渭河盆地水溶性天然气层类型研究

张 雪，刘建朝，李荣西，王行运，翁 凯

(1.长安大学地球科学与资源学院，陕西西安710054;2.中国石化集团华北石油局三普石油工程公司，陕西咸阳712000)

0 引言

水溶性天然气简称水溶气，是非常规油气资源的一种。目前，业已查明的水溶气资源量非常丰富，比常规天然气资源量 (293×1012m3)多115倍［1］，随着我国经济的飞速发展，对资源的需求日益增加，常规油气资源的开发已不足以满足需要，因此加大对水溶气这类非常规资源的研究十分必要。

我国的水溶气资源丰富，除了熟知的四川盆地［2］、塔里木盆地［3］、柴达木盆地［4］、鄂尔多斯盆地［5］等，渭河盆地也存在着丰富的水溶气资源［6～12］。早在1972—1975年，原地质部第三石油普查大队对渭河盆地进行石油普查工作时，就在盆地中发现了含高浓度氦 (一般含量为2%～4%)和甲烷 (一般含量在20%左右)的水溶气;2000年以后，西安市国土资源局、长安大学等单位开展了以氦气为重点的水溶气研究;2009年，在固市凹陷渭南地区新打的浅层地热井中，发现了高甲烷含量的天然气。前人的研究成果及新的发现表明，渭河盆地水溶气资源具有多组分 (氦气、甲烷气)、多类型、多层位分布的特点。本文针对渭河盆地水溶气资源的特殊性，结合天然气的成分、成因以及分布规律，探讨该地区水溶气层的类型，对指导今后该地区多种气体资源的综合开发利用具有重要意义。

1 水溶气类型

1.1 水溶气藏的分类

水溶气即溶解在水中的天然气，根据气体在地质时期不同的赋存状态可分为游离相水溶气藏和水溶相气藏两类［13］。游离相水溶气藏是指成藏初期气体溶解在水中，当气体过饱和时从水中游离出来，遇到圈闭后聚集形成的常规天然气藏。当前气体仍溶解在地层水中的气藏即为水溶相气藏，属非常规气藏。

根据水溶气藏与油气田的封闭程度可以分为开启式和封闭式两类，前者是指与油气田无关的水溶气藏，后者则与油气田 (边、底水)相关［14］。

1.2 水溶气的分类

①按组分分类:水溶气的主要成分包括烃类气体、氮气及酸性气体，以组分体积分数大于50%为界可分为甲烷类、氮气类、酸气类等3类，在此基础上以组分体积分数超过25%为界可对其进一步定型［15～17］(见表1)。

表1 水溶气按组分体积分数分类表［15］Table 1 Classification of component volume fraction in Water-soluble gas

②按成因分类:水溶气是天然气的一种特殊存在状态，除了可以按照组分进行分类之外，也可以像常规天然气一样按照成因分类 (见表2)。

表2 水溶气按成因分类表［18］Table 2 Classification of causes in water-soluble gas

③按地层压力分类:研究表明，压力是影响气体在水中溶解度大小的重要因素之一，因此可以根据压力将其分为正常压力水溶气和异常高压水溶气 (压力系数F p＞1.3)两类［1，19］。正常压力水溶气气水比较低，通常为1～3;异常高压水溶气气水比可高达5～16。

④按埋藏深度分类:根据水溶气层的埋藏深度，可将其分为浅层 (＜1000 m)、中深层(1000～3000 m)、深层 (3000～4500 m)和超深层 (＞4500 m)水溶气4类［20］。

2 渭河盆地水溶气地质特征

2.1 组分特征

本次研究的气体样品选自分布在渭河盆地不同构造单元的15口地热水井，其中西安凹陷8口，固市凹陷5口，宝鸡凸起2口 (见图1)。确定采样井后，利用排水取气法在井口直接采集气体样品，并送中国石化华西石油实验室用103型气相分析仪按GB-P13610-92方法进行成分分析，结果见表3。

图1 渭河盆地构造单元划分及采样井分布Fig.1 Division of tectonic units and distribution of sampling wel in Weihe basin

从表3可以看出，该地区水溶气中含有可燃烃类气体甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及非烃类气体氢，不可燃气包括稀有气体氦及非烃类气体二氧化碳和氮。除了以甲烷为主的烃类气体外，样品中氦的百分含量大于0.1%的工业标准，具有一定的开发利用价值。从不同的构造单元分析，固市凹陷以甲烷为主的烃类气体含量高，其中最高的为渭热6井，全烃含量为98.481%;西安凹陷次之，宝鸡凸起最低。氦气在不同的构造单元中普遍存在且含量较高，最高值为4.140%;低值均出现在固市凹陷，渭热6井未见氦气显示，渭南中医学院井和渭热1井氦气含量分别为0.115%和0.106%。

2.2 同位素特征

2.2.1 碳同位素特征

水溶气样品送中国科学院油气资源研究中心地球化学重点实验室，用VG5400质谱仪分析了气体的碳同位素比值，结果见表4。

从表4可以看出，渭河盆地水溶气中烃类气体的成因多样，既存在有机成因气，也有无机成因气，油型气、煤成气，未成熟 (生物气)、成熟 (凝析气)均有出现。其中有机成因气的甲烷含量相对较高，无机成因气的甲烷含量较低 (御园，甲烷含量0.28%);同一构造单元内热解型煤成气和油型气的甲烷含量较为平均 (10.164%～15.917%)，生物气的甲烷含量 (灵山寺17.964%)高于煤成气和油型气;固市凹陷煤成气甲烷含量 (渭南中医学院82.860%)远大于西安凹陷 (均值10.512%)。

表3 渭河盆地水溶气组分表Table 3 Water-soluble gas group in Weihe basin

表4 渭河盆地水溶气碳同位素分析结果及成因分类表Table 4 Carbon isotope analysis and genetic classification of water-soluble gas in Weihe basin

2.2.2 氦同位素特征

水溶气样品送中国科学院兰州地质研究所天然气地球化学国家重点实验室，利用VG5400稀有气体静态质谱计分析水溶气3He/4He的值 (见表5)，工作标准为兰州市皋兰山顶的大气，其3He/4He值为 (1.4±0.03)×10-6，用R a表示。根据实测的氦气值R，可以通过二元混合模式计算出氦气中幔源氦 (R m)和壳源氦 (R c)的所占比例［21］。幔源氦(3He)所占比例的计算公式为:

式中:R——氦气实测值;R c—壳源3He/4He标准值，2.0×10-8;R m—幔源3He/4He标准值，1.1×10-5。

表5 渭河盆地水溶气氦同位素数值及不同来源氦气含量表Table 5 Helium isotope and different sources helium content of water-soluble gas in Weihe basin

幔源氦是指主要存在于地幔，地球形成时从宇宙星云中带来的原始氦;壳源氦指放射性成因氦，由于岩石类型不同，3He/4He值变化范围较大，通常从10-7到10-9量级，其典型值在10-8量级［22］。渭河盆地水溶气样品的氦同位素测定结果 (见表5)显示，除御园井、渭南中医学院井3He/4He值为10-7量级外，其余各井均表现为典型的壳源氦特征，经计算仅混有微量的幔源氦 (见表5)。

2.3 水溶气分布特征

2.3.1 平面分布特征

综合分析渭河盆地水溶气成分、成因测试结果 (见表3—表5)可知，渭河盆地水溶气资源分布广泛，其中最具经济价值的成分为以甲烷为主的可燃气和惰性气体氦。甲烷气的平面分布主要受气体源岩控制，近源岩分布。固市凹陷的沉积中心为湖相深色沉积物，是生成可燃气的源岩，因此固市凹陷渭南地区各井的甲烷含量均高于西安凹陷。渭河盆地氦气含量普遍较高，由于富铀花岗岩为其潜在源岩，深大断裂为气体的运移通道，因此近富铀花岗岩或断裂构造的地区氦气含量较高。

2.3.2 纵向分布特征

利用渭河盆地现有地热水井采集水溶气样品，并不能直接确认气体的赋存层位，但本次研究通过气体组分的测试，结合井位及完井层位进行对比、类比分析，可以间接推测气体富集的大体层位。

除渭热6井外，在固市凹陷新打的3口浅层地热井的完井层位均为张家坡组 (未穿)，井口气体经水气分离后可直接引燃，推测同渭热6井一样具有很高的甲烷含量，但录井资料显示并没有氦气存在。把这4口井和同在固市凹陷的其余4口井 (见表3，编号9—12)相比较可以发现，完井深度大于张家坡组的井有氦气出现，且由于其他层位He、N2和CO2的混入导致甲烷的含量降低。张家坡组是渭河盆地的区域性盖层，氦气来源于深部，受到盖层的阻挡氦气就会在其下部地层聚集，因此表现为井深小于张家坡组的采样井没有氦气显示。

此外，固市凹陷沉积的张家坡组为深湖相，有机质含量较高，具有生烃的潜力，这也是导致该地区浅层井甲烷含量极高的原因之一。而西安凹陷张家坡组为河湖相，不利于生烃，因此甲烷含量普遍较低，仅在沉积中心户县地区含量稍高 (渭深13井21.790%)。

综上可知，渭河盆地绝大部分盖层封闭良好的区域内，氦气的主要赋存层位是张家坡组之下的储水层;甲烷气则由于成因多样，赋存层位也更多，从浅至深均可。需强调的是，固市凹陷张家坡组具生烃潜力，由于近源岩且成因纯，因此在该地区的较浅层位甲烷含量极高。

3 渭河盆地水溶气类型

综上研究表明，渭河盆地是一个水溶气资源较为丰富的盆地，盆地内气体资源最大的特点就是成分和类型的复杂及多样，具体表现为异岩多源的混合气，即地壳深部幔源气与壳源气的混合，深部无机气与沉积层中有机气的混合，不同地区、不同源岩、不同母质类型气体的混合 (煤型气、油型气)，不同成熟度气体的混合 (未成熟、高成熟、过成熟)。通过系统的成因研究可以知其本质，但不适用于后期的综合利用与开发，因此需要把渭河盆地这种成分多样来源复杂的水溶气资源进行简化、分类，更好地为下一步水溶气资源的开发利用服务。

从开发利用的角度出发，水溶气的成分和分布是关键因素。分析可知渭河盆地水溶气资源最具有经济价值的成分是以烃类为主的可燃气和惰性气体氦;从分布规律上看，不同构造单元水溶气的成分及含量差异性明显，深度对水溶气组成及开发成本影响更大。本文参考前人的水溶气分类方案，结合渭河盆地水溶气特征，综合考虑其开发利用价值，将渭河盆地水溶气层划分为浅层可燃水溶气和深层富氦水溶气两类。

3.1 浅层可燃水溶气

渭河盆地中水溶气赋存层位位于张家坡组底界之上，以甲烷为主的烃类可燃气体含量很高，仅对可燃气进行开发利用就可以满足工业标准，本文称之为浅层可燃水溶气。该类水溶气的特点为埋藏深度较浅，甲烷含量很高，成因单一，不含氦或含少量的氦。由于受到烃源岩的控制，此类水溶气多分布在盆地的沉积中心。固市凹陷烃源岩有机质含量高，生烃能力强，其附近地区甲烷含量高;而西安凹陷的沉积中心户县地区由于生烃能力较弱，且现有井也较深，由于混入了其他成因的气体而导致甲烷含量降低。

3.2 深层富氦水溶气

深层富氦水溶气指渭河盆地水溶气中氦气含量大于工业标准 (0.1%)，赋存层位位于张家坡组底界之下的水溶气。该类水溶气在盆地中广泛分布，对氦气进行开发利用时应兼顾对甲烷气的收集，可提高资源的综合利用率，避免资源浪费。

4 结论

渭河盆地水溶气中最具有经济价值的两种气体为甲烷和氦气，15口采样井甲烷的平均含量为26.92%，氦气平均含量为1.51%。

同位素特征显示，渭河盆地水溶气中的甲烷成因多样，从生物气到裂解气均有所出现，其含量差别很大，最高为98.370%，最低为0.280%。渭河盆地水溶气中氦的成因单一，3He/4He值多在10-8量级，为典型的壳源氦，经计算混有微量的幔源氦，含量为1%左右，氦气含量均大于工业标准的0.1%，最高值为4.140%，最低值为0.106%。

不同构造单元，不同完井深度对水溶气中甲烷及氦的影响较大，综合分析渭河盆地水溶气特点，将其分为浅层可燃水溶气和深层富氦水溶气2类。

本文对渭河盆地水溶气的分类简单而明确，适用于指导渭河盆地水溶气资源的综合利用与开发，根据井所处的构造单元及完井层位可初步判定其所含资源，若以开采可燃气为目的则可选择固市凹陷或西安凹陷户县地区井深小于张家坡组的井;若以开采氦气为目的可选西安凹陷断裂构造或富铀花岗岩附近的井，开采时可兼顾甲烷的收集，提高经济效益。

［1］ 杨中镳，张肖兰，王雪吾，等.水溶性天然气勘探与开发［M］.东营:石油大学出版社，1997:90～102.YANG Zhong-biao，ZHANG Xiao-lan，WANG Xue-wu，et al.Exploration and development of water-soluble gas［M］.Dongying:China University of Petroleum Press，1997:90～102.

［2］ 秦胜飞.四川盆地水溶气碳同位素组成特征及地质意义［J］.石油勘探与开发，2012，39(3):313～319.QIN Sheng-fei.Carbon isotopic composition of water-soluble gases and its geological significance in the Sichuan Basin ［J］.Petroleum Exploration and Development，2012，39(3):313 ～319.

［3］ 秦胜飞，李梅，胡剑峰，等.和田河气田水溶气成藏特点对克拉2气田的启示［J］.天然气地球科学，2007，18(1):45～49.QIN Sheng-fei，LIMei，HU Jian-feng，et al.Implication to Kela 2 gas field from water-soluble gas accumulation in Hetianhe gas field［J］.Natural Gas Geoscience，2007，18(1):45～49.

［4］ 张凤敏，魏国齐，李剑，等.柴达木盆地东部水溶性天然气层分类及成藏主控因素研究 ［J］.天然气地球科学，2008，19(6):882～887.ZHANG Feng-min，WEI Guo-qi，LI Jian，et al.Classification and reservoir-controlling factors of water-dissolved gas in eastern Chaidamu Basin［J］.Natural Gas Geoscience，2008，19(6):882～887.

［5］ 李贤庆，侯读杰，胡国艺，等.鄂尔多斯中部气田下古生界水溶气成因［J］.石油与天然气地质，2002，23(3):212～217.LI Xian-qing，HOU Du-jie，HU Guo-yi，et al.Origin of lower Paleozoic dissolved gases in central gas field of Ordos［J］.Oil＆ Gas Geology，2002，23(3):212～217.

［6］ 薛华锋，朱兴国，王润三，等.西安地热田伴生富氦天然气资源的发现及意义［J］.西北大学学报:自然科学版，2004，34(6):751～754.XUE Hua-feng，ZHU Xing-guo，WANG Run-san，et al.The discovery and significance of rich Helium natural gas resource in Xi’an geothermic field ［J］.Journal of the University of Northwest，China:Edition of Natural Science，2004，34(6):751～754.

［7］ 卢进才，魏仙样，李玉宏，等.汾渭盆地富氦天然气成因及成藏条件初探 ［J］.西北地质，2005，38(3):82～86.LU Jin-cai，WEI Xian-yang，LI Yu-hong，et al.Preliminary study about genesis and pool formation conditions of richhelium type natural gas ［J］.Northwestern Geology，2005，38(3):82 ～86.

［8］ 李荣西，刘建朝，魏刚峰，等.渭河盆地地热水水溶烃类天然气成因与来源研究［J］.天然气地球科学，2009，20(5):774～780.LI Rong-xi，LIU Jian-chao，WEI Gang-feng，et al.Origin and source of dissolved hydrocarbon gas in geothermal water，Weihe Basin ［J］.Natural Gas Geoscience，2009，20(5):774～780.

［9］ 刘建朝，李荣西，魏刚峰，等.渭河盆地地热水水溶氦气成因与来源研究［J］.地质科技情报，2009，28(6):84～88.LIU Jian-chao，LI Rong-xi，WEI Gang-feng，et al.Origin and source of soluble Helium gas in geothermal water，Weihe Basin［J］.Geological Science Information，2009，28(6):84～88.

［10］ 李玉宏，卢进才，李金超，等.渭河盆地天然气成因特征及其意义 ［J］.西安石油大学学报:自然科学版，2011，26(5):11～16.LI Yu-hong，LU Jin-cai，LI Jin-chao，et al.Genetic characteristics of the natural gas in Weihe Basin and its significance［J］.Journal of Xi'an Shiyou University:Natural Science Edition，2011，26(5):11 ～16.

［11］ 李玉宏，卢进才，李金超，等.渭河盆地富氦天然气井分布特征与氦气成因 ［J］.吉林大学学报:地球科学版，2001，41(1):47～53.LI Yu-hong，LU Jin-cai，LI Jin-chao，et al.Distribution of the Helium-rich wells and Helium derivation in Weihe Basin［J］.Journal of Jilin University:Earth Science Edition，2001，41(1):47 ～53.

［12］ 张福礼，孙启邦，王行运，等.渭河盆地水溶氦气资源评价［J］.地质力学学报，2012，18(2):195～201.ZHANG Fu-li，SUN Qi-bang，WANG Xing-yun，et al.Evaluation of water soluble helium resources in Weihe Basin ［J］.Journal of Geomechanics，2012，18(2):195～201.

［13］ 张占国，卞从胜.水溶气的类型特征及成藏的主控因素探讨［J］.天然气地球科学，2008，16(9):876～881.ZHANG Zhan-guo，BIAN Cong-sheng.Category features of water-soluble gas and main controlling factors for its accumulation［J］.Natural Gas Geoscience，2008，16(9):876～881.

［14］ 杨远聪，李绍基，朱江.水溶气—四川盆地新的天然气资源［J］.西南石油学院学报，1993，15(1):16～22.YANG Yuan-cong，LI Shao-ji，ZHU Jiang.Water-soluble gas:A new resource of natural gas in Sichuan Basin ［J］.Journal of Southwest Petroleum University:Science＆ Technology Edition，1993，15(1):16～22.

［15］ Tiratscoen.Natural Gas［M］.Houston:Gulf Publishing Company，1979.

［16］ 陈润，耿庆生，苏现波.水溶气的形成与聚集［J］.河南理工大学学报，2006，25(3):205～208.CHEN Run，GENG Qing-sheng，SU Xian-bo.The formation and accumulation of water soluble gas ［J］.Journal of Henan Polytechnic University，2006，25(3):205～208.

［17］ 张子枢.水溶气浅论［J］.天然气地球科学，1995，6(5):29～34.ZHANG Zi-shu，Pilot study of water-soluble gas［J］.Natural Gas Geoscience，1995，6(5):29 ～34.

［18］ 何生，叶加仁.石油与天然气地质学［M］.北京，中国地质大学出版社，2010:130～234.HE Sheng，YE Jia-ren.Oil and gas geology［M］.Beijing:China University of Geosciences Press，2010:130～234.

［19］ 王雪吾，刘济民.我国水溶性天然气资源分析与预测［J］.天然气工业，1994，14(4):18～20.WANG Xue-wu，LIU Ji-min.Analyzing and Predicting the Resources of Water-soluble Gas in China ［J］.Natural Gas Industry，14(4):18～20.

［20］ 徐思煌.水溶气非常规资源及其脱溶成藏 ［J］.地质科技情报，2010，29(1):43～48.XU Si-huang.Unconventional dissolved gas resources in water and gas pool formation with degasification ［J］.Geological Science and Technology Information，2010，29(1):43～48.

［21］ Stuart F M，Burnard P G，Taylor R P.Resolving mantle and crustal contributions to ancient hydrothermal fluids:He-Arisotopes in fluid inclusions from Dae Hwa W-Mo mineralization，South Korea ［J］.Geochim.Cosmochim.Acta，1995，59(22):4663～4673.

［22］ 王先彬.稀有气体同位素地球化学和宇宙化学［M］.北京，科学出版社，1989:177～251.WANG Xian-bin.Rare gas isotope geochemistry and cosmochemistry［M］.Beijing:Science Press，1989:177～251.