塔里木盆地中石化探区含氦气藏资源调查研究*

韩 强 耿 锋 虎北辰 高山林 金仙梅 王玺童 李振宇

1 中国石化西北油田分公司勘探开发研究院，新疆乌鲁木齐830011

2 中国石油化工股份有限公司油田事业部，北京100728

1 概述

氦气是一种重要的稀有战略资源，在航天工业、深海潜水、科研、医疗等高新技术产业的发展中有不可替代的作用（秦胜飞和李济远，2021；张哲等，2022）。中国氦气产量很低，供应几乎完全依赖进口，资源安全形势十分严峻（张哲等，2022）。目前，世界范围内尚未发现以氦气为主的天然气聚集，而是伴生于载体天然气气藏中（李玉宏等，2022）。从天然气藏中提取氦气是全球范围内唯一的工业化来源，因此对已发现天然气藏的氦气资源调查评价意义重大。美国地质调查局（USGS）将氦含量大于0.1%（摩尔分数）的天然气资源称为含氦天然气资源，氦含量大于0.3%（摩尔分数）的资源称为经济可采资源（张哲等，2022）。自然资源部油气资源战略研究中心开展“十三五”资源评价时，将天然气组分中含氦量达到0.1%及以上的气藏称为含氦气藏。塔里木盆地天然气资源丰富，从“八五”至今，已有不少专家学者对塔里木盆地氦气成因、富集规律及氦气远景做过研究，取得了一系列成果及认识。邓树立（1995）对塔里木盆地北部雅克拉S5井（白垩系）、SC2井（奥陶系），沙西地区S10井及桑塔木地区（三叠系）等的天然气藏氦气含量进行检测，其氦含量高达0.23%～0.61%，达到了工业利用标准。常兴浩和宋凯（1997）对巴什托构造石炭系小海子组高氦气藏成藏机理浅析，认为巴什托小海子组小海子组高氮高氦气藏的形成与张（扭）性断裂深切下地壳，大量基性岩浆侵入或喷发有关。余琪祥等（2013）从综合利用氦气资源考虑，对塔里木盆地西北部氦气富集特征和成藏条件进行了分析，认为雅克拉、巴什托和亚松迪等油气藏天然气组分中氦气含量较高，具有工业利用价值。陶小晚等（2019）通过对和田河气田及周缘11口井天然气样品精细取样、分析，首次发现和田河气田为富氦气田，氦气体积含量为0.30%～0.37%（平均0.32%），折算氦气探明储量1.959 1×108m3，是中国发现的首个特大型富氦氦气田。虽然取得上述成果，但尚未对塔里木盆地进行过系统的氦气资源调查研究，氦气富集规律不清，同时受检测方法和勘探研究程度所限，相同地区、相同类型油气藏在不同年份的检测结果差异较大，影响了氦气资源评价。为了进一步评价中石化探区氦气资源潜力，本次研究系统采集了中石化探区9个气藏22个样品，并对其氦气含量进行检测，在数据成果基础上，对氦气富集机理的研究，用来指导后续对氦气未发现资源的评价。

2 样品采集与实验方法

2.1 样品采集

中石化西北油田在塔里木盆地沙雅隆起、顺托果勒及巴楚隆起等多个区带的不同勘探层系中发现大小天然气藏20余个，探明储量超过1000亿立方米。为全面客观探索塔里木盆地含氦气藏成藏模式，采取“应采尽采，能测尽测”原则，对研究区范围内油气藏进行全覆盖取样。因部分油气藏生产井关停或封井，部分地区未能取到天然气样品，最终采集9个油气藏，5个层系的22个样品。其中天山南缘区块4个气藏8个样品，塔河区块5个气藏9个样品，顺北区块1个气藏4个样品，巴什托区块1个样品（图1）。考虑到气源地离实验室距离远的因素，天然气样品主要采用钢瓶来采集保存，确保运输过程安全。

图1 塔里木盆地中石化探区氦气资源调查样品分布及样品清单Fig.1 Distribution map and sample list of helium gas resources in Sinopec exploration area，Tarim Basin

2.2 实验方法

天然气中氦气含量和同位素分析应用天然气中稀有气体浓度与同位素比值联测仪器，该仪器由中国石化油气成藏重点实验室自主研发，能满足各类天然气体样品的分析。天然气样品直接接入稀有气体纯化富集前处理装置，通过物理和化学手段去除烃类气体和无机类等活性气体，得到稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe混合气体，送入四极杆质谱进行组分定量测定，随后利用5种稀有气体组分在不同温度点的吸附性能差异进行分离，通过扩散平衡转移，送入稀有气体同位素质谱计分别测定He、Ne、Ar、Kr、Xe同位素比值。其中稀有气体纯化富集前处理装置能够实现超高真空（10-10mbar）条件下痕量稀有气体高度纯化（＞99.9%）；四极杆质谱仪质量数范围1～200 aum，电子倍增器40Ar检测灵敏度不小于0.18 A／mbar；稀有气体同位素质谱仪（Noblesse质谱仪）质量数范围1～200 aum，法拉第杯检测4He灵敏度不小于0.15 A／bar，法拉第杯检测40Ar灵敏度不小于1.0 A／bar，电子倍增器—离子计数组成的多接收检测系统中同轴电子倍增器的质量分辨率大于700 M／dM。

天然气中稀有气体含量和同位素比值测定采用峰高比法，参照《稀有气体同位素比值质谱测定方法：SY／T7359-2017》。实验应用纯化富集后的气体样品通过双阀截取少量待测混合气体，送入四极杆质谱进行质量数扫描，通过组分分压计算定量气体组分，其中计算稀有气体组分所占待测气体总量应不小于95%。随后气体送入Noblesse同位素质谱仪进行稀有气体同位素比值测定，过程中将工作标准空气、待测样品交叉进行分析，同时保证分析流程的一致性，依据空气的检测结果对样品稀有气体各组分同位素比值测量结果进行校正。

3 数据结果分析

3.1 氦气含量测定

巴什托地区BK3井巴楚组天然气样品2次测定的氦气含量为0.103%、0.116%，达到了含氦气藏的标准；顺北地区奥陶系天然气样品氦气含量在0.026%～0.151%之间，仅1个样品达到含氦气标准。塔北地区震旦系—古近系32个天然气样品的氦气含量在0.01%～0.08%之间，均未达到含氦气标准（表1）。

表1 塔里木盆地中石化探区氦气样品检测结果Table 1 Statistics of helium sample test results of Sinopec exp loration area in Tarim Basin

3.2 与前人数据的对比分析

统计前人氦气研究数据成果发现，氦气测定方法主要有2种，早期主要使用使用色谱法，而近年来采用质谱法检测天然气样品氦气浓度。色谱法分析天然气成分时，通过色谱仪的定量管将待测天然气样品送进气相色谱仪的进样口，各类组分被送进色谱柱分离后检测分析（余琪祥等，2013）。质谱法则是将自制的稀有气体浓缩装置与质谱仪联用，利用活性炭、锆铝吸附剂等将天然气样中活性气体吸附，再对纯化浓缩后的气样进行检测（陶成等，2014）。就方法原理而言，色谱法进样系统为非真空进样，质谱法采用真空进样系统，而当天然气样品中混有氢气时，由于氢气与氦气的热导率和相对分子质量十分接近，会对氦气含量检测产生严重干扰。从前人氦气含量检测结果对比来看，相邻地区相同类型油气藏色谱法氦气含量检测结果明显高于质谱法，且样品数量较多的区域，色谱法检测结果上下限差异巨大，如轮南三叠系氦气含量最小值为0.03%，而最大值可达0.93%（图2）。造成这种差异的原因可能是部分样品中恰好混入氢气，导致整体结果偏高。

图2 塔里木盆地色谱法与质谱法氦气含量检测结果统计Fig.2 Statistics of helium content detection results by chromatographic method and mass spectrometry in Tarim Basin

通过对比方法原理和检测结果，可以看出质谱法检测结果相比色谱法具有更高的可靠性，因此本次研究将76组质谱法检测结果纳入使用范围，包括刘全有等（2009）、陶成等（2014）、陶小晚等（2019）的成果数据。筛选出的76组数据和本次测定的共计30组结果，形成高可靠性数据106组，分布于库车、塔北、顺北、塔中、塔西南地区，涉及塔里木盆地8个含油气层系。

从数据检测结果的分布来看，106组数据中，达到工业标准的（He（%）≥0.1%）的数据共计15组，主要分布于塔西南和顺托果勒2个地区；塔北广大地区天然气藏氦气含量均未达到工业标准，呈现出了良好的规律性（图3）。

图3 塔里木盆地可靠氦气含量数据达标情况分布Fig.3 Distribution diagram of reliable helium content data compliance in Tarim Basin

3.3 氦气以壳源氦占绝对优势

自然界中的氦气来源主要有壳源氦、幔源氦和大气氦3种成因（李玉宏等，2022）。3He和4He成因差异为氦气来源提供了判断依据，可以根据两者比值确定氦气来源，大气源的3He／4He值为1.4×10-6，壳源3He／4He值为2×10-8，幔源的3He／4He值为1.1×10-5（陶成等，2014）。氦同位素分析化验结果表明，塔里木盆地壳源氦占绝对优势，部分地区（雅克拉、巴什托等）混有微量幔源氦，含量仅为1.6%（表1；图4）。

图4 塔里木盆地氦同位素检测结果Fig.4 Helium isotope detection results in Tarim Basin

4 氦气成藏主控因素探讨

含氦气藏中的He成藏必须具有3个必要条件：（1）有效氦源（花岗岩、变质岩、地幔玄武岩等）；（2）高效运移通道（存在通源断裂）；（3）稳定的保存条件，形成氦气富集的气藏载体（何发岐等，2022）。本研究结合不同区带天然气藏的地质特征，对氦气主控因素进行讨论。

4.1 深部岩浆岩为氦气富集提供物质基础

盆地基底、岩体、沉积地层都可成为潜在的氦源，但多数地质体都是“贫乏”的氦源岩，需要巨大的岩石体积和漫长的地质时间来产生He。富氦天然气的形成需要再配备生氦能力较好、但不生烃或弱生烃能力的外部氦源岩，例如花岗岩、铝土岩等。已知世界上大多数氦气田下部均有巨大、古老的花岗岩体，这些岩体可能是氦气的有效源岩。富氦天然气的形成一般与下部古巨大、古老的花岗岩有关，如美国Panhandle-Hugoton、Cliff-side气田，四川威远气田、鄂尔多斯东胜气田等（李玉宏等，2022）。

4.1.1 塔西南—塔中地区深层岩浆岩发育

前人对塔里木盆地周缘露头研究表明，塔西南地区深部发育多套岩浆岩或变质岩体。塔西南地区的赫罗斯坦群是一套变质的侵入杂岩，其岩石组成主要为斜长角闪岩、花岗闪长岩、含角闪石二长花岗岩和二云母花岗岩，形成时代为2.3～2.4 Ga（张传林等，2006）。在西昆仑的铁克里克等基底，对卡拉喀什群和塞拉加兹塔格群中的变质火山岩及火山碎屑岩锆石SHRIMP测定显示，其锆石年龄存在1000Ma左右年龄，最年轻的锆石年龄在800Ma左右（王超等，2009），表明存在中、新元古界岩浆活动。随着油气勘探的不断深入，塔里木盆地内部越来越多钻井不同程度地揭示了盆地基底，为基底研究提供了依据。塔深1井底部发现了闪长岩和花岗闪长岩，其年龄分别约为900Ma和1200Ma，说明塔里木中部地区曾发生过晋宁造山运动，被卷入过广泛的晋宁造山带（李曰俊等，2005）。

4.1.2 塔北地区以变质基底为主，局部发育元古界岩浆岩

塔北地区钻井揭示其前震旦基底主要为阿克苏群，由含蓝闪石片岩、阳起石片岩、绿帘阳起片岩和钠长石英片岩组成，其原岩为火山岩和火山碎屑岩（邬光辉等，2007）。局部发育岩浆岩，如塔西北的三道桥地区沙53井、桥古2井等钻遇的前震旦纪花岗岩的变质年龄在1.8Ga（韩强等，2017b）。值得注意的是桥古气田下伏地层就是这套花岗岩（韩强等，2017a），但本次1个天然气样品氦气含量为0.055%，未达到工业起算标准，其值与同一区带的雅克拉气田5个样品接近，并无异常。说明氦源岩是氦气富集基本条件，但不是唯一条件，氦气富集还与其他条件有关。

从塔里木盆地古地磁异常分布情况来看，塔西南、塔中、塔东基底发育花岗岩、片麻岩可能与古地磁异常有关。巴什托—和田河达标氦气含量分布与该区航磁异常体有较好的一致性，航磁异常可能代表了其深部的太古宇—元古宇变质岩—花岗岩体（图5）。巴什托、顺北、塔北及库车广大地区均发育深大断裂（何登发等，2005），本次分析的天然气藏多数位于深大基底断裂附近，深大断裂为深层氦元素向上运移提供了有利通道（陶小晚等，2019）。

图5 塔里木盆地航磁等值线与达标样品分布Fig.5 Aeromagnetic isolines and distribution map of samples meeting standard in Tarim Basin

4.2 成藏期越早的气藏越有利于氦气富集

对于通过α衰变形成的壳源氦而言，生气强度低、周期长，与常规气藏相比是绝对的弱源气，如何保证弱源气在漫长的历史时期也被圈闭捕获成藏，是决定氦气是否富集的关键因素（李玉宏等，2022）。天然气的混入有利于溶解氦脱溶形成游离氦，因此天然气充注得越早，意味着越多的富氦水中的氦气可以加速脱溶，天然气充注结束之后，地层水的循环还可以不断补充氦气，使得天然气藏中氦气含量升高。塔里木叠合盆地天然气具有多阶段生烃和多期运移、聚集、调整和破坏的油气成藏特征，成藏期越早的天然气越有利于氦气富集。台盆区海相油气主要存在加里东晚期、海西晚期及喜马拉雅期等3期油气成藏过程（吕海涛等，2009）。塔北地区的雅克拉、桥古凝析气藏主成藏期在喜马拉雅中—晚期，距今14～5Ma、5～2Ma和2～0Ma，成藏期较晚。塔河地区的石炭系、三叠系及奥陶系天然气藏的成藏期在晚期中新世至上新世（12～2Ma），成藏期亦较晚。顺托果勒地区断控缝洞体油气藏的主成藏期在海西晚期（漆立新，2014；王玉伟等，2019）。巴什托油气田的主成藏期为海西晚期，喜山晚期分异调整改造，形成3个独立的油气藏。因此，相比而言，南塔里木盆地的天然气藏更有利于氦气富集。

4.3 保存条件差异是影响氦气富集的关键

氦气分子半径很小，仅为0.26 nm，是自然界中发现的分子半径最小的物质，（甲烷半径为0.42 nm），不易与其他物质发生化学变化，具有很强的扩散和穿透能力，因而氦气成藏相较于烃类对保存条件要求更加苛刻（卢雪梅，2022）。氦气的保存条件研究目前还没有定量化的评价标准，本研究主要讨论含氦气藏油气充注后的断裂构造活动对氦气含量的影响。

本次氦气测定结果含量达到工业标准的巴什托凝析气藏，断裂切穿寒武系沟通深部氦源，但消失于二叠系，未切穿上覆盖层。对顺北地区SHB1-3H、SHB5-5H、SHB5-11H、SHB5-12H等4口井分别取样，进行氦气含量检测，仅SHB5-12H井样品达标。

图6 塔里木盆地顺北地区过SHB5-12H（a）、SHB5-5H（b）和SBH 5-11H井（c）地震剖面Fig.6 Seismic profiles across wells SHB5-12H（a），SHB5-5H（b）and SHB5-11H（c）in Shunbei area，Tarim Basin

从过这些钻井的地震剖面中可以看到，氦气含量较高的SHB5-12H井断裂未断穿上覆桑塔木组巨厚泥岩盖层，而含量较低的SHB5-11H和SHB5-5H井断裂则切穿了桑塔木组，破坏了泥岩盖层的完整性。

塔北地区的塔河油田和雅克拉凝析气藏虽然局部盖层较发育，但塔北地区喜马拉雅晚期由于库车坳陷快速沉降，中新生界构造发生了“翘倾”作用，轮台断裂、桑塔木等基底断裂在新近纪康村组—库车组沉积期仍在活动，油气藏后期改造现象明显，不利于氦气保存，氦气含量均未达到工业标准（韩强等，2019）。前人曾对塔河油田周边的桑塔木、吉拉克和艾协克油田进行地表大气组分检测，结果显示，地表大气中氦气含量超标（邓树立，1995），这一现象也与保存条件差相吻合。

综上所述，塔里木盆地含氦气成藏富集主要受氦源、深大通源断裂、成藏期次、保存条件等因素共同控制。相比而言，塔西南、塔东、顺托果勒地区成藏条件相对较好。在常规天然气有利区，主要考虑断裂发育特征和埋深，兼顾油气充注期，综合认为顺托果勒低隆和麦盖提斜坡2个地区为含氦气藏较为有利区。

5 结论

1）塔里木盆地中石化探区9个油气藏、6个层系的22个天然气样品的氦气含量中，仅巴什托地区BK3井和顺北地区SHB5-12H井达到含氦气藏的标准，其余均未达到含气标准；同位素分布表明，大多数样品氦气来源为壳源氦，塔西南地区、塔河西部和雅克拉白垩系混有少量幔源氦，含量约为1.6%，与前人实验结果一致性较好，表明本研究实验方法与数据是可靠的。

2）质谱法检测结果相比色谱法具有更高的可靠性。色谱法进样系统为非真空进样，而当天然气样品中混有氢气时，由于氢气与氦气的热导率和相对分子质量十分接近，会对氦气含量检测产生严重干扰。因此前人采用该方法所测试结果氦气含量偏高。而质谱法采用真空进样系统，测试数据具有更高的可靠性。

3）结合前人研究成果认为，达到含氦气标准的样品大部分分布于巴楚南缘、顺北地区；含氦气成藏富集主要受氦源、深大通源断裂、成藏期次、保存条件等因素共同控制。含氦气藏深部岩浆岩或变质岩为氦气富集提供物质基础，巴楚—顺托果勒地区海西晚期成藏的气藏更有利于氦气富集，稳定的保存条件是氦气富集的关键。塔西南、塔东、顺托果勒地区氦气成藏条件相对较好，塔北地区相对不利。