鄂爾多斯盆地東緣石西區(qū)塊含氦天然氣的發(fā)現(xiàn)及成因初探

劉 超，孫蓓蕾，曾凡桂，暢向東，郭盛強(qiáng)，王宇紅，劉彥峰，張紹韡，陳建偉，李 健

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024; 2.煤與煤系氣地質(zhì)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024; 3.華新燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，山西 晉城 048204; 4.山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，山西 太原 030024)

氦氣是國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的稀有戰(zhàn)略性資源。氦氣資源主要分布在美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞和俄羅斯等國(guó)[1]，2017年調(diào)查報(bào)告顯示我國(guó)的氦氣資源量為1.1×109m3，僅占全世界的2.12%[2]，我國(guó)氦氣的對(duì)外依存度達(dá)98%以上，極大的影響到國(guó)防及高技術(shù)產(chǎn)業(yè)安全。氦氣在自然界中主要作為非烴伴生氣聚集于烴類(lèi)氣藏[1,3-4]。國(guó)內(nèi)天然氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，只有體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.05%～0.10%的氣田才具有工業(yè)價(jià)值[5-7]。近幾年，我國(guó)在東部的松遼、蘇北、渤海灣等盆地、中西部地區(qū)的四川、塔里木等氣藏中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)富氦天然氣[8-12]。四川威遠(yuǎn)氣田天然氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)為0.120%～0.342%，平均0.2%[8-10]，是我國(guó)惟一一個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)開(kāi)采利用的富氦氣田。鄂爾多斯盆地不同氣田不同層位天然氣中氦體積分?jǐn)?shù)為0～0.091%[9,11]，整體為貧氦氣田。該盆地東緣臨興區(qū)塊上古生界砂巖氣氦氣體積分?jǐn)?shù)在0.01%左右或更少[12]。筆者最近發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地東緣石西區(qū)塊天然氣樣品中氦氣體積分?jǐn)?shù)較高，為此報(bào)道了該區(qū)氦氣體積分?jǐn)?shù)分布，基于氦穩(wěn)定同位素組成對(duì)氦氣成因進(jìn)行了初步探討。

1 地質(zhì)背景

離石斷裂帶是鄂爾多斯盆地東緣邊界斷裂[13]。石西區(qū)塊位于盆地東緣晉西撓褶帶中段(圖1)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體為一走向NS、傾向W的單斜，傾角5°～9°，局部被斷層切割，發(fā)育次級(jí)低幅度褶曲。區(qū)內(nèi)共揭露5條斷層，包括3條逆斷層和兩條正斷層(圖2)。DF1逆斷層最深切割層位至奧陶系風(fēng)化面，落差18 m，傾向W，傾角30°。F1逆斷層南北向貫穿整個(gè)區(qū)塊，切割較淺，只影響到下三疊統(tǒng)劉家溝組至下二疊統(tǒng)下石盒子組八段底之間地層，斷距50 m，傾角20°～40°。F3逆斷層與F2逆斷層距離較近，切割劉家溝組底部，傾向W，傾角30°，落差40 m，延伸長(zhǎng)度約1 100 m。F2正斷層位于區(qū)內(nèi)北東部，切割劉家溝組底至上石盒子組頂部，傾向W，斷距45 m，傾角70°。DF2正斷層位于區(qū)內(nèi)西北邊界，距離DF1斷層100 m左右，切割下石盒子組八段底至奧陶系馬家溝組三段底，斷距20 m，傾向S，傾角78°。

圖1 石西區(qū)塊構(gòu)造位置[14]Fig.1 Tectonic location of Shixi area[14]

石西區(qū)塊晚古生代以來(lái)的地層包括石炭系、二疊系、三疊系及新生界，其中本溪組、山西組和太原組是區(qū)內(nèi)含煤地層(圖3)。本溪組與奧陶系呈區(qū)域不整合接觸，主要發(fā)育海陸交互相的泥巖、砂巖夾薄煤層。太原組與本溪組連續(xù)沉積，形成于海陸交互環(huán)境，厚度在120～130 m，主要由泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r及煤層組成，為區(qū)內(nèi)主要含煤地層。山西組地層厚度穩(wěn)定，為100～140 m，巖性主要包括中～細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、灰黑色～黑色泥巖及煤層。石盒子組和石千峰組為典型的陸相河流沉積，發(fā)育淺灰綠色砂巖夾紅棕色、灰綠色泥巖、粉砂巖。新生界沉積較厚，下部主要為一套以紅色為主的碎屑沉積巖，上部為灰黃、淺黃色粉砂質(zhì)黏土。

圖3 石西區(qū)塊地層柱狀及含氣層分布Fig.3 Stratigraphic column and the gas reservoirs in Shixi area

2 樣品及測(cè)試結(jié)果

2.1 氣樣采集

石西區(qū)塊在區(qū)內(nèi)西部埋深較大，以砂巖氣為主;東部埋深相對(duì)較淺，以煤層氣為主。根據(jù)測(cè)井及試井?dāng)?shù)據(jù)，區(qū)內(nèi)含氣砂巖層主要分布在石盒子組的盒8段、山西組的山2段和太原組，煤層氣井抽采層位為8號(hào)和4號(hào)煤層(圖3)。

采集了區(qū)塊內(nèi)25口氣樣(煤層氣井2口，其余為砂巖氣井)，每口井每次采集2個(gè)樣品為平行樣，每月采集1次，采集3次，共采集81個(gè)氣樣，得到氣樣的化學(xué)組成(表1)。氣體化學(xué)組分測(cè)試分別由山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院、中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心完成，氦同位素分析由西北生態(tài)環(huán)境資源研究院油氣資源研究中心完成。其中，山西省地質(zhì)礦產(chǎn)研究院采用Agilent 7890B氣相色譜儀進(jìn)行天然氣組分分析，油氣資源研究中心采用Nobleless SFT型稀有氣體質(zhì)譜儀完成氦含量和同位素測(cè)試，測(cè)試條件、方法及精度參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

2.2 氣樣中氦體積分?jǐn)?shù)

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，石西區(qū)塊煤層氣和砂巖氣樣品中均有氦氣顯示，氦氣體積分?jǐn)?shù)分布在0.01%～0.23%，多為0.05%～0.15%，為含氦天然氣(圖4，表1)。其中，SX-17,SX-T-06-H1兩口井氦氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)0.20%，達(dá)到0.23%，產(chǎn)氣層位分別為石盒子組、山西組砂巖和太原組8號(hào)煤層。

圖4 石西區(qū)塊樣品中氦體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Helium volume of gas in Shixi area

3 氦氣成因與來(lái)源探討

3.1 氦氣成因

自然界中氦有3種來(lái)源:一般認(rèn)為，殼源氦氣3He/4He同位素比值0.02×10-6，幔源氦為1.1×10-5，大氣氦為1.4×10-6[5,7,15]。測(cè)試結(jié)果顯示，石西區(qū)塊天然氣樣3He/4He同位素比值分布在0.02×10-6～0.05×10-6，平均0.03×10-6;R/Ra值為0.01～0.08，平均0.025(表1)。這一分布范圍，與DAI等[11]總結(jié)的鄂爾多斯盆地94個(gè)氣樣(3He/4He值0.03×10-6～0.12×10-6，R/Ra為0.022～0.085)及李玉宏等[7]測(cè)得的渭河盆地天然氣樣(3He/4He值0.021×10-6～0.761×10-6)氦同位素組成一致，與我國(guó)東部典型的天然氣氦同位素組成存在顯著差異(圖5)[5,11,16]。陶明信等[6]得到蘇北地區(qū)南部萬(wàn)金塔構(gòu)造區(qū)域上氦氣的同位素值為6.3×10-6～7.2×10-6，其中幔源氦體積分?jǐn)?shù)為60%～70%;渤海灣盆地內(nèi)氦氣3He/4He比值最高為52.4×10-8，R/Ra值為0.01～6.45，其幔源氦體積分?jǐn)?shù)超過(guò)80%[11];三水盆地二氧化碳?xì)獠匕樯獾耐凰乇戎禐?.6×10-6～6.39×10-6，R/Ra值為1.143～4.56，幔源氦體積分?jǐn)?shù)可達(dá)56%。相較于幔源氦氣，殼源氦氣的3He/4He同位素和R/Ra值均偏低，四川盆地威遠(yuǎn)氣田中氦氣3He/4He同位素值在1.8×10-8～3.03×10-8，R/Ra值為0.01～0.02[9];渭河盆地天然氣樣中氦氣3He/4He值為0.021×10-6～0.761×10-6，R/Ra值為0.03～0.56[7]。與之對(duì)比，石西區(qū)塊內(nèi)的氦均屬于典型的殼源成因氣，沒(méi)有來(lái)自幔源的氦。

殼源氦氣主要來(lái)自于地殼中放射性元素U和Th的衰變[17-19]。氦氣生成以后運(yùn)移，與地層中石油、天然氣、熱水等混合，形成含氦～富氦氣田。含氦天然氣田分為殼源同源型、殼源異源型和殼幔復(fù)合型[18]。為此，石西區(qū)塊天然氣中氦氣的來(lái)源與其他層系巖石中放射性元素衰變生成的氦氣有關(guān)，可能屬于殼源異源型。

3.2 氦氣來(lái)源

我國(guó)殼源氦氣大多位于中西部地區(qū)，東部郯廬斷裂帶兩側(cè)的氦氣以幔源成因?yàn)橹鳎瑲ぴ闯梢驗(yàn)檩o[1,19-20]。殼源氦氣生成通常與基底的古老變質(zhì)巖、混合巖、花崗巖等有關(guān)[2,11-12,20]。氦氣生成后，與天然氣一起通過(guò)運(yùn)移通道發(fā)生運(yùn)移，在有利圈閉條件下聚集成藏。即，殼源含氦天然氣藏的形成與富放射性元素的巖體分布、斷裂及圈閉條件有關(guān)。

航磁異常圖顯示，在山西中北部北緯38°帶附近存在一個(gè)局部正磁異常帶，興縣附近的異常高值區(qū)與出露的紫金山巖體相對(duì)應(yīng)(圖6)[21]。石西區(qū)塊位于興縣異常區(qū)南緣，異常值在100～150 nT，推測(cè)該區(qū)域高的磁力異常高可能是由于在其深部存在燕山期的隱伏巖漿巖體或磁性基底。

石西區(qū)塊東北部柳林尖家溝發(fā)育燕山期金伯利巖帶(距今180～100 Ma)，該巖帶之北百余公里發(fā)育燕山期紫金山堿性巖體(圖7)[22]。紫金山巖體由二長(zhǎng)巖、霓輝正長(zhǎng)巖、暗霞正長(zhǎng)巖和霓霞鈦輝巖呈環(huán)帶組成復(fù)式巖體(距今158.0～130.4 Ma[22-24])，與尖家溝金伯利巖同源，構(gòu)成二長(zhǎng)巖-堿性巖-金伯利巖組合的金伯利巖建造[24]。中國(guó)陸殼中U,Th元素的平均豐度分別為0.83×10-6～1.76×10-6和3.16×10-6～6.69×10-6[25]，紫金山巖體U豐度在0.36×10-6～2.36×10-6，Th豐度為0.89×10-6～9.73×10-6[22]，可以看出，紫金山巖體中的U,Th豐度較高，部分高于地殼豐度，表明巖體中的U,Th元素可以作為放射性衰變產(chǎn)生氦氣提供來(lái)源。因此，石西區(qū)塊氦氣的可能來(lái)自于深部燕山期巖漿巖體的放射性元素衰變。

表1 石西區(qū)塊天然氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)及同位素特征Table 1 Helium volume contents and isotopic values in nature gases from Shixi area

圖5 氦體積分?jǐn)?shù)-氦同位素關(guān)系及與我國(guó)其他盆地的對(duì)比[5,11,16]Fig.5 Relation of the helium volume fraction-helium isotope and comparison of other basin in China[5,11,16]

圖6 山西省及其鄰區(qū)航磁異常[21]Fig.6 Aeromagnetic anomaly of Shanxi Province and its adjacent areas[21]

1—超殼深斷裂;2—?dú)?nèi)深斷裂;3—地幔次級(jí)隆起軸;4—地幔次級(jí)坳陷軸;5—磁性基底層隆起軸;6—磁性基底層坳陷軸;7—燕山早期中堿性巖群;8—燕山早期堿性巖;9—燕山早期金伯利巖;10—研究區(qū)范圍圖7 石西區(qū)塊及周邊地區(qū)深部構(gòu)造[22]Fig.7 Deep structure sketch map of Shixi area and its adjacent areas[22]

3.3 氦氣聚集與保存條件

斷裂是氦氣富集的重要原因，在地應(yīng)力活躍地區(qū)的地質(zhì)體會(huì)釋放出氦氣，并造成局部范圍的聚集[7,19]。在研究區(qū)西部吳堡地區(qū)，可能存在斷距較大的斷裂構(gòu)造[3,26](圖1)。深部構(gòu)造圖顯示，石西區(qū)塊東西兩側(cè)存在地幔次級(jí)隆起軸和地幔次級(jí)坳陷軸，北東部發(fā)育一套以離石為節(jié)點(diǎn)的三聯(lián)結(jié)構(gòu)超殼/殼內(nèi)深斷裂系(圖7)。石西區(qū)塊深部存在的富含放射性元素的巖漿巖體不斷衰變生成氦氣，氦氣沿?cái)嗔褞Мa(chǎn)生的裂隙不斷運(yùn)移，這些斷裂構(gòu)成氦氣運(yùn)移的通道。區(qū)域范圍內(nèi)地層向西傾斜，地下水自東部露頭區(qū)補(bǔ)給而向西順地層流動(dòng)，推測(cè)離石斷裂帶是深部氦氣向上運(yùn)移的主要通道，氦隨地下水運(yùn)移，在地下水滯留區(qū)富集。

除巖體和構(gòu)造外，保存條件對(duì)氦氣富集也至關(guān)重要。石西區(qū)塊含氣層發(fā)育在上古生界，中生代下三疊統(tǒng)劉家溝組和和尚溝組、中三疊統(tǒng)紙坊組、中-上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組為區(qū)內(nèi)氣藏的主要蓋層。石西區(qū)塊含氦氣藏形成可能是多套蓋層累加封蓋的結(jié)果，阻止了氣體上移擴(kuò)散，形成有效氣藏。

4 結(jié) 論

(1)天然氣組分測(cè)試結(jié)果表明鄂爾多斯東緣中部石西區(qū)塊天然氣中氦氣體積分?jǐn)?shù)為0.02%～0.23%，平均0.089%，部分氣樣潛在工業(yè)開(kāi)采利用價(jià)值。天然氣氦穩(wěn)定同位素組成3He/4He為0.02×10-6～0.05×10-6，R/Ra值為0.01～0.02，屬于典型的殼源氦。

(2)石西區(qū)塊東部柳林尖家溝發(fā)育燕山期金伯利巖帶，該巖帶之北百余公里發(fā)育與其同源的燕山期紫金山堿性巖體。物探資料顯示石西區(qū)塊基底存在與花崗巖有關(guān)的磁性體，表明石西區(qū)塊內(nèi)的殼源氦氣主要來(lái)源于尖家溝-紫金山巖體深部放射性元素衰變。區(qū)塊東部離石斷裂帶可能提供了氦氣運(yùn)移的主要通道，多套儲(chǔ)蓋層組合為氦氣的保存提供了良好條件。

(3)鄂爾多斯盆地在適宜的地質(zhì)條件下可以形成富氦天然氣，其富集成藏條件的研究將豐富和發(fā)展氦氣成藏理論。