咸阳地热田水溶氦气资源评价与开发利用前景分析

2021-11-06邹彦荣张瑾刘棣民陈淑惠

城市地质 2021年3期

邹彦荣张瑾刘棣民陈淑惠

摘要：近年来，在咸阳地热田资源开发利用过程中，发现地热水中普遍伴生有较高浓度的氦气（0.16%～3.00%）。多年监测结果表明，伴生的氦气资源分布范围广，含量高且稳定，表现出了较大的资源潜力。通过对咸阳地热田水溶氦气资源量的定量计算，得到咸阳市区水溶氦气资源量为10.92×108 m3，可采量为0.22×108 m3。认为咸阳市开发利用水溶氦气资源的优势显著，在咸阳率先开展水溶氦气提取试验及建立年产万方级水溶氦气先导性试验区，可为在渭河盆地建立我国氦气工业基地及热、矿、水综合开发利用起到示范作用。

关键字：水溶氦气;资源量;资源有利区;开发前景;咸阳地热田

Abstract： With the development and utilization of the geothermal field resources in Xianyang， it has been found that helium gas is generally associated with high concentration （0.16%-3.00%） in geothermal water. Years of monitoring shows that the associated helium resource has a wide distribution， high content and stability， indicating a great resource potential. Quantitative calculation of the water-soluble helium resource in Xianyang Geothermal Field presents that the water-soluble helium resource in Xianyang urban area is 10.92×108 m3， and the recoverable amount is 0.22×108 m3， demonstrating a significant advantage in the development and utilization of water-soluble helium resources in this area. Test extraction of water-soluble helium and trial production of water-soluble helium gas with an annual yield of 10，000 cubic meters in Xianyang can play an exemplary role for the establishment of China's helium industrial base and comprehensive development and utilization of heat， minerals and water in Weihe Basin.

Keywords： water-soluble helium gas; quantity of resource; resource favorable area; development prospect; Xianyang Geothermal Field

氦氣是重要的稀缺战略性气体资源，广泛应用于航空航天、工业、医疗、半导体等领域（张福礼等，2012）。我国氦气资源相当匮乏，含量很低，提取难度大，成本很高，仅少量来自四川盆地威远气田（氦含量0.18%），年产氦气3×104～7×104 m3 ，进口依存度达到98%以上，主要从美国、卡塔尔等地进口。随着我国经济社会的快速发展，对氦气的需求量越来越大（图1），2015年中国氦气市场消费氦气2837 t（约1593×104 m3），至2019年已增至4200 t（约2359×104 m3）。长期以来的供不应求和价格的不稳定性给我国相关行业的发展造成了一定影响，中美贸易战加剧了我国氦气资源、安全形势的严峻性，因此开展我国氦气资源的开发利用非常必要和紧迫。解决我国贫氦的根本出路，一是要发现新的氦气资源，二是要创新提氦技术。

长期监测结果表明，咸阳地热田伴生气中氦气浓度高，储量大（张瑾等，2020），但在近些年的地热开发中并未开展相应工作。若在后期将氦气作为地区伴生资源加以提取利用，对改变我国氦气资源紧缺的局面能够起到积极作用。

1 咸阳地热田地质概况

咸阳地热田所在的渭河盆地是一个新生代断陷盆地，地层系统具有二元结构，盆地内充填的全为新生代地层，前新生界是盆地的基底层系（罗璐等，2019）。

咸阳地热田位于渭河盆地西安凹陷北部缓斜坡带中、低断阶带内（邹彦荣，2009a;卢进才等，2005）（图2），横跨两个不同的基底构造和岩性单元，南北分界线为渭河北岸断裂。咸阳市区内主要分布有3条断裂带，分别为渭河北侧断裂带、长安-咸阳断裂和沣河西侧南北向断裂。地热及水溶氦气资源受断裂作用明显，断裂带两侧地热井普遍具有温度高、水量大、降深小、氦气浓度高的特点（张瑾等，2020;张文等，2018）。

咸阳地热田新生界以渭河北岸断裂为界，断裂以南地层发育比较完整且厚度较大，从老至新依为古近系红河组、白鹿塬组，新近系高陵群、蓝田灞河组、张家坡组，第四系三门组和秦川群，断裂以北缺失古近系（邹彦荣，2009b）。

目前地热田内有地热井60余口，通过对其中30余口地热井的井口水溶气样品气体组分的分析表明，地热井水溶气中含有较高含量（0.16%～3.00%）的稀有气体氦气。

2 水溶氦气资源评价

2.1 分布规律

（1）平面分布特征

通过对地热田30余口有取样条件的地热井水溶气组分分析表明，在35个样品中，氦气含量均超过0.1%氦气工业标准，其中氦气浓度大于1%的有26个，说明氦气在咸阳地区内广泛分布且浓度普遍较高。渭河北岸断裂带（F1）附近为氦气含量的高值区（图3），氦气浓度均大于2%，最高为xy013井（3.0%），表明该断裂对氦气分布的控制作用明显。以该断裂带为界，水溶氦气含量具有断裂带以北自北向南逐渐增大、断裂带以南自南向北增大，氦气浓度与断裂距离呈现出一定的正相关规律特征。

位于南部长安咸阳断裂（F2）和沣河断裂（F3）附近的地热井，氦气浓度均小于1%，与周边背景值基本相当，说明长安咸阳断裂和沣河断裂对氦气浓度影响较小。

（2）垂向分布特征

咸阳市区范围内古近系—第四系均存在，除第四系的三门组和秦川群以外，其他各组地层都可看作是地热井的取水层位（张雪，2015;卫万顺等，2020）。

在咸阳地热田内的xy031井钻凿过程中，中石化华北油气分公司采气二厂（三普）氦气项目组开展了氦气井中录井研究。使用DLH-1型氢氦检测仪，对该井现场的钻井泥浆液所含气体进行了实时分析与记录，取得了xy031井全井段完整的随钻泥浆气检测数据。

全井段氢氦检测仪取得张家坡组、蓝田—灞河组、高陵群共2235组数据，结合仪器精度（He≤50×10-6）把≥0.01%作为异常值进行数理统计，全井段共有异常点83个。

按异常点的分布情况划分出5个异常段，结果见表1。从表1可以看出，异常段位于新近系蓝田—灞河组（N2l+b）和高陵群（N1gl），该异常段也是本井的采水段。通过井口水溶气采样分析，水溶气中氦气含量2.484%，表明主力水层蓝田—灞河组和高陵群同时也是水溶氦气富集层位。

新近系张家坡组岩性以泥岩为主，砂层较少，埋藏浅，主要作为区域盖层，虽然从水溶气分析情况来看，也存在氦气显示，但氦气浓度普遍小于处于蓝田—灞河组和高陵群热储层。

2.2 成藏主控因素分析及成藏模式

2.2.1 成藏主控因素分析

研究表明，咸阳地热田的水溶氦气在隐伏燕山期花岗岩发育的地区（兴平—武功）形成后，首先赋存于花岗岩体自身的节理及裂隙中，然后随着热流体一起沿着深大断裂带以垂向输导作用为主向浅层运移，直到遇到物性较好的岩层，开始进行水平输导作用，向断层两侧的储层中运移聚集成藏（中国石油化工股份有限公司华北分公司，2008）。由于受到氦气源岩、运移通道（断裂构造）以及储集层的联合控制，本区氦气在沿渭河北侧深部断裂带两侧分布相对富集（张瑾等，2020）。

（1）燕山期花岗岩体分布对水溶氦气富集的控制。渭河盆地的氦气主要为壳源气，燕山期富铀花岗体不仅在盆地外围，特别是秦岭地区广泛分布，而且在盆地内也存在一批隐伏在盆地深部的花岗岩体。位于咸阳市区西侧的武功—兴平一带就存在一个隐伏花岗岩体，该区域内地热井水溶氦气的浓度普遍较高，如兴平市的华兴金浪地热井，水溶氦气含量3.42%。而目前已发现的高水溶氦气井（泉），如渭深十三井（4.14%）和蓝田峪后泉（3.59%）则与靠近秦岭山前广泛分布的花岗岩体有关（中国石化华北石油局三普石油工程公司，2010）。

（2）深大断裂对水溶氦气富集的控制。氦气的生成、运移、聚集和保存等整个成藏过程均受气源断裂体系的控制，氦气的聚集与深大断裂带的展布关系密切，其分布明显受控于区域性大断裂。咸阳地热田地热井普遍具较高含量水溶氦气，尤其是断裂带两侧的地热井，氦气浓度均大于2%，明显受渭河北侧断裂带控制和影响。

（3）储层岩性对水溶氦气富集的控制。渭河盆地发育巨厚的新生代沉积地层，河—湖相的蓝田—灞河组、高陵群为地热水、水溶氦气的主要储集地层，这些富集层段岩性基本以含砾中、粗砂岩为主，孔隙度、渗透率较高。

2.2.2 成藏模式

根据中石化华北油气分公司采气二厂（三普）研究成果，盆地中深层地热水水溶氦气成藏类型有深大断裂带对流型、断块对流-传导复合型、断阶传导型、凹陷传导型等4种水溶氦气成藏类型。咸阳地热田主要存在对流型和传导型两种成藏模式。其中对流型水溶氦气成藏类型主要分布在渭河北侧断裂带附近，该断裂为一高角度的正断层，活动历史长、切割深度大，在武功—兴平地区紧邻隐伏花岗岩分布区，有利于热流体的运移和富集，热流体以断裂破碎带为热储空间，沿着断裂带呈条带状分布，对水溶氦气的运移和储集起到了重要作用。在咸阳地热田内除去沿渭河北侧断裂分布的对流型正断层圈闭成藏外，其他地区都属于传导型水溶氦气成藏类型。咸阳地热田所处的北部缓斜坡中断阶带和低断阶带，都是在断裂活动和地层超覆的联合作用下形成的，可形成较好的地层圈闭，该区域的传导型热储不仅受沉积相带的控制在平面上广泛分布，在纵向上也呈多层楼式的错列叠置，储集性能较好。

2.3 有利区预测

通过采样分析表明，咸阳地热田内氦气主要富集区分布在渭河断裂两侧，东西长度约14 km，南北寬度2～3 km，面积30 km2范围内，主要包括xy010、xy013、xy012、xy022、xy023、xy011、xy028井等。位于长安咸阳断裂和沣河断裂附近的地热井，氦气浓度基本小于1%，与周边背景值基本相当（张瑾等，2020）。

通过对咸阳地热田水溶气含量及氦气含量（浓度）分布情况叠合（图3）表明，地热田内水溶气产量存在2个高值点，分别位于xy039井附近和xy013井附近。氦气浓度最大值位于xy013井、xy028井和xy008井附近。综合考量认为，就目前地热田地热资源开发现状而言，渭河断裂南侧xy013井附近地区最有利于开展水溶氦气提取工作。

2.4 水溶氦气资源量计算

咸阳市区构造单元为两分区，渭河北侧断裂以北为中断阶带，面积141 km2，以南为低断阶带，面积159 km2，2个区合计面积300 km2。中、低断阶带地层埋深、厚度、储层物性都有较大的差异，对这2个区的资源量进行分别计算。

由于水溶型氦氣资源属于新领域、新发现，目前普遍采用的计算方法主要是两种，一种是水溶氦气计算法：根据盆地现存地热流体的储量、气水比、氦气体积分数估算盆地内氦气资源量，其计算的资源量是一种运移富集量，可作为氦气藏的预测储量;另一种是铀放射性衰变计算法：根据放射性衰变原理，对潜在氦源岩的铀钍含量、有效体积、岩石密度和放射性衰变时间进行测定和合理估算，计算得出盆地内从不同时期开始氦气的生成量（中国石化华北石油局第三普查勘探大队，2006），其计算的资源量是一种生成量，可作为盆地氦气评价的资源基础。本文采用第一种方法进行计算。地热开发主要集中在蓝田—灞河组和高陵群两个热储层，因此主要对这两个储层水溶氦气资源量进行计算。

2.4.1 地下热水资源量定量评价

采用静态储量法进行储量计算，静储量法是通过选择合理的计算参数和公式，计算地热流体的总容量，再乘以回收率，获得地热流体可开采量数据的计算方法。

（1）静储量计算公式

式中，Q静为地下热水的总静储量（m3），Q总量为地下热水的总容量（m3），Q弹为地下热水的总弹性量（m3），A为热储面积（km2），d为砂岩厚度（m），Φ为岩石孔隙率（%），μ*为弹性释水系数，△h为从热储层顶板算起的水头高度（m）。

（2）地热流体可采量计算公式

式中，Qwh为地热流体可采量（m3），RE为回收率（取经验值2%），为地下热水的总静储量（m3）。

（3）弹性释水系数μ*的计算

式中，Pw为水密度（kg·m-3），g为重力加速度（m·s-2），Φ为岩石孔隙率（%），Ct为热水总压缩系数（Pa-1），d为砂岩厚度（m）。

新近系地热流体总压缩系数采用《咸阳市区地热资源详查报告》中的经验值（陕西地矿局区域地质矿产研究院，2005），弹性释水系数根据上述公式可求得。

综合以上计算公式，可求得咸阳地热田流体静储量和可采量，计算结果见表2。

由表2可知，北区蓝田—灞河组和高陵群热储层总静储量为181.1×108 m3，可采储量为3.63×108 m3;南区蓝田—灞河组和高陵群热储层总静储量为166.5×108 m3，可采储量为3.33×108 m3。

由此可得咸阳地热田蓝田—灞河组和高陵群热储层总静储量为347.6×108 m3，可采储量为6.96×108 m3。

2.4.2 水溶气资源定量评价

根据2015年4月在位于周至县的渭新1井开展的地热、水溶氦气综合测试数据，测试目的层为蓝田—灞河组和高陵群，测试段位于2382～3314 m，平均测试深度2848 m，测试求得1 m3水可溶解约2 m3水溶气。该井与咸阳地热田井都位于西安凹陷内，依据类比法，按享利定律：“一定体积的液体中所能溶解一种气体的重量同施加于此气体压力成正比”，由此求得北区蓝田—灞河组（平均开采段1707 m）1 m3地热水中溶解气的含量为1.2 m3，高陵群（平均开采段2486 m）1 m3地热水中溶解气的含量为1.7 m3;南区蓝田—灞河组（平均开采段2417 m）1 m3地热水中溶解气的含量为1.7 m3，高陵群（平均开采段3214 m）1 m3地热水中溶解气的含量为2.3 m3。

由此得到咸阳地热田蓝田—灞河组和高陵群储层水溶气资源量为557.12×108 m3，可采量为11.15×108 m3（表3）。

其中北区蓝田—灞河组和高陵群储层水溶气资源量为238.97×108 m3，可采量为4.79×108 m3;南区蓝田—灞河组和高陵群储层水溶气资源量为318.15×108 m3，可采量为6.36×108 m3。

2.4.3 氦气资源定量评价

在求得本区水溶气预测储量和预测可采量的基础上，依据实测的氦气在水溶气中百分含量，可进一步测算氦气的预测储量和预测可采量。根据开采蓝田—灞河组和高陵群热储地热井的水溶氦气分析结果，北区水溶氦气平均含量为2.53%，南区氦气平均含量为1.53%。由此得到咸阳地热田蓝田—灞河组和高陵群储层水溶氦气资源量为10.92×108 m3，可采量为0.22×108 m3（表4）。

2.4.4 单井资源评价

前期试验表明，通过目前现有技术，在xy013井进行的水溶氦气提取试验装置可以达到将井口水溶氦气从2.7%左右提浓到50%左右，氦气回收率达到85%左右。本文根据该试验数据进行资源评价。

（1）资源计算

根据试验期间统计数据，本次计算按照xy013井平均出水流量100 m3·h-1，取水时间一个采暖季（4个月），水溶气浓度20%，氦气浓度2.7%进行资源量计算。

取水量：100 m3·h-1×24 h×120 d=288 000 m3;

水溶气量：288 000×20%=57 600 m3;

理论氦气产量：57 600×2.7%=1555 m3。

由此可以看出，xy013井一个采暖季的理论氦气产量为1555 m3，生产中考虑施工天数和回收率影响，实际氦气产量以1102 m3计算（回收率按理论产量的85%，生产天数按100 d计算），则实际如建成年产万方的氦气试验区，则需要10余口井。咸阳地热田内目前已有60余口，如将井口水溶气回收后，统一汇集在提取试验站进行提浓和提纯，在咸阳建成“年产万方级水溶氦气先导性开发试验区”从资源基础上看是可行的。

（2）经济性分析

水溶氦提取装置（ 90%纯度粗氦）总能耗为8.8 kW·m-3，以处理能力120 Nm3·h-1（年产万方级90%粗氦）核算：装置投资以350万元计，寿命10年，水溶氦提取成本43元·m-3。

目前纯氦气的市场价格大致为200元·m-3左右，90%粗氦价格也在100元·m-3左右，在咸阳市开展水溶氦气工业化提取，从经济上分析是可行的。

此外，从水溶氦的成因可以看出，氦气与地热往往“相伴而生、互相依存”，它只是地热水中水溶气的一种，在咸阳建成万方级试验基地，可创新“地热+氦气”开发利用新模式，提高地热开发经济效益，为推动渭河盆地地热、水溶氦气资源的综合开发利用起到示范作用。通过渭河盆地氦气资源的开发，为解决我国贫氦资源问题做出贡献，具有很好的社会效益和经济效益。

3 开发利用前景

3.1 咸阳市开发利用水溶氦气资源的优势

在咸阳市开发利用水溶氦气资源，具有资源、技术、经济和政府扶持等多方面的优势。

（1）水溶氦气浓度普遍较高

咸阳市34口地热井水溶气组分分析表明，水溶氦气含量0.16%～3.0%，均超过0.1%的工业品位标准，平均氦气含量达到1.76%，是水溶氦气提取的有利条件。

（2）地热开发程度较高，可供利用的地热井资源多

目前咸阳市区有地热开发井60多口，在摸清每口井的氦气资源、热水资源的情况下，可优选水溶气量大、氦气浓度高的地热井进行综合开发利用。

（3）前期地热井水溶氦气试验取得成功

2015—2016年，三普石油工程公司与中科院大连化物所膜技术国家工程研究中心合作，共建一套水溶氦气提取试验装置，完成了渭新1井和xy013井的水溶氦气提取/提浓试验，氦气富集后浓度≥50%左右、回收率≥85%左右，为进一步优化低成本的氦气提纯工业化装置和开展年产万方级水溶氦气提取先导性开发试验，推动地热井水溶氦气资源的开发利用打下了基础。可依托前期建成的水溶氦气提取试验装置（平台），在xy013井开展水溶氦气提取（提浓/提纯）和年产万方级先导性开发试验，试验一旦取得成功，就可进行推广应用。

（4）资源类型多，可进行多种资源共同开发，综合利用

从咸阳市区水溶气组分分析表明，市区内部分井甲烷气和二氧化碳气浓度很高，具有开发利用的价值，通过 “地热+气（氦气、甲烷、二氧化碳）”的综合开发利用模式，可显著提高地热产品的经济附加值。

（5）政府重视，支持力度大

咸阳市委市政府领导始终对地热资源的开发利用十分重视，2006年在咸阳建成中国第一个“地热城”。咸阳市科技局、国土资源局、地热办公室等政府部门及咸阳地热协会、市老年科协对地热水溶氦气资源的评价研究和提取技术试验始终给予了大力支持和关注，协调解决面临的实际问题。地方政府的支持和指导是项目顺利开展和取得突破性成果的有利保证。

3.2 咸阳市开发水溶氦气的模式

咸阳市水溶氦气资源的开发可考虑采用两种模式，一种是盆地现有地热井水溶氦气资源的提取。依托目前已有的地热井口，采用多井气水分离，集中提取的方式;另一种是氦气田的开发。开发氦气专属井，优选氦气浓度高、气量大的地区，钻凿一批氦气井，整合资源，形成氦气田。目前首先要利用好现有地热井资源提取氦气，坚持走“地热+氦气”的地热综合开发利用之路，先开展先导性开发试验，建立示范区，然后再推广。这一步现实可行，投入成本不大，容易组织实施。

3.3 水溶氦气的开发利用意义和前景

氦气是稀缺资源，在国防和高科技领域具有重要的用途，目前，国内外消费的氦主要来自含氦天然气。我国氦气资源相当贫乏，含量很低，提取难度大、成本很高，大部分氦气依赖进口。

要摘掉贫氦国的帽子，一是要发现新的氦气资源，二是要创新提氦技术。渭河盆地地热水资源是热、矿、水于一体的综合性资源，目前整个渭河盆地有地热井300余口，据初步统计，目前渭河盆地地热井每年流失的氦气至少在20万方以上，以每方纯氦200元计算，就可产生4000万元以上经济效益。如果未来实现氦气田的开发，建成年产100～1000万方级氦气产能规模，社会效益、经济效益将会大大提高。它的综合开发利用必将改变我国“贫氦”资源和产品主要依靠进口的现状，为打破美国氦资源一家独大的局面做出贡献，对我国国防安全和经济建设具有重要的现实意义和战略意义。

4 结论

（1）咸阳地热田中水溶氦气主要富集区分布在渭河北侧断裂两侧，东西长度约14 km，南北宽度2～3 km，面积約30 km2，含氦气储层与主力热储层相同，为新近系蓝田—灞河组和高陵群。

（2）计算咸阳地热田（300 km2）2个主力热储层的水溶氦气资源量为10.92×108 m3，可采量为0.22×108 m3。

（3）在咸阳地热田开展水溶氦气提取，建设“万方级水溶氦气提取试验基地”，从资源、技术、经济效益情况综合考虑是完全可行的，在咸阳率先开展水溶氦气提取工艺技术及建立开发利用示范区，可为在陕西渭河盆地建立我国氦气工业基地及热、矿、水新能源综合开发利用打下基础。

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