鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探

刘 超，孙蓓蕾，曾凡桂，畅向东，郭盛强，王宇红，刘彦峰，张绍韡，陈建伟，李 健

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030024; 2.煤与煤系气地质山西省重点实验室，山西 太原 030024; 3.华新燃气集团有限公司，山西 晋城 048204; 4.山西省地质矿产研究院，山西 太原 030024)

氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性资源。氦气资源主要分布在美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯等国[1]，2017年调查报告显示我国的氦气资源量为1.1×109m3，仅占全世界的2.12%[2]，我国氦气的对外依存度达98%以上，极大的影响到国防及高技术产业安全。氦气在自然界中主要作为非烃伴生气聚集于烃类气藏[1,3-4]。国内天然气中氦气体积分数相对较低，只有体积分数超过0.05%～0.10%的气田才具有工业价值[5-7]。近几年，我国在东部的松辽、苏北、渤海湾等盆地、中西部地区的四川、塔里木等气藏中陆续发现富氦天然气[8-12]。四川威远气田天然气中氦气体积分数为0.120%～0.342%，平均0.2%[8-10]，是我国惟一一个实现工业开采利用的富氦气田。鄂尔多斯盆地不同气田不同层位天然气中氦体积分数为0～0.091%[9,11]，整体为贫氦气田。该盆地东缘临兴区块上古生界砂岩气氦气体积分数在0.01%左右或更少[12]。笔者最近发现，鄂尔多斯盆地东缘石西区块天然气样品中氦气体积分数较高，为此报道了该区氦气体积分数分布，基于氦稳定同位素组成对氦气成因进行了初步探讨。

1 地质背景

离石断裂带是鄂尔多斯盆地东缘边界断裂[13]。石西区块位于盆地东缘晋西挠褶带中段(图1)。区内构造简单，总体为一走向NS、倾向W的单斜，倾角5°～9°，局部被断层切割，发育次级低幅度褶曲。区内共揭露5条断层，包括3条逆断层和两条正断层(图2)。DF1逆断层最深切割层位至奥陶系风化面，落差18 m，倾向W，倾角30°。F1逆断层南北向贯穿整个区块，切割较浅，只影响到下三叠统刘家沟组至下二叠统下石盒子组八段底之间地层，断距50 m，倾角20°～40°。F3逆断层与F2逆断层距离较近，切割刘家沟组底部，倾向W，倾角30°，落差40 m，延伸长度约1 100 m。F2正断层位于区内北东部，切割刘家沟组底至上石盒子组顶部，倾向W，断距45 m，倾角70°。DF2正断层位于区内西北边界，距离DF1断层100 m左右，切割下石盒子组八段底至奥陶系马家沟组三段底，断距20 m，倾向S，倾角78°。

图1 石西区块构造位置[14]Fig.1 Tectonic location of Shixi area[14]

石西区块晚古生代以来的地层包括石炭系、二叠系、三叠系及新生界，其中本溪组、山西组和太原组是区内含煤地层(图3)。本溪组与奥陶系呈区域不整合接触，主要发育海陆交互相的泥岩、砂岩夹薄煤层。太原组与本溪组连续沉积，形成于海陆交互环境，厚度在120～130 m，主要由泥岩、粉砂岩、泥质灰岩及煤层组成，为区内主要含煤地层。山西组地层厚度稳定，为100～140 m，岩性主要包括中～细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、灰黑色～黑色泥岩及煤层。石盒子组和石千峰组为典型的陆相河流沉积，发育浅灰绿色砂岩夹红棕色、灰绿色泥岩、粉砂岩。新生界沉积较厚，下部主要为一套以红色为主的碎屑沉积岩，上部为灰黄、浅黄色粉砂质黏土。

图3 石西区块地层柱状及含气层分布Fig.3 Stratigraphic column and the gas reservoirs in Shixi area

2 样品及测试结果

2.1 气样采集

石西区块在区内西部埋深较大，以砂岩气为主;东部埋深相对较浅，以煤层气为主。根据测井及试井数据，区内含气砂岩层主要分布在石盒子组的盒8段、山西组的山2段和太原组，煤层气井抽采层位为8号和4号煤层(图3)。

采集了区块内25口气样(煤层气井2口，其余为砂岩气井)，每口井每次采集2个样品为平行样，每月采集1次，采集3次，共采集81个气样，得到气样的化学组成(表1)。气体化学组分测试分别由山西省地质矿产研究院、中国科学院西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成，氦同位素分析由西北生态环境资源研究院油气资源研究中心完成。其中，山西省地质矿产研究院采用Agilent 7890B气相色谱仪进行天然气组分分析，油气资源研究中心采用Nobleless SFT型稀有气体质谱仪完成氦含量和同位素测试，测试条件、方法及精度参见文献[4]。

2.2 气样中氦体积分数

测试发现，石西区块煤层气和砂岩气样品中均有氦气显示，氦气体积分数分布在0.01%～0.23%，多为0.05%～0.15%，为含氦天然气(图4，表1)。其中，SX-17,SX-T-06-H1两口井氦气体积分数超过0.20%，达到0.23%，产气层位分别为石盒子组、山西组砂岩和太原组8号煤层。

图4 石西区块样品中氦体积分数Fig.4 Helium volume of gas in Shixi area

3 氦气成因与来源探讨

3.1 氦气成因

自然界中氦有3种来源:一般认为，壳源氦气3He/4He同位素比值0.02×10-6，幔源氦为1.1×10-5，大气氦为1.4×10-6[5,7,15]。测试结果显示，石西区块天然气样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值为0.01～0.08，平均0.025(表1)。这一分布范围，与DAI等[11]总结的鄂尔多斯盆地94个气样(3He/4He值0.03×10-6～0.12×10-6，R/Ra为0.022～0.085)及李玉宏等[7]测得的渭河盆地天然气样(3He/4He值0.021×10-6～0.761×10-6)氦同位素组成一致，与我国东部典型的天然气氦同位素组成存在显著差异(图5)[5,11,16]。陶明信等[6]得到苏北地区南部万金塔构造区域上氦气的同位素值为6.3×10-6～7.2×10-6，其中幔源氦体积分数为60%～70%;渤海湾盆地内氦气3He/4He比值最高为52.4×10-8，R/Ra值为0.01～6.45，其幔源氦体积分数超过80%[11];三水盆地二氧化碳气藏伴生氦气的同位素比值为1.6×10-6～6.39×10-6，R/Ra值为1.143～4.56，幔源氦体积分数可达56%。相较于幔源氦气，壳源氦气的3He/4He同位素和R/Ra值均偏低，四川盆地威远气田中氦气3He/4He同位素值在1.8×10-8～3.03×10-8，R/Ra值为0.01～0.02[9];渭河盆地天然气样中氦气3He/4He值为0.021×10-6～0.761×10-6，R/Ra值为0.03～0.56[7]。与之对比，石西区块内的氦均属于典型的壳源成因气，没有来自幔源的氦。

壳源氦气主要来自于地壳中放射性元素U和Th的衰变[17-19]。氦气生成以后运移，与地层中石油、天然气、热水等混合，形成含氦～富氦气田。含氦天然气田分为壳源同源型、壳源异源型和壳幔复合型[18]。为此，石西区块天然气中氦气的来源与其他层系岩石中放射性元素衰变生成的氦气有关，可能属于壳源异源型。

3.2 氦气来源

我国壳源氦气大多位于中西部地区，东部郯庐断裂带两侧的氦气以幔源成因为主，壳源成因为辅[1,19-20]。壳源氦气生成通常与基底的古老变质岩、混合岩、花岗岩等有关[2,11-12,20]。氦气生成后，与天然气一起通过运移通道发生运移，在有利圈闭条件下聚集成藏。即，壳源含氦天然气藏的形成与富放射性元素的岩体分布、断裂及圈闭条件有关。

航磁异常图显示，在山西中北部北纬38°带附近存在一个局部正磁异常带，兴县附近的异常高值区与出露的紫金山岩体相对应(图6)[21]。石西区块位于兴县异常区南缘，异常值在100～150 nT，推测该区域高的磁力异常高可能是由于在其深部存在燕山期的隐伏岩浆岩体或磁性基底。

石西区块东北部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带(距今180～100 Ma)，该岩带之北百余公里发育燕山期紫金山碱性岩体(图7)[22]。紫金山岩体由二长岩、霓辉正长岩、暗霞正长岩和霓霞钛辉岩呈环带组成复式岩体(距今158.0～130.4 Ma[22-24])，与尖家沟金伯利岩同源，构成二长岩-碱性岩-金伯利岩组合的金伯利岩建造[24]。中国陆壳中U,Th元素的平均丰度分别为0.83×10-6～1.76×10-6和3.16×10-6～6.69×10-6[25]，紫金山岩体U丰度在0.36×10-6～2.36×10-6，Th丰度为0.89×10-6～9.73×10-6[22]，可以看出，紫金山岩体中的U,Th丰度较高，部分高于地壳丰度，表明岩体中的U,Th元素可以作为放射性衰变产生氦气提供来源。因此，石西区块氦气的可能来自于深部燕山期岩浆岩体的放射性元素衰变。

表1 石西区块天然气中氦气体积分数及同位素特征Table 1 Helium volume contents and isotopic values in nature gases from Shixi area

图5 氦体积分数-氦同位素关系及与我国其他盆地的对比[5,11,16]Fig.5 Relation of the helium volume fraction-helium isotope and comparison of other basin in China[5,11,16]

图6 山西省及其邻区航磁异常[21]Fig.6 Aeromagnetic anomaly of Shanxi Province and its adjacent areas[21]

1—超壳深断裂;2—壳内深断裂;3—地幔次级隆起轴;4—地幔次级坳陷轴;5—磁性基底层隆起轴;6—磁性基底层坳陷轴;7—燕山早期中碱性岩群;8—燕山早期碱性岩;9—燕山早期金伯利岩;10—研究区范围图7 石西区块及周边地区深部构造[22]Fig.7 Deep structure sketch map of Shixi area and its adjacent areas[22]

3.3 氦气聚集与保存条件

断裂是氦气富集的重要原因，在地应力活跃地区的地质体会释放出氦气，并造成局部范围的聚集[7,19]。在研究区西部吴堡地区，可能存在断距较大的断裂构造[3,26](图1)。深部构造图显示，石西区块东西两侧存在地幔次级隆起轴和地幔次级坳陷轴，北东部发育一套以离石为节点的三联结构超壳/壳内深断裂系(图7)。石西区块深部存在的富含放射性元素的岩浆岩体不断衰变生成氦气，氦气沿断裂带产生的裂隙不断运移，这些断裂构成氦气运移的通道。区域范围内地层向西倾斜，地下水自东部露头区补给而向西顺地层流动，推测离石断裂带是深部氦气向上运移的主要通道，氦随地下水运移，在地下水滞留区富集。

除岩体和构造外，保存条件对氦气富集也至关重要。石西区块含气层发育在上古生界，中生代下三叠统刘家沟组和和尚沟组、中三叠统纸坊组、中-上三叠统延长组为区内气藏的主要盖层。石西区块含氦气藏形成可能是多套盖层累加封盖的结果，阻止了气体上移扩散，形成有效气藏。

4 结 论

(1)天然气组分测试结果表明鄂尔多斯东缘中部石西区块天然气中氦气体积分数为0.02%～0.23%，平均0.089%，部分气样潜在工业开采利用价值。天然气氦稳定同位素组成3He/4He为0.02×10-6～0.05×10-6，R/Ra值为0.01～0.02，属于典型的壳源氦。

(2)石西区块东部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带，该岩带之北百余公里发育与其同源的燕山期紫金山碱性岩体。物探资料显示石西区块基底存在与花岗岩有关的磁性体，表明石西区块内的壳源氦气主要来源于尖家沟-紫金山岩体深部放射性元素衰变。区块东部离石断裂带可能提供了氦气运移的主要通道，多套储盖层组合为氦气的保存提供了良好条件。

(3)鄂尔多斯盆地在适宜的地质条件下可以形成富氦天然气，其富集成藏条件的研究将丰富和发展氦气成藏理论。