張 雪，劉建朝，李榮西，王行運(yùn)，翁 凱

(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西西安710054;2.中國石化集團(tuán)華北石油局三普石油工程公司，陜西咸陽712000)

0 引言

水溶性天然氣簡稱水溶氣，是非常規(guī)油氣資源的一種。目前，業(yè)已查明的水溶氣資源量非常豐富，比常規(guī)天然氣資源量 (293×1012m3)多115倍［1］，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對資源的需求日益增加，常規(guī)油氣資源的開發(fā)已不足以滿足需要，因此加大對水溶氣這類非常規(guī)資源的研究十分必要。

我國的水溶氣資源豐富，除了熟知的四川盆地［2］、塔里木盆地［3］、柴達(dá)木盆地［4］、鄂爾多斯盆地［5］等，渭河盆地也存在著豐富的水溶氣資源［6～12］。早在1972—1975年，原地質(zhì)部第三石油普查大隊對渭河盆地進(jìn)行石油普查工作時，就在盆地中發(fā)現(xiàn)了含高濃度氦 (一般含量為2%～4%)和甲烷 (一般含量在20%左右)的水溶氣;2000年以后，西安市國土資源局、長安大學(xué)等單位開展了以氦氣為重點(diǎn)的水溶氣研究;2009年，在固市凹陷渭南地區(qū)新打的淺層地?zé)峋?，發(fā)現(xiàn)了高甲烷含量的天然氣。前人的研究成果及新的發(fā)現(xiàn)表明，渭河盆地水溶氣資源具有多組分 (氦氣、甲烷氣)、多類型、多層位分布的特點(diǎn)。本文針對渭河盆地水溶氣資源的特殊性，結(jié)合天然氣的成分、成因以及分布規(guī)律，探討該地區(qū)水溶氣層的類型，對指導(dǎo)今后該地區(qū)多種氣體資源的綜合開發(fā)利用具有重要意義。

1 水溶氣類型

1.1 水溶氣藏的分類

水溶氣即溶解在水中的天然氣，根據(jù)氣體在地質(zhì)時期不同的賦存狀態(tài)可分為游離相水溶氣藏和水溶相氣藏兩類［13］。游離相水溶氣藏是指成藏初期氣體溶解在水中，當(dāng)氣體過飽和時從水中游離出來，遇到圈閉后聚集形成的常規(guī)天然氣藏。當(dāng)前氣體仍溶解在地層水中的氣藏即為水溶相氣藏，屬非常規(guī)氣藏。

根據(jù)水溶氣藏與油氣田的封閉程度可以分為開啟式和封閉式兩類，前者是指與油氣田無關(guān)的水溶氣藏，后者則與油氣田 (邊、底水)相關(guān)［14］。

1.2 水溶氣的分類

①按組分分類:水溶氣的主要成分包括烴類氣體、氮?dú)饧八嵝詺怏w，以組分體積分?jǐn)?shù)大于50%為界可分為甲烷類、氮?dú)忸悺⑺釟忸惖?類，在此基礎(chǔ)上以組分體積分?jǐn)?shù)超過25%為界可對其進(jìn)一步定型［15～17］(見表1)。

表1 水溶氣按組分體積分?jǐn)?shù)分類表［15］Table 1 Classification of component volume fraction in Water-soluble gas

②按成因分類:水溶氣是天然氣的一種特殊存在狀態(tài)，除了可以按照組分進(jìn)行分類之外，也可以像常規(guī)天然氣一樣按照成因分類 (見表2)。

表2 水溶氣按成因分類表［18］Table 2 Classification of causes in water-soluble gas

③按地層壓力分類:研究表明，壓力是影響氣體在水中溶解度大小的重要因素之一，因此可以根據(jù)壓力將其分為正常壓力水溶氣和異常高壓水溶氣 (壓力系數(shù)F p＞1.3)兩類［1，19］。正常壓力水溶氣氣水比較低，通常為1～3;異常高壓水溶氣氣水比可高達(dá)5～16。

④按埋藏深度分類:根據(jù)水溶氣層的埋藏深度，可將其分為淺層 (＜1000 m)、中深層(1000～3000 m)、深層 (3000～4500 m)和超深層 (＞4500 m)水溶氣4類［20］。

2 渭河盆地水溶氣地質(zhì)特征

2.1 組分特征

本次研究的氣體樣品選自分布在渭河盆地不同構(gòu)造單元的15口地?zé)崴?，其中西安凹?口，固市凹陷5口，寶雞凸起2口 (見圖1)。確定采樣井后，利用排水取氣法在井口直接采集氣體樣品，并送中國石化華西石油實(shí)驗(yàn)室用103型氣相分析儀按GB-P13610-92方法進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表3。

圖1 渭河盆地構(gòu)造單元劃分及采樣井分布Fig.1 Division of tectonic units and distribution of sampling wel in Weihe basin

從表3可以看出，該地區(qū)水溶氣中含有可燃烴類氣體甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及非烴類氣體氫，不可燃?xì)獍ㄏ∮袣怏w氦及非烴類氣體二氧化碳和氮。除了以甲烷為主的烴類氣體外，樣品中氦的百分含量大于0.1%的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的開發(fā)利用價值。從不同的構(gòu)造單元分析，固市凹陷以甲烷為主的烴類氣體含量高，其中最高的為渭熱6井，全烴含量為98.481%;西安凹陷次之，寶雞凸起最低。氦氣在不同的構(gòu)造單元中普遍存在且含量較高，最高值為4.140%;低值均出現(xiàn)在固市凹陷，渭熱6井未見氦氣顯示，渭南中醫(yī)學(xué)院井和渭熱1井氦氣含量分別為0.115%和0.106%。

2.2 同位素特征

2.2.1 碳同位素特征

水溶氣樣品送中國科學(xué)院油氣資源研究中心地球化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，用VG5400質(zhì)譜儀分析了氣體的碳同位素比值，結(jié)果見表4。

從表4可以看出，渭河盆地水溶氣中烴類氣體的成因多樣，既存在有機(jī)成因氣，也有無機(jī)成因氣，油型氣、煤成氣，未成熟 (生物氣)、成熟 (凝析氣)均有出現(xiàn)。其中有機(jī)成因氣的甲烷含量相對較高，無機(jī)成因氣的甲烷含量較低 (御園，甲烷含量0.28%);同一構(gòu)造單元內(nèi)熱解型煤成氣和油型氣的甲烷含量較為平均 (10.164%～15.917%)，生物氣的甲烷含量 (靈山寺17.964%)高于煤成氣和油型氣;固市凹陷煤成氣甲烷含量 (渭南中醫(yī)學(xué)院82.860%)遠(yuǎn)大于西安凹陷 (均值10.512%)。

表3 渭河盆地水溶氣組分表Table 3 Water-soluble gas group in Weihe basin

表4 渭河盆地水溶氣碳同位素分析結(jié)果及成因分類表Table 4 Carbon isotope analysis and genetic classification of water-soluble gas in Weihe basin

2.2.2 氦同位素特征

水溶氣樣品送中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所天然氣地球化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用VG5400稀有氣體靜態(tài)質(zhì)譜計分析水溶氣3He/4He的值 (見表5)，工作標(biāo)準(zhǔn)為蘭州市皋蘭山頂?shù)拇髿猓?He/4He值為 (1.4±0.03)×10-6，用R a表示。根據(jù)實(shí)測的氦氣值R，可以通過二元混合模式計算出氦氣中幔源氦 (R m)和殼源氦 (R c)的所占比例［21］。幔源氦(3He)所占比例的計算公式為:

式中:R——氦氣實(shí)測值;R c—?dú)ぴ?He/4He標(biāo)準(zhǔn)值，2.0×10-8;R m—幔源3He/4He標(biāo)準(zhǔn)值，1.1×10-5。

表5 渭河盆地水溶氣氦同位素數(shù)值及不同來源氦氣含量表Table 5 Helium isotope and different sources helium content of water-soluble gas in Weihe basin

幔源氦是指主要存在于地幔，地球形成時從宇宙星云中帶來的原始氦;殼源氦指放射性成因氦，由于巖石類型不同，3He/4He值變化范圍較大，通常從10-7到10-9量級，其典型值在10-8量級［22］。渭河盆地水溶氣樣品的氦同位素測定結(jié)果 (見表5)顯示，除御園井、渭南中醫(yī)學(xué)院井3He/4He值為10-7量級外，其余各井均表現(xiàn)為典型的殼源氦特征，經(jīng)計算僅混有微量的幔源氦 (見表5)。

2.3 水溶氣分布特征

2.3.1 平面分布特征

綜合分析渭河盆地水溶氣成分、成因測試結(jié)果 (見表3—表5)可知，渭河盆地水溶氣資源分布廣泛，其中最具經(jīng)濟(jì)價值的成分為以甲烷為主的可燃?xì)夂投栊詺怏w氦。甲烷氣的平面分布主要受氣體源巖控制，近源巖分布。固市凹陷的沉積中心為湖相深色沉積物，是生成可燃?xì)獾脑磶r，因此固市凹陷渭南地區(qū)各井的甲烷含量均高于西安凹陷。渭河盆地氦氣含量普遍較高，由于富鈾花崗巖為其潛在源巖，深大斷裂為氣體的運(yùn)移通道，因此近富鈾花崗巖或斷裂構(gòu)造的地區(qū)氦氣含量較高。

2.3.2 縱向分布特征

利用渭河盆地現(xiàn)有地?zé)崴杉軞鈽悠?，并不能直接確認(rèn)氣體的賦存層位，但本次研究通過氣體組分的測試，結(jié)合井位及完井層位進(jìn)行對比、類比分析，可以間接推測氣體富集的大體層位。

除渭熱6井外，在固市凹陷新打的3口淺層地?zé)峋耐昃畬游痪鶠閺埣移陆M (未穿)，井口氣體經(jīng)水氣分離后可直接引燃，推測同渭熱6井一樣具有很高的甲烷含量，但錄井資料顯示并沒有氦氣存在。把這4口井和同在固市凹陷的其余4口井 (見表3，編號9—12)相比較可以發(fā)現(xiàn)，完井深度大于張家坡組的井有氦氣出現(xiàn)，且由于其他層位He、N2和CO2的混入導(dǎo)致甲烷的含量降低。張家坡組是渭河盆地的區(qū)域性蓋層，氦氣來源于深部，受到蓋層的阻擋氦氣就會在其下部地層聚集，因此表現(xiàn)為井深小于張家坡組的采樣井沒有氦氣顯示。

此外，固市凹陷沉積的張家坡組為深湖相，有機(jī)質(zhì)含量較高，具有生烴的潛力，這也是導(dǎo)致該地區(qū)淺層井甲烷含量極高的原因之一。而西安凹陷張家坡組為河湖相，不利于生烴，因此甲烷含量普遍較低，僅在沉積中心戶縣地區(qū)含量稍高 (渭深13井21.790%)。

綜上可知，渭河盆地絕大部分蓋層封閉良好的區(qū)域內(nèi)，氦氣的主要賦存層位是張家坡組之下的儲水層;甲烷氣則由于成因多樣，賦存層位也更多，從淺至深均可。需強(qiáng)調(diào)的是，固市凹陷張家坡組具生烴潛力，由于近源巖且成因純，因此在該地區(qū)的較淺層位甲烷含量極高。

3 渭河盆地水溶氣類型

綜上研究表明，渭河盆地是一個水溶氣資源較為豐富的盆地，盆地內(nèi)氣體資源最大的特點(diǎn)就是成分和類型的復(fù)雜及多樣，具體表現(xiàn)為異巖多源的混合氣，即地殼深部幔源氣與殼源氣的混合，深部無機(jī)氣與沉積層中有機(jī)氣的混合，不同地區(qū)、不同源巖、不同母質(zhì)類型氣體的混合 (煤型氣、油型氣)，不同成熟度氣體的混合 (未成熟、高成熟、過成熟)。通過系統(tǒng)的成因研究可以知其本質(zhì)，但不適用于后期的綜合利用與開發(fā)，因此需要把渭河盆地這種成分多樣來源復(fù)雜的水溶氣資源進(jìn)行簡化、分類，更好地為下一步水溶氣資源的開發(fā)利用服務(wù)。

從開發(fā)利用的角度出發(fā)，水溶氣的成分和分布是關(guān)鍵因素。分析可知渭河盆地水溶氣資源最具有經(jīng)濟(jì)價值的成分是以烴類為主的可燃?xì)夂投栊詺怏w氦;從分布規(guī)律上看，不同構(gòu)造單元水溶氣的成分及含量差異性明顯，深度對水溶氣組成及開發(fā)成本影響更大。本文參考前人的水溶氣分類方案，結(jié)合渭河盆地水溶氣特征，綜合考慮其開發(fā)利用價值，將渭河盆地水溶氣層劃分為淺層可燃水溶氣和深層富氦水溶氣兩類。

3.1 淺層可燃水溶氣

渭河盆地中水溶氣賦存層位位于張家坡組底界之上，以甲烷為主的烴類可燃?xì)怏w含量很高，僅對可燃?xì)膺M(jìn)行開發(fā)利用就可以滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文稱之為淺層可燃水溶氣。該類水溶氣的特點(diǎn)為埋藏深度較淺，甲烷含量很高，成因單一，不含氦或含少量的氦。由于受到烴源巖的控制，此類水溶氣多分布在盆地的沉積中心。固市凹陷烴源巖有機(jī)質(zhì)含量高，生烴能力強(qiáng)，其附近地區(qū)甲烷含量高;而西安凹陷的沉積中心戶縣地區(qū)由于生烴能力較弱，且現(xiàn)有井也較深，由于混入了其他成因的氣體而導(dǎo)致甲烷含量降低。

3.2 深層富氦水溶氣

深層富氦水溶氣指渭河盆地水溶氣中氦氣含量大于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (0.1%)，賦存層位位于張家坡組底界之下的水溶氣。該類水溶氣在盆地中廣泛分布，對氦氣進(jìn)行開發(fā)利用時應(yīng)兼顧對甲烷氣的收集，可提高資源的綜合利用率，避免資源浪費(fèi)。

4 結(jié)論

渭河盆地水溶氣中最具有經(jīng)濟(jì)價值的兩種氣體為甲烷和氦氣，15口采樣井甲烷的平均含量為26.92%，氦氣平均含量為1.51%。

同位素特征顯示，渭河盆地水溶氣中的甲烷成因多樣，從生物氣到裂解氣均有所出現(xiàn)，其含量差別很大，最高為98.370%，最低為0.280%。渭河盆地水溶氣中氦的成因單一，3He/4He值多在10-8量級，為典型的殼源氦，經(jīng)計算混有微量的幔源氦，含量為1%左右，氦氣含量均大于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的0.1%，最高值為4.140%，最低值為0.106%。

不同構(gòu)造單元，不同完井深度對水溶氣中甲烷及氦的影響較大，綜合分析渭河盆地水溶氣特點(diǎn)，將其分為淺層可燃水溶氣和深層富氦水溶氣2類。

本文對渭河盆地水溶氣的分類簡單而明確，適用于指導(dǎo)渭河盆地水溶氣資源的綜合利用與開發(fā)，根據(jù)井所處的構(gòu)造單元及完井層位可初步判定其所含資源，若以開采可燃?xì)鉃槟康膭t可選擇固市凹陷或西安凹陷戶縣地區(qū)井深小于張家坡組的井;若以開采氦氣為目的可選西安凹陷斷裂構(gòu)造或富鈾花崗巖附近的井，開采時可兼顧甲烷的收集，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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