松辽盆地北部氦气分布特征及控制因素

钟鑫

（大庆油田有限责任公司采气分公司，黑龙江大庆163700）

氦气是一种稀有非烃类惰性气体。它具有不易液化、稳定性好、扩散性强等特点，广泛应用于国防军工和高科技产业发展领域[1]。我国氦气资源相当贫乏，其主要来源是从含氦天然气中提取。

据一些文献报道，赋存在天然气中的氦皆为无机成因气[2-3]，主要为幔源成因和壳源成因两种。幔源氦是由于上地幔的底劈作用造成岩石圈的抬升、伸展变薄、层圈拆离，最终导致岩石圈断裂发育，使得幔源物质沿岩石圈断裂上涌进入地壳，氦也随之带入。壳源氦主要为地壳内放射性元素铀、钍和镭衰变所产生。地层中独立的氦气藏非常少，多数作为天然气的伴生物而成藏。因此，沉积盆地内的天然气藏是氦气富集的主要场所。松辽盆地是大型陆相沉积盆地，油气资源非常丰富，目前已发现了宋站、汪家屯、五站等天然气田。松辽盆地北部是指盆地位于黑龙江省所属区域，以松花江为界以北的油气勘探区域，油气勘探矿权隶属于大庆油田公司。

据徐永昌等1990年提出工业天然气井中氦含量大于0.1%即具有工业价值[4]。大庆油田公司在盆地北部的油气勘探过程中，对天然气井组分分析时发现了一些井中的氦气含量超过了0.1%的工业标准，有的最高可达2.104%，表明在天然气藏形成过程中也发生了氦气的聚集过程，展示了松辽盆地北部具有较好的氦气勘探前景。因此，深入研究盆地内氦气的分布特征及控制因素对勘查该盆地氦气成藏具有重要的指导意义。

1 盆地基本地质特征

松辽盆地位于中朝板块和西伯利亚板块复杂的构造演化带内，是叠置于古生代基底之上的大型中、新生代陆相沉积盆地。松辽盆地的形成和演化与其它张裂型盆地相似，大致经历了热隆张裂、裂陷、坳陷和萎缩褶皱四个阶段。沉积盖层的发育主要受燕山和喜马拉雅构造运动与古气候两大因素的控制，在盆地发育的早期断陷阶段，构造运动以断裂作用为主，形成一系列断陷盆地，随后是暂短的断坳转换期，接下来是长期的坳陷阶段，最后是构造反转沉积时期。因此，盆地沉积盖层可划分为下部断陷沉积层序（下白垩统的火石岭组、沙河子组和营城组），中部坳陷沉积层序（下白垩统登娄库组至上白垩统嫩江组）和上部反转期沉积层序[5]（上白垩统的四方台组—新近系）（图1）。坳陷期是盆地发育的鼎盛时期，共划分为6个一级构造单元[6]，即西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、东南隆起区。这套地层在空间展布上总体呈碟形，构造面貌以宽缓褶皱构造为特征，正向构造和负向构造相间排列，总体走向为北东、北北东向，是盆地坳陷期沉积作用和反转期构造运动变形改造的综合表现。

坳陷期构造发育具有长期性与继承性，登娄库组沉积早期，沉降、沉积作用仍受早期断陷作用影响，登娄库组一、二段的沉积主要受基底断裂控制，到登娄库组三、四段沉积时开始超越断陷带的影响逐渐向外超覆。泉头组-嫩江组沉积时期，是盆地整体沉降、坳陷层序堆积建造阶段和同生构造的形成期。此时，盆地大型坳陷发展进入全盛时期，沉积范围逐渐扩大，各组段地层向边缘超覆。至嫩江组二段沉积时期范围达到最大。青山口组沉积时期为盆地坳陷沉降最强烈时期之一，并伴有区域性强烈伸展作用。嫩江组沉积末期，盆地开始收缩反转，进入反转期沉积层序序列。

2 盆地北部氦气成因及分布特征

松辽盆地是大型陆相含油气盆地，大庆油田公司在盆地北部发现了众多油气田，油气勘探过程中，在对天然气工业气流井组分进行分析时发现很多井都含有氦气成分，并且一些井氦气含量大于0.1%的工业标准，最高的井氦气含量达到了2.104%，为在盆地内寻找氦气藏提供了重要线索。

2.1 氦气成因分析

一些研究成果表明[2-3]，赋存在天然气中的氦都是无机成因，即壳源成因和幔源成因两种。一般用同位素3He/4He比值来确定是那种成因，在氦的同位素中，3He是元素合成时形成的核素，即地球形成过程中捕获的原始氦，4He是地球中放射性元素铀和钍元素衰变产生的。一般情况下壳源氦与幔源氦在同位素3He/4He比值上差别较大，壳源氦的典型值为2.0×10-8，幔源氦的典型值为1.1×10-5。

表1是松辽盆地北部天然气田（藏）中一些天然气工业气流井中的氦气同位素测试结果，从中可以看出测试出的范围值为2.88×10-7～4.21×10-6，介于壳源和幔源两种成因的氦典型值之间，应该为两种类型的混合成因。

2.2 氦气分布特征

松辽盆地北部目前已发现大量的天然气田（藏），主要是中浅层（泉头组三段以上地层）天然气田（藏）和深层（登娄库组-火石岭组）天然气田（藏）。据统计，达到工业标准井的氦气含量值一般在0.102%～0.404%，埋深范围为589.6～3 630.0 m，与天然气产出层位基本一致[7]（表2）。

从表2中可以看出，氦气的产出层位自中部坳陷期的嫩江组至下部断陷期的火石岭组皆有分布，且含量呈逐渐增大的趋势。嫩江组至姚家组氦气含量为0.119%～0.310%，平均值0.172%；泉头组四段至泉头组三段氦气含量为0.110%～0.251%，平均值0.181%；登娄库组至火石岭组地层氦气含量为0.102%～0.404%，平均值0.234%。这种现象表明盆地内储气层中的氦气应该主要来自深部的地壳和上地幔，在沿深大断裂进入沉积盖层过程中，由于扩散作用其含量逐渐降低，而与来源空气中的氦关系不大。

表2 松辽盆地北部天然气井氦气含量统计表Tab.2 Helium content of natural gas wells in the north of Songliao basin

3 主要控制因素

分布在松辽盆地北部各区域和各层位的氦气，主要作为天然气的一种组分，赋存在天然气田（藏）内，其成藏条件与天然气一样，要有良好的圈闭条件作为储集空间。由于氦的分子量较小渗透性极强，即使存在于良好的天然气藏圈闭内的氦气也非常容易通过微孔隙进行散失。因此，这就需要有良好的区域盖层条件及氦气源进行源源不断的补给，以补充不断散失的部分来达到一种动态平衡状态。那么发育有能够断穿基底和地壳或断至上地幔的深大断裂，作为沟通深部氦气源向上运移通道，以及发育良好的泥岩盖层确保氦气成藏尤为重要。

3.1 深大断裂发育特征

大庆油田在油气勘探过程中积累了大量区域地质、地球物理及钻井等资料，为研究松辽盆地的地壳结构和断裂特征提供了依据。如大庆油田研究院的李安峰先生应用上述资料，又结合了不同时代的地层分布、不同性质岩浆岩带的分布和现代天然地震活动的分布特征，在宏观分析的基础上研究认为松辽盆地主要发育深大断裂带有7条，即北北东向4条和北北西向3条[8]（图2）。从盆地西缘向盆地东缘发育4条规模较大的北北东向断裂带为嫩江断裂带、齐西-敖古拉-哈拉海断裂带、孙吴-双辽断裂带和任民镇-肇州断裂带。从盆地北缘向南发育的北北西向3条断裂带，依次为讷河-绥化断裂带、滨州断裂带和扎赉特-吉林断裂带。其中嫩江断裂带、孙吴-双辽断裂带为地壳断裂，地球物理特征表现为重力异常为区域正背景场中的狭窄负异常带，磁性异常为不同磁场区的分界线。其它5条为基底断裂断裂，重力异常特征整体表现为正负异常分界明显，磁性异常表现为局部异常错动，正负磁场的分界线。

每条断裂带又由多条次级断裂组成。例如：嫩江断裂带由三支平行发育的北北东向基底断裂组成；孙吴-双辽断裂带由四支平行分布的基底断裂组成。上述两个方向的断裂带交叉分布，交织联络组成网格状，它控制着基底结构，是形成深部断陷期地层的主要控制因素。从已知天然气井中氦气组分检测统计结果可以看出，嫩江组至火石岭组，氦气平均含量逐渐增大，这种变化趋势表明上述两组深大断裂对于来源于幔源和壳源的氦气的重要性，另外图2中氦气的分布主要集中在大断裂的附近，由此认为这些深大断裂是深部氦气向上运移的主要通道，是形成氦气藏的主要控制因素之一。

图2 松辽盆地北部深大断裂分布图Fig.2 Distribution of deep faults in northern Songliao basin

3.2 盖层封闭性及其发育特征

松辽盆地坳陷层发育多套盖层，控制着油气聚集与分布，因此，也控制着氦气藏的聚集与分布，这些盖层具有以下特征：1）在岩性上多为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，垂向上各种岩性盖层互层较多。2）在规模上青山组一段、嫩江组一、二段泥质岩盖层在全区发育表现为区域性盖层（图3、4、5）；青山口组二、三段泥质岩盖层在少数部分地区有缺失，但盖层厚度比较大，也可视为区域性盖层（图6）。而明水组一段、泉头组一、二段是以泥质岩为主夹薄层砂岩的盖层，属于泥质岩与砂岩互层的盖层，连续性较差，厚度较薄，属于局部盖层。3）在成分上青山口组一、二、三段及嫩一、二段等区域盖层呈现为均质性盖层的特征，其中泥页岩和泥质岩类所占比例大于75%。而其他局部盖层泥页岩和泥质岩类所占比例小于75%为非均质盖层。

图3 松辽盆地青山口组一段泥岩厚度图Fig.3 Thickness map of the mudstone in the Qing1 formation of Songliao basin

图4 松辽盆地嫩江组一段泥岩厚度图Fig.4 Thickness map of the mudstone in the Nen1 formation of Songliao basin

图5 松辽盆地嫩江组二段泥岩厚度图Fig.5 Thickness map of the mudstone in the Nen2 formation of Songliao basin

图6 松辽盆地青山口组二、三段泥岩厚度图Fig.6 Thickness map of the mudstone in the Qing2-3 formation of Songliao basin

松辽盆地北部这几套区域性泥岩盖层的空间分布主要受沉积环境的影响，其沉积特征主要表现为：1）青山口组一段沉积时期是湖盆发育的第一个兴盛期，以滨浅湖-深湖相为主，沉积了大面积较纯泥岩，除西部斜坡带的齐齐哈尔-依安地区分布有灰绿-红色泥岩以外，其它区域皆为暗色泥岩。中央坳陷区泥岩厚度最大，最高可达130 m，沉积稳定，向四周逐渐变薄，仅在盆地边缘有缺失。该层是盆地主要的烃源岩层，孔隙流体存在超压，具有很好的封盖性能。2）青山口组二、三段也属于滨浅湖-深湖相沉积，沉积厚度也比较大，一般介于200～450 m，主要分布在中央坳陷区内，并且处于中成岩早期和中成岩晚期，可形成很好的封盖。但在西部斜坡区、东北隆起区和北部倾没区的明水阶地处缺失该套地层。3）嫩江组一段同样也属于滨浅湖-深湖相沉积，全区分布，泥岩沉积面积大，厚度介于20～120 m，在中央坳陷区的朝长阶地、三肇凹陷，东北隆起区和北部倾没区的明水阶地厚度最大为80～120 m。4）嫩江组二段沉积时期是盆地最大侵水期，沉积了较厚的滨浅湖-深湖相暗色泥岩，泥岩分布面积大。

在中央坳陷区为半深-深湖相沉积，与嫩江组一段一样泥岩沉积厚度最大，位于在中央坳陷区的朝长阶地和三肇凹陷内，东北隆起区和北部倾没区的明水阶地，最大可达240 m。嫩二段以深湖相沉积环境为主，泥岩厚度大且分布稳定，处于早成岩末期和中成岩早期，是盆地非常好的一套封盖层。另外，火石岭组至泉头组沉积相展布特征为火山岩-冲积扇、扇三角洲-湖泊-冲积平原相，其中以扇三角洲-湖泊体系为主，岩性以砂砾岩、砂岩、泥质粉砂岩为主。但也有一些组段在局部区域是以泥质岩夹薄层砂岩为主，如泉头组三段、登娄库组二、三段和营城组二、三段，可形成良好的局部盖层。

目前，大庆油田在姚家组、青山口组二、三段所发现的天然气田（藏）都是在嫩江组一、二段泥岩的封盖下形成的。而在泉头组三、四段内形成的天然气田（藏）的盖层为青山口组一、二段泥岩。在下部断陷期形成的深层天然气田（藏），主要是局部盖层在起封盖作用。由于氦气是赋存在天然气田（藏）内，因此，这些区域盖层和局部盖层也就成为氦气藏的重要控制因素之一。

3.3 氦气成藏综合分析

据油气井统计揭示，氦气主要赋存在天然气田（藏）内，这表明氦气成藏条件与天然气成藏条件除气源不同外，其圈闭条件应该是相同的。首先要有良好的背斜、断鼻等构造圈闭条件，松辽盆地北部已发现的天然气田（藏）皆为这种类型。其次构造上方发育优质的泥岩盖层也是成藏的重要条件。前面已叙述过，松辽盆地北部共发育四套较厚的泥岩，这四套泥岩既是盆地形成油气藏良好的烃源岩又是抑制油气向上运移的区域封堵盖层，因此它对氦气成藏也具有相同的作用。氦气是无机成因气，主要来自地下深部的地壳和上地幔，因此长期发育的深大断裂是氦气向上运移的主要通道，是氦气成藏又一重要的必不可少的条件之一。从图2可以看出，富含氦气的井多数在深大断裂附近。表2揭示出了地层由浅向深氦气含量在逐渐增大，也间接证明了深大断裂的作用。综合上述分析，在含油气盆地内寻找氦气藏，要依附于天然气田（藏），并且要深入研究深大断裂的发育情况及与天然气田（藏）的关系，以此确定氦气聚集部位，找到相对富集的氦气藏。

4 结论

（1）松辽盆地北部氦气主要分布在嫩江组以下地层的天然气气藏中，其含量向下逐渐增大。这种趋势表明了氦气应该主要来自深部的地壳和上地幔，沿深大断裂向上运移进入到盆地内储气层中，与甲烷天然气相伴生。

（2）松辽盆地北部共发育4条北北东向深大断裂带和3条北北西向断裂带。两组断裂交叉分布，交织联络组成网格状，即是深部断陷格局的主控因素，又是深部氦气向上运移的主要通道。

（3）松辽盆地发育以泥岩为主的青山口组一、二、三段、嫩江组一、二段4套区域盖层，它既是大庆油田形成油气田（藏）的主要烃源岩，又是形成油气田（藏）的良好盖层，由于氦气赋存在天然气田（藏）内。因此，它也是氦气聚集与分布的主要控制因素之一。

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