关中和柴北缘地区战略性氦气资源成藏机理研究

论文摘要

氦气是一种战略性资源,因其化学惰性、低沸点、低密度的特性,不仅广泛应用在低温超导、工业生产和科学研究等领域,而且在核工业和航天方面有不可替代的应用。我国是贫氦国家,氦气主要依赖进口,受制于人,氦气资源安全形势严峻。本论文综合运用稀有气体地球化学、油气地球化学、油气地质学和矿物学等学科知识,使用稀有气体同位素质谱仪、激光荧光仪、紫外可见分光光度计、电感耦合等离子体发射光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪和电子探针,以关中盆地地热田和柴北缘油气田为研究区,在明确研究区氦气富集情况和成因类型的基础上,分别从氦气的生成、释放和运聚三个方面系统研究了氦气成藏机理,总结出氦气成藏模式和富集条件。分析井口气氦气含量及同位素,明确研究区氦气富集情况和成因类型。关中盆地本次采集的地热伴生气中He含量为0.05-2.94%,高于其工业标准0.05-0.1%。柴北缘地区马北气田He含量（0.06-0.20%）高于工业标准,牛东气田（0.01-0.02%）低于标准,东坪气田氦含量变化较大（0.02-0.48%）,部分区域达到标准。两个区域He同位素值均显示壳源氦气特征。调研世界富氦气藏的地质背景,揭示壳源氦气藏与花岗岩的关系,讨论花岗岩中氦气生成特征。关中盆地南缘露头花岗岩和银额盆地井下花岗岩均富铀钍,铀钍平均含量高于克拉克值,但各岩体中铀钍非均质性强,电子探针显示以铀钍独立矿物和铀钍类质同象矿物两种形态赋存。花岗岩可生成大量氦气,与关中盆地有关的花岗岩氦气生成量为142.76亿方,远高于根据地热流体估算的盆地内氦气资源量（21.30 亿方）。研究花岗岩中氦气释放机理,总结出花岗岩中氦气释放模式。采用真空破碎、加热熔融和分段加热三种方法提取稀有气体,结果表明:①花岗岩中仅部分氦气可保存在岩石中（1.5-17.4%）,结合前人研究,认为花岗岩中氦气的释放比率高达80%。氩气相对于氦气更难从岩石中释放出去。②温度是影响花岗岩中氦气释放的首要因素。250℃下,花岗岩对4He无封闭能力,丢失90%4He仅需6.4天。铌钛铀矿中4He封闭温度为125℃,该温度下丢失90%的4He需要2.5百万年。结合其他副矿物的封闭温度,认为27-250℃（400-7800m）为He部分封存区,低于27℃（400m以浅）为He完全封闭区,高于250℃（>7800m）为He不封存区。③断裂可进一步将不受温度封存的He运移至地壳浅部的流体系统中成藏。分析关中盆地稀有气体分馏过程,建立地热田地下水运移和氦气运聚成藏模式。空气来源的稀有气体（ADGs,e.g.,20Ne,36Ar,84Kr,130Xe）模拟结果表明,该地区经历过开放系统中重油-水瑞利分馏,且Kr和Xe富集°华县2井附近存在游离气藏,4He通量高。关中盆地氦气成藏模式如下:①地下水补给,ADGs随之运移至地下;②壳源气体（4He,40Ar*等）从地壳岩石中释放出来并溶解到地下水中,该过程持续0.30-1.98Ma。③地下水经历油-水分馏阶段;④主要气体组分（N2和CH4）生成并加入到地下流体系统中。随着甲烷补给量的增大,依次形成高氦弱气水溶气藏、低氦强气水溶气藏和高氦游离气藏。讨论柴北缘地区稀有气体分馏模型,建立油气田油气充注和氦气运聚成藏模式。柴北缘地区经历了油水-气水的多阶段相分馏过程,马北地区多油少气,东坪地区变化大,总体少油多气,牛东地区的油气特征介于马北和东坪之间。根据分馏模型,明确了氦气随地下水进行运移,计算了分馏前地下水中的4He含量,建立了柴达木盆地的氦气成藏模式:①地下水补给;②氦气初次运移。地壳岩石中衰变产生氦气释放并保存在（微）孔隙或（微）裂隙中的地下水中,在马北、东坪和牛东分别持续1.84-2.78,1.07-2.11和0.31-0.49Ma。③氦气二次运移。当油气集中生成而大规模运移时,地下水先后与油相和气相接触,导致溶解度极低的氦气从地下水中脱溶进入气相,随烃类一起运移至气藏。④油气藏形成后氦气补给可忽略不计。提出氦气富集的三大有利条件:①富铀钍的花岗岩区及古老地台的新构造活动区可为氦气藏提供丰富的来源;②地下流体系统中存在游离天然气藏,气-水平衡使溶解度极低的氦气,不断脱溶进入气藏,而非随地下水运移而散失,因此水溶气脱溶形成的气藏极有可能富集氦气;③气藏中主要组分的补给量适中,减小对前期形成的高氦气相的稀释作用,所以“低品位”气藏更容易发现较高氦气含量,对该类气田可进行天然气和氦气的综合利用。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外含氦气藏

1.2.1 世界含氦气藏

1.2.2 中国含氦气藏

1.3 氦气成藏国内外研究现状

1.3.1 氦气生成研究现状

1.3.2 氦气释放研究现状

1.3.3 氦气运聚研究现状

1.3.4 氦气保存研究现状

1.3.5 研究区氦气研究现状

1.3.6 存在的问题

1.4 研究内容、研究方法及技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 研究方法及技术路线

1.5 主要工作量及创新点

1.5.1 创新点

1.5.2 主要工作量

1.6 小结

2 研究区地质背景

2.1 关中盆地地质背景

2.1.1 大地构造位置

2.1.2 区域地层

2.1.3 构造演化

2.1.4 岩浆岩

2.2 柴北缘地区地质背景

2.2.1 大地构造位置

2.2.2 区域地层

2.2.3 构造演化

2.2.4 岩浆岩

2.3 小结

3 研究区富氦特征与氦气生成

3.1 实验样品及测试方法

3.2 研究区富氦特征

3.2.1 研究区氦气含量

3.2.2 研究区氦气成因类型

3.3 氦气生成特征

3.3.1 壳源氦气藏与花岗岩的关系

3.3.2 花岗岩中氦源元素地球化学特征

3.3.3 花岗岩中氦源元素赋存状态特征

3.3.4 花岗岩的氦气生成量

3.4 小结

4 花岗岩中氦气释放

4.1 实验样品及测试方法

4.2 花岗岩中稀有气体地球化学特征

4.3 花岗岩中氦氩赋存状态特征

4.4 花岗岩中氦氩释放特征

4.5 温度对花岗岩中氦气释放的影响

4.5.1 花岗岩中氦气的扩散行为

4.5.2 富铀钍矿物中氦气的扩散行为

4.6 花岗岩中氦气释放模式

4.7 小结

5 关中盆地（地热田）氦气运聚成藏

5.1 实验样品及测试方法

5.1.0 实验样品

5.1.1 与主要组分及碳同位素测试方法

5.1.2 稀有气体含量及同位素测试方法

5.2 关中盆地主要组分及稀有气体特征

5.2.1 关中盆地主要组分及碳同位素特征

5.2.2 关中盆地稀有气体地球化学特征

5.3 关中盆地地下流体运移过程

5.3.1 模拟条件

5.3.2 气-水分馏

5.3.3 油-水分馏

5.4 关中盆地氦气运聚成藏模式

5.4.1 氦气与地下水的关系

5.4.2 地下水中4He含量

5.4.3 地壳4He通量

5.4.4 地下水中CH4和N2含量及N2来源

5.4.5 关中盆地氦气成藏模式

5.5 小结

6 柴北缘地区（油气田）氦气运聚成藏

6.1 实验样品及测试方法

6.2 柴北缘地区主要组分及稀有气体特征

6.2.1 柴北缘地区主要组分特征

6.2.2 柴北缘地区稀有气体地球化学特征

6.3 柴北缘地区油气充注过程

6.3.1 模拟条件

6.3.2 单阶段相分馏（气-水平衡）

6.3.3 多阶段相分馏（油水平衡-气水平衡）

6.3.4 柴北缘地区油气资源

6.4 柴北缘地区氦气运聚成藏模式

4He与地下水的关系'> 6.4.1⁴He与地下水的关系

4He含量'> 6.4.2 地下水中⁴He含量

4He累积'> 6.4.3 地下水中⁴He累积

4He补给'> 6.4.4 油气成藏后⁴He补给

6.4.5 柴北缘地区其他壳源稀有气体的富集

6.4.6 柴北缘地区氦气成藏模式

6.5 氦气富集有利条件

6.6 小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 存在的问题和展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张文

导师: 赵峰华

关键词: 氦气,关中盆地,柴北缘,成藏机理,有利条件

来源: 中国矿业大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,石油天然气工业

单位: 中国矿业大学(北京)

分类号: P618.13

DOI: 10.27624/d.cnki.gzkbu.2019.000178

总页数: 144

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