咸阳市区富氦水溶气组分特征及成因分析

张 瑾，邹彦荣，陈淑惠，刘棣民.

(中国石化华北油气分公司采气二厂，陕西咸阳 712000)

氦是一种无色、无味、不燃烧也不助燃的稀有惰性气体，是熔点(26 atm，-272.1 ℃)和沸点(1 atm，-268.94 ℃)最低的已知元素[1]。由于其在军工、航天、核工业、深海潜水及民用高科技等诸多领域的不可替代性，氦气又是关系国家安全和高新产业的重要战略性稀有气体资源，因此，我国近年来对氦气的需求量逐年递增，但国内资源极其稀缺，氦气供应长期依赖进口，资源安全形势十分严峻[2-3]。

咸阳市区地热井伴生气中氦气资源丰富，浓度大[4]，但在近些年的地热开发中并未开展相应工作。若在后期将氦气作为地区伴生资源加以提取利用，必将改变我国氦气资源紧缺的局面。

1 咸阳市区地质概况

咸阳市位于渭河盆地中心部位。该地区新生界地层发育比较完整且厚度较大，从老至新依次发育有白鹿塬组、高陵群、蓝田灞河组、张家坡组、三门组和秦川群(表1)，其中高陵群和蓝田灞河组为咸阳市区地热资源的主力储层[5-6]。

表1 咸阳市区新生界地层划分Table 1 Stratigraphic division of Cenozoic strata in Xianyang

构造上，咸阳市位于渭河盆地西安凹陷北部缓斜坡带。西安凹陷的北部缓斜坡带被近东西向的乾县断裂、礼泉断裂和渭河北岸断裂自北向南分割成依次递降的3个三级构造单元带，分别是北部缓坡高断阶带、北部缓坡中断阶带和北部缓坡低断阶带。咸阳市区横跨北部缓坡中断阶带和低断阶带这两个三级构造单元带。

2 市区水溶天然气组分特征

通过对咸阳市区地热井生产情况进行长期监测，结果表明市区内地热井所产地热水中普遍伴生有不同量的水溶气，并大致呈现出南高北低、沿着渭河北岸断裂带(F1)附近含量较高的特征(图1)。

通过对咸阳市区有取样条件的30余口地热井的井口水溶气样品气体组分的分析表明，咸阳市区地热井水溶气中普遍含有甲烷气，含量差别较大(最低为0.37%，最高为63.71%)，基本以低甲烷含量(甲烷含量小于30%)为主(表2)。在非烃气体含量方面，均以氮气为主(平均含量为74.5%)，其余均具有较低的非烃气体含量，普遍含有稀有气体氦，氢气含量甚微(平均含量为0.03%)。二氧化碳含量差异较大(最大为79.38%，最小为0%，平均为9.9%)。

表2 咸阳市区地热井水溶气主要组分表Table 2 Main components of water-soluble gas in geothermal wells in Xianyang

由于目前地热井取水层段多为多层合采，无法确定单一层位水溶气的组分特征，故采用各井取水段中部位置进行对比。水溶气中甲烷含量与取水段中部深度关系图(图2)表明，除XY62、XY39井外，市区内地热井水溶气中甲烷含量基本表现出随取水段中部深度增大而增加的趋势，渭河北岸断裂南北两侧甲烷组分差别较小。

通过对采集的水溶气样品组分进行化验，结果表明，在35个样品中，氦气含量均超过0.1%工业标准，其中氦气浓度大于1%的有26个，说明氦气在咸阳地区内广泛分布且浓度普遍较高。从水溶氦气浓度分布图(图3)可以看出，渭河北岸断裂带附近为氦气含量的高值区，氦气浓度均大于2%，最高为三普2号井(3.0%)，表明该断裂对氦气分布的控制作用明显。以该断裂带为界，水溶氦气含量具有断裂带以北自北向南逐渐增大、断裂带以南自南向北增大、氦气浓度与断裂距离呈现出一定的正相关性的规律特征。氦气含量与取水段中部深度关系图(图4)表明，断裂北侧水溶气中氦气浓度值整体偏高，断裂南侧氦气浓度值差异较大，整体与取水段深度关系都不明显。

3 成因分析

3.1 氦同位素及成因分析

地层水溶气中氦的来源有两种，即通过深大断裂运移，或岩浆岩、火山岩脱气的幔源氦和岩石所含放射性铀、钍(主要是花岗岩中) 衰变形成壳源氦[7]。

自然界中氦(He)有两种稳定同位素：3He和4He，通常选用样品中R(3He/4He)的值来判别氦气的来源：R=1.1×10-5为典型幔源氦特征，R=2.2×10-8为典型壳源氦特征。大气中的氦含量很少但分布稳定，其Ra(3He/4He)的值为1.4×10-6。由于壳源和幔源氦气的R值相差较大，也可以用R/Ra值作为依据判断氦气来源：当R/Ra=1时，为大气氦；R/Ra=6～9时，为幔源氦；R/Ra=0.01～0.05时，为壳源氦。

由咸阳市区20个水溶气样品的氦同位素分析结果(表3)可以看出，其3He/4He的值介于(2.5～10)×10-8之间，仅XY08井值较大，R/Ra的值介于0.019～0.214之间，属壳源气混有极少量幔源气。

表3 咸阳市区水溶气氦同位素数值表Table 3 Helium isotope table of water-soluble gas in Xianyang

测定出3He/4He的值后，可利用二元混合模式计算出气体中幔源氦和壳源氦含量的百分比，公式为：

(1)

式中R——氦气实测值；

R壳——壳源3He/4He标准值，2.2×10-8；

R幔——幔源3He/4He标准值，1.1×10-5。

以上测试及计算结果表明，咸阳市区天然气样品中的氦气以壳源成因为主，混有极少量的幔源氦。在渭河北岸断裂附近，幔源氦占比较大，尤其是助剂厂井，达到2.53%。

3.2 碳同位素及成因

天然气的成因类型可分为无机成因气、有机成因气和混合成因气3大类[8-9]，分类标准见表4。根据该标准，结合相关图版[10-14]对市区内天然气的成因进行研究。

本次碳同位素分析的样品共计20个，其中18个样品的δ13CCO2值在-10‰到-20‰之间，2个样品的值大于-10‰(表5)，表明咸阳市区水溶天然气中的CO2气体主要来源于有机质的热演化及岩浆脱气，与之共生的烃类推测成因相同。

根据检测结果，20个样品中，没有δ13C1>-10‰的样品，14个样品的δ13C1值在-30‰和-10‰之间(表5)，参考表4分类标准认为，所采样品中甲烷成因主要为煤成气。

表5 咸阳市区水溶气样品成因类型Table 5 Genetic types of water-soluble gas samples in Xianyang

表4 天然气成因分类[3]Table 4 Natural gas genetic classification

根据实测气样品的δ13C1值和计算的甲烷与乙烷、丙烷含量之和的比值，绘制了δ13C1与C1/C2+3关系的天然气成因图[14-17](图5)，据图可以看出，咸阳市区天然气以煤成气和无机气为主。

根据咸阳市区20个水溶气样品的组分及碳和二氧化碳同位素测定结果，参照以上两个成因分类图版，对这些天然气样品的成因做出综合分析。研究结果表明，咸阳地区水溶气中甲烷以煤成气为主，部分混有少量的无机成因气，其中，XY12、XY13等10口井主要为煤成气，XY22、XY23等9口井以煤成气为主并混有少量无机气，XY17井主要为油型和煤成混合气。

4 结论

(1)咸阳市区地热井天然气中大部分以氮气为主，甲烷含量较低(大部分小于30%)，普遍含有较高浓度的氦气，其主要富集区分布在渭河断裂两侧。

(2)市区内水溶气中甲烷以煤成气为主，部分混有少量的无机成因气。

(3)市区内氦气主要以壳源氦为主，部分井混有极少量幔源氦。