煤岩气、氦气和氢气形成与富集专栏

鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气地球化学特征与富集模式

  • 张雪 , 1, 2 ,
  • 刘成林 , 1, 2 ,
  • 范立勇 3, 4 ,
  • 郭永强 5 ,
  • 杨立强 5 ,
  • 陈践发 1, 2 ,
  • 康锐 3, 4 ,
  • 丁振刚 1, 2 ,
  • 王海东 1, 2 ,
  • 杨广坤 1, 2
展开
  • 1. 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
  • 2. 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
  • 3. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018
  • 4. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室,陕西 西安 710018
  • 5. 中国石化石油勘探开发研究院,北京 102206
刘成林(1970-),男,四川资阳人,博士,教授,博士生导师,主要从事油气成藏和资源评价研究.E-mail: .

张雪(2002-),女,陕西汉中人,硕士研究生,主要从事天然气地球化学研究.E-mail: .

收稿日期: 2024-12-26

  修回日期: 2025-03-04

  网络出版日期: 2025-03-21

基金资助

国家重点研发计划项目(2021YFA0719000)

Geochemical characteristics and enrichment model of helium-bearing natural gas in Sulige Gas Field, Ordos Basin

  • Xue ZHANG , 1, 2 ,
  • Chenglin LIU , 1, 2 ,
  • Liyong FAN 3, 4 ,
  • Yongqiang GUO 5 ,
  • Liqiang YANG 5 ,
  • Jianfa CHEN 1, 2 ,
  • Rui KANG 3, 4 ,
  • Zhen'gang DING 1, 2 ,
  • Haidong WANG 1, 2 ,
  • Guangkun YANG 1, 2
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  • 1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China
  • 2. College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development,PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710018,China
  • 4. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low⁃Permeability Oil & Gas Fields,Xi’an 710018,China
  • 5. Petroleum Exploration and Production Research Institute,SINOPEC,Beijing 102206,China

Received date: 2024-12-26

  Revised date: 2025-03-04

  Online published: 2025-03-21

Supported by

The National Key R&D Program of China(2021YFA0719000)

摘要

苏里格气田为中国最大的天然气田,天然气中普遍含氦,但含氦天然气地球化学特征与氦气富集机理研究仍需深入。采用天然气和稀有气体组分与同位素分析、岩石主量与微量元素分析与盆地数值模拟,对苏里格气田上古生界含氦气藏进行静态要素分析与动态过程解剖,构建氦气富集模式。结果表明:苏里格气田含氦天然气甲烷含量为83.12%~93.61%,以高成熟干气为主并混有成熟阶段的湿气;氦气平均含量为0.047%,与N2正相关,具有西高东低的分布特征,分2个含氦区,西部氦气一类区含量为0.05%~0.10%,东部氦气二类区含量为0.03%~0.05%;苏里格气田为多源供氦,包括基底型和沉积型氦源岩,其中基底型源岩发育规模大但缺乏有效通源断裂导致氦气含量总体不高;靠近盆地基底古隆起且烃源岩生烃强度弱的区域利于氦气聚集,同时,地层压力通过影响溶解度间接控制氦气富集。苏里格气田氦气富集过程分成3个阶段:早侏罗世前以逸散为主;早侏罗世—早白垩世受地下其他流体分布控制;早白垩世后地层重构、流体再分配且压力下降,形成地下水脱氦聚集模式。基于苏里格气田含氦气藏形成的3个阶段并建立相应的氦气聚集模式,对国内氦气资源的勘探开发意义重大。

本文引用格式

张雪 , 刘成林 , 范立勇 , 郭永强 , 杨立强 , 陈践发 , 康锐 , 丁振刚 , 王海东 , 杨广坤 . 鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气地球化学特征与富集模式[J]. 天然气地球科学, 2026 , 37(1) : 139 -151 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2025.03.004

Abstract

Sulige Gas Field, the largest natural gas field in China, contains helium in its natural gas. The geochemical characteristics and helium enrichment mechanism of the helium-bearing natural gas require further investigation. Static element analysis and dynamic process dissection of the Upper Paleozoic helium reservoir in the Sulige Gas Field were carried out. By means of composition and isotope analysis of natural gas and rare gases, major and trace element analysis of rocks, and basin numerical simulation, a helium enrichment model was established. The results show that the methane content of the helium-bearing natural gas in the field ranges from 83.12% to 93.61%, with a mixture of high-maturity dry gas and mature wet gas. The average helium abundance is 0.047%, positively correlated with N2,and exhibits a distribution pattern of higher in the west(0.05%- 0.10%) and lower in the east (0.03%-0.05%). The Sulige Gas Field has multiple helium sources, including basement-type and sedimentary-type helium source rocks. Although the basement-type source rocks are widely developed, the lack of effective source-connecting faults results in a low helium abundance. Regions near the paleo-uplift of the basin basement with low hydrocarbon generation intensity of source rocks is favorable for helium accumulation, and the formation pressure indirectly controls helium enrichment by affecting solubility. The helium accumulation process can be divided into three stages: mainly dispersed before the Early Jurassic; controlled by the distribution of other underground fluids during the Early Jurassic-Early Cretaceous; and a groundwater dehelium accumulation model formed after the Early Cretaceous due to strata reconfiguration and fluid redistribution. This research is of great significance for the exploration and development of helium resources in China.

0 引言

氦气的重要性与中国氦气储量少、产量低之间的矛盾使得氦气资源的发现变得更加迫切。由于对氦气资源的成藏条件、主控因素和成藏机制还未形成较为成熟的认识,现有的油气勘探理论和资源分布预测技术不适用于富氦天然气的勘探与分布预测,已探明的氦气资源大多是在进行油气勘探过程中偶然发现的1-5。目前研究表明,氦气的来源主要有3种:壳源、幔源和大气来源。经过对全球范围内主要富氦天然气藏的详尽类比分析,初步揭示富氦天然气藏的分布规律:克拉通边缘、陆内裂谷盆地以及深大断裂周缘因其独特的构造和地质条件,可以成为氦气富集的理想场所6-12。在BROWN13的研究中,详细探讨了矿物中产生的氦的迁移与富集机制:氦首先溶解于孔隙水之中,随后通过地质过程迁移至气藏区域并逐渐富集,同时,基于“亨特定律”,构建了氦气富集的机理模型和动力学过程。
我国含氦天然气藏具有分布范围广、类型多样、层位结构复杂、资源潜力大的特点,但当前的探明率和研究深度仍然相对较低,在寻找富氦天然气藏方面存在着诸多困难,富氦天然气成藏理论缺乏,现有天然气有利区带评价标准和预测技术也不适用于富氦天然气藏614-18。因此,我国的氦气资源安全形势严峻,对于氦气的研究工作已刻不容缓。
苏里格气田是我国第一大气田,天然气资源丰富,截至2022年底12月,年产气突破300亿立方米,资源分布集中且具有良好的氦气显示。结合前人研究成果,运用天然气和稀有气体组分与同位素分析、岩石主量与微量元素分析与盆地数值模拟等技术方法,深入研究苏里格气田的天然气地球化学特征、氦气差异性富集的影响因素与氦气差异性富集过程与模式,可对我国的含氦天然气藏的勘探开发提供理论支撑。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地处于我国东部构造稳定区和西部构造活动带之间的过渡部位,是一个多旋回大型叠合型盆地,其构造单元相对简单,可划分为6个一级构造单元,分别是:伊盟隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、西缘逆冲带、天环坳陷及渭北隆起19-21。苏里格气田位于鄂尔多斯盆地中部[图1(a)],西接内蒙古鄂托克前旗,东至内蒙古乌审旗地区,南抵陕西定边县,北达内蒙古鄂托克后旗,处于盆地伊陕斜坡西部的单斜构造上,构造特征为东高西低、北高南低,整体表现为从东北向西南倾斜,发育形状不规则的鼻状构造,开口主要方向为北东向22
图1 鄂尔多斯盆地苏里格气田位置及氦源岩地层柱状图

(a)鄂尔多斯盆地基底时代划分及苏里格气田位置;(b)苏里格气田氦源岩地层柱状图(据文献[1]修改)

Fig.1 Position of Sulige Gas Field and column diagram of helium source rock strata in Ordos Basin

苏里格气田基底为太古代和早元古代变质岩,上覆地层沉积间断、剥蚀不整合发育,缺失志留系、泥盆系以及下石炭统,主要发育上古生界,从下而上依次为:本溪组、太原组、山西组、石盒子组、石千峰组[图1(b)]。其中,石炭系本溪组—二叠系山西组间的煤层和暗色泥岩是苏里格气田的重要烃源岩,在整个苏里格气田稳定发育。苏里格气田的氦气为壳源氦,氦气来源丰富,巨大的厚层结晶变质岩体作为基底型氦源岩,上古生界本溪组、太原组与山西组的泥岩、煤及铝土岩作为沉积型氦源岩23。苏里格气田主要储层为山西组与石盒子组砂岩,非均质性强,总体孔隙度、渗透率低,沉积相以三角洲或河流相为主,发育泥岩隔夹层,为南北向条带状展布,无统一的气水界面24-28。整个苏里格气田以石千峰组泥岩作为区域性盖层,局部地区以上石盒子组泥岩为直接盖层,在地质历史时期,苏里格气田上古生界石千峰组—本溪组形成异常压力封存箱,使得含氦气藏能够良好的保存29-32

2 天然气地球化学与分布特征

通过对苏里格气田40口井的石盒子组天然气的样品进行分析(表1),气田天然气中甲烷含量较高,介于83.12%~93.61%之间,仅有8口井的样品干燥系数小于0.95。非烃组分主要为氦气、氮气、二氧化碳等,其中,二氧化碳与氮气含量相对较高。根据天然气烷烃组分与碳同位素分析(图2),苏里格气田的气样为煤成气,以热成因为主,主要为高成熟阶段生成的干气,混有成熟阶段生成的湿气。
表1 苏里格气田含氦天然气组分含量

Table 1 Content of helium-containing natural gas in Sulige Gas Field

井号 烃类组分/% 干燥系数 主要非烃组分/%
C1 C2-5 C 6 + He CO2 N2 H2
W1 92.41 5.01 0.25 0.949 0.056 1.228 0.978 0.022
W2 86.62 4.14 0.22 0.954 0.047 1.317 5.535 0.020
W3 85.98 5.26 0.52 0.942 0.053 1.556 4.639 0.010
W4 88.25 4.18 0.39 0.955 0.068 1.281 4.166 0.000
W5 93.20 3.80 0.12 0.961 0.069 1.725 1.043 0.013
W6 93.37 3.78 0.13 0.961 0.055 1.682 0.953 0.009
W7 92.38 4.57 0.16 0.953 0.066 1.513 1.276 0.008
W8 83.91 11.36 1.04 0.881 0.011 3.235 0.364 0.010
W9 85.88 3.36 0.36 0.962 0.073 1.503 6.078 0.011
W10 93.62 3.06 0.05 0.968 0.080 1.580 1.484 0.020
W11 90.66 4.29 0.10 0.955 0.074 2.819 1.608 0.011
W12 86.85 3.56 0.37 0.961 0.071 1.510 5.312 0.024
W13 93.09 3.30 0.24 0.966 0.071 1.500 1.597 0.087
W14 93.43 3.60 0.00 0.963 0.073 1.332 1.459 0.079
W15 86.57 2.92 0.52 0.967 0.067 1.631 5.708 0.027
W16 91.05 0.97 0.08 0.989 0.026 4.660 0.235 0.075
W17 89.95 5.11 0.45 0.946 0.034 0.692 1.053 0.032
W18 88.80 4.11 0.87 0.956 0.030 1.249 0.737 0.024
W19 88.20 4.16 0.49 0.955 0.037 2.289 0.606 0.032
W20 83.12 8.53 2.41 0.907 0.030 1.330 0.555 0.014
W21 88.53 6.30 0.25 0.934 0.032 0.849 0.703 0.023
W22 89.21 5.61 0.31 0.941 0.047 0.036 1.329 0.000
W23 89.76 3.79 0.56 0.959 0.032 1.312 0.591 0.015
W24 90.29 4.51 0.38 0.952 0.033 0.980 0.775 0.021
W25 90.69 4.39 0.13 0.954 0.039 1.133 0.736 0.021
W26 90.90 3.78 0.22 0.960 0.057 1.346 0.613 0.000
W27 89.06 5.08 0.34 0.946 0.033 1.051 0.634 0.028
W28 88.27 4.12 0.86 0.955 0.054 1.384 1.127 0.013
W29 92.86 2.10 0.06 0.978 0.041 1.288 1.016 0.017
W30 91.81 2.08 0.08 0.978 0.042 1.183 1.005 0.018
W31 92.21 2.09 0.08 0.978 0.046 1.199 1.026 0.029
W32 90.91 2.56 0.23 0.973 0.041 1.155 0.980 0.010
W33 91.93 2.57 0.13 0.973 0.043 1.054 1.114 0.014
W34 91.73 0.44 0.03 0.995 0.045 4.060 1.114 0.020
W35 91.78 0.44 0.02 0.995 0.045 4.061 1.112 0.017
W36 92.79 2.00 0.07 0.979 0.038 1.306 1.064 0.011
W37 92.50 1.41 0.05 0.985 0.033 1.993 0.567 0.014
W38 92.54 1.59 0.12 0.983 0.031 2.078 0.542 0.014
W39 93.22 1.59 0.10 0.983 0.034 2.073 0.527 0.057
W40 92.99 1.30 0.03 0.986 0.033 2.173 0.622 0.010
图2 苏里格气田天然气成因类型

Fig.2 Genetic types of natural gas in Sulige Gas Field

苏里格气田的氦气含量介于0.01%~0.08%之间,均值为0.047%。其中氦气含量小于0.03%的井有2口,氦气含量在0.03%~0.05%之间的有23口,氦气含量在0.05%~0.1%之间的井有15口(表1)。根据“十四五”全国油气资源评价采用标准33,将烃类气或非烃气中氦气含量划分为贫氦(0.01%~0.03%)、低氦(0.03%~0.10%)、中氦(0.10%~0.30%)和富氦(≥0.30%)4种资源量级,苏里格气田属于贫氦—低氦气田,但由于苏里格气田天然气资源量巨大,仍具有较大的氦气勘探潜力。
根据同位素数据分析,天然气的R/Ra值介于0.01~0.08之间,均值为0.025,认为苏里格气田天然气中氦气基本为壳源,与前人对鄂尔多斯盆地天然气的研究一致12334-37。根据氦气与其他气体组分含量交会图发现,苏里格气田的氦气与N2具有正相关性(图3),这可能是因为二者的亨利常数变化具有相似的变化规律,随着温度的升高,氦气与氮气的亨利常数趋于一致,在天然气成藏过程中,氦气与氮气先溶解于地层水中,在后期脱溶过程中,氦气与氮气成比例脱溶进入气藏38
图3 氦气含量与氮气含量交会图

Fig.3 Intersection diagram of helium content and nitrogen content

从氦气含量平面展布来看(图4),苏里格气田石盒子组的天然气普遍含氦,整体氦气含量从西向东逐渐降低。在鄂托克前旗氦气含量达到最高,峰值达0.080%;在乌审旗附近地区出现明显的低值中心,最低值小于0.024%。根据氦气含量,以0.05%等值线为界将苏里格气田划分为2个含氦区:一类区氦气含量相对较高,基本在0.05%~0.10%之间,以苏里格西区为主;二类区氦气含量相对较低,介于0.03%~0.05%之间,以苏里格其他区块为主。
图4 苏里格气田石盒子组氦气含量等值线

Fig. 4 Helium content contour map of Shihezi Formation in Sulige Gas Field

3 氦气富集主控因素

3.1 多源供氦

苏里格气田的氦气为壳源氦,源自于地壳中238U、235U、232Th等放射性元素的衰变,因而古老的富含铀、钍元素的岩石均可作为良好的氦源岩2339-45。苏里格气田具有多源供氦的特征,根据岩石性质,可分为基底型和沉积型2类。
气田的基底型氦源岩为太古代—元古代的变质岩[图1(a)],其中,苏里格气田氦气一类区基底属于贺兰山群和上集宁群,主要由早元古代条带状展布的强磁性岛弧花岗岩和弱磁性的变质沉积岩或孔兹岩组成;苏里格气田氦气二类区基底属于上乌拉山群和上集宁群,岩石组分与孔兹岩系基本一致,岩性为黑云母片麻岩、花岗片麻岩等。磁力资料解释显示,苏里格气田基底总体表现为低磁异常37,氦气一类区与二类区的差别不大。2个区块基底绝大部分属于Pt1的上集宁群,埋深相差不大。鄂尔多斯盆地基底岩石U和Th平均丰度分别为1.29×10-6和8.19×10-6,生氦强度为0.391×10-12 cm3/(a·g),并且鄂尔多斯盆地基底厚度远大于上覆沉积层,生氦潜力高23,是研究区的主要氦源岩。
气田的沉积型氦源岩为上古生界上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组的泥岩、煤及铝土岩。本溪组平均U丰度为6.395×10-6,平均Th丰度为17.245×10-6,平均生氦强度为1.226×10-12 cm3/(a·g);太原组平均U丰度为4.399×10-6,平均Th丰度为15.231×10-6,平均生氦强度为0.968×10-12 cm3/(a·g);山西组平均U丰度为4.027×10-6,平均Th丰度为17.203×10-6,平均生氦强度为0.979×10-12 cm3/(a·g)。3个层位的源岩生氦强度均高于上地壳平均铀钍元素丰度,说明沉积型氦源岩对氦气的生成具有一定的贡献。对比各层位在两个含氦区块的元素丰度(图5),本溪组源岩在一类区平均丰度相对较高;山西组源岩在一类区的平均丰度相对较低;而太原组源岩在2个区的平均丰度相差不大,区分度不明显,认为本溪组源岩对氦气的差异性富集有一定的贡献,但由于整体规模较小,并非研究区氦气差异性分布的主要因素。
图5 苏里格气田各层位铀、钍元素丰度对比

Fig. 5 Comparison of uranium and thorium abundances in each layer in Sulige Gas Field

3.2 古隆起和断裂

苏里格气田现今构造特征为东高西低,在地质历史时期先后经历了海西运动、印支运动、燕山运动等几大构造运动。印支运动时期,气田地层受到了东西向的挤压应力作用,发育较多的小型逆断层,局部地区发生隆升和坳陷,形成小幅度背斜或洼地;燕山运动时期,苏里格地区发育小型正断层,整个盆地地层抬升西倾,整体表现为东高西低的特征,气藏天然气整体向东运移,地层水向构造较低的西部运移,此外,海西期也发育有少量正断层46-47。这些断层为流体的运移提供了天然的优势通道,但相较于鄂尔多斯盆地其他地区,苏里格气田的断层发育情况整体较差48-50
鄂尔多斯盆地基底断裂较为发育[图1(a)],并且控制了盆地基底的形态、深度以及延伸方向,表现出北部高而南部低、东部高而西部低,凹凸相间的特征51-54。苏里格气田处于中央古隆起东缘、乌审旗隆起西北部,但在马家沟组沉积期,乌审旗隆起消失(图655-57,如今苏里格气田石盒子组氦气表现为西部高东部低的特征,与古隆起位置有着明显的耦合关系,也佐证了古隆起利于氦气聚集的观点343639。据前人对苏里格气田的断裂分析52-53,气田的西部靠近天环坳陷,发育深大断裂,从基底断穿沉积盖层,而东部断裂分布较少或地震资料难以识别,部分断裂仅贯穿寒武系、奥陶系,仅有少部分断裂从基底贯穿到石炭系。而从盆地基底断裂平面展布来看[图1(a)],位于苏里格气田基底的大规模断裂较少,仅发育2条一级断裂。
图6 苏里格气田氦气成藏事件

Fig.6 Helium reservoir-forming events in Sulige Gas Field

总的来说,苏里格气田西部的基底靠近中央古隆起,上覆沉积地层西部小断层较发育,构造特征更利于氦气的聚集。但苏里格气田总体偏离中央古隆起,基底断裂并未延伸至二叠系,有效通源断裂缺乏,可能是该气田相较于鄂尔多斯盆地其他气田氦气含量更低的原因。

3.3 烃源岩生气强度

苏里格气田具有“大面积生烃、蒸发式排烃、弥漫式充注”的特点,上古生界烃源岩与储层为垂向接触或直接接触,源储配置关系一般为“下生上储”或“自生自储”。气田的天然气成藏是一个连续的过程,主要成藏期有2期(图6):①早侏罗世—晚侏罗世:生成湿气和凝析油;②早白垩世:生成大量的干气,与此同时,已经生成的油受到高温高压的影响,溶解于天然气中形成凝析气。充注动力主要为生烃增压,形成流体势差,从而造成由源岩到储层再到储层的充注模式,且储层厚度越大对流体势差的阻碍作用越强。气田的储层是典型的河流相沉积,河道砂体叠置复杂,连通性差,多发育透镜状砂体、泥岩隔夹层。平面上,气田流体势西高东低,天然气整体向气田的东部运聚58-59
烃类气体作为氦气的主要运移载体,与氦气具有“同储异源”的特征,对氦气具有稀释作用,导致氦气含量相对减小。由于苏里格气田的天然气向东部聚集,稀释作用更强,二者间的负相关性对氦气含量具有重要影响。对比气田2个氦气区块的烃源岩生烃强度可知(图726,氦气一类区的生烃强度较小,基本小于24×108 m³/km²,氦气二类区的生烃强度相对较大,生烃强度梯度跨越大,与氦气含量分布具有截然相反特征,说明烃类气体对于氦气含量的稀释作用大于载体气的“充注作用”,烃源岩的生烃强度弱更利于氦气聚集。
图7 苏里格气田上古生界烃源岩生烃强度等值线图(据文献[26]修改)

Fig.7 Contour map of hydrocarbon generation intensity of Upper Paleozoic source rocks in the Sulige Gas Field(modified according to Ref.[26])

3.4 压力场与氦气溶解度的影响

现阶段对氦气运聚过程的研究表明,氦气主要溶解于地层水中,通过气液相互作用等方式进入气藏内部聚集,富集过程中极少或几乎不以游离态的形式存在。苏里格气田的气水关系复杂,没有统一的气水界面,从生产实践特点来看,苏里格气田西区产水井相对较多,其他区块产水井较少,对应的氦气一类区的地下水资源丰富,与氦气的分布特征具有一致性60-63
针对气田内地层水进行研究,统计了气田内2个含氦区域各20口井的石盒子组地层水矿化度。苏里格气田氦气一类区的平均地层水矿化度为43.92 g/L,氦气二类区的平均地层水矿化度为34.00 g/L;苏里格气田2个氦气区块的地层水为氯化钙型,说明整个气藏封闭性良好;氦气一类区的钠氯系数为0.56,氦气二类区的钠氯系数为0.63,均小于0.85,说明其地层水为经过阳离子交替吸附的沉积水,受到渗入水的影响小,利于烃类气体的保存;变质系数反映了地层水的变质程度,氦气一类区的变质系数为9.47,氦气二类区的变质系数为10.33,均大于4,说明气藏为原生气藏,封闭程度好且水岩作用强。对比相关数据,苏里格2个含氦区域的地层水矿化度相差较大,可能是影响氦气溶解度的因素之一,但并非是造成2个区域氦气含量差异性的主要原因。
研究认为,氦气在地层水中的溶解度与压力相关性更大,地层压力变化影响氦气的脱溶释放64-65。通过收集典型井的数据分析,苏里格气田的氦气含量与现今地层压力系数具有良好的负相关性(图8),从图中可明显看出,氦气含量在0.05%以上的井,地层压力系数大部分处于0.70~0.85之间;氦气含量在0.05%以下的井,地层压力系数均处于0.80以上。因而认为,低地层压力时,氦气更容易从地层水中脱溶。
图8 苏里格气田地层压力系数与氦气含量交会图

Fig.8 Intersection diagram of formation pressure coefficient and helium content in the Sulige Gas Field

苏里格气田属于异常低压气藏,低压封存箱的形成也使得气藏得到良好的保存。苏里格气田的地层压力下降的主要原因是地层剥蚀和天然气侧向散失,结合生烃演化史和埋藏史来看,在漫长的地质历史时期,苏里格气田的地层压力经过了复杂的演化过程66-69图6):①早侏罗世以前,地层压力基本处于正常状态,苏里格气藏未形成,氦气在地层水中运移和聚集;②早侏罗世—晚侏罗世,地层压力由正常逐渐上升,由于地层剥蚀和抬升,地层压力出现短暂压力下降,此时为苏里格地区的成藏期之一,氦气释放量增大,但由于烃类的稀释,整体不利于氦气的聚集;③早白垩世,地层压力持续增大,表现为异常高压,此时是苏里格气田天然气形成的主要时期,氦气在水中的溶解度增大,烃类气体的稀释作用更强;④早白垩世以后,地层抬升剥蚀造成地层压力下降,烃源岩的热演化与生烃作用逐渐减弱,氦气随着地层水向较低的西部移动,与此同时,前期一直赋存于地层水中的氦气大量释放。

4 氦气富集过程与模式

苏里格盆地的氦气从基底型与沉积型氦源岩缓慢产生,突破了岩石的封闭温度以后逐渐释放。纵向上,通过基底断裂及中浅层断裂运移,平面上,不整合面是氦气运移的主要途径。结合苏里格气田成藏事件来看,运聚成藏的过程大致分为3个阶段(图6图9):
图9 苏里格气田氦气富集模式

Fig.9 Helium enrichment model of Sulige Gas Field

(1)逸散阶段:早侏罗世以前,烃类气缓慢生成,地层压力处于正常阶段,地层温度较低,仅少量氦气突破封闭温度释放。此时烃类气体聚集较少,由于氦气的独特物理性质,无法单独成藏,并不利于富氦气藏的形成,大部分氦气逸散,部分溶解于地层水中。此阶段产生的氦气主要发生逸散[图9(a)]。
(2)释放溶解阶段:早侏罗世—早白垩世,这个阶段是天然气的主要成藏期,烃源岩热演化程度增加,烃类气体大量生成。虽然构造运动导致地层抬升剥蚀,但由于生烃增压,地层压力总体呈上升趋势,表现为异常高压。受温压的影响,氦气突破岩石或矿物的封闭温度从而大量释放,并且在水中的溶解度增大,水溶态的氦气比重增大。烃类气体对氦气的稀释作用增强,氦气含量在天然气组分中比重减小。白垩世,异常压力封存箱形成,为富氦天然气藏的保存奠定了基础。此阶段为氦气主要的释放阶段,氦气的分布受控于地下其他流体的分布,为混合相态聚集模式[图9(b)]。
(3)脱溶聚集阶段:早白垩世以后,由于构造运动、烃源岩热演化和生烃作用的减弱,气田地层压力逐渐下降,从异常高压逐渐变成异常低压状态。一方面,烃类气体对于氦气的稀释作用减弱;另一方面,压力下降导致氦气在水中的溶解度降低。大量的氦气从水中释放出来,进入天然气藏,且由于“跷跷板”运动,气田地层表现为东高西低,水溶态氦气聚集于西部。另外,当烃类气体与富氦水体相遇后,氦气被气体相抽吸,也能随着烃类气体聚集成藏。此阶段为氦气主要的富集阶段,受地层重构、流体再分配和地层压力下降的影响,为地下水脱氦聚集模式[图9(c)]。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地苏里格气田的天然气普遍含氦,甲烷含量高,以高成熟阶段生成的干气为主并混有成熟阶段的湿气。氦气含量均值为0.047%,R/Ra<0.1,与氮气具有正相关性,为壳源氦。根据氦气含量分成2个含氦区域:西部氦气一类区含量为0.05%~0.10%,东部氦气二类区含量为0.03%~0.05%。
(2)苏里格气田为多源供氦。基底型氦源岩包括太古代结晶变质岩,发育规模宏大但缺乏有效的通源断裂,导致氦气含量总体不高;沉积型氦源岩包括上古生界上石炭统本溪组、下二叠统太原组与山西组的泥岩、煤及铝土岩,本溪组源岩生氦强度与氦气含量分布特征具有相似特点。
(3)氦气富集的主控因素包括氦源岩的生氦潜力、构造特征与古隆起、烃源岩生烃强度与地层压力。生氦潜力大、基底断裂与中小层断裂层较发育、距离古隆起近、生烃强度小的地区更利于氦气的聚集。地层压力能够影响氦气的溶解度,在地质改造过程中流体分布调整导致氦气含量的分布变化。
(4)苏里格气田氦气聚集过程主要分为3个阶段:①早侏罗世前以逸散形式为主;②早侏罗世—早白垩世受控于地下其他流体的分布,为混合相态聚集模式;③早白垩世以后地层重构、流体再分配且地层压力下降,为地下水脱氦聚集模式。
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