氦气地质理论认识、资源勘查评价与全产业链一体化评价关键技术

Helium: Accumulation model, resource exploration and evaluation, and integrative evaluation of the entire industrial chain

摘要

鉴于我国氦气产业链理论技术需求,针对国内外尚无系统的氦气地质理论认识,缺乏针对性的氦气资源评价方法、参数取值标准,缺乏氦气含量综合准确检测、有利富集区优选方法,无成本指标优化体系及全产业链一体化评价方法等卡点和难点,本文运用地质、地球化学、重磁电震、投资经济等多学科方法及实验技术,集中力量攻克氦气成藏机理、资源评价及资产评价的关键技术瓶颈。研发形成1项地质理论认识和3项关键技术:基于典型富氦气藏解剖、地下流体中“氦-气-水”相平衡及相-势耦合分析,研究提出氦气“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态、“集流、渗流、扩散”3种运移机理、“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4项分布富集控制因素,初步建立了基于“优质氦源、高效输导、适宜载体”的氦气“生-运-聚”地质理论认识。针对国内氦气含量检测技术参差不齐、部分准确度差、与国外数据差别大、无针对性的氦气资源评价方法等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,研发氦气含量综合准确检测技术,构建4类10种氦气资源评价方法,解决了氦气资源分级分类评价的技术瓶颈。针对基底氦源分布、岩性识别、通源断裂刻画及含氦储层评价难题,创建了归一化重磁下延方案,研发了基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定了基础。通过建立多元控氦的富氦区带与目标优选技术,解决了富氦区带与目标优选难题。针对国内贫氦实际情况,以提氦装置投资和操作成本最小化为目标,采用响应面法建立优化目标与各主要工艺参数的非线性回归模型,建立了氦气全产业链一体化评价技术,初步解决了天然气低成本提氦工艺流程优化的技术需求。研究成果为我国长期、安全、规模利用氦气资源资产提供了有效支撑。

关键词

氦气 / 氦源岩 / 氦气成藏机理 / 资源评价 / 区带目标优选 / 响应面法 / 深度学习 / 回归模型

Key words

helium / helium source rock / helium accumulation mechanism / resource evaluation / zone target optimization / response surface / deep learning / regression models

0 引言

氦气具有广泛的工业用途和利用价值^{[1⇓⇓⇓-5]},是国防军工、航空航天、原子能、低温超导、深潜、激光等尖端科技不可或缺的稀有战略物资^[6⇓⇓-9]。我国氦气资源匮乏,全球氦气产供储销受国外资源、技术和企业垄断,我国氦气对外依存度长期保持在90%以上,断供风险大。氦气产业链资源、提氦、运储等关键环节存在技术短板和对外依赖。我国合理有效利用氦气稀有战略资源存在四大难题及理论技术需求:(1)一是氦气资源“在哪里”,即氦气生运聚地质理论认识;(2)二是氦气资源“有多少”, 即氦气资源评价技术;(3)三是富氦目标“如何找”, 即氦气富集区及目标优选技术;(4)四是氦气资源“怎么用”,即氦气全产业链一体化评价技术。

针对以上科学问题和勘探难点^{[10⇓⇓⇓-14]},本项目明确了4个方面的研究内容,包括氦气成藏及富集机理、氦气资源评价、氦气有利富集区优选、氦气全产业链一体化评价等。本研究瞄准我国氦气产业链的理论技术需求,针对国内外尚无系统的氦气地质理论,缺乏针对性的氦气资评方法、参数取值标准,缺乏氦气含量综合准确检测、有利富集区优选方法,无成本指标优化体系、一体化评价方法等卡点和难点,攻克氦气成藏机理、资源评价及资产评价的关键技术瓶颈,创新形成1项地质理论认识和3项关键技术。

目前工业用氦气主要是从天然气提纯,水溶氦提取不具有经济性,天然气中氦气来源主要为壳源,幔源氦在全球天然气田中所占比例较少,大气来源氦气基本可以忽略不计,故本文“氦气”所指对象主要是天然气中的“壳源”氦气。

1 氦气地质理论认识

针对氦气形成和富集因素复杂的难题^[15-16],基于典型富氦气藏解剖及地下流体中“氦-气-水”相平衡分析^[17⇓-19],研究提出氦气“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态和氦气“集流、渗流、扩散”3种运移机理,提出氦气富集受控于“优质氦源、高效输导、适宜载体”三大要素,揭示氦气分布于相对“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”的地质规律,初步形成氦气“生(源)-运-聚”地质理论认识(称之为“源”可能更合适,出于习惯及与载体气交互关系考虑,还是用“生-运-聚”组合概念),初步解决了氦气主要富集“在哪里”的难题。

1.1 氦气生成机理

氦在太阳系中的元素丰度仅次于氢,属最高丰度元素之一。氦主要形成于3种核过程:一是宇宙形成演化阶段,氢元素聚变反应生成的原始氦;二是U和Th等放射性衰变及其诱发的核反应产生的放射性成因氦;三是宇宙射线同物质相互作用,散裂反应产生的宇宙成因(散裂成因)氦^[14]。三种成因氦,赋存在地球大气、地壳和地幔各个圈层。

氦气的生成需要具备规模优质氦源。理论上来说,氦气具有多种来源^[20-21]:按所居地球圈层分为幔源、壳源、大气源;按含气系统要素分为烃源岩氦源、储集岩氦源、盖层岩石氦源、基底氦源、地幔氦源;按岩性分为岩浆岩(花岗岩、伟晶岩等)、变质岩(片麻岩、花岗片麻岩等)、沉积岩(黑色页岩、铝土岩、煤岩、白云岩等)。地壳中的⁴He主要由自然放射性元素衰变形成,主要衰变反应有3个系列^[1]:

(1) {\mathrm{ }}_{92}^{238}U {\to }_{82}^{206}Pb+ 8_2^4He+ 6_0^{-1}e+47MeV

(2) {\mathrm{ }}_{92}^{235}U {\to }_{82}^{207}Pb+ 7_2^4He+ 4_0^{-1}e+45MeV

(3) {\mathrm{ }}_{90}^{232}U {\to }_{82}^{208}Pb+ 6_2^4He+ 4_0^{-1}e+40MeV

³He主要来自深部地幔乃至核-幔交界处,被认为有两种可能来源:一是46亿前地球形成时储存在地球内部的原始起源氦;二是认为可能来自地球深处富集水(氢)的高温和高压环境下产生的核聚变产物^[22]。地壳中放射成因³He认为主要来自Li元素的β衰变(热中子诱发反应),³He/⁴He值与Li元素含量有近似的线性关系。地壳中B元素的衰变也可产生³He,但产率极少,可以忽略不计^[1]。³He/⁴He比值大小可作为壳幔来源氦及比例的判别指标和标志,R/R_a>0.1表明有幔源氦的存在^[2]。天然气中来自地幔的幔源氦比例,可利用幔源氦[(³He/⁴He)_幔]和壳源氦[(³He/⁴He)_壳]同位素组成的端员组分进行估算^[1]:

(1)$\text { 幔源氦组成 } / \%=\frac{\left({ }^{3} \mathrm{He} /{ }^{4} \mathrm{He}\right)_{\text {样品 }}-\left({ }^{3} \mathrm{He} /{ }^{4} \mathrm{He}\right)_{\text {壳 }}}{\left({ }^{3} \mathrm{He} /{ }^{4} \mathrm{He}\right) \text { 幔 }-\left({ }^{3} \mathrm{He} /{ }^{4} \mathrm{He}\right)_{\text {壳 }}} \times 100$

本次将不同类型气体样品(气藏气、气层流体包裹体气、地幔岩包体气)³He/⁴He 及对应的⁴⁰Ar/³⁶Ar投点于稀有气体端员的混合图解中(图1^{[5-6,24⇓⇓-27]}),可以看出壳幔不同源区He、Ar同位素组成变化特征及区间分布,指示不同类型气体中He、Ar成因来源。

目前发现的富氦气藏主要氦气来源为富U、Th的基底花岗岩、花岗变质岩、铝土岩、黑色页岩等,其实只要富/含U、Th放射性矿物在地温高于矿物闭合温度的情况下,都可以衰变形成并释放氦,但是要形成富氦气田需要古老、较大规模、高含量U与Th元素的优质氦源。氦气形成机理主要有地壳U与Th元素放射性衰变、地幔脱气和大气成因来源,其中大气来源较少,甚至可以忽略不计。本文基于国内各大盆地富氦气田(区)氦气富集分布及氦源统计分析,明确了富U-Th花岗岩、富有机质页岩、铝土岩等3类主力有效氦源岩的发育时代与分布规律认识,提出3类主力有效氦源岩的发育时代、分布与形成环境,识别出2套古老富U-Th花岗岩基底、3套显生宙硫化环境黑色页岩、铝土岩(表1)。

1.2 氦气运移机理

氦气由源到藏的运移过程经历了初次运移和二次运移2个阶段。初次运移包括氦气在氦源(岩)内部的运移以及从氦源岩内到外的运移;二次运移是脱离氦源(岩)以后一直到天然气圈闭中聚集成藏的运移过程。氦气的源岩内初次运移发生在岩石矿物孔缝中,氦气在岩石矿物中通过4 种方式释放:衰变反冲释放、扩散释放、破裂释放和矿物转变释放^[28-29]。基于典型富氦气藏解剖及地下流体中“氦-气-水”相平衡分析,研究揭示并提出氦气存在“集流、渗流、扩散”3种运移机理,形成“水溶相、气容相、游离相”3种赋存状态(图2)。

地下氦气运移相态和方式受岩石孔隙特征、构造与断裂活动性控制。其中地下水动力条件较弱的构造稳定区中孔隙发育的古老地层易存在天然气二次运移过程中萃取氦形成气容相的情况,且气容相在浮力作用下发生运移;致密基底氦源岩内自由水欠发育区域存在游离相氦气运移模式,或二次运移过程中水体温压环境条件及溶解度变化而析出游离相,但规模有限(图2c)。

氦气在初次和二次运移过程中主要有“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态和运移相态。其中,“水溶相”是氦气运移的普遍方式,以地下流体(主要是水或水-气-油等混相)作为载体运移,运移通常发生于水动力活跃地区,如美国Hugoton-Panhandl气田和四川威远震旦系气田(图2a);“气容相”主要形成于天然气二次运移过程中,天然气不断从富氦地层水中“萃取”或“置换”氦(图2b),然后运移到圈闭中聚集成藏,如柴达木东坪气田;“游离相”主要形成于氦源岩内部初次运移过程中,U、Th元素衰变释放的氦气沿着晶间缝或微裂隙以游离相或扩散方式运移,以游离相运移通常发生在自由水缺乏的区域,或二次运移到达较浅部位,由于温度压力下降,溶解度降低,水中溶解氦因过饱和而被释放,特别是在孔缝中自由水缺乏的情况下会存在一定时空范围内的小微气泡状游离相运移(图2c)。

1.3 氦气聚集机理

氦气与天然气形成条件和成藏要素既具有很大差异性,同时也存在共性方面。两者的差异性在于“生-运-聚”机理方面存在较大差异,其特殊性主要表现在:一是氦气主要由U、Th放射性元素物理衰变而成;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。两者的共性主要表现在含气系统要素和成藏要素的共同性上,同样具有“源→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,缺一不可。只是对于氦气而言,具体的成藏要素存在一定的特殊性,研究中关注侧重点亦不同。有些是与载体气成藏的共享要素,如储、圈、盖、保是与天然气交互成藏的基本共享要素,通常纳入天然气成藏条件协同评价。

圈闭中氦气聚集成藏主要存在三种机理:一是亨利效应作用下圈闭中气藏气水界面处氦气存在的分压差使得氦气“脱溶成藏”(威远富氦气田聚集模式);二是烃源岩生排出的天然气和少量氦气在二次运移过程中,萃取富氦地层水中的溶解氦,在浮力作用下运移至圈闭中实现“浮力聚集”成藏(东坪富氦气田聚集模式);三是自生自储氦的富/含氦非常规天然气(页岩气、煤层气、基岩气藏等),在生烃增压、生氦扩散的“压差驱替”下,短距离运聚或滞留成藏。

氦气聚集和分布具有自身特殊性,本文提出“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4大氦气分布特征及控制因素。“近氦源”确保生成的氦气运移距离短,散失少,聚集效率高;“邻断裂”确保通源断裂沟通氦气的源与藏以实现高效运移;相对“低压区”使得氦气受载体气稀释较弱且氦浓度较高;“高部位”促使溶解氦脱溶进一步规模富集,同时高部位由于浮力作用可作为地下流体中各类气体运聚指向区。例如庆阳和黄龙富氦气田形成受深部氦源与基底断裂沟通的影响而分布于局部相对高部位,低压力系数区有利于氦气优先充注聚集(图3)。与天然气聚集存在不同情况和差异性,常规天然气主要依靠浮力驱动聚集成藏,非常规天然气源内(页岩气、煤层气)原位滞留或短距离扩散聚集,近源(致密气)载体气主要是生烃增压活塞式运聚,甜点区局部富集。氦气以天然气作为载体聚集,但与天然气藏的量质和规模不完全具有正相关性,因此,氦气的聚集和成藏需要系统综合考虑生运聚条件及地质背景因素,如通源断裂、低势高位区等有利于氦气富集的背景条件。

1.4 氦气成藏机理

在氦气“生-运-聚”系统中,氦气聚集成藏机理是氦气地质理论认识的核心。如上所述,天然气田中氦气聚集成藏与载体气聚集成藏同样具备6类要素。但是,针对含氦气系统,重点关注的是氦气“生、运、聚”3大要素(表2),也是氦气成藏和富集的关键要素,其中氦气的“聚”条件涉及与天然气成藏共用的“储、盖、圈、保”要素,这些在天然气形成与成藏条件评价时一并研究。另外,针对氦气,研究“聚”要素,尚需关注和研究聚氦载体所处构造背景、载体气压力和资源丰度等, 这些因素决定氦气聚集程度和体积份数。

富氦气藏是含氦气系统与含油气系统2个系统交织聚合的结果,2套系统共用“储、圈、盖、保”4大成藏要素,运移路径和轨迹多数是不重叠的,两者的“源”及生气机理更有本质差异。因而,氦气成藏机理较为复杂,通常阐明成藏机理需要考虑、关注和回答以下基本问题:生氦机理、成藏动力、运聚机制和方式、运聚途径、聚集和保存机理等。生氦机理的特殊性主要体现在:一是氦的多元性和广泛性,从地幔到地壳再到大气等不同圈层均含氦;二是岩矿中U、Th元素衰变释放氦半衰期长,²³⁸U、²³⁵U和²³²Th的半衰期分别为44.7、7.1和140.1亿年,生氦速率极其缓慢;三是氦源不像烃源岩,不存在生氦高峰。氦气运移空间广泛,运移路径长,跨越从地幔→基底→盆地等不同构造层,运移相态和机理复杂,具有“水溶相、气容相、游离相”3种氦气赋存状态和“集流、渗流、扩散”3种运移机理。氦气成藏机理主要有富氦地层水在气藏气水界面处由于享利效应脱溶成藏和/或天然气二次运移过程中萃取地层水溶氦进入圈闭中依托浮力(常规载体气)聚集或生烃增压或膨胀扩散力(非常规载体气)聚集成藏。另外,富氦气藏是一个运聚动平衡过程,氦气和天然气不断突破盖层散失,同时下部不断有天然气和氦气向圈闭中补充。氦气富集程度及浓度高低受适度载体气规模、充满度、资源丰度、压力系数、构造部位等因素控制。

氦气地质理论初步认识是包括氦气生成、氦气运移和氦气聚集3大方面条件、动力、机制、过程、终端的系统性和规律性的理论认识。完备的理论体系构建是一个由系列基础内核和理论要件支撑的综合系统工程。

2 氦气资源评价方法

针对国内氦气检测技术参差不齐、准确性差、国外数据差别大、无针对性的氦气资源评价方法等系列难题,以氦气源及氦气含量为核心,研发氦气含量综合准确检测技术,构建基于源储共生关系的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。

2.1 氦气含量综合准确检测技术

地质样品中氦气等稀有气体一般含量极低,而大气中稀有气体相对较高(特别是Ar,含量高达到0.934%),容易对天然气等样品的采集造成污染并使实验分析数据偏离真值。针对该问题,中国石油勘探开发研究院基于前期自主研发的稀有气体制样系统,在建立《稀有气体分离与组分含量分析四级杆质谱法SY/T 7361—2017》和《稀有气体同位素比值测定方法SY/T 7359—2017》2项氦气检测行业标准等基础上^{[27,30⇓⇓-33]},综合利用四级杆质谱在定性定量分析和气相色谱在定量分析技术优势和特点,研发了基于四级杆质谱和气相色谱分析的天然气中氦气含量综合准确检测与评价技术。具体分析流程为:将天然气及其他地质样品脱出气连接到天然气中稀有气体制样装置的进样口,利用机械泵对实现管线的高、超高真空处理;通过进样控制阀和真空规控制样品的进样量;利用锆基炉、吸气泵等对天然气样品中烃类气体、N₂、O₂、CO₂、H₂S及微量H₂等活性气体进行净化处理,富集稀有气体。净化后稀有气体可以送入四级质谱在线进行全组分含量测定(图4);利用气相色谱仪,以氮气或氩气为载气进行氦气与其他气体组分分离,使用热导检测器(TCD)进行检测,根据标准气和样品的气相色谱峰面积(峰高)并结合已知的标准气氦气含量值,定量计算样品气中氦气组分含量。结果表明,不同类型色谱法分析结果相对偏差<2.6%,质谱法与色谱法分析结果相对偏差<4.1%(图5),检测结果具有较好的重复性、稳定性和可靠性,保证了氦气含量检测数据的准确、可靠。

2.2 氦气资源分级分类评价方法体系

基于载体气和氦气的源储共生关系,构建了4类10种氦气资源针对性评价方法体系。常见的载体气藏(天然气)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、水溶气藏等7类。由于氦气主要寄生于载体气(天然气藏),因此载体气与氦气存在异源同储、同源同储、同源异储3类共生成藏机制,常规油气资源评价方法难以应用于氦气资源评价^[34-35]。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^[36⇓-38],其参数和应用范围均具有一定局限性。针对现有方法的局限性,根据不同载体气和不同勘探程度单元,构建4类10种氦气资源评价方法(表3^[26,39]),研发氦气资源评价平台。资源评价方法在国内外49个盆地获得应用,通过新一轮氦气精准检测、排查和评价,在中国石油矿权内8大盆地新发现氦气富集的有18个气田(藏),所发现的氦气储量及资源支撑了国内重大提氦工程。

2.3 氦气资源主要评价方法

在氦气资源评价方法体系中(表3),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。

2.3.1 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,计算氦气储量/资源量。由于载体气和氦气来源于不同的源岩,成藏过程不一样,因此两者具有不同的规模序列^[40-41]。规模序列法以不同层系圈闭或成藏组合为单元,根据异源同储不同序的原理,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、氦气资源规模序列等三个关键难题。例如俄罗斯东西伯利亚盆地中南部气田氦气含量为0.13%~0.67%^[42],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,地质储量99.5×10⁸m³,通过类比获得的87个待发现气藏氦气地质储量为57.1×10⁸m³,建立似然函数分布,构建累积气藏模型(图6),预计发现气藏1 320个,按照最小氦气藏规模300×10⁴m³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66×10⁸m³(图7)。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%。

2.3.2 类比法

类比法主要基于氦气成藏的地质条件进行类比,主要包括氦气资源丰度类比法、氦气含量类比法及EUR类比法等。目前已有的资源丰度类比法和含量类比法较为简单^[39],尚未充分考虑不同类型氦气藏的成藏条件。

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4),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,主要过程包括计算单个参数相似系数、通过单个参数的加权求和求取类比区相似系数、计算类比区资源丰度、获得类比区资源量,通过类比四川盆地ST-YT区块,求得类比区的氦气地质资源量为3 000×10⁴m³以上。

氦气含量类比法从氦源和载体气-氦气共生关系出发,计算不同气藏及不同载体气对应的氦气含量,统计各关键参数与所述氦气含量的相关系数,预设公式确定各关键参数的权重,建立氦气含量预测模型,定量计算气藏中氦气含量,并开展计算模型和实际测量值的校验。

统计分析表明:高氦气含量的气藏一般为常压及低压气藏;氦气含量与氦源岩生氦能力、U/Th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有利于氦气释放及富集。由此可以确定8种关键参数与氦气含量的定量关系。

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%^[43],氦气地质储量达到82×10⁸m³,氦气来源于基底花岗岩和志留系黑色页岩,通过深大断裂沟通基底和储层,4次构造运动为氦气提供了运移动力。通过统计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5),建立了氦气含量预测模型,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%。

EUR类比法从井筒出发,按照单井最终采出量进行分类统计,用于评价区类比计算。选取含氦致密砂岩气孔隙度、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。该方法用于中-高勘探程度、同一来源、连续成藏、具有一定数量生产井组的致密气区。

2.3.3 成因法

氦气成因资源评价方法基于“放射性衰变机理”^[8,44⇓-46],模拟释氦过程计算生氦量和聚集量。常规方法氦源岩的深度下限是根据亨利定律来确定,根据区域地质背景及氦源岩的露头情况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^[47]。本方法以氦气成藏理论为指导,根据亨利定律,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,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、U和Th含量、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。本方法在国内四川盆地威远含氦气田等26个盆地进行了应用。威远气田氦源岩有效展布面积48 000 km²,氦源岩平均厚度3 950 m,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为中元古界(890 Ma),则U和Th生氦量分别为210×10⁸m³和225×10⁸m³,通过类比得到运聚系数,若运聚系数取0.5%~1.5%,则研究区氦气资源量为(2.18~6.53)×10⁸m³,幔源氦贡献率³He组成=(28.0-2.0)/(1 100-2.0)=2.36%。

3 富氦区带与目标优选技术

针对基底氦源分布、岩性识别、通源断裂刻画、含氦储层评价难题^[47-48],创建了归一化重磁下延方案^[49-50],研发基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定基础,通过建立多元控氦的富氦区带与目标优选技术,以解决氦气区带和目标优选难题。

3.1 氦源岩刻画技术

针对富氦区块基底和岩性刻画难题,提出了新的组合参数归一化重磁下延方案,为富氦区深大断裂和基底研究奠定基础。模型试验分析发现,由于与富氦气藏相关的火山岩和页岩分别属高磁异常和低磁异常,已有的归一化方案中极易出现“垂直条带”和“水平条带”2个技术问题。针对“垂直条带”问题,提出根据不同层面最大值和最小值以及位置变化特征,采用最大振幅归一化下延方案,避免了垂直条带影响,更客观体现了分层结构及场值变化规律。针对“水平条带”,利用3种正值统计参数,组合形成20种归一化下延方案,有效压制了垂直条带和水平条带效应,增强了弱信号强度,可精细描述位场下延异常特征。通过算法优化和敏感性分析,形成最大振幅与标准偏差之比归一化下延方案。结合地震和测井资料确定下延参数,利用逐层位场归一化、垂向样条插值和整体归一化及背景校正等技术,形成重磁数据逐层加整体归一化技术路线。最终结合地质、地震、测井和电法资料为富氦区深大断裂和基底分布的研究奠定了技术基础(图10)。

3.2 基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术

针对富氦区块基底岩性和断裂刻画难题^[51],研发了基于地质、重磁、地震和物性资料的基底岩性综合刻画技术。基于重磁数据二次导数处理的基底断裂预测方法,研发基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术,为通源断裂研究与富氦区优选奠定基础。针对常规重磁数据对基底分辨率不足^[51]且对断裂响应不明显的问题,充分利用覆盖全盆地的重力资料和三维大地电磁测深数据,提出对重磁数据求取不同方向水平导数,用0°、45°、90°、135°方向导数极值带分别确定东西向、北西向、南北向及北东向断裂,突出断裂引起的重磁特征异常,准确地确定断裂平面位置。利用倾角及方位角变化计算相邻道的相似性,通过机器学习提高断裂识别率,断裂识别精度提高1倍,效率提高70%,断裂发育区井的氦气含量多大于0.1%。该方法在四川盆地和鄂尔多斯盆地进行了应用,取得了良好效果,新方法确定的基底断裂与已有地质认识吻合。

3.3 不同含氦饱和度下的声学变化表征

为模拟不同氦气含量下的气藏声学性质并为测井解释评价提供规律模型和刻度的依据,将氦气和甲烷气体按照不同比例充分混合后注入岩心中,测量不同孔隙压力下的声波速度变化规律。岩心选用的是四川盆地页岩气样品,氦气与甲烷混合的比例如图11所示,氦气含量分别占5%、10%和20%。在温度为100 ℃条件下,施加不同孔隙压力分别对不同氦气含量的岩心样品进行声波速度测量,结果表明:随孔隙压力增加,不同氦气含量样品的纵波速度逐渐增大,而横波速度逐渐减小;同一孔隙压力下,随氦气含量增加,纵波速度和横波速度均略微增大,说明氦气的存在对于气藏的声学性质有着一定的影响。研究成果将为含氦储层测井解释评价和预测提供可能的实验及理论基础。

3.4 有利富氦目标区优选标准

基于地质综合评价及以上评价方法技术,建立了有利目标区优选标准。以氦源岩评价为基础,以沟通氦源岩的深大断裂刻画为关键,以已发现富氦气藏解剖及气层含氦性预测为依托,形成富氦气藏目标地质-地球物理综合评价标准及方法,预测鄂尔多斯盆地北部隆起区、庆阳隆起区和宜川隆起区为富氦有利区(图12)。

4 氦气全产业链一体化评价技术

目前工业用氦主要从含氦的天然气中提取,提氦技术有单一的氦气提取技术、天然气综合提氦技术和联产天然气提氦技术。单一氦气提取技术有低温法和非低温法,低温提氦技术就是利用深冷法提纯氦气,非低温法主要包括变压吸附法(PSA法)、膜分离法、溶剂吸收法等^[52]。联合法是将多种提氦方法组合使用,从而提高氦气回收率;联产法则是将天然气提氦与液化天然气生产、气体脱氮等单元集成的方法,在得到氦气的同时生产其他副产品,达到降低成本且提高整体经济效益的目的^[53]。针对国内贫氦实际情况,聚焦低成本提氦重大技术需求,建立基于回归模型的氦气全产业链一体化评价关键技术。

4.1 技术内涵和方法流程

针对氦气全产业链中涉及到国内外不同的原料气成分、氦气浓度、提氦规模、天然气生产方式及销售市场等关键参数,开展了不同提氦工艺设计及参数优化、提氦装置投资方法、操作成本预测模型、增量效益评价方法研究(图13)。一是利用ASPEN-HYSYS软件模拟,结合已有的提氦工艺,优化提氦流程,得到装置最优设计及工艺参数,建立氦气项目投资特征指标和投资估算方法。二是以原料气组分、流速、温度、压力和粗氦产品精度为响应值,采用Design Expert软件进行响应面参数设计,构建操作成本预测模型,拟合得到操作成本关键影响因素及最优操作成本预测模型。三是根据氦气产业政策,分析不同氦气提取工艺和储运方式,基于生产和储运成本,采用非线性灰色伯努利模型和鲸鱼算法预测氦气销售价格^{[54⇓⇓-57]}。四是以投资和操作成本最小化为目标,建立优化目标与工艺参数的非线性回归模型,基于工艺流程分析投资和操作成本技术动因,剥离非提氦工程投资和操作成本,计算提氦增量效益。

4.2 技术应用与实例分析

4.2.1 提氦工艺优选方法

针对我国内陆贫氦气田原料气组分、产品气要求,通过对比闪蒸提氦联产工艺^[58-59]、联产乙烷的天然气深冷-膜分离提氦技术^[53]、天然气联产LNG提氦工艺^[53]、NGL回收^[60]、脱氮和提氦集成工艺^[61]等,提出适合贫氦气田的膜分离和低温蒸馏组合提氦流程(图14)。该工艺应用于国内某气田,该气田氦气含量为0.107 8%,探明氦气地质储量为4 000×10⁴m³以上,预测氦气地质储量4×10⁸m³以上,设计年产精氦320×10⁴m³/a,稳产8年,评价期30年,终端产品包括管道商品气、LNG和精氦。

4.2.2 提氦投资估算方法

采用ASPEN-HYSYS软件模拟给定原料气组分、压力、温度的膜分离与低温蒸馏组合工艺流程。基于模拟结果,得到同一装置不同规模实际成本,估算各工艺装置投资。联产LNG提氦工艺总投资为37.7亿元,主要投资包括:(1)膜相关投资为1.25亿元,膜的选择由气体组分、各组分的选择性和渗透性决定,在不同温度和压力下能够实现不同膜分离的经济性,该部分投资包括膜设施、压缩机、热交换器投资;(2)脱碳脱水装置投资2.47亿元,该阶段主要经MDEA溶剂、分子筛脱碳、脱水;(3)低温蒸馏相关投资6.05亿元,低温蒸馏包括LNG液化和脱甲烷环节,低温蒸馏对进料压力和温度、回流比、进给比有设计要求,该部分投资包含满足低温蒸馏设计要求的压缩机投资、换热器投资、冷凝器投资、精馏塔投资等;(4)储运相关投资19.55亿元,主要是液氦、LNG及冷剂储存和运输涉及的装置投资。

4.2.3 操作成本预测模型

以各装置投资和操作成本最小为目标,采用响应面法^[62]建立优化目标与各主要工艺参数的非线性回归模型,对工艺流程进行优化,得到最优装置设计及工艺参数。响应面分析法是利用实验设计得到一定数据,采用数据回归来拟合工艺参数与响应面之间的函数关系,通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数,解决多变量优化问题。采用Box-Behnken Design(BBD)响应面法(图15),应用User-Defined设计,以一级提浓塔温度(℃)、一级提浓塔进料压力(kPa)、一级提浓塔塔底物流分配比、二级提浓塔回流比为自变量,以包含塔、尾气压缩机、氮气压缩机投资和能耗的操作成本及粗氦摩尔分数为响应值建立回归模型(公式(2))。设计29个试验点,其中安排6组重复试验对期望函数进行失拟分析。采用Design Expert软件将响应面分析得到的拟合方程优化,获取优化值和优化参数。结果表明,该项目动力费为2.35亿元,辅助材料费为0.54亿元,燃料费0.45亿元,其他间接费用1.78亿元。

(2)Y=253.76+2.56A+12.27B+1.74AB+0.518 5AD-0.875 5A²-0.223 7B²

式中:Y表示年操作成本,单位为万美元;A为原料气氦组分摩尔分数,单位为%;B为流速(处理规模),单位为10⁴m³/d;D为温度,单位为℃。

4.2.4 价格预测及提氦增量效益评价

采用非线性灰色伯努利模型预测氦气价格,利用鲸鱼算法求取最优模型参数,结果表明2025—2030年氦气销售价格为140~180元/m³。该项目原料气为管道商品气,所以收入和成本计算中不考虑管道商品气产出收入及管道商品气的进气成本。LNG和精氦产量随气田产量衰减,由同比衰减的LNG产量和精氦产量及相应价格估算该项目总收入,其中精氦总收入为62.2亿元。

从技术角度剥离LNG的投资和操作成本,例如脱甲烷装置、氦气精制装置、氦气液化装置和氦气存储及装车设施投资划归提氦投资,增压装置和地面配套按照LNG占比进行劈分,根据提氦和LNG消耗进行操作成本劈分。在现金流量表中扣除LNG投资和操作成本,得到提氦增量现金流1.5亿元(基准收益率6%),将单位提氦成本从119.52元/m³降低到100.24元/m³,具有较高的推广价值。

利用该技术完成了中国、坦桑尼亚、哈萨克斯坦、俄罗斯、阿尔及利亚等5个国家8个含氦气田/项目的全产业链一体化评价,推荐3个经济可提氦气田,预计可实现经济效益12.22亿元。

5 结论

(1)初步形成天然气中氦气“生-运-聚”地质理论认识,提出氦气运移过程中“水溶相、气容相、游离相”3种赋存状态、“集流、渗流、扩散”3种运移机理、“近氦源、邻断裂、低压区、高部位”4项分布富集控制因素,建立了基于“优质氦源、高效输导、适宜载体”的氦气“生-运-聚”地质理论体系框架,初步解决了氦气分布预测及评价选区思路方向问题。

(2)研发形成氦气含量和稀有气体同位素准确检测技术,构建基于载体气和氦气的源储共生关系的4类10种氦气资源针对性评价方法体系,初步解决了氦气资源评价技术的瓶颈问题。

(3)创建了归一化重磁下延方案,研发基于深度学习的多尺度断裂智能识别技术和不同氦气含量下的气藏声学性质模拟方法,为氦源岩分布预测、通源断裂刻画、含氦储层测井解释评价及预测奠定基础,为氦气区带和目标评价优选提供了技术支撑。

(4)建立了基于回归模型的氦气全产业链一体化评价关键技术,采用响应面分析法设计优化目标与工艺参数,有效降低提氦成本,初步解决了氦气资源“如何用”的问题。

感谢本文相关理论技术方法及区域应用研究中,刘化清、张连群、范立勇、赵伟波、尹路、孙东、汪华等项目组领导专家给予的支持和帮助,感谢审稿专家和编辑部提出的诸多宝贵修改完善意见。

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基金资助

中国石油天然气集团有限公司关键核心技术攻关项目(2021ZG13)