威遠氣田富氦天然氣分布規(guī)律及控制因素探討

劉凱旋,陳踐發(fā),付 嬈,汪 華,羅 冰,戴 鑫,楊佳佳

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室(中國石油大學(xué)(北京))，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院，四川成都 610041；4.國家地質(zhì)實驗測試中心，北京 100037)

威遠氣田發(fā)現(xiàn)于1964年，不僅是中國最早發(fā)現(xiàn)的海相大氣田，也是國內(nèi)唯一開展工業(yè)制氦的天然氣田[1]。自發(fā)現(xiàn)威遠富氦天然氣田至今，整個四川盆地除發(fā)現(xiàn)資陽和荷包場含氣構(gòu)造的氦氣含量可達到工業(yè)開采價值(氦體積分數(shù)大于0.1%)以外[2-4]，再未見有關(guān)富氦天然氣的報導(dǎo)。由于威遠氣田開發(fā)時間較長，目前天然氣資源幾近枯竭，尋找可供替代的富氦天然氣藏已迫在眉睫。針對威遠氣田氦氣的研究，自20世紀80年代以來中國學(xué)者已開展大量的工作，但研究成果主要集中在氦氣成因及來源判識方面，普遍認為該氣藏氦氣屬于殼源放射性成因，即使有幔源氦的加入，也占比極少[1,5-6]。在氦氣來源方面當(dāng)下仍存在較大的爭議，部分學(xué)者認為燈影組氣藏中的氦氣主要來源于寒武系筇竹寺組泥頁巖[1,7]，另一部分學(xué)者認為主要來源于下伏的前震旦系花崗巖[4,8-9]。這些研究主要是將氦氣作為輔助地化參數(shù)用以解決威遠氣田的氣源問題，鮮有針對氦氣成藏進行系統(tǒng)的研究，致使威遠氣田富氦天然氣(氦體積分數(shù)不低于0.1%)空間分布規(guī)律、運聚成藏過程和主要控制因素方面的研究十分薄弱。筆者在搜集整理前人發(fā)表的天然氣數(shù)據(jù)以及最新常規(guī)和非常規(guī)天然氣樣品分析測試的基礎(chǔ)上，結(jié)合威遠氣田實際地質(zhì)條件，探討威遠氣田富氦天然氣的分布特征及主要控制因素，以期為四川盆地進行富氦天然氣藏的勘探工作提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

威遠氣田地處四川省內(nèi)江市威遠縣、資中縣和自貢市榮縣境內(nèi)(圖1)，是盆地內(nèi)樂山—龍女寺古隆起現(xiàn)今核部上的一個大型穹隆背斜氣藏，產(chǎn)層主要為震旦系燈影組(圖2)[5]。

圖1 四川盆地天然氣藏氦氣豐度示意圖(據(jù)文獻[10]修改)Fig.1 Schematic diagram of helium abundance in natural gas reservoirs in Sichuan Basin (After citation[10],modified)

圖2 威遠氣田地層綜合柱狀圖(據(jù)文獻[1]修改)Fig.2 Comprehensive histogram of Weiyuan gas field strata(After citation [1],modified)

威遠氣田鉆遇地層自下而上如圖2所示，從前震旦系到晚三疊系須家河組。其中前震旦系花崗巖成因類型屬于A2型花崗巖[11]，與盆地周邊同類巖石年齡較為相似(約為794 Ma)[12]。下震旦系陡山沱組已被證實為一套良好的泥質(zhì)烴源巖，總有機碳含量(TOC)平均值為2.06%，威遠氣田該層厚度約為14 m，與下伏前震旦系花崗巖呈不整合接觸[13]。上震旦系燈影組以白云巖為主，總厚度約為590 m，燈影組共分4段，其中燈一段系厚度約為12 m的砂質(zhì)白云巖，燈二和燈四段以藻白云巖為主，藻類豐富，具葡萄狀結(jié)構(gòu)，縫-洞體系發(fā)育，是該氣田主要的產(chǎn)氣層，與上覆寒武系呈假整合接觸[1,5]。

下寒武統(tǒng)筇竹寺組是一套區(qū)域上分布穩(wěn)定的暗色泥頁巖，氣田內(nèi)厚度為409～514 m，TOC平均為1.88%，是威遠氣田最主要的生烴層系[14]。中、上寒武統(tǒng)以白云巖夾薄層砂巖為主，奧陶系則主要為白云巖夾生物灰?guī)r。威遠氣田部分地區(qū)志留系地層缺失，主要為厚度0～140 m的黑色頁巖。下二疊統(tǒng)為厚度約300 m的暗色灰?guī)r，上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為一套厚度約200 m的海陸過渡相泥頁巖。三疊系地層因構(gòu)造抬升現(xiàn)今已部分出露，下部飛仙關(guān)組以灰?guī)r夾薄煤層為主，嘉陵江組和中三疊統(tǒng)雷口坡組則主要為白云巖、灰?guī)r夾膏巖層，上三疊統(tǒng)須家河組以砂泥巖夾薄煤層為主，三疊系整體可視為一套良好的區(qū)域性蓋層[1]。

在二疊紀以前，樂山—龍女寺古隆起歷經(jīng)多次構(gòu)造升降成為一個繼承性古隆起，二疊紀后經(jīng)印支、燕山和喜山歷次運動最終形成現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)[15]。三疊紀時期，受控于整個揚子地臺的構(gòu)造反向運動，資陽古隆起形成，同時期的威遠構(gòu)造為一西北傾向的單斜[16]。晚白堊紀以來，因受喜山期擠壓運動影響，古隆起各部隆升幅度不一，期間威遠構(gòu)造抬升近4 000 m，形成如今的大型穹窿狀背斜[17]。

2 樣品和方法

本次研究共采集威遠氣田不同層位生產(chǎn)井的9個天然氣樣品(表1)以及搜集自前人已發(fā)表的70個天然氣數(shù)據(jù)[1,4,5,7,18-19]來分析威遠氣田富氦天然氣的分布規(guī)律及主要控制因素。所有的天然氣樣品均使用最大壓力15 MPa的雙閥耐壓鋼瓶(直徑10 cm，體積7 000 cm3)自分離器采集，現(xiàn)場通過用天然氣反復(fù)沖洗鋼瓶4～6次(每次2～3 min)以避免空氣污染。

表1 威遠氣田天然氣采樣信息Table 1 Natural gas sampling information of Weiyuan gas field

天然氣的化學(xué)組成分析工作在中國地質(zhì)調(diào)查局國家地質(zhì)實驗測試中心完成，采用氣相色譜儀Agilent 7890B，儀器為4閥7柱3檢測器結(jié)構(gòu)，配以FID和雙TCD三檢測器，其中FID檢測器用以分析C1到C5以及C6/C6+；第一個TCD檢測器(載氣為氦氣He)，用以分析CO2、CO、O2、N2和H2S組分；第二個TCD檢測器(載氣為氮氣N2)，用以分析H2和He。前進樣口溫度250 ℃，壓力107.08 kPa，分流進樣，分流比80∶1,隔墊吹掃 3 mL/min；柱箱初始溫度為60 ℃，持續(xù)時間1 min，然后以20 ℃/min的升溫速率升高至80 ℃，再以30 ℃/min的升溫速率升高至190 ℃，持續(xù)7 min。

3 天然氣分布規(guī)律

威遠氣田縱向上各層均有天然氣顯示，其中前震旦系為花崗巖裂隙氣，除震旦系主力氣層外，寒武系、奧陶系和二疊系均為小型工業(yè)氣藏，三疊系只有微量天然氣產(chǎn)出。由表2可知，威遠氣田縱向上從前震旦系到三疊系整體呈現(xiàn)出烴類氣體逐漸增加，非烴氣體和稀有氣體逐漸減小的特征，其中烴類氣體以甲烷為主，甲烷體積分數(shù)平均值由69.78%逐漸增大到98.36%；非烴氣體中二氧化碳無明顯變化規(guī)律，氮氣體積分數(shù)平均值自下而上從23.69%逐漸減小至0.40%。稀有氣體氦、氬呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，即自下而上具有逐漸減小的特征，其中氦氣體積分數(shù)平均值從0.811%減小至0.033%，氬氣體積分數(shù)平均值從0.199%減小至0.005%。

由表2可知，威遠氣田除三疊系和部分二疊系天然氣氦含量較低以外，其余層位的天然氣藏氦體積分數(shù)普遍大于0.1%，其中作為該氣田主力氣層的震旦系燈影組氦氣平均體積分數(shù)最高(前震旦系花崗巖裂隙氣除外)，為0.260%。燈影組天然氣氦體積分數(shù)平面分布如圖3所示，自氣藏邊緣向核部隨著地層埋深的減小，氦氣含量呈現(xiàn)規(guī)律性的升高，在核部的構(gòu)造高部位處氦氣含量普遍較高，體積分數(shù)一般大于0.250%，如威117井氦氣體積分數(shù)高達0.404%；而氣藏邊緣處的氦體積分數(shù)則普遍較低，一般小于0.200%，如威基井氦體積分數(shù)僅為0.120%。

表2 威遠氣田常規(guī)天然氣組分特征Table 2 Characteristics of conventional natural gas components in Weiyuan gas field

圖3 威遠氣田震旦系燈影組氣藏氦氣含量平面分布Fig.3 Plane distribution of helium content in Sinian Dengying Formation gas reservoir in Weiyuan gas field

4 討 論

4.1 氦氣來源

天然氣中的氦有大氣來源、殼源和幔源3個主要來源，不同來源的氦氣具有明顯不同的3He/4He值，各自分別為1.4×10-6、2×10-8和1.1×10-5[20]。由圖4可知，威遠氣田富氦天然氣的3He/4He比值較低，標(biāo)準(zhǔn)化處理((3He/4He)樣品/(3He/4He)空氣)之后氦同位素值為0.013～0.041(平均為0.024)，指示氦主要是由地殼中的鈾釷元素放射性衰變形成，較高的(40Ar/36Ar)樣品/(40Ar/36Ar)空氣值表明天然氣中的氬是由放射性鉀-40衰變形成[1,5]。

Brown[22]認為，氦氣生成量主要取決于巖石中放射性元素含量、巖石形成時間和巖石體積3個因素。如表3所示，威遠氣田鉆遇的前震旦系花崗巖(794±11 Ma)鈾元素質(zhì)量分數(shù)為(2.55～16.94)×10-6(平均為7.19×10-6)、釷元素質(zhì)量分數(shù)為(21.8～49.1)×10-6(平均為32.7×10-6)、鉀質(zhì)量分數(shù)為5.07%～7.31%(平均為5.23)，明顯高于Turekian[23]統(tǒng)計的地殼中花崗巖鈾、釷和鉀含量平均值；威117井在震旦系燈四段底部發(fā)現(xiàn)的厚度約為4 m的藍灰色泥巖也具有豐富的放射性元素，其中釷質(zhì)量分數(shù)約為1×10-5，鉀質(zhì)量分數(shù)為4%～5%[7]，雖未見有鈾含量數(shù)據(jù)的報導(dǎo)，但在測井曲線上可明顯見到伽馬曲線相比于相鄰地層呈現(xiàn)較大幅度的升高，表明鈾元素含量也相對較大；寒武系筇竹寺組頁巖和志留系龍馬溪組頁巖其放射性元素含量亦明顯高于地殼平均值，可為威遠富氦氣田的形成提供充足的氦氣和氬氣來源。

從研究結(jié)果可以看出，無論是語際錯誤，還是語內(nèi)錯誤中的詞匯錯誤與句法錯誤，知識能力的不足都是其根本原因。

圖4 威遠氣田富氦天然氣稀有氣體同位素分布(據(jù)文獻[21]修改)Fig.4 Distribution of rare gas isotope of helium-rich natural gas in Weiyuan gas field(After citation[21],modified)

威遠氣田下伏前震旦系花崗巖基底和沉積層系從放射性元素含量的角度可以看出均具有良好的生氦能力，但如表4所示，威遠地區(qū)志留系龍馬溪組豎井威201產(chǎn)出的頁巖氣中氦氣體積分數(shù)并不高，僅為0.046%，即使壓裂過后的水平井威201-H1中的氦氣含量也僅僅剛達到工業(yè)開采價值，筇竹寺組頁巖氣中的氦氣含量也具有上述特征，表明寒武系筇竹寺組頁巖所排出的含氦天然氣不足以支撐震旦系燈影組氣藏如此大規(guī)模的氦氣富集。通過對比花崗巖裂隙氣和筇竹寺組頁巖氣中的氦氣含量，認為氣田下伏的前震旦系花崗巖基底是震旦系燈影組富氦氣藏主要的氦源巖，寒武系筇竹寺組泥頁巖和震旦系燈四段藍灰色泥巖是次要的氦源巖。

表3 威遠氣田及周邊地層放射性同位素含量Table 3 Radio isotope content of Weiyuan gas field and surrounding formations

表4 威遠地區(qū)頁巖氣組分特征Table 4 Characteristics of shale gas components in Weiyuan area

4.2 斷裂系統(tǒng)控制氦氣的富集

4.2.1 促進氦源中氦氣的釋放

放射性成因4He自礦物中形成以后大部分保留在礦物晶格中，一般主要有4種途徑可以促使氦氣從礦物中釋放出來，主要有衰變反沖、擴散、破裂和礦物轉(zhuǎn)化[20]。在大型構(gòu)造運動過程中，不僅會形成一系列的斷層和裂縫，往往也會伴隨有巖石中礦物的破裂，從而促使保存在礦物晶格中的氦氣進行釋放。Roques等[28]通過觀察花崗巖類在水力壓裂過程中氦和氬濃度的變化表明，隨著注入流體的增加形成的超壓使得地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，進而造成巖石及礦物的破裂，釋放巖石中早先積聚的氦氣和氬氣造成地下流體中的氦和氬濃度升高。如圖5所示，未實施水平壓裂技術(shù)的威201井和威202井志留系龍馬溪組及筇竹寺組頁巖氣中氦氣體積分數(shù)為(240～500)×10-6，而實施水平壓裂技術(shù)的威201-H1井志留系龍馬溪組[27]和威201-H3井寒武系筇竹寺組頁巖氣中氦氣體積分數(shù)則為(973～1 375)×10-6，已達到工業(yè)開采品位，兩者相比之下進一步證實水力壓裂技術(shù)明顯有利于促進巖石中氦氣的釋放。與此同時，20世紀80年代末期發(fā)現(xiàn)的初始氦、氬體積分數(shù)分別高達1.877%和0.340%的前震旦系花崗巖裂隙氣[5]，亦可說明裂縫有利于花崗巖中氦和氬的大規(guī)模釋放。

圖5 威遠地區(qū)不同開采方式頁巖氣氦氣含量分布Fig.5 Distribution of helium content of shale gas in different production methods in Weiyuan area

4.2.2 控制氦氣等地下流體的運聚

李玉宏等[29]在研究渭河盆地氦氣成藏問題時認為盆地內(nèi)發(fā)育的深大斷裂可作為飽含氦氣等氣體組分的地下水及常規(guī)氣體的優(yōu)勢運移通道，促進富氦天然氣藏的形成。美國的Panhandle-Hugoton富氦氣田、俄羅斯西伯利亞的Chayandinskoye富氦氣田和中國柴達木盆地的馬北富氦氣田附近均存在廣泛發(fā)育的深大斷裂[30-32]，進一步說明斷裂系統(tǒng)在氦氣運移和聚集過程中的重要性。前文已述及，威遠構(gòu)造是在喜馬拉雅運動時期的強烈擠壓應(yīng)力作用下形成的大型穹隆背斜，地層的快速抬升造成頂部的三疊系區(qū)域蓋層發(fā)生部分剝蝕，對氣藏的封蓋性大幅降低；其次在隆升過程中，強烈的擠壓運動形成一系列的斷層和裂縫，不僅有利于下伏前震旦系花崗巖體和寒武系筇竹寺組泥頁巖等“氦源巖”中氦氣的大規(guī)模釋放和運移進入震旦系燈影組氣藏中，而且使得威遠構(gòu)造縱向上地層連通性增強，造成震旦系燈影組氣藏天然氣的向上緩慢擴散，形成如今的天然氣組分縱向分布特征。

放射性衰變生成的殼源氦氣不僅生成速度極為緩慢，而且由于較小的分子質(zhì)量和直徑，使得其擴散能力較強，因此在地殼中氦氣很難以游離態(tài)的單一氣相進行運移，主要是以水溶態(tài)或者由其他氣體攜帶進行運移[29]。Brown[22]研究美國高含氦天然氣的形成過程認為，大量的古老地層水是天然氣中氦氣富集的主控因素之一。后來，進一步利用來源于空氣的稀有氣體同位素(36Ar和20Ne)計算得到的原始氣水比(Vg/Vw)來半定量表征上述氦氣富集現(xiàn)象[30]，即天然氣相遇的古老地層水體積越大，隨著氣-水相互作用的不斷發(fā)生，則天然氣中氦氣含量越高，表明古老地層水在氦氣富集成藏過程中發(fā)揮著重要作用。

威遠氣田震旦系燈影組氣藏屬于背斜型底水塊狀氣藏，地層水體積達136.06×108m3[1]，水體氫氧同位素研究表明地層水保存較好，未受地表水等水體干擾[33]，呈現(xiàn)出原生高礦化度水的特征，有利于常規(guī)氣體組分和稀有氣體的保存。震旦系地層沉積以后歷經(jīng)多次構(gòu)造運動，使得燈影組內(nèi)部裂縫較為發(fā)育，其中在構(gòu)造頂部、長軸部位多發(fā)育立斜縫，邊緣部位多發(fā)育平縫，上述裂縫與桐灣運動時期形成的溶孔和溶洞共同組成了燈影組裂縫-孔洞型儲集空間[34-36]。地層水主要賦存在裂縫體系及其連通的高孔隙(洞穴)空間中，由于不同構(gòu)造部位縫-洞體系發(fā)育特征和氣藏開采程度的差異，因此底水的侵入在氣藏范圍內(nèi)具有較大的差異(圖6,底圖改自資料(1)中國石油西南油氣田分公司.威遠氣田震旦系氣藏二次開發(fā),2010.)。

圖6 威遠氣田震旦系氣藏氦氣含量與底水水侵特征相關(guān)性Fig.6 Correlation between helium content and bottom water invasion characteristics of Sinian gas reservoirs in Weiyuan gas field

5 結(jié) 論

(1)威遠氣田主力震旦系氣藏氦氣含量平面上自背斜邊緣向核部呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，縱向上各層系天然氣隨著埋深的減小，烴類氣體含量逐漸增大，非烴氣體除二氧化碳無明顯規(guī)律外其余組分均呈現(xiàn)逐漸減小的特征。

(2)稀有氣體氦氬同位素特征表明威遠氣田天然氣中的氦氣和氬氣主要為殼源放射性衰變成因，該地區(qū)廣泛發(fā)育的富含放射性元素的花崗巖基底是該氣田最重要的氦氣來源，同時寒武系筇竹寺組泥頁巖和震旦系燈四段蘭灰色泥巖對于威遠地區(qū)富氦天然氣藏的形成也有一定的貢獻。

(3)四川盆地喜山期強烈的構(gòu)造擠壓活動在威遠構(gòu)造內(nèi)形成的一系列斷層和裂縫不僅有利于氦氣從氦源巖中的釋放，而且作為良好的滲流通道形成威遠氣田富氦天然氣現(xiàn)今空間上的差異分布規(guī)律。