天然气地球科学 >

2024 , Vol. 35 >Issue 9: 1688 - 1698

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.01.013

非烃气体

鄂尔多斯盆地氦气特征及生成潜力

  • 惠洁 , 1, 2 ,
  • 康锐 , 1, 2 ,
  • 赵伟波 1, 2 ,
  • 范立勇 1, 2 ,
  • 贾丽 1, 2 ,
  • 季海锟 1, 2 ,
  • 王宇菲 1, 2
展开
  • 1. 中国石油长庆油田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
康锐（1982-），男，宁夏石嘴山人，硕士，高级工程师，主要从事天然气勘探和氦气综合研究. E-mail：.

惠洁（1995-），女，陕西蒲城人，博士，工程师，主要从事区域大地构造和氦气研究. E-mail：.

收稿日期: 2023-11-07

  修回日期: 2024-01-23

  网络出版日期: 2024-02-26

收起

Helium characteristics and potential in the Ordos Basin

  • Jie HUI , 1, 2 ,
  • Rui KANG , 1, 2 ,
  • Weibo ZHAO 1, 2 ,
  • Liyong FAN 1, 2 ,
  • Li JIA 1, 2 ,
  • Haikun JI 1, 2 ,
  • Yufei WANG 1, 2
Expand
  • 1. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low⁃Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an 710018，China

Received date: 2023-11-07

  Revised date: 2024-01-23

  Online published: 2024-02-26

Supported by

The Key Core Technology Tackling Project of China National Petroleum Corporation(2021ZG13)

Fold

摘要

近年来鄂尔多斯盆地的勘探显示，其具有良好的氦气资源潜力，但对氦气分布特征及资源量认识薄弱，限制了对氦气富集规律的认识及后续的勘探工作。针对该问题，系统开展了鄂尔多斯盆地长庆气区氦气含量、分布特点及资源量评价研究。结果表明：庆阳气田、宜川气田以及苏里格气田西部均呈现出工业氦和富氦的特点，其中庆阳气田氦气含量范围为0.121%~0.204%（平均为0.144%），宜川气田氦气含量范围为0.060%~0.177%（平均为0.086%），苏里格气田氦气含量范围为0.018%~0.168%（平均为0.053%）；而榆林气田、靖边气田、神木气田和子洲—米脂气田的氦气含量普遍比较低，平均含量为0.034%。氦气多富集于盆地周缘地区，盆地中心氦气浓度最低，在纵向上则表现出二叠系最高、奥陶系最低的特点。新建立的氦气资源量评价方法计算表明，盒8段和山1段储层原位生成的最大氦气量分别为6.27×106 m3和1.39×106 m3，分别占其实测氦气储量的52.69%和3.11%，表明有外来源区氦的输入。鄂尔多斯盆地西南部的产氦单元有变质基底、沉积层系和印支期岩浆岩3类，所能生成的氦气量分别为2.14×1010 m3、1.44×1010 m3和1.74×107 m3，总氦气生成量约为358×108 m3。

关键词： 氦气; 鄂尔多斯盆地; 资源量评价; 庆阳气田

本文引用格式

惠洁 , 康锐 , 赵伟波 , 范立勇 , 贾丽 , 季海锟 , 王宇菲 . 鄂尔多斯盆地氦气特征及生成潜力[J]. 天然气地球科学, 2024 , 35(9) : 1688 -1698 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.01.013

Abstract

Recent exploration has shown that the Ordos Basin has a good potential of helium resource. However， its distribution and resource calculation method are still controversial， which impede the understanding of the helium enrichment rule and subsequent exploration in the Ordos Basin. Therefore， we systematically studied the Changqing oilfield helium contents， distributions， and its resources. The results show that helium in Qingyang，Yichuan and western Sulige gas fields are above the industrial and enriched helium standards，which have the helium contents of 0.121%-0.204%（averagely 0.144%），0.060%-0.177%（averagely 0.086%） and 0.018%- 0.168%（averagely 0.053%），respectively. In contrast， Yulin， Jingbian， Shenmu， and Zizhou-Mizhi gas fields generally have relatively lower helium concentrations （averagely 0.034%）. Such distribution characteristics reveal that the content of helium in the margin of the basin is higher than that of the center. Vertically， the highest helium appears in the Permian and the lowest appears in the Ordovician. According to the new established helium resources evaluation method， the calculated in-situ helium production of He-8 and Shan-1 reservoirs is 6.27×106 m3 and 1.39×106 m3 respectively， accounting for 52.69% and 3.11% of the total helium production， which means the external source rocks is the main contributing source area of helium. The helium production of the metamorphic basement， sedimentary sequences， and Indosinian magmatic plutons in the southwestern margin of the basin is 2.14×1010 m3， 1.44×1010 m3， and 1.74×107 m3， respectively， with total helium resources of about 358×108 m3.

Key words： Helium; Ordos Basin; Helium resource evaluation; Qingyang Gas Field

0 引言

氦气广泛应用于低温超导、光纤、核潜艇及火箭发射等高科技领域，工业氦气主要是通过含/富氦天然气和液化天然气尾气（LNG-BOG）2种途径提纯。有研究预测，未来20年氦气产量不足以支撑氦气的消耗量［1］，世界将面临严重的氦供应危机［2］。我国氦资源勘探程度低，氦气主要依赖于进口，对外依存度超过95%［3-4］。世界上已发现的氦气是作为天然气中的微量组分存在，主要以地下水系统和气相为载体［5］，运移至烃类气体或非烃气体（CO2、N2）中成藏，而鄂尔多斯盆地具有巨大的天然气储量，因此对鄂尔多斯盆地开展氦气分布及资源量评价不可或缺。
我国氦气资源的研究起始于20世纪，将氦气作为天然气的伴生气，从稀有气体地球化学和同位素角度研究了天然气中的氦气来源，并根据3He/4He值的差异划分了不同的含油气区［6-10］。近些年随着我国对氦气资源重视程度的提高，中国地质调查局、油田企业、中国科学院及各高校等单位和团队将氦气作为单独的资源开展研究和勘探工作，分别从盆地氦气含量、氦气成因、氦源岩类型和氦气富集规律等方面开展了丰富的研究工作［11-27］。
对于天然气资源的评价，目前已经形成成熟的计算方法，例如类比法、统计法、成因法和特尔菲法等［28］。然而，氦气资源的评估方法远不如天然气评价方法研究的深入和全面，其主要研究内容包括不同类型岩石单位体积和单位时间的生氦潜力评价、氦气储量的计算、基于自然伽马能谱测井的氦气资源评价等［5， 15， 29］。目前，国内外关于氦气资源的计算方法为组分法和成因法：组分法是基于天然气藏中氦气含量、天然气资源量或探明储量等参数进行计算［25-26］；成因法是根据放射性元素衰变公式进行计算。BALLENTINE等［30］和DANABALAN等［31］综合运用上述2种方法对世界上典型富氦气田的氦气资源开展评价，将产氦单元按照研究区的地质背景进行分类，对不同类型的氦源岩分别选取不同的参数（年龄、面积），以此估算了东非裂谷坦桑尼亚克拉通Ruawk盆地、澳大利亚Great Artesian盆地和美国胡果顿—潘汉德气田的氦气生成量。一方面，单独使用这2种方法均会影响对氦气资源的评价，因为组分法的计算结果受控于天然气的探明程度，而成因法的计算未考虑氦气赋存介质（天然气）的因素，因此须同时结合组分法和成因法去评价氦气资源。另一方面，由于氦气累积总量主要取决于产氦源岩的体积和氦气累积的计时时间［32］，而目前的研究在产氦单元的分类和具体的评价参数方面仍存在不同的认识。
本文以中国西部鄂尔多斯盆地中的含/富氦天然气田为研究对象，分析了各气田的氦气含量，讨论了盆地氦气平面和纵向上的分布特征。在此基础上，选择盆地西南部高氦气浓度分布的庆阳气田，从产氦源岩角度定量讨论了壳源氦气资源量的计算方法，以期为庆阳气田的氦气开发和类似气田的氦气资源评价提供参考。

1 地质背景

鄂尔多斯地块为华北板块西部陆块的一部分，其北侧为中亚造山带，南侧为祁连—秦岭造山带，西侧以贺兰山逆冲断裂带为界和阿拉善地块相接，东侧为华北中部造山带（图1）。鄂尔多斯地块在传统意义上被认为是具有大陆岩石圈性质的克拉通［33］，但也有学者提出它是构筑在具有洋底高原性质岩石圈之上的陆块［34］。鄂尔多斯地块内部可划分为6个单元，分别为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘冲断带（图1）。
图1 鄂尔多斯盆地构造简图

Fig.1 Tectonic framework of the Ordos Basin

鄂尔多斯盆地为复合型盆地，在太古代—古元古代变质基底之上发育了多套不同构造背景下的中—新元古界沉积—火山地层和显生宙地层［35-36］，厚度约为5~10 km［34］。显生宙地层从早古生代的海相碳酸盐岩沉积转变为晚古生代晚期的海陆交互相沉积，中生代以来为陆相碎屑和河—湖相沉积。
研究区位于鄂尔多斯盆地西南缘（图1），总体上发育了完整的显生宙沉积地层，早古生代的沉积包括寒武系—下奥陶统的碳酸盐岩和上奥陶统厚层黑色页岩夹内碎屑石灰岩，代表了深海碳酸盐岩斜坡相沉积，记录了中奥陶世以来鄂尔多斯盆地西部前陆盆地的演化［37］。由于中央造山带南部在奥陶纪—泥盆纪发生了碰撞、抬升和剥蚀，使得研究区缺失了奥陶纪末期—早石炭世的沉积［37］。上古生界二叠系可分为山西组、石盒子组和石千峰组［36］，山西组为一套粗粒厚层含砾石砂岩，夹有煤层和炭质页岩；下石盒子组由厚层砂岩和粉砂质泥岩相间组成，上石盒子组由厚层紫色泥岩夹薄层灰黄色粉砂岩组成；石千峰组主要为一套棕红色泥岩夹厚层砾岩和砂岩。二叠系沉积序列的变化说明该区域在二叠纪末期已经演化至陆内河—湖相环境［37］。此外，研究区在中生代发育有多期岩浆活动［38］，多以隐伏岩体的形式存在。

2 鄂尔多斯盆地含/富氦天然气分布特征

氦气有壳源、幔源和大气源3种成因类型［39］，徐永昌等［6-8］和戴金星等［9］最早基于全国含油气盆地中天然气的3He/4He值，将中国含油气区分为东部活动区、中部稳定区和西部次稳定区。其中，鄂尔多斯盆地属于中部稳定区，壳—幔物质交换差，天然气中的氦气属于典型的壳源成因。近几年，发表了一系列关于鄂尔多斯盆地天然气的氦气同位素特征、影响氦气富集的地质因素和富集成藏模式等研究成果［12，21-22，25-26，35，40］。一方面，DAI等［12］对鄂尔多斯盆地各层系的氦气来源进行分析，认为它们均为壳源成因氦，并提出了氦气田的工业分类标准，当氦气含量大于0.15%时，属于富氦气田；当氦气含量在0.05%~0.15%之间时，属于含氦气田。另一方面，一系列研究认为鄂尔多斯盆地天然气中的氦气含量与天然气成因无相关性［9，25］。前人对鄂尔多斯盆地氦气的详细研究多集中在北部和东部（图1），这些区块的氦气均为壳源成因。针对盆地东部的氦气，刘超等［40］对石西区块的含氦天然气开展研究，氦气含量多在0.05%~0.15%之间，平均值为0.089%，3He/4He值平均为3×10-8，氦气赋存天然气层系为上古生界，基于航磁异常分析，作者提出燕山期的紫金山复式岩体可能为该地区天然气中氦气的来源；同时，研究区发育的超壳/壳内深断裂系、地下水和中生界的多套盖层为氦气的聚集和保存提供了条件。针对鄂尔多斯盆地北部的氦气，前人［21，25-26］在该地区的东胜气田和大牛地气田开展了研究，大牛地气田的含气层系为奥陶系马家沟组和上古生界的太原组、山西组和石盒子组，氦气平均含量为0.043%，3He/4He值为（0.913~10.12）×10-8。东胜气田的氦气平均含量为0.133%，3He/4He值在（3.03~3.44）×10-8之间，太古代—元古代的花岗质变质基底为其提供了主要的氦源，基底断裂和燕山期构造运动为氦气的富集提供了条件。
本文对鄂尔多斯盆地长庆气区793口气井的氦气含量进行统计分析［图2（a）］，结果表明，庆阳气田的氦气含量分布在0.121%~0.204%之间，平均值为0.144%；宜川气田的氦气含量分布在0.060%~0.177%之间，平均值为0.086%；苏里格气田的氦气含量分布在0.018%~0.168%之间，平均值为0.053%；靖边—高桥气田的氦气含量分布在0.016%~0.080%之间，平均值为0.039%；子洲—米脂气田的氦气含量分布在0.027%~0.039%之间，平均值为0.033%；神木气田的氦气含量分布在0.016%~0.27%之间，平均值为0.032%；榆林气田的氦气含量分布在0.001%~0.036%之间，平均值为0.030%。长庆气区的高氦气气井沿着特定的经纬度分布（图3），高浓度氦气多集中于36°N和38°N附近；随着经度的增大，氦气浓度呈现出U型分布的特点，在盆地中心氦气浓度最低，在盆地边界的氦气浓度最高（图3）。将高氦气气井随经纬度的发育规律对应到盆地的气田上，表现为氦气含量超过0.15%的气井主要分布在庆阳气田和宜川气田，神木气田少部分气井的氦气含量也超过了0.15%；氦气含量介于0.05%~0.15%之间的气井多分布于庆阳气田、宜川气田、靖边气田南部以及苏里格气田西南部和北部地区，而长庆气区其余气田的氦气含量则普遍低于0.05%，即高浓度氦气多分布于鄂尔多斯盆地的南缘，而盆地中心的氦含量则是非常低。这样的氦气分布特征也符合BROWN［32］对美国氦气分布的研究结果，即高浓度氦气主要分布在盆地周缘。
图2 鄂尔多斯盆地长庆气区氦气含量分布（a）及断裂与氦气匹配图（b）

Fig.2 He distribution of Changqing gas area （a）and He concentration with fault（b） in the Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地氦气含量随经纬度变化

Fig.3 Variation of He with longitude and latitude in the Ordos Basin

盆地断裂与氦气匹配图揭示出断裂对氦气的富集具有一定的控制作用［图2（b）］。前人［41-42］对盆地发育的基底断裂进行了研究，以NE向为主，穿过宜川气田的基底断裂（F1）向南倾斜，切穿了前寒武纪基底，局部存在后期复活的现象；穿过庆阳气田的基底断裂（F2）和F1断裂特征类似，为一北倾的宽断裂带，控制了长城系的沉积。盆地最高氦气含量的气井（庆阳气田和宜川气田）均在基底断裂附近出露，基底断裂的发育为氦气向上运移提供了良好的通道。然而，在断裂未发育地区，仍存在一些较高氦气含量的气井，说明断裂并不是氦气富集的唯一控制因素，可能存在其他影响氦气富集的因素需要进一步的研究。
本文统计了盆地不同时代天然气储层中氦气的含量（图4），结果显示奥陶系马家沟组中的氦气含量最低，在盆地天然气的主力产层（二叠系储层）中，山西组的氦气含量最高。深度（压力）对氦气也起到了一定的控制作用（图5），氦气含量在近4~5 km处达到峰值。
图4 鄂尔多斯盆地不同储层氦气含量

注：图中所标数字为样品数

Fig.4 He contents of different reservoirs in the Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地氦气含量随深度变化

Fig.5 Variation of He with depth in the Ordos Basin

3 壳源氦气生成量计算方法

壳源氦气（4He）生成量计算依据为放射性元素衰变公式（1），具体的衰变过程如公式（2）—（4）：
D * = N×(e λt -1)
式（1）中：D *为放射性子体同位素；N为现今仍然存在的母体原子数；λ为衰变速率常数；t为年龄。
238U → 206Pb+8α+6β-，λ=1.551 3×10-10，
T1/2=4.51×109 a
235U → 207Pb+7α+4β-，λ=9.848 5×10-10
T1/2=7.1×108 a
232Th → 208Pb+6α+4β-，λ=4.947 5×10-11，
T1/2=1.41×108 a
式（2）中：λ为衰变速率常数；T1/2为半衰期。
由于238U、235U和232Th在放射性衰变过程中分别产生8、7、6个α，因此每克岩石每年能产生的氦原子个数N（4He）为［43］：
N（4He）=8×X 238［R］（N A/A U）（eλ238－1）+7×X 235［R］（N A/A U）（eλ235－1）+8×X 232［R］（N A/A Th）（eλ232－1）
式（5）中：X 238、X 235、X 232分别代表238U、235U、232Th在自然界的丰度，分别为0.992 8、0.007 2和1；［R］代表岩石中元素U和Th的浓度（单位为10-6）；N A为阿伏伽德罗常数6.023×1023；A U和A Th为U和Th原子的摩尔质量；λ为衰变速率常数。
则氦源岩在标准温压条件下（STP）产生的氦气体积（VHe）可被定义为：
V He=N（4He）×R×T/N A×P×t×H×S×ρ×（1－ϕ）
式（6）中：R为摩尔气体常数；T为标准温度，K；P为标准的大气压力，MPa；t为氦气累积的计时年龄，Ma；H为氦源岩的厚度，km；S为氦源岩的面积，km2；ρ为氦源岩的密度，g/cm3；ϕ为氦源岩的孔隙度，10-2。

4 鄂尔多斯盆地西南部氦气质量平衡计算

4.1　产氦单元分类及评价参数选取

本文对研究区4He生成量估算的总体原则是依据鄂尔多斯西南部的地质条件和大地构造框架，将产氦单元分为变质基底、沉积层系和隐伏的花岗岩体（图6），评价参数包括氦源岩的计时年龄、面积、厚度、U-Th含量、密度和孔隙度，对这3类地质单元选取不同的评价参数值，分别计算它们的4He生成量。虽然不同类型的岩石具有不同的生氦速率，但是岩石单位体积和单位时间的产氦速率是非常缓慢的，因此足够长的地质时间和足够大的氦源岩体积是决定产氦量的关键参数［30， 32］。所以在具体的计算过程中，最重要的是年龄和体积这2项参数的选取。
图6 鄂尔多斯盆地西南缘庆阳气田之下的产氦源岩规模和类型示意（修改自HALFORD等［69］）

Fig.6 Volumes of helium source rocks beneath the Qingyang Gas Field in the Southwest Ordos Basin （modified after HALFORD et al. ［69］）

计时年龄指的是放射性同位素体系开始计时累积氦气的时间，而在同位素计时体系之外生成的氦气，不予考虑这些氦气的散失。研究区3类产氦单元计时年龄选取依据为：一是前寒武纪变质结晶基底，取该基底最后一次经历的变质事件作为其4He累积年龄；二是结晶基底之上的沉积地层，选取区域盖层的沉积时间作为其4He累积年龄；三是发育的隐伏花岗岩体，选取其结晶年龄作为4He累积年龄。
前人对鄂尔多斯地块基底的认识主要基于钻孔岩心［35，44-46］、地震［47-48］和重—航磁［49-50］资料。鄂尔多斯地块变质结晶基底为长英质—花岗质片麻岩和变质沉积岩系［45，51］，锆石年龄和Hf模式年龄揭示，基底片麻岩具有新太古代—古元古代的原岩年龄［35］，最后一期构造—热事件发生于古元古代（约1.9 Ga）［35，51］。变质基底的钻井岩心地球化学分析结果显示［35，45，52］，古元古代（2 229 Ma）副片麻岩的U含量为（1.63~4.82）×10-6（平均为2.92×10-6），Th含量为（4.75~24.7）×10-6（平均为16.27×10-6）；新太古代（约2.5 Ga）和古元古代（2.2~2.0 Ga）花岗质片麻岩的U含量为（0.27~16.3）×10-6（平均为3.47×10-6），Th含量为（0.73~35.1）×10-6（平均为13.91×10-6）。
研究区花岗质片麻岩基底面积的圈定，是基于全球地球模型Crust1.0数据库，根据化极磁力异常垂向一阶导数正值区所确定［53］。岩石圈二维P波速度揭示鄂尔多斯地块北部地壳的厚度约为45 km［47，54-55］，结晶基底深度范围在3~6 km之间［54］，上地壳厚度为16~18 km［55］。阮小敏等［56］通过对鄂尔多斯盆地从南至北长剖面的航磁和地磁异常的反演，得出了结晶基底最深可达10 km。WANG等［49］认为鄂尔多斯盆地及其邻区的高分辨率航磁异常，反映出前寒武纪结晶基底的埋藏深度，盆地基底厚度变化大，基底的顶界深度大约在地下4 km处，底界深度在地下7~12 km处；盆地西南部各构造单元中钻遇太古代基底的钻井数据显示，顶界深度约在地下5 km处。基于上述分析，研究区的基底顶部深度约为地下5 km处。由于U、Th、K丰度在大陆地壳中的分布是深度的函数，越往地壳深部，它们的含量越低，至地壳底部浓度可衰减至10倍［57］，75%的4He产出于10 km以上的地壳范围［43］。因此，在估算鄂尔多斯地块变质基底的氦气生成量时，本文仅考虑上地壳的产氦量，而忽略该深度之下的氦气生成量。地震资料［58］揭示研究区的上地壳密度为2.65 g/cm3。
鄂尔多斯盆地西南部地区已探明的天然气储层为二叠系盒8段和山1段。由于氦气的分子量小，上覆的中生界和新生界产生的氦气会向上运移散失，并不会进入盒8段和山1段气藏中，考虑到区域上二叠统盖层的发育，本文选取251.9 Ma作为沉积地层的计时年龄。U和Th含量分别取2.36×10-6和10.54×10-6。由于氦气是作为微量元素赋存在天然气藏中，因此，将天然气勘探面积（15 000 km2）作为产氦层系的面积，古生界厚度取5 km［59-61］，孔隙度值为盒8段和山1段的平均孔隙度6.6%，密度取2.65 g/cm3。
地球物理资料揭示盆地西南部发育印支期的岩浆活动［38，62］，三叠纪岩浆岩侵位于中生代的各地层中，最高侵位至延长组，隐伏岩体面积约为380 km2，锆石U-Pb年龄揭示其形成于210~245 Ma［62］，岩性主要是酸性岩和碱性岩，U的平均含量为6.7×10-6，Th含量的平均值为23.02×10-6［63］，孔隙度取值2.62%［64］，厚度取平均值82 m［62］。基于上述参数值的选取，计算可得，理论上鄂尔多斯盆地西南部可生成的总氦气量为3 083×108 m3（表1）。
表1 鄂尔多斯盆地西南部产氦单元自最后一期构造事件以来的4He生成量

Table 1 4He production since the last tectonic events from different helium source units in the southwestern Ordos Basin

区域 事件 计时年龄/Ma

U

/10-6

Th

/10-6

密度

/（g/cm3）

孔隙度

/%

面积

/km2

厚度

/km

体积

/km3

 每年每克岩石氦原子数 每年每克岩石氦原子体积/m3 放射性衰变的4He量/m3
克拉通基底 最后一期变质事件 1 900 3.47 13.91 2.65 2.62 13 800 5 69 000 21 975 044 8.289 81×10-19 2.80×1011

上覆沉积

（最大值）

 最上层沉积 251.9 2.36 10.54 2.65 6.60 15 000 5 75 000 15 777 932 5.952 03×10-19 2.78×1010
隐伏岩体 印支运动 237.6 6.7 23.02 2.65 2.62 380 0.082 31.16 39 471 160 1.489×10-18 2.84×107

4.2　原位氦气产量

截至2018年，盆地西南部已提交的盒8段和山1段天然气探明储量为318.86×108 m3［65］，该气藏的烃源岩来自石炭系—二叠系的煤系地层，主充注期为早白垩世［66-67］。假设氦气是在天然气成藏后开始进入其中累积的，即计时年龄统一选取天然气的主充注期，氦源岩的U-Th含量、计时年龄、厚度、孔隙度和密度等参数值的选取依据见本文4.1节，具体值见表2。为了计算原位储层所能产生的氦气量以及现今实测氦气储量所对应的产氦源岩面积，本文设置了2种方案（表2）。第一种方案是，盒8段和山1段气藏中的4He全部来自于原位天然气储层（盒8段和山1段）中U和Th的放射性衰变累积，计算得出所需的理论氦源岩面积分别为5 632 km2和20 698 km2，这2个值均大于实际盒8段和山1段储层的面积2 962 km2和644 km2，说明单靠储层本身是不能生成现今的实测氦气产量，必须依赖于外源氦气（基底或沉积地层）的输入。第二种方案是考虑实际的原位储层所能生成的4He量，计算得出盒8段和山1段储层所能生成的最大4He量分别为6.27×106 m3和1.39×106 m3，盒8段和山1段储层原位4He生成量分别占其实测4He储量的52.69%和3.11%。
表2 庆阳气田原位4He生成量

Table 2 In-situ 4He production in the Qingyang Gas Field

天然气

储层

实测氦气

储量/m3

 设想方案

计时年龄

/Ma

U

/10-6

Th

/10-6

平均厚度

/m

最小厚度

/km

平均孔隙度

/%

密度

/（g/cm3）

产生的4He

体积/m3

 所需氦源岩面积/km2 原位4He比例/%
盒8段 1.19×107 1 145 2.36 10.54 10~25 0.01 7.50 2.65 1.19×107 5 632 100
2 145 2.36 10.54 10~25 0.01 7.50 2.65 6.27×106 2 962 52.69
山1段 4.46×107 1 145 2.36 10.54 10~15 0.01 5.70 2.65 4.46×107 20 698 100
2 145 2.36 10.54 10~15 0.01 5.70 2.65 1.39×106 644 3.11

4.3　外源氦气产量

基于上述分析，庆阳气田中的4He必须有外来源区的供给，因此，本文分别计算了研究区变质基底、沉积层系和隐伏的花岗岩体所能生成的氦气，以及在这种情况下该地区的理论氦气资源，计算结果见表3。假设氦气生成后100%从矿物中释放并运移至天然气藏中，考虑到氦气生成后要突破矿物的封闭温度才能从晶格中释放出来，为了计算产氦源岩所能生成的最大氦气量，本文选择了磷灰石的封闭温度（55~115 ℃）进行计算［68］，地温梯度取29 ℃/km，计算得出，当深度大于1.89 km时，氦气会从矿物晶格中释放出来，而山1段的底界深度约为4 km，完全处于氦气的释放窗口，即氦源岩生成的氦气是可以释放进入天然气藏中的。计算得出变质基底、沉积层系和隐伏岩体所能生成的氦气分别为2.14×1010 m3、1.44×1010 m3和1.74×107 m3，鄂尔多斯盆地西南部3类产氦单元所能生成的总氦气量为358×108 m3（表3）。
表3 庆阳气田外来源区的4He生成量

Table 3 External 4He production in the Qingyang Gas Field

天然气

储层

实测氦气

储量/m3

4He产生

层位

计时年龄

/Ma

U

/10-6

Th

/10-6

氦源岩厚度

/km

面积

/km2

密度

/（g/cm3）

孔隙度

/%

 100%释放下产生的4He体积/m3 进入储层中的氦气占源区总氦气量的百分比/%
盒8段 1.19×107 基底 145 3.47 13.91 5.00 13 800 2.65 2.62 2.14×1010 0.056
沉积 145 2.36 10.54 4.48 15 000 2.65 6.60 1.44×1010 0.083
岩体 145 6.7 23.02 0.082 380 2.65 2.62 1.74×107 68.62
山1段 4.46×107 基底 145 3.47 13.91 5.00 13 800 2.65 2.62 2.14×1010 0.209
沉积 145 2.36 10.54 4.48 15 000 2.65 6.60 1.44×1010 0.311
岩体 145 6.7 23.02 0.082 380 2.65 2.62 1.74×107 100

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地长庆气区高含量氦气多集中于盆地周缘地区，以庆阳气田、宜川气田和苏里格气田西部最高。在天然气的主力产层（二叠系储层）中，山西组的氦气含量最高，奥陶系马家沟组的氦气含量最低。
--引用第三方内容--

（2）本文根据鄂尔多斯盆地西南部的地质背景，提出了产氦单元的分类方法，将研究区的氦源岩分为变质基底、沉积层系和印支期隐伏岩浆岩，结合研究区天然气发育情况，提出氦气累积的计时年龄、氦源岩厚度和面积的选取依据。

（3）计算得出，研究区原位天然气储层不足以提供天然气中实测的氦气储量，必须依赖外源氦气的输入，盒8段和山1段储层原位4He生成量分别占其实测4He储量的52.69%和3.11%，盆地西南部3类产氦单元所生成的氦气量为358×108 m3。

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