，形成了多种构造样式，构造圈闭发育，且长期处于构造高部位（图1），接受南北库车坳陷和阿瓦提—满加尔坳陷双向供烃［46］，上部盖层发育，油气资源丰富［38，40］。
雅克拉地区的油气勘探工作始于1984年，是塔里木盆地中最先实现海相油气勘探突破的区域，长期以来为油气勘探的重点区域。截至2022年底，雅克拉油气田共有生产井47口，日产原油487 t、天然气265×104 m3，累计生产原油22.04×104 t、天然气4.82×108 m3 ［47］。目前雅克拉地区共有6个层位（Z、Є、O、J、K、E）钻获高产油气流，此6层均产出天然气，天然气中甲烷含量为57.94%~90.85%，干燥系数为0.87~0.98，δ13C1值分布在-43‰~-38‰之间，δ13C2值分布在-34‰~-28‰之间，δ13C1与δ13C2差值为9‰~11.3‰，显示出以海相天然气为主体的高成熟凝析气的特点［4，31-32，48-49］。
氦气是天然气的一种重要伴生气，前人于雅克拉地区已报道了多个含氦气田，其中天然气中氦气含量为0.000 1%~2.19%，平均值为0.19%，同时还含有较高的氮气（0.01%~33.76%）和二氧化碳（0.04%~19.43%）（表1）。根据表1可得雅克拉地区元古宇He的平均含量为0.03%，古生界He的平均含量为0.31%，中生界He的平均含量为0.11%，新生界He的平均含量为0.000 1%（图3）。雅克拉地区古生界层位氦气资源量最为丰富，高于0.1%的工业标准及0.05%的边界品位［14，20］，同时基于稀有气体同位素特征，前人根据氩同位素认为区域气藏内氦的气源岩年代较老，应为古生界岩石［35］，加之区块内古生界下奥陶统—下寒武统中发育大量白云岩、灰岩及灰岩与白云岩的过渡类型，储层物性良好，孔、洞、缝发育，以裂缝和溶蚀孔洞最为明显，具有双重孔隙结构特征，其被视为该区块重要的产能接替层位［35-36，40，50-52］。总体上，雅克拉地区古生界层位含氦气田氦气含量较高，天然气资源潜力大，氦气资源潜力较大。
表1 塔里木盆地雅克拉地区油气藏天然气组分中氦组分及同位素组成统计

Table 1 Helium content and isotope content in natural gas in Yakela area, Tarim Basin

序号 油气田 井号 层位 井段/m C1/% C2+/% N2/% CO2/% Ar/% He/%

（3He/4He）

/10-8

4He

/20Ne

 R/Ra 文献来源
1 雅克拉 沙45 E 83.60 11.29 3.66 0.66 0.007 0.000 1 ［34］
2 沙5 K 0.130 0 ［53］
3 沙6 K 90.85 1.71 4.98 2.27 0.190 0 21.6 ［32］
4 沙7 K 5 313.00 85.23 6.57 9.42 2.15 0.055 0.000 5 18.6 0.133 ［54］
5 K 85.23 6.57 9.42 2.15 0.058 0.000 5 18.6 0.133 ［34］
6 沙15 K 5 242.50~5 262.50 87.55 8.46 2.59 1.35 0.050 0 21.6 ［32］
7 牙克1 K 0.055 0.130 0 23.2 0.166 ［34］
8 牙克2 K 0.051 0 ［55］
9 牙克5 K 0.049 0 0.166 ［55］
10 牙克19 K 0.010 0 ［55］
11 牙克25 K 0.055 0.000 5 18.6 ［55］
12 沙4 J 0.200 0 ［53］
13 沙参2 O1 5 391.80 77.85 11.51 4.55 6.02 0.070 0 ［34］
14 O1 5 335.00 87.09 12.43 0.01 0.04 0.055 0.150 0 21.3 ［54］
15 O1 5 334.00 79.42 11.82 4.41 3.72 0.070 0 ［34］
16 O1 5 300.00 0.490 0 21.0 16 000 0.159 ［55-56］
17 沙5 O1 5 755.00~5 776.55 70.37 3.1 6.88 19.43 0.220 0 21.6 ［32］
18 沙15 O1 5 350.42~5 379.03 80.59 12.56 4.49 2.27 0.090 0 21.6 ［32］
19 O1 5 438.00~5 444.00 87.44 2.3 7.84 2.10 0.320 0 21.6 ［32］
20 沙13 O1 4 969.00~4 973.00 57.94 6.11 33.76 2.190 0 21.6 ［32］
21 牙克30 O 0.079 0 20.4 0.150 ［55］
22 沙4 ∈ 5 429.00 85.6 7.56 3.43 3.84 0.055 0.002 0 ［54］
23 沙6 ∈ 82.79 1.77 6.47 9.53 0.017 0 ［34］
24 沙7 ∈ 88.84 7.32 2.69 0.23 0.002 0 ［34］
25 沙3 Pt 84.19 5.29 6.23 5.41 0.030 0 5.9 0.042 ［34］
平均值 82.16 7.27 6.93 4.09 0.049 0.190 0 19.8 0.131
图3 雅克拉地区不同地层He的平均含量

Fig.3 The average content of Helium in different stratigraphical unit in Yakela area

3 基于自然伽马能谱测井评估雅克拉地区氦气资源潜量

3.1　氦气类型及形成机理

天然气藏中的氦有3种来源，分别为大气源（3He/4He=1.4×10-6）、幔源（3He/4He=1.1×10-5）及壳源（3He/4He=2×10-8）。前人通过对塔里木盆地氦同位素研究，认为雅克拉地区氦气来源以壳源为主［14，57］，3He/4He平均值为1.98×10-7（表1）。壳源气以4He为主，主要为岩石中富铀、钍矿物（如锆石、独居石、磷灰石等）中238U、235U、232Th通过ɑ衰变产生。其中238U与235U分别占铀总量的99.275%与0.72%，232Th占钍总量的99.995%［11］。其衰变方程如下：
92 238 U → P 82 206 b + 8 H 2 4 e + 6 e - 1 0 T 1/2 =44.68×108 a
92 235 U → P 82 207 b + 7 H 2 4 e + 4 e - 1 0 T 1/2 =7.10×108 a
90 232 T h → P 82 207 b + 6 H 2 4 e + 6 e - 1 0 T 1/2 =140.1×108 a
根据放射性元素衰变原理，推导出标准状态STP（0 oC， 101.33 kPa）下岩石的生氦速率（单位为（cm3/g）/Ma）函数如下：
4 H e ( S T P    c m 3 / g / M a ) = 22.4 X r R e λ t - 1 / A R × y i e l d , × 10 3
式中：Xr ［R］为R同位素的相对丰度；λ为同位素R的衰变常数，a-1）；t为衰变时间，a；A R为同位素R的摩尔质量，g/mol；yield为每个同位素r衰变产生 4He的数量。
对于放射性同位素238U、235U、232Th，238U的同位素相对丰度为99.28%，235U的同位素相对丰度为0.72%，232Th的同位素相对丰度为99.995%；238U的衰变常数为1.55×10-10，235U的衰变常数为9.85×10-10，232Th的衰变常数为4.95×10-11［15，30］；238U的摩尔质量为238 g/mol，235U的摩尔质量为235 g/mol，232Th的摩尔质量为232 g/mol［15，30］；每个同位素238U产生的4He数量为8个，每个同位素235U产生的4He数量为7个，每个同位素232Th产生的4He数量为6个。
由于U和Th放射性衰变不受温度和压力的影响，因此岩石的氦生成速率与温压等环境参数无关。
代入公式（1）中相关系数的数值，乘以岩石的衰变时间T（单位为Ma），得到单位质量岩石生氦的体积，即生氦潜量（单位为cm3/g）［15］：
4 H e ( S T P   c m 3 / g ) = 1.21 × 10 - 13 U + 0.287 × 10 - 13 T h × T
式中：［U］和［Th］的单位为10-6。

3.2　氦气资源量评估方法

氦气资源量的评估方法目前主要有成因法和组分法2种［58］。成因法为根据氦气放射性衰变成因进行氦气资源评估，适用范围广泛，可应用于勘探程度较低的地区［58-61］。本文将采用成因法对雅克拉地区的氦气资源进行评估。
依据成因法计算氦气生成量的公式如下［15］：
N H e = A × H × ρ × ( 1 - Φ ) × R H e
式中：N He为氦气生成总量，m3；A为岩石分布面积，m2；H为岩石平均厚度，m；ρ为岩石密度，kg/m3；Φ为岩石孔隙度，无量纲；R He为岩石生氦潜量，cm3/g，由公式（2）计算得到。

3.3　雅克拉地区氦气资源评价

根据何衍鑫等［15，62］、闫博等［63］提出的基于伽马能谱测井计算生氦潜量和生产量的流程，对雅克拉地区氦气资源潜力进行评价。考虑到雅克拉地区部分井段的能谱测井曲线缺失，本文研究选取了研究区14口具有高质量自然伽马能谱测井曲线的钻井资料进行分析，研究剔除曲线中的明显异常值，根据雅克拉地区相应井段37组岩心放射性室内测试结果（表2），对铀、钍能谱测井曲线进行校正，校正结果指示伽马能谱曲线的铀、钍含量与岩心测试结果的铀、钍含量一致性较好（图4）：伽马能谱和岩心测试的铀含量函数关系为y=0.991 1x－0.009 5，R 2值达0.997 9；伽马能谱和岩心测试的钍含量函数关系为y=1.027 2x－0.016，R 2值达0.999 2。这表明雅克拉地区选取的自然伽马能谱测井资料可以如实反映岩石铀、钍含量，基于自然能谱测井进行氦气资源评估具有一定的可靠性及准确性。
表2 雅克拉地区古生界岩石铀及钍元素含量

Table 2 Uranium and thorium content of Paleozoic rocks in Yakela area

序号 样品来源 深度/m U/10-6 Th/10-6
1 沙5井 5 411.25 0.224 0.508
2 沙5井 5 411.40 0.122 0.309
3 沙5井 5 426.30 0.109 1.478
4 沙5井 5 426.40 0.111 1.470
5 沙5井 5 427.25 0.288 0.546
6 沙5井 5 428.10 0.288 0.513
7 沙5井 5 430.10 0.372 0.325
8 沙5井 5 431.20 0.370 0.339
9 沙5井 5 432.50 0.474 0.634
10 沙5井 5 432.60 0.196 0.660
11 沙5井 5 435.50 0.050 0.030
12 沙5井 5 440.10 6.000 1.400
13 沙5井 5 440.20 6.000 1.300
14 沙6井 5 337.20 14.000 18.800
15 沙6井 5 344.65 0.006 0.020
16 沙6井 5 344.70 5.759 1.333
17 沙6井 5 348.35 14.545 18.620
18 沙6井 5 455.20 6.251 1.286
19 沙45井 5 382.10 0.033 0.130
20 沙45井 5 382.20 0.008 0.058
21 沙45井 5 382.30 0.003 0.051
22 沙45井 5 392.10 0.142 0.571
23 沙45井 5 394.40 0.430 0.892
24 沙45井 5 396.10 0.230 0.304
25 沙45井 5 396.30 0.148 0.423
26 沙45井 5 404.25 0.139 0.414
27 沙45井 5 404.30 0.134 0.384
28 沙45井 5 408.10 1.370 0.730
29 沙45井 5 422.20 0.555 0.255
30 沙45井 5 422.30 0.419 0.719
31 沙45井 5 444.20 0.127 0.725
32 沙45井 5 444.30 0.254 0.570
33 沙45井 5 444.60 0.231 0.508
34 沙45井 5 476.20 0.138 0.226
35 沙45井 5 476.30 0.192 0.186
36 沙45井 5 498.10 0.161 0.168
37 沙45井 5 508.10 0.214 0.480
图4 基于岩心测试结果和自然伽马能谱的铀含量（a）和钍含量（b）校正

Fig.4 Uranium （a） and thorium （b） content correction cross plot based on trace element test of core rock and natural gamma spectrum

雅克拉地区古生界含氦气藏初始成藏时间为加里东构造晚期［42］，该时期研究区发生挤压抬升运动，下古生界层系开始排烃，生成油气汇聚成藏。考虑到雅克拉地区古生界含氦气藏的直接盖层为石炭系巴楚组双峰灰岩（图2），因而研究区含氦气藏的初始成藏时间应晚于石炭纪（359 Ma）。
利用Resform3.5软件的宏程序，根据雅克拉地区测井曲线解谱转换后的结果，在雅克拉地区14口研究井中创建并计算出一条生氦潜量曲线道，曲线单位为10-10 cm3/g。以雅克拉地区生氦潜力不同的6口井位为例（图5）：沙45井古生界岩石的生氦潜量介于（0.10~4.74）×10-10 cm3/g之间，平均为1.19×10-10 cm3/g；沙4井古生界岩石的生氦潜量介于（0.22~6.11）×10-10 cm3/g之间，平均为1.37×10-10 cm3/g；牙克3井古生界岩石的生氦潜量介于（0.34~8.82）×10-10 cm3/g之间，平均为1.52×10-10 cm3/g；牙克11井古生界岩石的生氦潜量介于（0.25~8.53）×10-10 cm3/g之间，平均为2.26×10-10 cm3/g；牙克7井古生界岩石的生氦潜量介于（1.06~6.45）×10-10 cm3/g之间，平均为2.74×10-10 cm3/g；沙5井古生界岩石的生氦潜量介于（0.15~12.04）×10-10 cm3/g之间，平均为3.83×10-10 cm3/g。总体上，雅克拉地区单井古生界岩石的生氦潜量平均介于（0.73~4.80）×10-10 cm3/g之间，平均为2.37×10-10 cm3/g。
图5 雅克拉地区含氦气井生氦潜量连井剖面

Fig.5 Helium generation potential content of helium wells in Yakela area

基于雅克拉地区14口钻井的单井平均生氦潜量，用克里金插值法绘制出雅克拉地区生氦潜量平面分布图（图6）。从图6可知，雅克拉地区的生氦潜量分布并不均匀，生氦潜量最高的区域位于沙5井及沙15井附近，平均生氦潜量普遍高于3.5×10-10 cm3/g，其次为沙49井区域附近，平均生氦潜量则在2.5×10-10 cm3/g之上。总体上，雅克拉地区生氦潜量高值区呈带状展布，分布在沙5井至沙49井的狭长地带，以沙15井和沙49井为高生氦潜量中心，向周缘区域呈辐射状递减，连接2个高生氦潜量中心的区域生氦潜量值有所回落。由此可以推测在雅克拉地区氦气相对富集的区域更可能出现在沙15井和沙49井附近区域，距离生氦潜量高值区越远的区域，氦气相对富集的可能性更低。
图6 雅克拉地区生氦潜量平面分布特征

Fig.6 Distribution map of potential of generating helium in Yakela area

基于测井解释的生氦潜量，根据式（3）计算出雅克拉地区氦生成总量。雅克拉地区古生界地层厚度参照图2，取各层系地层厚度的平均值。岩石密度根据密度测井及前人资料估算得出砂泥岩密度为2.4 g/cm3，灰岩密度为2.5 g/cm3，白云岩密度为2.7 g/cm3，且岩石密度的数值选择对氦生成量的结果影响并不显著［59］。岩石孔隙度平均为3.33%［4］。计算结果表明，雅克拉地区氦生成量为3.22×109 m3。

4 雅克拉地区氦气成藏条件

氦气特殊的物理化学性质和氦源条件决定了氦气成藏具有特殊性。氦源岩、运移通道、运移载体和保存条件是氦气富集成藏的4个主控因素［20，64-65］，本文将从这4个方面论述雅克拉地区的氦气成藏条件。

4.1　氦源岩

对于氦气藏中氦的生成具有贡献的岩石被称为氦源岩，在氦气藏的开发勘探中寻找氦源岩十分重要。目前关于主力氦源岩的类型主要有基底和沉积岩2种观点［14，30，60，66-72］。支持氦气基底主要来源观点的理由有：①目前世界工业开发的氦气田主力氦源岩多为花岗岩［14］；②生氦潜力较高的沉积岩往往兼具较高的生烃潜力，生成的氦气会被油气极大地稀释［4，14］。支持氦气沉积岩主要来源观点的理由有：①沉积岩中U、Th含量大于岩浆岩［30］；②通过模拟计算热页岩和页岩均具有比岩浆岩更大的生氦潜力［60］；③生氦模拟结果指示盆地基底或附近花岗岩并不一定是盆地氦气的主要来源［15，62-63］。至今，学界尚无主力氦源岩类型的确切说法。
C H e = α × C
式中：C He为氦气量，m3/t； α为天然气中氦气含量，%；C为含气量，m3/t。
雅克拉地区气体总储量为248.75×108 m3 ［47］，前期勘探测试分析结果表明研究区古生界层位含氦气田的氦气平均含量为0.31%（图3），假设雅克拉地区气体总储量等于研究区古生界层位含氦气田的气体总储量，代入式（4），可以得到研究区古生界层位含氦气田的氦气总含量为7.71×107 m3。考虑到研究区古生界层位含氦气田的气体总储量远小于雅克拉地区气体总储量，研究区古生界层位含氦气田的氦气总含量小于7.71×107 m3。
由3.3部分可知，利用自然伽马能谱测井资料预测出的研究区沉积岩系生氦总量为3.22×109 m3，且研究层系为古生界，地层沉积年龄大于100 Ma，则沉积层系生成He总含量的90%以上均可以从矿物晶格中排出［60］，供给氦气量可达2.90×109 m3，远大于雅克拉地区含氦气藏中氦气可达的最高储量（7.71×107 m3），仅需沉积岩系供给氦气总量的2.66%汇入气藏得到保存，就可满足研究区含氦气藏中的氦气供给。因而，雅克拉地区地层中的沉积岩系可以完成研究区含氦气田中氦气的供给，为有效的氦源岩，但考虑到雅克拉地区基底岩石同样具有一定的U、Th含量［73］，且较沉积岩系年龄更古老、体积更大，同样可为含氦气藏的有效氦源岩。由于目前暂无法估算雅克拉地区基底可贡献的氦气总量，尚无法确定研究区含氦气田的主力氦源岩。

4.2　运移通道

断裂和裂缝不但可以沟通深部烃源，促进生成油气成藏，还可以协助氦源岩生成氦气持续运移［74］。氦气从氦源岩矿物释放后，可以在运移载体的辅助下，于地层裂缝网络中发生平流或于断裂系统中进行垂向运移［5，70］。
雅克拉地区所在的沙雅隆起作为库车前陆盆地的前缘隆，于加里东—海西构造期响应南天山残余洋盆的最终关闭及库车前陆盆地的形成和发展，受近南北向挤压应力的强烈作用，发育大量近EW向的断裂与裂缝［75］，研究区古生界中大量氦气运移通道也于此时期形成，其中位于雅克拉断凸北部的轮台断裂及南部的亚南断裂最为典型，其均向下切穿古生界及元古宇层系，可与深部冲断层相连接，成为氦气运移的良好通道［32］。

4.3　运移载体

壳源氦源岩放射性衰变生氦速率极慢，无集中的生气高峰，被视为“弱源气”［2］，氦气自生氦矿物释放后，大部分溶解于地下流体之中，以水溶态或气溶态的形式被载体带出进行运移，通过后期赋存状态转换形成非常规天然气资源［5，12-13，76］。
N2与He具有相似的亨利常数，在地层水运移过程中发生类似烃类置换的现象，因而，N2与He相对含量的正相关性说明了氦气在进入烃类气体之前可主要赋存于地层水中进行运移［24，72］。根据表1中的数据，分析得到雅克拉地区古生界气藏中N2与He正相关性良好（图7），证明He的运移与地下水关系十分密切，氦气成藏前可溶于地下水中持续发生运移。天然气作为含氦气田中氦气汇聚的重要媒介，是氦气运移成藏的必要载体，前人研究表明，当天然气以独立气相形式在储层中运移时长超过1 Ma，储层流体、储层岩石及围岩中大部分氦气将被气相吸收，发生持续运移［60］。
图7 雅克拉地区古生界气藏天然气中N2与He相对含量

Fig.7 The relationship between N2 and He in natural gas of Paleozoic gas reservoirs in Yakela area

4.4　保存条件

氦气是一种单原子分子，其分子直径仅有0.26 nm，甚至小于页岩的纳米级孔隙，具有极强的扩散和穿透能力［1，4］。地层中的氦气极易渗漏至地表直至向大气中逸散［32］，有效封存需要严格的盖层条件。含氦天然气藏盖层可为泥岩、泥灰岩，也可为膏岩层与盐层［4，59］，其中，膏岩层对氦气的封盖效果最好，其次为泥岩、泥灰岩。
雅克拉地区古生界含氦天然气藏储层之上主要发育了3套厚度较大的盖层［32］：第一套盖层为侏罗系河流沼泽相黑色含煤岩系泥岩层（J1），单层厚度达到30 m；第二套盖层为古近系苏维依组（E3 s）中部红色含膏泥质岩层，单层厚度达到80 m；第三套盖层为新近系吉迪克组（N1 j）中下部红色含膏泥质岩层，单层厚度达到300 m（图8）。3套盖层构成了一套严密的封闭屏障，排驱压力较高，不但对油气有良好的封闭作用，对于氦气也可进行有效的封闭保存。
图8 雅克拉地区S5井—S7井地质剖面（修改自文献［32］）

Fig.8 Geological profile of Wells S5-S7 in Yakela area （modified from Ref. ［32］）

5 雅克拉地区氦气运移成藏模式

雅克拉地区发育有效的氦源岩，深大断裂发育，具有高质量的盖层及良好的保存条件，氦气在以地下水及天然气为主的载体的协助下持续运移，主要按照2种模式进行成藏聚集，即古老地层水运移聚氦模式、天然气沿古老储层运移聚氦模式。

5.1　古老地层水运移聚氦模式

溶解有氦气的古老地层水中氦气分压较高，受气体亨利定律控制，当古老地层水接触到气藏，由于气藏中氦气含量较低，氦气分压较低，氦气会从分压高的区域向分压低的区域运移，为达到分压平衡，古老地层水中氦气大量脱溶释放至气藏中，而气藏中其他分压较高的游离气也会脱溶于水中，达到天然气“萃取”氦气的效果［12-14］。伴随古老地层水不断向上运移，温度、压力持续降低，氦气不断脱溶释放至氦气藏中，最终完成氦气的聚集成藏（图9）［59］。
图9 雅克拉地区氦气藏运移成藏模式

（I：古老地层水运移聚氦模式；II：天然气沿古老储层运移聚氦模式）

Fig.9 Helium enrichment model in Yakela area

雅克拉地区海西构造晚期的地质运动，形成多条深大断裂，为含氦古老地层水的垂向运移提供了天然的通道，随着运移距离的增加，古老地层水所处深度降低，温压环境改变，其中氦气不断脱溶，直至气藏，天然气批式“萃取”古老地层水中所含有的氦气。根据雅克拉地区古生界气藏中N2与He正相关性良好（图7），推测水溶氦气在古老地层水的协助下持续运移，受控于古老地层水运移聚氦模式，在雅克拉地区古生界储层中聚集成藏。

5.2　天然气沿古老储层运移聚氦模式

当天然气在储集层中横向运移时，其可以不断捕获地层水、地层裂隙载气中的氦气，且运移距离越长，距离构造等值线高值区越近，捕获的氦气越多［5，12-14，20］。当天然气于合适圈闭中聚集成藏，天然气中所含氦气也在圈闭中得到相对富集。
加里东构造期至海西构造期阶段，雅克拉地区遭受强烈构造抬升，储集层所在地层压力降低，部分天然气从混合流体中脱出，形成具有独立气相的混合气体，运移过程中不断捕获储层中的氦气，在合适的圈闭中聚集，幕式成藏，从而天然气中氦气完成聚集（图9）。前人报道位于沙5井至沙49井的狭长地带存在多个含氦气藏［4，32，34］，其中沙13井奥陶系检测到氦气含量高达2.19%，此为该时期雅克拉地区氦气运移受控于天然气沿古老储层运移聚氦模式，向构造等值线高值区聚集的结果（图10），加之基于自然伽马能谱测井推测沙15井和沙49井存在2个生氦潜力中心，氦源充足，其为该区域含氦气田的发育提供了充足的物质保障，而雅克拉地区西北构造等值线高值区［77-78］未见含氦气田的报道，其可能是因为亚南断裂错断该区域地层，加之基于自然伽马能谱测井推测该区域本身生氦潜力较低，储集层较薄［77-80］，封闭条件差，使大量地层中的氦气被释放、稀释造成的。
图10 雅克拉地区天然气沿古老储层运移聚氦模式控制下氦气汇聚成藏路线

Fig.10 Helium accumulation roadmap controlled by the ancient reservoir migration and accumulation model in Yakela area

6 结论

（1）塔里木盆地雅克拉地区已勘测出的含氦气田中氦气平均含量为0.19%，其中古生界He的平均含量为0.31%，为研究区氦气资源量最为丰富的层位，且达到0.1%的氦气工业生产标准，具有良好的氦气资源前景。
（2）基于自然伽马能谱资料对雅克拉地区古生界进行氦气资源评价，评估得雅克拉地区古生界沉积岩系平均生氦潜量为2.37×10-10 cm3/g，氦气生成总量为3.22×109 m3。
（3）雅克拉地区沉积岩系可完成含氦气田中氦气的供给，氦气运移通道为主要形成于加里东—海西构造期的断裂、裂缝，载体以地下水和天然气为主，盖层以3套厚度较大的泥岩层、膏岩层为主，对氦气可完成有效的封存。
（4）雅克拉地区生成氦气在载体的协助下持续运移，以古老地层水运移聚氦模式、天然气沿古老储层运移聚氦模式进行聚集成藏。

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