- 唐建洲;王双明;张志诚;李可;李长鹏;
【目的和方法】盆地浅部含氦地热流体地球化学特征对理解其形成机理具有重要意义。以青藏高原东北缘兰州盆地新近系杨稍组BY-1地热井为研究对象,通过水质分析、氢氧同位素、14C测年和溶解气组分研究,探讨盆地浅部地热水地球化学特征、成因及伴生氦气形成机理。【结果和结论】(1)水质分析结果显示,新近系杨稍组地热水化学类型为NaCl型,δD为-78‰,δ18O为-8.7‰,3H<0.4 TU,14C表观年龄为(20.50±0.92) ka,指示其来源于古大气降水并经历了蒸发-浓缩和水-岩相互作用。(2)地热水伴生氦气平均体积分数为0.44%,达到了工业开采标准,水溶气组分和地热水地球化学特征共同指示BY-1井地热水中的伴生氦气来自于盆地基底花岗岩和变质泥质岩。(3)古大气降水通过裂隙带渗入盆地基底岩石,并与其发生水-岩相互作用,溶解周围矿物释放的氦气。在青藏高原东北缘抬升背景下,深部含氦古老地层水沿断裂带向上运移并聚集在新近系杨稍组砂岩热储层中,上覆徐湾组和吊沟组泥岩等致密岩层为地热水中氦气的封存提供了保障。
2025年06期 v.53;No.330 48-57页 [查看摘要][在线阅读][下载 1794K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:88 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 马勇;辛志源;陈践发;李玉宏;张修涛;蒋浩杰;陈泽亚;
【目的】全球富氦气藏以常规天然气为主,近年来在我国鄂尔多斯盆地及周缘石炭-二叠系煤系中发现含氦天然气,揭示煤系氦气具有一定的资源潜力。但目前针对煤系氦气扩散运移机制的研究几乎处于空白,严重制约煤系氦气富集规律的进一步研究。【方法】以沁水盆地北部太原组煤及其顶板泥岩为研究对象,开展不同含水饱和度及气体含量(体积分数)煤系氦气物理扩散实验,并结合区域沉积埋藏史及生烃演化史模拟计算煤与泥岩中氦气扩散通量,揭示煤系氦气富集机制。【结果和结论】(1)实验温压条件下(20℃,气体压力为1 MPa),在≤13.5 nm孔隙中氦气以Knudsen扩散为主,煤与泥岩中氦气的扩散速率相近;在>13.5 nm孔隙中氦气转为Fick扩散。煤系氦气扩散主要受孔隙结构、含水性和气体含量影响,孔隙连通性越差、含水饱和度越高、氦气含量越低,氦气扩散越慢,封闭能力越强。(2)煤中割理-裂缝系统发育,连通性较好,导致煤中氦气扩散系数(1.1×10~(-8) m~2/s)高于泥岩(5.8×10~(-9) m~2/s)。高含水性通过阻塞孔隙通道和改变气-液界面行为降低氦气扩散速率,而气体含量对扩散速率的影响主要与气体分压和氦气与甲烷物理性质差异有关。(3)结合物理模拟和数值模拟结果,建立了地质历史时期氦气扩散通量预测模型,标准状态下煤和泥岩中的氦气扩散通量分别为13.24、5.05 cm~3/m~2,氦气扩散主要发生在含量较高的烃类生成初期,后期逸散量可忽略不计。(4)煤系生氦能力较弱,煤系氦气的富集成藏是外源补给与保存动态平衡的结果,深部断裂促进深部氦气向上运移,而低含量梯度、高含水饱和度及低连通性通过抑制扩散速率而增强氦气的封存能力。煤系氦气勘探需重点关注深部断裂系统沟通能力及盖层封存有效性。
2025年06期 v.53;No.330 58-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 1941K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:116 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 辛志源;陈践发;王杰;马勇;
【目的】页岩气藏中氦气含量较低,但储量规模巨大,是氦气增长的重要接替领域。川东南地区发育多种构造样式,不同构造样式保存条件存在差异,页岩气中氦气的分布特征及富集规律不明,明确页岩气中氦气差异富集机理对于有效利用页岩气中氦气资源具有重要意义。【方法】以川东南地区不同构造样式典型页岩气藏为研究对象,讨论不同构造样式页岩气中氦气差异富集机理,指明页岩气中氦气勘探潜在有利区。【结果和结论】(1)构造保存条件差、地层压力为常压的残留向斜、断褶变形带和断背斜浅埋区氦气含量(体积分数)相对较高,平均值分别为524×10-6、606×10-6和534×10-6,达到工业制氦标准。构造保存条件较好,地层压力为超压的宽缓背斜、向斜和断背斜深埋区,氦气含量(体积分数)相对较低,平均值分别为335×10-6、381×10-6和250×10-6。(2)川东南地区不同构造样式五峰-龙马溪组页岩气中氦气主要为壳源成因,生氦潜力较高,但不同构造样式页岩生氦潜力无明显差异。通过铀、钍衰变理论生氦量计算和氦、氩同位素分析表明,川东南地区页岩气中氦气以内源氦贡献为主,为自生自储型氦气藏。(3)不同构造样式保存条件及页岩气-氦气体系逸散行为差异引起的页岩气稀释强度差异是川东南地区不同构造样式氦气富集的关键因素。微纳米孔隙中氦气的扩散富集效应与甲烷分子对运移通道的物理封堵机制协同作用,是页岩气中氦气富集的另一重要因素。(4)通过对川东南地区不同构造样式页岩气中氦气富集机理的研究,预测在页岩气品位较低的盆外次生低压区,如綦江、武隆、白马和彭水等区块是页岩气中氦气富集的潜在有利区,有望为后续页岩气中氦气的勘探开发工作开辟全新方向。
2025年06期 v.53;No.330 70-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 2143K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:114 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 高宇;刘全有;朱东亚;吴小奇;李朋朋;
【背景】稀有气体因其化学惰性和在不同储库中同位素组成的差异性,成为示踪地质流体来源与演化过程的重要工具。氦气在作为稀有气体示踪剂的同时也是稀缺资源,其富集机制与勘探潜力备受关注。【方法】通过总结国内外典型气藏、火山喷气、地表热泉的地球化学数据,分析稀有气体来源解析中的干扰因素与端元值选择问题,总结稀有气体同位素在构建成藏模型、还原流体分配等多场景中的应用,并基于氦气生成潜力与运聚机理,凝练氦气成藏理论。【进展和展望】结合实例分析,提出3类氦气富集类型,分别为构造活动提升氦通量型(如青藏高原拉萨地块)、深埋高压页岩自封闭富集型(如四川盆地寒武、志留系页岩气藏)与水溶氦脱溶与烷烃气耦合富集成藏型(如塔里木盆地和田河气田)。拉萨地块理论壳源氦通量为全球平均氦通量的221~78 056倍,数值模拟结果为6 392~9 284倍,认为拉萨地块是理想的氦气聚集区;根据高压纳米孔隙系统显著抑制氦气扩散性,较早的生烃高峰期增加氦气“持续富集阶段”时间,认为埋藏较深的古老页岩气藏是理想的氦气聚集类型;晚期成藏的烷烃气在向圈闭运移时,能够提取广泛分布的古老地层水中氦气使其富集,认为这类气藏也是理想的氦气聚集类型。
2025年06期 v.53;No.330 84-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1730K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:159 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 邹易;罗情勇;陈践发;邹华耀;杜涛;刘晓强;蔡鑫勇;余成明;方子龙;
【背景】氦气因其独特的物理化学性质广泛应用于高科技和科研领域。地层水在氦气的运移与富集过程中起着关键作用,氦气通常以溶解形式随地层水在孔隙或裂缝中移动。当富氦流体迁移至浅层天然气藏时,氦气与其他气体发生溶解与解吸交换,这一过程受地层温度、压力、水矿化度及其他气体竞争溶解影响。目前,针对在地层条件下氦气与其他气体竞争性溶解机制及其对含氦-富氦天然气藏中氦气富集影响的研究尚显不足。【方法】四川盆地金秋气田为近期发现的含氦-富氦气田,以该气田作为研究对象,依据四川盆地金秋气藏的实际地质资料,设置不同温度、压力和水矿化度条件,通过物理模拟探讨氦气与其他气体的竞争性溶解机制,及其对天然气藏中氦气富集的影响。【结果和结论】(1)在压力为10~60 MPa和温度为20~150℃条件下,同一矿化度地层水中,氦气溶解度随温度的升高呈先下降后上升的趋势,随压力的升高而升高;在压力为25 MPa和温度为70℃条件下,氦气溶解度随地层水矿化度(0~300 g/L)的增加而显著降低;在压力为10~60 MPa、温度为20~150℃和地层水矿化度为84.5 g/L的条件下,氦气与氮气的混合气体中氦气比例越高,氦气在地层水中的溶解度越大。(2)金秋气藏中氦气富集受到以下因素影响:地层温度和压力的降低和有机质生烃作用引发的烃类气体富集,共同促使地层水中氦气溶解度下降,使氦气从地层水中脱溶;烃类气体能够携带氦气向浅部地层运移,在运移过程中地层温度和压力的进一步降低会加速氦气在地层水中的脱溶,并随烃类气体充注到浅部气藏,使得浅部气藏的氦气含量相对深部气藏更高;异常低压气藏相对异常高压气藏和常压气藏充注强度较低,对气藏中氦气的稀释作用更小,且异常低压气藏相对周围地层的压力更低,有利于氦气的富集。因此,四川盆地浅层异常低压天然气藏有望成为氦气富集的有利区。
2025年06期 v.53;No.330 96-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1697K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:99 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 刘佳润;刘全有;李朋朋;高宇;吕佳豪;
【背景】氦气因其化学性质稳定、沸点低等特性,在高端制造业、航天、国防等高科技领域得到广泛应用,是一种稀缺的战略资源。塔里木盆地库车坳陷是我国重要的天然气生产基地,明确库车坳陷煤系天然气中氦气的分布特征及其控制因素具有重要意义。【方法】以库车坳陷煤系天然气为研究对象,基于两种氦气资源评价方法及地质资料论证库车坳陷煤系天然气贫氦控制因素。【结果和结论】(1)库车坳陷天然气中氦气含量(体积分数)介于(22~93)×10~(-6),平均57.6×10~(-6),属于贫氦天然气;氦同位素~3He/~4He介于(3.33~11.24)×10~(-6),指示壳源成因。(2)库车坳陷天然气中氦气主要来自侏罗系煤系烃源岩,基底贡献的氦气很少,其贫氦特征主要受煤系烃源岩生氦强度与生烃强度的耦合作用以及区域构造演化控制。在构造演化上,与已发现的富氦气田不同,库车坳陷自喜马拉雅期以来地层持续埋深,不利于氦气脱溶以及运移;在氦气聚集方面,煤系烃源岩生烃强度较大,对氦气稀释作用较强,导致位于生烃中心气田的氦气含量明显低于斜坡带。(3)对煤系天然气进行氦气资源勘查应重点关注:沟通古老基底氦源岩,区域构造较强、地层发生较大抬升,天然气充注及稀释作用较弱的区域,根据氦气富集条件合理选区。
2025年06期 v.53;No.330 109-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 1676K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:83 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 王雷;唐茂银;
【背景】氦气为重要的战略稀缺资源,目前工业中使用的氦气主要来源于天然气,而煤系氦气通常为氦气含量较高的煤层气,是常规氦气资源的重要补充。在工业上,通过天然气液化过程中对蒸发气体进行提氦是获取氦资源的重要途径之一,但关于煤系氦气的研究多集中在氦气的成因、富集规律和地球化学特征等方面,而在煤系氦气资源特征和提取工艺的研究相对较少。【方法】以鄂尔多斯盆地东北缘三交北区块煤系氦气资源为例,分析其区域氦气资源特征,并在现有LNG(Liquefied natural gas)工厂的基础上设计三交北区块天然气中的氦气提取工艺。【结果】(1)三交北区块煤系天然气资源丰富,但氦气资源量较低,为壳源氦,氦气摩尔体积分数为0.01%~0.30%,平均0.07%,属低氦区,但氦气资源量整体较为稳定,其地质储量可达1 114.56万m3,累计产量70.07万m3,故可将其作为提氦的原料气来源,并对LNG生产过程中产生的蒸发气体进行提氦。(2)选取低温提氦工艺,使用前膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离技术,将提取过程划分为气体过滤、催化脱氢、脱水干燥、氦气提取、氦气充装和液氧催化6个单元。【结论】设计的提取工艺采用氮气循环系统高效制冷,优化能量回收,减少对原料气直接压缩的依赖,提供了稳定的低温环境,使其对氦气浓度波动不敏感,使工厂产生的蒸发气体资源能得到合理充分利用,尤其适合低丰度氦气资源的高效提取,对提高煤系氦气提取工艺和企业经济效益具有积极作用和重要意义。
2025年06期 v.53;No.330 120-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 1596K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:111 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ] - 常洋梅;刘超;孙蓓蕾;
【背景】氦气是重要的稀有战略资源,中国氦气资源相对匮乏,依赖进口,氦气资源的勘探开发十分紧迫。氦源岩是氦气资源形成的物质基础。紫金山岩体是鄂尔多斯东缘煤系氦气的主力来源之一,已有的研究表明石西区块内的天然气中氦气主要来源于尖家沟-紫金山岩体深部放射性元素的衰变,但是更靠近紫金山岩体的临兴区块尚未发现富氦天然气的报道。【方法】选择临兴区块和石西区块作为研究区,利用氦源岩的地球化学参数及矿物学特征,量化了潜在氦源岩的生氦强度,对氦源岩的有效性进行了评价,计算了氦源岩的生氦量。结合测井资料,查明鄂尔多斯盆地东缘石西区块潜在氦源岩的空间展布特征。【结果和结论】(1)石西区块潜在氦源岩的铀(U)含量为(0.25~9.19)×10~(-6),钍(Th)含量为(0.56~21.0)×10~(-6);临兴区块潜在氦源岩U含量为(1.29~207)×10~(-6),Th含量为(8.19~438)×10~(-6)。石西与临兴区块基底花岗岩中U、Th主要以类质同象形式存在;铝土岩、泥岩、煤和砂岩中U、Th以吸附络合的形式赋存于有机质和黏土矿物中。(2)石西区块氦气总生成量为(4.92~6.94)亿m~3;临兴区块的总生氦量为(75.7~110.4)亿m~3。石西区块的主要氦源岩为基底的变质岩系和花岗岩,次要氦源岩为白云岩、砂岩和煤;临兴区块主要氦源岩为基底的变质岩系和花岗岩、紫金山岩体,次要氦源岩为白云岩、砂岩、泥岩、煤和铝土岩。(3)由于缺乏测井数据,未对临兴区块内的氦源岩空间展布特征进行分析,但是从生氦量来看,整个临兴区块内均具有勘探开发潜力。石西区块的氦源岩除基底外,具有西厚东薄的特征,尤其是石盒子组下部的砂岩及山西组的大部分地层均具有较高的生氦量,应着重进行勘探开发。
2025年06期 v.53;No.330 129-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2601K] [阅读次数:0 ] |[下载次数:96 ] |[网刊下载次数:0 ] |[引用频次:0 ]