壳源氦气成藏主控因素及资源评价方法研究

Crustal helium: Accumulation controlling factors and resource evaluation methods

摘要

当前国内外尚无系统的氦气资源评价方法以及针对性的参数取值标准。通过天然气和氦气的成藏要素对比,明确了载体气和壳源氦气的异源同储、同源同储和同源异储3类共生关系,以及壳源氦气成藏的8个关键因素。构建了4类10种氦气资源分级分类评价方法,其中含量法包括5个亚类,统计法包括1个亚类,类比法包括3个亚类,成因法1个亚类,初步解决了氦气资源定量计算的难题。结果表明:高氦气含量的气藏一般为常压及低压气藏,氦气含量与氦源岩类型、铀钍含量和氦源岩规模3个参数呈正向关系,而与离主断裂距离、埋深和生烃强度3个参数呈负相关,适度的基底构造活动有利于氦气释放及富集。基于8类氦气成藏主控因素与氦气含量的定量关系,建立了氦气含量类比法。基于异源同储不同序的原理,构建了氦气资源规模序列法;基于放射性元素衰变释氦机理,建立了氦气成因法。氦气资源评价方法在国内外得到了较为广泛的应用,研究成果将为我国氦气储量规模发现提供了有效支撑。

关键词

载体气 / 共生关系 / 氦气含量 / 生氦法 / 规模序列 / 资源评价

Key words

carrier gas / co-occurrence relationships / helium content / genetic method / scale sequence / resource evaluation

0 引言

氦气具有广泛的工业用途和利用价值,是国防军工、航空航天、原子能、低温超导、深潜和激光等尖端科技不可或缺的稀有战略物资。氦气与天然气可以赋存于同一个圈闭中,但氦气的成因和运移与天然气存在许多不同,含氦天然气的成藏条件和成藏特征与常规天然气藏既有共性又有明显的差异^{[1⇓⇓⇓-5]}。一些有利于形成大型油气藏的高生烃强度地区,反而不利于氦气的形成与富集。而生烃强度相对低的隆起区则有利于氦气的形成与富集^[6-7]。油气与氦气成藏机理不同,因此氦气资源评价方法不能简单套用或直接引入油气资源评价方法^[8-9]。

国内外尚未建立有效的氦气资源评价方法体系。已有的方法主要是百分含量法,首先依据容积法、蒙特卡洛法、残烃法、热模拟法,灰色系统预测法、油田规模序列法及动态法计算天然气储量/资源,然后根据已发现氦气田氦气含量乘以天然气储量/资源量,即可得到氦气储量/资源量^[10]。目前国内外提及的百分含量法、放射性矿物半衰期及衰变公式、基于页岩\沉积岩伽马放射性的成因法和氦气生成速率法等评价方法^{[11⇓⇓⇓⇓⇓-17]},其参数和应用范围均具有一定局限性。前人曾对松辽、塔里木、柴达木及渭河等盆地不同类型氦气资源前景进行过定性描述^[10⇓-12]。此外,张雪^[13]曾应用铀钍放射性矿物半衰期及衰变公式计算渭河盆地水溶气中氦气资源,但未指明求取氦源岩体积的厚度、面积等计算参数的来源,氦气的初次运移和二次运移的运聚系数也缺乏依据,因此其资源量计算结果缺乏可靠性。Danabalan^[17]介绍了针对美国中肯塔基的氦气资源评价方法,他认为氦气与油气资源在运移聚集上具有相似性,存在着近乎一致的圈闭成藏要素,将氦源岩的自然伽马测井值参考标准为120~108 API,岩性以页岩为主,并据此绘制伽马放射性等值线图。在计算产氦源岩体积的基础上,利用Brown^[4]所建模型,以500 Ma为限,通过产氦源岩中铀、钍的含量进行分析,形成对氦气资源的基于成因的评价结果,以储层孔隙度10%为限(中孔隙度和低孔隙度的分界线),从而获得氦气储量/资源量。但实际的富氦储层主要以低孔低渗为主,使得氦气储量和资源量明显偏小,不具有推广价值。

本文针对无针对性的氦气资源评价方法、资源评价参数取值难等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,构建基于源储同生关系的4类10种氦气资源分级分类评价方法体系,解决了氦气资源分级分类评价的技术瓶颈。

1 氦气资源评价特殊性

1.1 特殊成藏机理

氦气与天然气形成条件和成藏要素的差异性表现在“源-运-聚”三方面的机理^[10,18-19](表1):一是氦气生成主要是U/Th元素物理衰变而成;二是氦气运移多为跨越不同构造层的较长路径输导体系;三是氦气聚集需要寄生载体气。两者的共性方面,主要表现在含气系统要素和成藏要素的共同性,同样具有从“从源到圈闭”的含(油)气系统的属性和条件,同样具有生、储、盖、圈、运、保6大类别成藏要素^[20],缺一不可。通过对比两者的成藏要素,氦气成藏的主控因素主要包括源岩类型、铀钍含量、源岩体积、氦气藏离主断裂距离、断裂活动次数、氦气藏埋藏深度、氦气藏压力、生烃(或无机气)强度8个参数^[21⇓-23]。

1.2 特殊源储共生关系

常见的天然气藏可分为常规碎屑岩气藏、常规碳酸盐岩气藏、火山岩气藏、致密砂岩气藏、页岩气藏、煤层气藏和水溶气藏7类。由于氦气只能寄生于载体气(天然气)内,因此载体气与氦气存在异源同储、同源同储和同源异储3类共生成藏机制。其中同源同储是指来自同一源岩或相近源岩的载体气和氦气聚集在同一圈闭中,如常规天然气田(藏)、非常规致密砂岩气藏等。异源同储是指如来自于不同源岩的载体气和氦气充注于同一圈闭中,例如多源充注的常规天然气田(藏)、非常规致密砂岩气藏等。同源异储指来自同一源岩或相近源岩的载体和氦气聚集在不同圈闭中,如水溶气藏(田)(图1)。而载体气类型可以分为烃类气和非烃类气(二氧化碳^[24]、氮气等),因此氦气与载体气的共生形式进一步可以细分为烃类与氦气异源同储、烃类与氦气同源同储、非烃类与氦气异源同储、非烃类与氦气同源同储、非烃类与氦气同源异储等5种。

1.3 分级分类资源评价方法

针对现有方法的局限性,根据载体气与氦气的共生关系、关键参数取值的难题,构建4类10种氦气资源评价方法(表2)。其中百分含量法包括5个亚类,统计法包括1个亚类,类比法包括3个亚类,成因法包括1个亚类,不同的方法应用于不同的地质背景。其中百分含量法通过容积法计算载体气的储量/资源量,乘以氦气含量即可得到氦气储量/资源量,其难点是氦气含量的准确测定,其中容积法、概率容积法、小面元法、圈闭加和法和地热流体容积法等5种方法属于常规方法,应用最为广泛,本文重点论述统计法、类比法和成因法。

根据氦气含量、氦气资源规模、氦气藏埋深、载体气藏类型、氦气资源丰度等指标建立了氦气资源评价规范。如根据含量划分为高含氦(≥0.1%)、中含氦(0.05%~<0.1%)、低含氦(0.03%~<0.05%)、贫氦(0.01%~<0.03%)、非资源(<0.01%)等5个等级,根据氦气资源量规模划分为特大型(≥10×10⁸m³)、大型(1×10⁸m³~<10×10⁸m³)、中型(0.1×10⁸m³~<1×10⁸m³)、小型(0.01×10⁸m³~<0.1×10⁸m³)、特小型(<0.01×10⁸m³)等5个等级,实现了氦气资源的分级分类评价。该方法在国内外49个盆地获得应用,其中国内盆地8个,海外盆地41个。

2 氦气统计法

统计法以数理统计学为原理,统计分析已知氦气储量和氦气含量等参数,计算待发现氦气储量/资源量。由于载体气和氦气来源于不同的源岩,两者运移聚集过程不一样,因此具有不同的规模序列,不能简单套用或搬用油气藏规模序列法^[29],也不能采用油气藏规模序列法预测的资源量与氦气百分含量相乘得到氦气储量和资源量^[30]。氦气藏规模序列法以层圈闭或成藏组合为单元,根据异源氦气与载体气同储不同序的原理,构建氦气藏规模序列,主要解决氦气资源评价的评价单元、已发现气藏的未知氦气含量和氦气资源规模序列等三个关键难题。主要步骤如下:

一是计算已知氦气藏各层位的氦气储量。

二是采用丰度类比法确定未知氦气含量的气田氦气储量。

三是建立截断后的帕累托函数,汇总各层圈闭的氦气储量,公式如下(1):

(1)φ(θ)= \frac{({\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}{)}^{\lambda }·(1-\lambda )}{\lambda ·{\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}+{\theta }_0·\left[1-\lambda -{\left(\frac{{\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{\theta }_0}\right)}^{\lambda }\right]}· \left[\frac{1}{{\theta }^{\lambda }}-\frac{1}{({\theta }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}{)}^{\lambda }}\right]

式中:φ为帕累托值,无量纲;λ为分布参数,无量纲;θ为氦气藏储量,m³;θ₀、θ_max分别为自然聚集的氦气藏的最小和最大预期成藏规模。

四是确定似然函数分布,构建累积气藏模型,公式如下(2):

(2) \stackrel{m}{\sum _{i=1}} \mathrm{(\Phi } {\mathrm{(\theta }}_i {)-i)}^2 · P_i \to \mathrm{m} \mathrm{i} \mathrm{n}

式中:函数Φ(θ)为等于大于θ的累积量的数量,个;i为系统中累积的次数,个;θ为氦气藏储量,m³。

五是进行模拟统计,确定氦气资源规模序列。

俄罗斯东西伯利亚盆地中南部气田氦气含量为0.13%~0.67%,里菲系、下文德统、上文德系—下寒武统等3个成藏组合已发现245个氦气藏(图2),地质储量99.5亿m³,通过类比获得87个待发现气藏氦气地质储量57.1亿m³,建立似然函数分布,构建累积气藏模型(图3),预计发现气藏1 320个,按照最小氦气藏规模300万m³截断后,采用最小二乘法重新构建帕累托函数,则90个待发现氦气藏地质资源量为66亿m³(图4)。该方法应用于国内3个盆地和国外8个盆地的中高勘探程度盆地的氦气资源评价,其计算结果与百分含量法计算结果的误差小于30%。

3 氦气类比法

类比法主要基于氦气成藏的地质条件进行的类比,主要包括氦气资源丰度类比法、氦气含量类比法和EUR类比法等。由于氦气和天然气主控因素差异较大^[32,17],因此氦气资源丰度类比法和氦气含量类比法具有不同的内涵。

3.1 氦气资源丰度类比法

资源丰度类比法以氦源岩为类比单元,对刻度区和类比区的关键参数进行量化描述(表3),计算刻度区和类比区的相似系数,得到类比区的氦气资源丰度和氦气资源量,该方法应用于未知氦气含量的气藏或区带的储量\资源评价。计算过程与天然气类似,包括5个步骤:

第一步对刻度区和类比区的6个参数进行赋值;

第二步计算单个参数相似系数如下:

(3)α_i=1/(1+(X_刻度区-X_类比区))

其中X为单个参数值,i为类比参数编号,取值1~6,α_i为单个参数相似系数;

第三步骤通过单个参数的算术加合求取类比区相似系数,公式如下:

(4)α=α₁×φ₁+α₂×φ₂+α₃×φ₃+α₄×φ₄+α₅×φ₅+α₆×φ₆

其中φ为各个参数权重;

第四步计算计算类比区资源丰度;

第五步得到类比区资源量。

将该方法应用在四川盆地三台-盐亭区块,计算得到类比区氦气地质资源量为3 085万m³。

3.2 氦气含量类比法

氦气含量类比法以氦源和载体气-氦气共生关系出发,通过统计已知氦气藏,建立8个主控因素与氦气含量的定量关系,确定各个主控因素的权重系数,建立氦气含量预测模型,主要分为4个步骤:一是计算不同气藏及不同载体气对应的氦气含量;二是统计各关键参数与所述氦气含量的相关系数,通过统计分析表明,高氦气含量的气藏一般为常压及低压气藏,氦气含量与氦源岩类型、铀钍含量和氦源岩规模3个参数呈正向关系,而与离主断裂距离、埋深、生烃强度3个参数呈负相关,适度的基底构造活动(一般1~10 Ma)有利于氦气释放及富集,由此可以确定5种不同载体气中的8种关键参数与氦气含量的相关程度R²(表4);三是计算8个关键参数对氦气含量影响的权重W,建立氦气含量预测模型;四是开展计算模型和实际测量值的校验,当参数缺失时,需要对已有参数的权重进行调整。当模型计算的氦气含量与实际检测结果存在一定的系统偏差,需要对系统误差进行调整。

如阿尔及利亚古达米斯盆地已发现气田的氦气含量在0.17%~0.31%,氦气地质储量达到82亿m³,主力氦源岩为前寒武系基底火山岩、花岗岩,基底生成的氦气通过深大断裂向上运移至奥陶系和志留系储层,泛非运动(Sinian-∈)、太康运动(O₂)、阿卡德运动(D)、海西运动(C₃-T₁)4次构造运动为氦气释放提供动力,基底生成的氦气溶解在地层水中,沿着深大断裂向上运移(图5),脱溶后的氦气进入奥陶系和下泥盆统砂岩气藏中,形成天然气与氦气异源同储的富氦气藏。

通过统计该盆地25个含氦气田样本,确定了8个关键参数对氦气含量的定量拟合关系(表4),建立了氦气含量预测模型(5):

(5)γ=0.119×γ_T+0.114×γ_φ+0.092×γ_V+0.119×γ_L+0.121×γ_N+0.103×γ_D+0.12×γ_F+0.115×γ_Y=0.119×0.113 3×e^2.4936T +0.114×0.084 9×e^{0.209 7φ}+0.092×0.168 5×e^3E-05V+0.119×0.423 6e^-0.338L+0.121×(-0.001 1×n²+0.020 2×n+0.033 4) +0.103×2.738 6×e^{-1(D+350.1)/1 735}+0.12×2.738 6×e^-2.486F+0.115×1/Y

预测出对A-T项目5个未知氦气含量气田的氦气含量为0.19%~0.22%。

3.3 最终氦气可采储量(EUR)类比法

最终可采储量EUR类比法从井筒出发^[33],按照单井最终采出量进行分类统计,用于评价区类比计算。选取致密含氦砂岩气藏孔隙度、氦气资源丰度、采收率等关键参数分布特征,进行EUR类比统计,按90%、50%、10%置信概率取值,建立类比级别(图6)。该方法用于中-高勘探程度区、同一来源、连续成藏、具有一定数量生产井组的致密气区带。

4 氦气成因法

4.1 氦气成因法原理

氦气成因资源评价方法基于“放射性衰变机理”^[4,17,34-35],模拟释氦过程计算生氦量和聚集量。常规方法氦源岩的下限采用主观推断法,根据氦源岩的露头厚度来推断地下氦源岩厚度,但地下氦源岩厚度变化大,导致氦源岩的体积计算不准确^[36]。

本方法以氦气成藏理论为指导,根据亨利规律,将氦气“完全复活线”240℃作为生氦深度下限温度,将该温度对应的深度作为氦源岩的深度下限^[37],低于这一温度,生成的氦气部分或全部无法离开矿物,属无效氦,高于这一温度源岩依旧生氦,且基本为有效氦,由此确定氦源岩厚度和体积(图7)。然后采用衰变公式求取生氦量(原子数)、物质的量和生氦总量。求取刻度区氦源岩的年龄、铀钍含量^[38]、上覆地层区域不整合的个数、断裂个数和运聚单元的圈闭面积系数等地质因素与氦气运聚系数的相关关系,将运聚系数与载体气(烃类)成藏时间相匹配,求取刻度区运聚系数,通过刻度区与类比区的类比,确定类比区的运聚系数(图8)。根据二元复合公式,通过³He/⁴He比值计算幔源氦气和壳源氦气的贡献率和资源量,实现了定量化计算。

4.2 氦气成因法应用

四川盆地威远气田钻遇的前震旦系花岗岩为主要的氦源岩,喜山期强烈的构造挤压活动加速氦气的释放,断裂和裂缝为氦气运移提供良好的渗流通道,氦气大规模进入震旦系灯影组气藏,成为富氦气田^[39]。氦源岩有效展布面积48 000 km²(图9),氦源岩平均厚度3 950 m(图10),氦源岩密度2.5 t/m³,放射性元素 U 含量8.9×10^-6,Th 含量 39.3×10^-6,氦源岩绝对地质年龄处于中元古代,年龄为890 Ma(8.9×10⁸a),则U和Th生氦量(V_U和V_Th)分别为36亿m³(式6)和45亿m³(式7)。

(6)V_U=(179.29/238)×(1.137-1)×48 000×3 950×2.5×8.9=36.14×10⁸ m³

(7)V_Th=(134.37/232)×(1.042-1)×48 000×3 950×2.5×39.3=45.34×10⁸ m³

建立刻度区和类比区的多因素释氦和聚氦模型(图11),根据刻度区的成藏模式,计算刻度区氦气的运聚系数,求取刻度区与类比区的相关系数为0.45。

地质因素选用氦源岩年龄、铀钍含量、不整合面个数和断裂密度、圈闭面积系数等4个因素^[40],则氦气的运聚系数公式如下:

(8)y= {\mathrm{e}}^{1.487-0.003\mathrm{ }18\times A_{\mathrm{S}}+0.186\times \phi -0.112\times N_{\mathrm{f}}+0.021\mathrm{ }18\times C_{\mathrm{t}}}=e^{-3.688 8}=2.5%

式中:y为运聚单元的氦气运聚系数,%;A_S为氦源岩年龄,Ma;φ为铀钍含量,%;N_f为不整合面个数、断裂密度;C_t为圈闭面积系数,%。

氦气聚集量:

(9)V_a=V_g×y=(36.14+45.34)×2.5%=2.037×10⁸ m³

式中:V_a为氦气聚集量,10⁸m³;V_g为氦气生成量,10⁸m³。

根据二元复合公式计算幔源氦^[40]的贡献率。

确定壳源氦和幔源氦中³He/⁴He的标准值,标准值如下:

大气氦取值标准:³He/⁴He=1.4×10^-6;

壳源氦取值标准:³He/⁴He=2.0×10^-8;

幔源氦取值标准:³He/⁴He=1.1×10^-5;

壳幔混源氦取值标准:1.1×10^-8<³He/⁴He<2.0×10^-8。

通过³He/⁴He比值计算幔源氦气和壳源氦气的资源量,幔源氦的比例计算公式如下:

(10)³He(%)=(V_a-V_c)/(V_m-V_c)×100%

式中:³He(%)表示氦气中幔源氦气所占的百分含量,%;V_He表示实测氦气体积,m³;V_c表示壳源氦气体积,m³;V_m表示幔源氦气体积,m³。

则幔源氦贡献率³He(%)=(28.0-2.0)/(1 100-2)=2.37%。

5 结论

(1)氦气具有“源-运-聚”的特殊成藏机理,成藏主控因素包括氦气源岩类型、铀钍含量、氦气源岩体积、离主断裂距离、主断裂活动次数、氦气藏埋深、氦气藏压力系数、载体气类型和载体气产率等。

(2)基于载体气和氦气的源储共生关系构建了4类10种氦气资源分级分类评价方法,初步解决了氦气资源定量计算的难题。

(3)通过地质建立氦气生运聚地质模型,多维度表征8个关键参数的变化特征,将能提高氦气资源的评价精度。

感谢中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院汪华博士提供了四川盆地数据!

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基金资助

中石油关键核心攻关技术项目(2021ZG13)