Natural Gas Geoscience >

2022 , Vol. 33 >Issue 2: 277 - 287

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.09.009

Genesis and helium enrichment mechanism of geothermal water-associated gas in Weihe Basin

  • Yuanhong HAN , 1, 2 ,
  • Houyong LUO , 3 ,
  • Yuze XUE 1, 2 ,
  • Xiaofu LI 3 ,
  • Tinghui ZHANG 1, 2 ,
  • Yuping ZHANG 1, 2 ,
  • Pengfei TAO 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Coal Resources Exploration and Comprehensive Utilization，Ministry of Natural Resources，Xi'an 710021，China
  • 2. Shaanxi Coal Geology Group Co. Ltd. ，Xi'an 710021，China
  • 3. State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi'an 710069，China

Received date: 2021-06-08

  Revised date: 2021-08-25

  Online published: 2022-02-25

Supported by

The Natural Science Foundation Project of Shaanxi Province,China(2019JQ-996)

the National Natural Science Foundation of China(42172173)

Shaanxi Coal Joint Fund Project(2021JLM-14)

the Postdoctoral Science Foundation of China(2019M653892XB)

Fold

Highlights

The content of helium in geothermal water-associated gas in Weihe Basin is extremely high， which has attracted the attention of domestic scholars. The source and enrichment mechanism of helium becomes a focused scientific issues in recent years. The samples of geothermal water-associated gas from typical wells in Weihe Basin were collected， and the chemical composition， carbon and hydrogen isotopic compositions， helium and argon isotopic composition of these samples were systematically analyzed. The results show that most of the geothermal water-associated gases are coal-formed gas， the carbon and hydrogen isotopic compositions of the geothermal water-associated gas are similar to those of Carboniferous and Permian coal-formed gas in Ordos Basin， which were mainly from the contribution of source rock of coal series in Upper Paleozoic. The rest of the associated gas of geothermal wells is biogas， which is contributed by mudstone of Zhangjiapo Formation. The helium isotope ratios in geothermal water-associated gas show that the helium is mainly crustal source helium. It mainly originated from the U， Th radioactive decay of the basement granite. Although the helium content is high， the total content of natural gas and helium in geothermal water is very low. At present， the helium resource with geothermal water as the carrier still has no industrial value. According to the idea of natural gas exploration， looking for small and medium-sized natural gas reservoirs in Weihe Basin may be an effective means to break through the bottleneck of helium resource exploration in Weihe Basin.

Cite this article

Yuanhong HAN , Houyong LUO , Yuze XUE , Xiaofu LI , Tinghui ZHANG , Yuping ZHANG , Pengfei TAO . Genesis and helium enrichment mechanism of geothermal water-associated gas in Weihe Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2022 , 33(2) : 277 -287 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.09.009

0 引言

氦气是一种稀有气体，因不易液化、稳定性好、扩散性强而广泛应用于工业及科技领域，在航空航天、低温超导、特种冶金、深海潜水以及激光、制冷、医疗和科学实验等领域有广泛应用，特别是在未来可控核聚变能源的开发与利用方面，将扮演重要角色。从氦气资源的分布和占有率来看，美国是氦气资源占有率最高的国家，达到39.7%，其次是卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大，分别为19.5%、15.8%、13.1%和3.9%，我国是氦气资源相对贫乏的国家，仅占世界氦气资源的2.1%。目前国内实现氦气商业开发的仅有威远气田，近年来相继在塔里木盆地、四川盆地、鄂尔多斯盆地、柴达木盆地发现具有商业开采价值的天然气藏，但由于氦气含量偏低，目前并没有进行商业开采［1-5］。近年来由于美国将氦气资源列为战略储备资源而限制其产量和出口量，致使液氦的价格高昂，氦气的价格达到黄金价格的400倍，被称为“黄金气”，导致我国氦气资源缺乏，成为制约关键科技领域发展的瓶颈。
近年来在地热开采中，发现渭河盆地以新生界为目的层的地热井中普遍伴生天然气，其成因和来源再次引起了国内学者的关注［6-13］。地热水伴生天然气中主要含有氮气、甲烷、乙烷、二氧化碳等组分，甲烷含量相对较低，集中分布在10%~20%之间，渭南地区可达90%以上。基于单体烃碳同位素组成的天然气成因判识结果表明，渭河盆地新生界地热水伴生气主要以煤成气为主，生物成因气为辅［14-15］。固市凹陷的多口钻井揭示天然气δ13C1值均小于-55.0‰，为典型的生物成因气，目前较为明确的是生物气的气源岩为新近系张家坡组泥岩，其有机碳平均含量为0.46%，R O值为0.56%左右，处于有机质演化的未成熟—低成熟阶段，具备形成生物气的理化条件［16］。渭河盆地是否发育上古生界煤系烃源层和下古生界碳酸盐岩烃源层还没有直接证据，但已发现的渭河盆地新生界地热水伴生天然气主体为煤成气，且地球化学特征与鄂尔多斯盆地源自上古生界煤系烃源岩的天然气相似，间接证明了渭河盆地发育上古生界煤系烃源岩，但其分布规律不清［1，17］。地热水伴生天然气产量有限，且烃类气体含量普遍偏低，导致渭河盆地以天然气为勘探目标的商业开采难以拓展。
地热水伴生天然气中普遍显示具有高丰度的氦气含量，重新激发了学者们对渭河盆地富氦天然气勘探前景的关注。虽然渭河盆地目前还没有发现具备商业开采条件的天然气气田，但是目前发现的天然气中显示氦气含量普遍高于0.1%（具备商业开采条件），水溶气中氦气含量最高达30%，表明在渭河盆地低丰度的天然气藏中，以氦气为目标的天然气勘探具有实现商业开发的潜力。氦同位素分析结果表明，渭河盆地天然气中的3He/4He值介于2.2×10-8~7.8×10-7之间，主体为壳源成因氦，可能混有部分大气或幔源成因氦。对天然气组分及成因进行综合分析结果表明，该区富氦天然气多与煤成气共存，生物成因气几乎不含有氦气［16，18］。
渭河盆地氦气的主要储集层位为中孔、中渗的新近系灞河组、蓝田组，这与目前地热井的目的层一致，西安地区地热井中伴生的天然气中氦气含量高、分布广，但因伴生气资源量总体较小，目前还没有发现具备商业开采价值的伴生气藏。系统采集渭河盆地地热水伴生气样品，深入研究伴生气成因、来源和氦气富集规律，具有重要的科学价值和社会经济效益，可以为找寻规模富氦气藏提供必要的地球化学参考，对保障国家用氦安全和促进我国氦气产业的发展具有重要意义。

1 研究区地质背景

渭河盆地位于鄂尔多斯盆地与秦岭造山带之间，是近东西向展布的一个新生代断陷盆地，其南以余下—铁炉子断裂与秦岭造山带相接，北以渭河盆地北缘断裂与鄂尔多斯盆地相隔［19-21］。渭河盆地断裂体系十分发育，有秦岭北侧断裂、余下—铁炉子断裂、渭河断裂、礼泉—蒲城断裂及乾县—合阳断裂等，在这些断裂的控制下，盆地内发育有西安凹陷、固市凹陷和一些凸起构造单元（图1）。
图1 渭河盆地构造发育特征（a）及地层单元（b）

Fig.1 Structural development characteristics（a） and stratigraphic units（b） of Weihe Basin

渭河盆地油气资源一直受到石油工业界的重视，20世纪60、70年代，原地质部第三石油普查勘探大队以新生界为目的层对渭河盆地开展过石油普查工作，证实渭河盆地新近系—古近系沉积厚度达数千米，最厚达6 000 m 以上，主要为河湖相碎屑沉积，在纵向上构成了良好的储盖组合［22-23］。华北油田在临潼—渭南—华阴一线以南针对生物成因气的勘探和长庆油田在蒲城—白水—合阳一带开展以热解气兼顾生物气为目标的天然气勘探，结果均显示渭河盆地普遍具有天然气显示［24］。但由于巨厚的新生界地层以红层为主，因此有机质丰度差、有机质成熟度低，缺乏规模有效烃源岩；古生界是否存在有效烃源岩分布也不清，总体认为渭河盆地难以形成具备商业开采条件的天然气藏。
渭河盆地基底由3类不同的岩相组合区构成，主要包括下古生界碳酸盐岩分布区，主要分布在宝鸡—咸阳—原任—双泉一线以北地区；元古界片岩和燕山早期花岗岩分布区，主要分布在宝鸡—咸阳—原任—双泉一线以南，长安—灞桥一线以西地区；太古界片麻岩及其他变质岩分布区，主要分布在临潼、蓝田一带，东接华山、西至长安—灞桥断裂，北起蒲城原任至双泉断裂，南抵马召—余下断裂。对渭河盆地新生代地层的研究工作较为深入，但不同时期的划分方案差异较大［25-26］。陕西省地质调查局［27］依据地层沉积次序将渭河盆地内热储系统划分为5个热储层段，自下而上分别为白鹿原组热储层段、高陵群组热储层段、蓝田灞河组热储层段、张家坡组热储层段和三门组热储层段。渭河盆地新生界地层均为河流—湖泊相碎屑沉积，表现出下粗上细正旋回沉积特征，各旋回岩性组合为砂、砾岩—泥岩组合，下部河流相砂、砾岩为良好的天然气储集层，上部湖相泥页岩沉积为天然气成藏良好的盖层。

2 样品采集与分析测试

选取渭河盆地长期稳定生产的地热井22口，采集了蓝田组—灞河组地热水及其伴生气样品各22件，均为出水层位抽采过程中采集的新鲜样品。伴生气体的采集通过排水集气法，当伴生气量达到500 mL盐水瓶的2/3体积时，盖上盐水瓶橡皮塞并倒置保存。对采集到的伴生气样品及时进行气体组分、碳氢同位素组成、氮同位素组成和稀有气体氦氩同位素组成分析。气体组分采用7890A型气相色谱仪测定［28］；单体烃碳、氢同位素组成通过TRACE1300气相色谱仪与MAT-253Plus质谱仪联用测定［29］；稀有气体组分用在线质谱仪完成，氦同位素和氩同位素利用Nu公司生产的稀有气体质谱仪与自制的稀有气体纯化浓缩装置联用，对纯化浓缩后样品中的氦、氩同位素比值进行测试［30］。

3 地热水伴生气地球化学特征

随着近年来地热能开发和利用逐渐普及，在渭河盆地陆续出现许多以蓝田组和灞河组为热储的地热井，采水取热过程中几乎所有钻遇该层位的地热井均发现了伴生天然气，但目前为止还没有发现具有商业规模的天然气田，仅有位于固市凹陷的张家坡组生物成因气藏具有较好的天然气显示。

3.1　伴生气组分组成

渭河盆地地热水伴生气以非烃气体为主，烃类气体为辅（表1）。其中非烃气体主要为氮气、二氧化碳和氦气，其中氮气含量最高，占56.61%~98.79%，平均为85.43%；二氧化碳含量变化较大，占0.02%~11.05%，平均为1.72%；氦气含量较为稳定，占0.38%~3.23%，平均为1.14%，远远超过0.1%的工业开采界限值。烃类气体以甲烷为主，含有少量的乙烷和微量的丙烷，其中甲烷占0.39%~40.5%，平均为11.36%；乙烷占0.01%~0.61%，平均为0.29%；丙烷占0.01%~0.05%，平均为0.02%。渭河盆地地热水伴生气为干气，干燥系数介于0.95%~0.98%之间，平均为0.97%，氮气含量很高。西安市国土局2004年采集了西安9口地热井伴生天然气样品，分析结果显示地热井的伴生气甲烷最高含量为18.86%，最低为3.72%，一般在10%左右，本次伴生气组分的分析结果与其相似，与前人［1-5，31-32］研究成果相似，但是明显区别于固市凹陷的张家坡组天然气以甲烷为主的组分组成（表1）。总之，渭河盆地地热水伴生气以氮气为主，烃类气体含量较高且以甲烷为主。
表1 地热水伴生气天然气组分与同位素组成

Table 1 Components and isotopic composition of natural gas in associated gas of geothermal water

序

号

地

区

 井名/地点 井深/m 层位 气体组分/% 气体碳氢同位素/‰
CH4 C2H6 C3H8 CO2 N2 He δ 13 C C H 4 δ 13 C C 2 H 6 δ 13 C C O 2 δ D C H 4
1 咸阳 咸阳795电子厂 3 094.70 N2 z 9.33 0.04 0.01 5.54 83.28 1.80 -29.2 -20.8 -19.7 -187
2 咸阳185队 2 000.50 N2 l+N2 b 11.66 0.27 0.03 6.03 79.95 2.06 -30.5 -21.3 -15.8 -188
3 咸阳三普1号 2 975.50 N2 l+N2 b、N1 gl 16.32 0.11 0.01 11.05 70.29 2.22 -31.2 -21.6 -15.8 -184
4 咸阳三普2号 3 558.00 N2 l+N2 b、N1 gl、Pz 1 13.18 0.06 0.02 8.42 76.00 2.31 -30.5 -22.1 -14.2 -181
5 地中海1井 / N2 l+N2 b 1.28 0.01 0.05 0.05 98.00 0.61 -38.0 -26.6 / -176
6 地中海2井 / N2 l+N2 b 17.47 0.30 0.01 0.10 80.57 1.55 -34.1 -26.1 -16.1 -177
7 书香1井 3 166.66 N2 l+N2 b、N1 gl 10.47 0.22 0.03 0.10 88.07 1.11 -34.5 -26.3 -11.6 -189
8 西安 西部汽车城 2 496.00 N2 z、N2 l+N2 b 17.27 0.61 0.03 0.30 81.08 0.71 -34.0 -25.2 -10.7 -195
9 嘉欣花园 3 008.00 N2 l+N2 b、N1 gl 18.41 0.51 0.01 0.14 79.62 1.30 -31.4 -24.9 -10.4 -186
10 天台酒店 2 791.91 N2 l+N2 b 6.81 0.22 0.05 0.07 92.26 0.59 -32.4 -24.1 / -197
11 高新医院 2 205.30 N2 l+N2 b 10.51 0.49 0.01 0.09 87.71 1.20 -33.1 -24.4 -17.4 -174
12 雁雀门小区 3 015.88 N2 l+N2 b 6.06 0.36 0.02 0.22 92.83 0.51 -32.6 -27.0 -20.2 -171
13 霸业大境 2 736.60 N1 gl 10.52 0.42 0.05 0.46 88.12 0.44 -30.1 -25.5 -10.2 -186
14 唐都医院 2 000.20 N2 l+N2 b、N1 gl、E3 b 10.66 0.42 0.01 0.06 87.62 1.24 -33.4 -21.3 / -184
15 铁路职工学校 / N2 l+N2 b 10.68 0.37 0.03 0.07 87.69 1.17 -35.4 -20.3 / -192
16 佳家地产 4 082.00 E3 b 7.85 0.53 0.03 0.19 90.93 0.47 -34.2 -27.5 -19.9 -197
17 丽苑小区 1 800.00 N2 z 10.30 0.58 0.01 0.06 85.82 3.23 -33.7 -27.1 / -186
18 空11军 2 229.50 N2 l+N2 b 16.17 0.36 0.05 0.28 82.48 0.67 -34.0 -25.2 -10.7 -185
19 西工大友谊校区 1 915.50 N2 l+N2 b 0.68 0.08 0.01 0.02 98.79 0.42 -28.8 -32.9 / -178
20 西安电子科技大学 1 831.24 N2 z、N2 l+N2 b 3.57 0.03 0.05 0.03 95.88 0.44 -29.3 -25.9 / -196
21 渭南 渭热1井* 3 200.00 N2 l+N2 b、N1 gl 87.14 4.80 0.00 2.17 5.75 0.14 -35.1 -19.9 -9.6 /
22 渭热2井* 3 806.50 N2 z、N2 l+N2 b、N1 gl 65.92 8.20 0.00 2.74 22.93 0.21 -36.4 -20.9 -9.3 /
23 渭热3井* 3 546.00 N2 l+N2 b、N1 gl 73.09 6.86 0.00 2.75 17.10 0.20 -35.9 -21.6 -12.3 /
24 渭热4井* 3 900.50 N2 z、N2 l+N2 b、N1 gl 69.24 0.30 0.00 0.13 30.00 0.33 -52.2 / / /
25 渭热7井* 1 845.3 N2 z 99.49 0.20 0.00 0.05 0.26 0.00 -65.0 / / /
26 渭热8井* 1 845.3 N2 z 89.17 0.12 0.00 0.04 10.67 0.00 -62.6 / / /
27 辛热1井* 1 843.2 N2 z 97.93 0.10 0.00 0.04 1.93 0.00 -65.6 / / /
28 蒲城水务集团 1 423.1 N2 z 0.39 0.02 0.01 2.67 96.05 0.86 -34.6 -19.7 -19.7 -195
29 渭南圣泉 2 485.00 N2 z、N2 l+N2 b、N1 gl 40.50 0.42 0.05 2.04 56.61 0.38 -35.4 -19.2 -15.8 -183

注：*数据引自文献［31］

3.2　伴生气成因类型

地质条件下烃类气体的形成既是一个连续的过程，又具有明显的阶段性，不同阶段形成的烃类气体组分和同位素组成差异较大。因此，烃类气体的碳氢同位素组成在判识天然气成因方面有良好的应用效果。本文系统分析了渭河盆地地热水伴生气的碳氢同位素组成，结果显示伴生气甲烷碳同位素（δ13C1）值为-38.0‰~-28.8‰，绝大多数为-30.0‰~-35.0‰；乙烷碳同位素（δ13C2）值为-32.9‰~-19.2‰，绝大多数为-20.0‰~-27.0‰，不同组分的碳同位素组成呈现正序分布，即δ13C1<δ13C2（表1）。伴生气的氢同位素组成较轻，甲烷氢同位素（δD1）值为-186‰~-166‰，绝大多数为-171‰~-196‰（表1）。
天然气有无机成因和有机成因之分，戴金星等［33］、徐永昌等［34］、刘文汇等［35］提出了“无机成因气、有机成因气和混合成因气”三大类天然气成因类型及其划分方案，并将有机成因气按热演化阶段分为生物气、热解气和裂解气，根据母质类型划分为煤成气和油型气。徐永昌等［36］、刘文汇等［37］在对中国陆相沉积盆地天然气成因体系和地球化学特征研究基础上提出在生物气和热解气之间还存在生物—热催化过渡带气，其有机母质以偏腐殖型母质为主，形成机制和天然气地球化学特征有别于生物气，也有别于热解气。前人大量研究表明，碳氢同位素是区分天然气成因最有效的地球化学指标［33，35，37-41］，无机成因甲烷与有机成因甲烷的碳同位素组成差别较大，王连生等［42］对全球1 699个天然气甲烷碳同位素组成的统计结果显示，将近98%的无机成因甲烷碳同位素值大于-25‰。有机成因气中，生物气甲烷碳同位素值一般小于-55‰［38-39，43］，乙烷碳同位素值一般小于-30‰［33］。热解作用产生的天然气其甲烷碳同位素值一般为-55‰~-25‰，乙烷碳同位素值为-45‰~-22‰，丙烷碳同位素值为-38‰~-21‰，同时，有机成因的烃类天然气随碳数增加同位素组成变重，随烷烃气碳数增加具有正碳同位素系列，而无机成因烷烃气具有负碳同位素系列［31］。有机热成因天然气组分、碳氢同位素组成与生气母质的沉积环境、有机质类型及热演化程度密切相关，因而常被用于判识天然气的成因类型与来源。
从表1可以看出，本文分析的22件伴生气样品的甲烷和乙烷碳同位素组成具有正碳同位素序列特征，且碳同位素组成明显区别于无机成因气，表明渭河盆地地热水伴生气主要为有机成因气，伴生气乙烷碳同位素值普遍大于-28‰，属于典型的煤成气。渭河盆地和鄂尔多斯盆地经历过相似的演化历程，可以开展对比研究，从图2可以看出，鄂尔多斯盆地上古生界煤成气和下古生界油型气甲乙烷碳同位素组成有明显的差异，上古生界煤成气来自上古生界煤系烃源岩，具有较重的碳同位素组成；鄂尔多斯盆地下古生界不同层位天然气气源不同，马家沟组风化壳气藏天然气主要来源于上古生界煤成气，部分混有下古生界油型气［44-48］；而近年来取得重大突破的马家沟组岩下天然气主要是油型气［46，49］。渭河盆地地热水伴生气甲、乙烷碳同位素组成与鄂尔多斯盆地上古生界煤成气碳同位素分布区域重合，与鄂尔多斯盆地下古生界盐下油型气有显著差异，进一步证明渭河盆地地热水伴生气主体为煤成气。
图2 渭河盆地甲乙烷碳同位素值分布

Fig.2 Carbon isotopic value of methane and ethane in Weihe Basin

从图3可以看出，鄂尔多斯盆地上古生界煤成气和下古生界油型气甲烷氢同位素组成有明显的差异，上古生界煤成气来自上古生界煤系烃源岩，具有较轻的氢同位素组成，甲烷氢同位素δD1值主体小于-180‰；而下古生界天然气，尤其是盐下天然气，主体为油型气，来自下古生界碳酸盐岩烃源岩和盐间泥质烃源岩，甲烷氢同位素δD1值主体大于-180‰。渭河盆地地热水伴生气甲烷氢同位素组成与鄂尔多斯盆地上古生界煤成气氢同位素分布区域重合，也证明渭河盆地地热水伴生气主体为煤成气。
图3 渭河盆地甲烷碳氢同位素值分布

Fig.3 Carbon and hydrogen isotopic value of methane in Weihe Basin

3.3　伴生气源岩分析

通过对渭河盆地地热水伴生气的分析，结合前人对该区天然气的研究成果，可以确定渭河盆地天然气主要为煤成气和生物成因气［1-5］。其中煤成气在渭河盆地地热水中普遍存在，但由于其他非烃气体（氮气、二氧化碳、氦气等）的混入导致烃类组分的含量很低，只有生物气中烃类气体含量高且以甲烷为主时，才具有一定的开发利用价值。渭河盆地是新生代发育的断陷盆地，渭河断裂控制着盆地南北的基底，其内部发育的渭河断裂对盆地的形成起着控制作用，直接导致盆地南北的基底岩性出现巨大差异；渭河断裂以南对渭河盆地构造演化过程及基底岩性的研究表明，在中生代之前渭河盆地和鄂尔多斯盆地曾是统一的整体，具有统一的演化过程及岩性特征［16］。前人研究发现，渭河盆地煤成气主要分布于西安凹陷和固市凹陷的北部［1-5］，与鄂尔多斯盆地的天然气碳氢同位素组成对比结果表明，渭河盆地煤成气应与鄂尔多斯盆地煤成气具有相同的来源，即石炭纪一二叠纪的煤系地层。野外考察和研究表明，在秦岭造山带北坡、户县、洛南等地存在晚古生代煤系地层，表明渭河断裂南北两侧都有煤系地层分布，是煤成气的主要气源岩［50］，因此推测，本文采集西安凹陷的地热水伴生气是来自于渭河盆地基底的晚古生代煤系烃源岩，但目前对于渭河盆地煤系烃源岩的展布还未有系统的研究成果。

4 地热水伴生气中氦气成因与富集机理

天然气藏中的氦气主要有3个来源：①大气氦，主要是火山喷发、岩浆脱气和岩石风化作用释放出来进入空气中的氦气，大气氦含量非常低（仅为5×10-6），而且还不断地向外太空逸散；②壳源氦，即放射性成因的氦，地壳中含铀、钍、锂等放射性元素的矿物和岩石衰变产生的放射成因氦，是天然气中氦气的重要来源［43-44，51-52］；③幔源氦，是指在构造活动性地区，地幔挥发份中保存的地球原生氦沿一定断裂体系进入沉积壳层聚集的氦。通常大气源的3He/4He值为1.4×10-6，壳源的3He/4He值为2×10-8，幔源的3He/4He值为1.1×10-5［36］。实际研究中也常用样品氦的3He/4He值（R）比大气氦的3He/4He值（Ra）来表征研究对象的氦同位素组成特征，当R/Ra>1时，幔源氦在样品中占比超过12%；当R/Ra>0.1时，幔源氦在样品中占比超过1.2%；而当R/Ra<0.1时，一般认为样品中的氦基本全部来自壳源［37，53］。

4.1　伴生气中氦气成因

渭河盆地地热井伴生气产率介于0.10~0.43 m3/h之间，平均产气率为0.22 m3/h；伴生气中氦气含量介于0.38%~3.23%之间，平均值为1.14%（表2）。目前一般认为天然气中氦的含量达到1×10-6即具有工业价值［36，54］，所以单从氦气含量来判断，渭河盆地氦气具有较好的开发前景，但受限于地热水中伴生气及氦气总量很少，目前还不具备开采价值。22口井的3He/4He值分布在（2.2~9.5）×10-8之间，R/Ra值分布在0.016~0.068之间，属于典型的壳源氦。氩同位素比值40Ar/36Ar值介于301~320之间，与大气的氩同位素比值（空气中40Ar/36Ar值为295.5）相近（表2），由于空气中的Ar含量（0.934%）远高于He含量（5.24×10-6），少量的空气混入就会影响40Ar/36Ar值，而地热水伴生气中氦气的3He/4He值［（2.2~9.5）×10-8］比空气（1.4×10-6）低2个数量级，表明地热水循环带入的大气氦对伴生气中氦的贡献可以忽略不计。鉴于本文样品采集覆盖的构造单元及数量有限，参考前人的研究成果［16］，渭河盆地局部地区可能有地幔氦的贡献。
表2 渭河盆地伴生气氦氩同位素组成

Table 2 Helium and argon isotopic compositions of associated gas in Weihe Basin

序号 井名/地点 伴生气产率/（m3/h） 氦气/% 3He/4He R/Ra 40Ar/36Ar 成因判识
1 咸阳795电子厂 0.21 1.80 6.7×10-8 0.048 310 壳源
2 咸阳186队 0.19 2.06 8.6×10-8 0.061 308 壳源
3 咸阳三普1号 0.34 2.22 9.4×10-8 0.067 307 壳源
4 咸阳三普2号 0.42 2.31 9.5×10-8 0.068 302 壳源
5 地中海1井 0.20 0.61 7.7×10-8 0.055 312 壳源
6 地中海2井 0.35 1.55 5.2×10-8 0.037 307 壳源
7 书香1井 0.18 1.11 6.7×10-8 0.048 301 壳源
8 西部汽车城 0.15 0.71 4.7×10-8 0.034 304 壳源
9 嘉欣花园 0.34 1.30 3.2×10-8 0.023 304 壳源
10 天台酒店 0.27 0.59 6.1×10-8 0.044 307 壳源
11 高新医院 0.25 1.20 4.5×10-8 0.032 301 壳源
12 雁雀门小区 0.36 0.51 3.6×10-8 0.026 304 壳源
13 霸业大境 0.34 0.44 4.8×10-8 0.034 302 壳源
14 唐都医院 0.43 1.24 6.0×10-8 0.043 315 壳源
15 铁路职工学校 0.22 1.17 7.3×10-8 0.052 320 壳源
16 佳家地产 0.13 0.47 6.5×10-8 0.046 311 壳源
17 丽苑小区 0.26 3.23 4.9×10-8 0.035 307 壳源
18 空11军 0.24 0.67 8.4×10-8 0.060 314 壳源
19 西工大友谊校区 0.32 0.42 6.6×10-8 0.047 309 壳源
20 西安电子科技大学 0.30 0.44 4.8×10-8 0.034 305 壳源
21 蒲城水务集团 0.10 0.86 7.6×10-8 0.054 308 壳源
22 渭南圣泉 0.42 0.38 2.2×10-8 0.157 321 壳源

4.2　氦气富集机理

4.2.1　氦气源岩

作为可工业利用的氦资源，源岩种类主要是富U、Th的火成岩、沉积岩等。虽然岩石中的铀、钍等放射性元素含量仅为10-6级，且单位体积在单位时间内衰变产生的氦气产率也低，但是由于岩石或岩体的体量大，在漫长的地质时间内，仍然可使氦气在地壳中有相当数量的聚集［18，52，55-56］。渭河盆地壳源氦气主要由岩石和矿物中的铀、钍元素放射性衰变生成，盆地基底和周缘分布大量燕山期和印支期的花岗岩，其中的铀、钍含量较为丰富，铀含量介于（1.9~11.8）×10-6之间，钍含量介于（10.6~27.5）×10-6之间，在蓝田地区还发现了多期岩浆活动形成的铀矿［57］。除此之外，盆地中还有中元古代武陵期、新元古代扬子期、加里东期、海西期、印支期等多期花岗岩体，成为盆地壳源氦的主力气源岩。作为渭河盆地煤成气气源岩的石炭系—二叠系煤系烃源岩以及作为生物气气源岩的张家坡组泥岩，都具有较高的铀、钍含量［16］，也可能对高丰度氦气的形成有一定贡献。

4.2.2 氦气的生成

壳源氦来自含铀钍岩石的放射性衰变，地质体中铀钍等氦源元素丰度极低（10-6级），半衰期长（数十亿年），氦气的生气速率极低且不存在集中的生气高峰，不会出现类似油气形成的“幕式排烃”，但是，渭河盆地氦源岩分布广泛，加之地质历史漫长，生成的氦气总量又是巨大的。李玉宏等［32，58-59］对北秦岭地区花岗岩的铀钍含量进行了统计并粗略估算其生氦强度，计算结果显示渭河盆地及邻区花岗岩生氦强度为3.1 L/（km3·a），燕山期花岗岩形成以来生成的氦气为46×104 m3/km3。因此，渭河盆地具有较大的氦气生成量，能否形成具备商业开采价值的氦气藏主要受运聚过程的控制。

4.2.3 氦气的运移

地壳中缓慢生成的氦气难以向天然气那样进行“幕式排烃”和二次运移，可能主要以扩散的方式缓慢释放，这种方式同时也导致氦气的缓慢散失，这也是至今尚未发现纯氦气藏的主要原因，能够让氦气相对有效运移的途径可能是断裂体系。渭河盆地断层十分发育，纵横交错，形成遍布渭河盆地的断裂网。前人研究发现，渭河盆地已有油井和地热井的氦气含量≥2%的井主要分布在渭河断裂的兴平—咸阳段，氦气含量≥1%的井主要分布在斗门镇—临潼断裂与桑镇—秦渡镇断裂之间［60］。因此，断裂体系是渭河盆地氦气运移的重要通道。

4.2.4 氦气与天然气共生关系

虽然氦气大多以微量组分与烃类天然气共生，但是氦气与烃类气体的成因却存在本质的区别。烃类天然气主要是沉积有机质热演化形成的以甲烷为主的气体，其生成主要受烃源岩有机质丰度以及地温条件的控制。而氦气主要是富含铀、钍元素的矿物岩石衰变的产物，它的生成主要与铀、钍元素的含量及衰变发生的累积时间有关。氦气与其共生气体的匹配关系是资源勘探开发的关键，从以能源化工为本的天然气工业角度，烃类气体是关注的主体，而氦只是一种伴生副产品，但从氦资源的角度出发，氦气是关注的主体，烃类气体只是其赋存的载体。

4.2.5 氦气与地热水共生关系

地热系统中的热与氦存在独特的一致性，地球上75%的地热和几乎所有的4He都是铀、钍等的放射性衰变生成的［57］。与渭河盆地相似，国外地热田地热水中也存在氦异常现象，如美国的罗斯福泉地区，土壤气中氦气的浓度在生产热水的地区比较高。与天然气中烷烃气类似，氦气难溶于水，地热水伴生气中的氦气主要以游离态为主，溶解气极低。渭河盆地蓝田组、灞河组地热水伴生气中富氦的根本原因，是因为其本身具备较好的储集空间，且上覆张家坡组泥岩厚度大、分布连续，具备较好的封盖条件，地热水得以保存的同时，烃类气体和氦气也通过扩散或断裂系统运移至蓝田组、灞河组聚集。

4.2.6 氦气的富集机理

国内外实现商业开发的氦气资源主要赋存在壳源异源型天然气藏中，但是这种富氦气藏的形成需要极为苛刻的成藏匹配关系。首先，要有充足的氦源。必须有相对富含铀钍元素的花岗岩、片麻岩等氦气源岩的存在，渭河盆地广泛分布的花岗岩基底和石炭系—二叠系的煤系地层，都具有较为丰富的铀、钍含量，是形成壳源氦气的优质源岩。第二，需要有利的构造位置。渭河盆地基底隆起上的继承性背斜及穹丘状圈闭有利于氦气的长期捕获，切割花岗岩基底的断裂体系存在使得充足氦源沿着断裂运移富集［59-60］，或者盆地基地经历了构造抬升使得充足氦源产生“抽吸萃取”效应而富集氦源。第三，需要优质匹配关系。充足氦源经过运移至有利圈闭中复合成藏。当务之急在于准确刻画渭河盆地烃源岩的空间展布，开展成源、成烃和成藏研究，优选出天然气和氦气“生—储—盖”匹配较好的区块，加强天然气勘探，才有可能找到具备商业开采价值的富氦天然气。

5 结论及展望

渭河盆地地热井开发过程中普遍存在氦气百分含量极高的伴生气，持续成为能源地质行业关注的热点，同时也面临氦气形成机理和富集规律不清，与天然气的共生关系不明，勘探方向不确定等难题，本文系统采集渭河盆地地热水伴生气，开展综合地球化学研究，进一步明确伴生气中的烃类气体和氦气成因及富集规律。主要认识如下：
（1）基于渭河盆地地热水伴生气烷烃气组分、碳氢同位素组成的分析，并与鄂尔多斯盆地古生界天然气进行对比，发现伴生气碳氢同位素组成与鄂尔多斯盆地石炭系—二叠系煤成气相似，明确了伴生天然气主要为煤成气，气源岩主要为石炭系—二叠系煤系烃源岩。
（2）渭河盆地地热水伴生气R/Ra值分布及氩同位素40Ar/36Ar值分析表明，地热井伴生气中的氦气属于典型的壳源氦。富含放射性U、Th的泥岩层和基底岩石放射性衰变是伴生气中氦气的来源。
（3）渭河盆地地热储层中天然气含量有限，导致氦气百分含量高但总量很低，现阶段以地热水为载体的氦气资源仍然不具有工业价值，按照天然气勘探的思路，在渭河盆地寻找天然气藏，是氦气资源勘探可能取得突破的有效手段。

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