0 引言
氦具有低沸点、难液化等独特的物理化学性质，使得其在国防军工、航空、医疗、化学分析及芯片加工等高科技领域有着不可替代的广泛应用［1-4］。在整个宇宙中氦的含量较高，但是在地球上氦气非常稀缺，当前工业用氦仅能从天然气中提取［2］。一般认为天然气中氦气相对含量达到0.05%~0.1%以上就具有提氦价值，工业提氦一般要求氦气相对含量不少于0.1%［5］。然而已发现的大部分气藏中氦平均相对含量低于0.05%，达不到工业利用价值［6-8］。结合氦气在当前各领域的不可代替性及稀缺性特点认为氦气是关系到国家安全和高科技发展的重要稀缺战略资源［3-4，6-12］。早年我国只有四川盆地威远富氦天然气（含氦量为0.18%~0.2%）得到工业利用［8，13］，开展过提氦工作，近年来由于氦气研究得到国家层面的重视，我国陆续发现了和田河特大富氦储量［8］、东胜气田致密砂岩型富氦储量［14-15］，推动了我国氦气勘探研究进入了新的阶段。虽然近年来我国有新的富氦储量发现，但是目前国内氦气产能还远不能满足国家生产需求［2，10-11］。值得关注的是在我国多个含油气盆地中有富氦天然气显示，例如我国东部沿郯庐断裂带分布的渤海湾盆地［6，8］和松辽盆地等［16-18］；中部的鄂尔多斯盆地［14-15，19］和四川盆地［8，20-21］等；西部的柴达木盆地［22-24］和塔里木盆地［25-27］等（图1）。
氦气在天然气中含量低，开采成本较高，因此只有在达到一定规模的气藏中富氦或者含氦聚集才有工业提氦意义。卡塔尔北方气田氦气平均含量仅为0.04%［29］，但是由于该气田储量巨大，具备较高提氦价值，使卡塔尔成为全球主要氦气出口国之一。氦气勘探开发必须优先考虑大盆地、大气区、大气田才具有现实意义。结合我国大地构造背景、氦气成因及成藏方面综合考虑，笔者认为塔里木盆地氦气资源潜力较大，应该加强在塔里木盆地氦气勘探与普查的相关工作。下文中作者将从塔里木盆地氦气研究现状进行论述，分析氦气分布、含量、成因以及成藏特点，以期能够进一步推动塔里木盆地氦气勘探开发研究。
1 塔里木盆地氦气地球化学特征
1.1 富氦天然气分布
塔里木盆地是我国面积最大的含油气盆地，该盆地经历多旋回构造运动，多期次油气成藏［30］。塔里木盆地经历多次石油会战，但是由于地质背景复杂，该盆地台盆区当前探明大气田（地质储量>300×108 m3）仍然较少，是我国陆上天然气探明率最低的含油气盆地之一［7，31-32］。从已公布的储量数据分析，当前该盆地共发现以前陆区的克拉2、大北、迪娜2，台盆区的和田河及塔河等为代表的9个大气田（图1），其中塔河为油气田［7］。我国其他2个克拉通型基底上形成的大规模叠合盆地（四川盆地、鄂尔多斯盆地）都发现了较多的大气田［7］，四川盆地当前发现大气田22个，鄂尔多斯盆地发现大气田12个。从盆地规模上分析，塔里木盆地面积明显大于四川和鄂尔多斯盆地，发现大气田较少也进一步说明塔里木盆地天然气具有较大的勘探潜力。值得关注的是近年来中国石化在顺北大油气区的系列发现［33］，可以推测一个大气田（或者大气区）的面纱正在被逐渐揭开。作者认为“十四五”期间将会是塔里木盆地台盆区海相天然气勘探的关键时期。氦气属于弱源成藏，不能独立成藏［12，34-35］。重视氦气勘探研究必须优先考虑大气区以及潜力气区。
前人研究表明［8，25-27］塔里木盆地多个气藏或者气井显示氦气相对含量达到了工业丰度要求，值得重点关注的就是和田河气田。和田河气田位于巴楚隆起南缘玛扎塔格构造带，该气田发现于1997年，是当前塔里木盆地最大的整装海相气田，该气田探明地质储量616.94×108 m3［36］。陶小晚等［8］研究表明和田河气田探井和开发井中氦气相对含量均大于0.2%，其中M4-3H天然气中含氦最高达到0.369 95%，该气田折算氦气探明地质储量1.959 1×108 m3。按照和田河气田天然气采收率为61.95%折算，其氦气可采储量为1.213 7×108 m3。除和田河气田之外，在塔里木盆地还有多个气藏中有富氦天然气显示，尤其是在沙雅隆起上的雅克拉、沙西2号构造、哈德逊、解放渠、轮南，卡塔克隆起上的塔中，麦盖提斜坡上的巴什托，巴楚隆起上的亚松迪等油气田（区块）。通过调研文献资料，作者收集公开发表的塔里木盆地台盆区以及前陆区的氦气相关资料［8，26-27，37-40］，整理了氦气相对含量分布（图2）。
从本文研究调研资料分析，塔里木盆地前陆区仅有一口井氦气相对含量超过0.1%，达到0.131 8%（YH1井）［38］，整体上分析，前陆区天然气中氦气相对含量较低；而台盆区几乎各构造单元都具有富含氦天然气显示，尤其是沙雅隆起构造单元（图2）。雅克拉气田11井次天然气中氦气平均含量为0.226%，在奥陶系产出天然气中最高氦气含量达到0.94%；沙西2号S13井具有塔里木盆地探井中最高的氦气相对含量，氦气含量高达2.19%，在相对含量上远超过工业提氦丰度值。哈德逊油气田2口井氦气相对含量也都超过0.1%（HD113井、HD2-7井），此外解放渠（JF138井）、轮南油气田（LN10-2井、LN2-25-H1井、LN3-H1井）中均有部分井天然气中氦气相对含量超过0.1%。
卡塔克隆起上的塔中油气田生产井中氦气相对含量整体上在0.05%左右，8口井中氦气相对含量平均值为0.087%，有2口井中氦气相对含量高于0.1%（TZ16-6井、TZ4-7-H22井）。在巴什托构造M3井和M4井二叠系产出天然气中氦气相对含量分别为0.73%和0.68%，显示出巴什托区块可能具有较大的氦气勘探潜力。巴楚隆起上的亚松迪以及和田河气藏中氦气相对含量均达到工业提氦丰度，遗憾的是亚松迪油气田当前储量较低，和田河气田开发早期氦气资源重视程度不够导致部分氦气资源损失。台盆区天然气中氦气显示明显优于前陆区，塔里木盆地整体上氦气显示良好，各构造单元都具有达到工业提氦丰度的气井，作者认为应该重视天然气中氦气普查，重视这种天然气中被忽视的“黄金”资源。
1.2 氦气成因
He具有2种稳定同位素3He和4He。地球上的3He一般是其形成时捕获的原始氦，而地球上的4He是铀钍等元素发生α衰变形成［41-42］。天然气中的氦一般认为有3种来源：幔源、壳源以及大气来源。由于空气中的氦气含量极低，仅为5.24×10-6，在分析天然气中氦气成因时通常采取壳幔二端元分析［5，8，11-12］。壳源氦是指矿物中含有的铀钍发生α衰变形成的氦［41-42］，而幔源氦指通过构造活动从地幔运移至浅层气藏中的氦［5，16，41，43］。由于其独特的形成方式，幔源氦在我国构造活动区气藏中较为发育，例如在我国东部沿郯庐断裂带分布的中新生代裂谷盆地中发现的气藏中氦气有相对较多的幔源贡献［44］。一般认为幔源氦气同位素端元值为1.1×10-5；壳源成因氦气同位素端元值为2×10-8［8，45-46］。按照2个端元同位素值，结合塔里木盆地天然气中氦气同位素值可以分析该盆地中氦气来源，以及两端元成因氦的相对贡献。从台盆区和前陆区28井次［8，26-27，37-40］天然气中3He/4He分析，认为无论是台盆区还是前陆区天然气中He主要为壳源成因［图3（a），图3（b）］。塔里木盆地台盆区和前陆区天然气中壳源氦贡献大部分都超过了98.8%［图3（a）］，幔源氦贡献最多的井是阿克莫木气藏中AK1井［图3（b）］，但是该井中幔源He贡献也仅约为6.8%。前人研究表明国内外开展过工业提He的气藏中，例如我国的威远气田［13，21，47，37-40］以及美国的潘汉德—胡果顿气田［48］氦气都是壳源成因占据绝对优势，因此当前的He勘探应该以壳源成因He为主。
2 塔里木盆地典型富氦天然气形成机理
前人对和田河气田常规天然气地质与地球化学特征开展过较为深入的研究［36-37，50-51］，本文将结合前人研究以及地震和钻井资料剖析和田河玛8（M8）圈闭富氦气藏成藏机理。和田河气田系列背斜圈闭主要是喜马拉雅时期定型［36-37，49，51］，在平面一般简化为南北2条逆冲背斜夹持的断背斜圈闭（图4），从作者最新解析的地震资料分析和田河气田M8圈闭主要受到3条相互叠置的逆冲背斜控制［图5（a），图5（b）］。和田河气田储层既有碎屑岩，又有碳酸盐岩，主力储层是石炭系生屑灰岩和奥陶系碳酸盐岩［36-37］。在奥陶系顶部发育风化壳，因此和田河气田碳酸盐岩储层中溶蚀孔洞非常发育，储集空间主要为裂缝和孔洞［8，36-37］。石炭系含膏泥岩是和田河气藏的直接盖层。当前主流观点认为塔里木盆地海相油气来自于寒武系玉尔吐斯组烃源岩［30］，秦胜飞等［51］对和田河气藏成藏特征研究后认为该气藏来源于寒武系过成熟烃源岩。作者认为从寒武系断穿至石炭系的断裂是和田河气田的主要输导体系之一［图5（b）］。和田河圈闭形成于喜马拉雅期，因此认为该气藏形成时间较晚，具有晚期成藏特点［36-37，51］。
由于氦气具有弱源成藏特点［12，34-35］，并且结合前文分析表明和田河气藏中的氦气壳源贡献达99%以上［52］，推断该气藏中氦主要来自于矿物中富含的铀钍α衰变。塔里木盆地经历多期构造运动，二叠系普遍发育火山岩［53］，但是石炭系发育含膏泥岩盖层，因此作者认为气藏中的氦气不可能来自上覆火山岩中铀钍元素衰变。塔里木盆地火山岩广泛分布［54］，说明壳源岩浆活跃，并且和田河气藏周围发育大型逆冲断裂，从地震资料分析该断裂明显沟通基底与古生代沉积盖层［图5（b）］。和田河气田东南方向的MT1井钻穿沉积盖层，并在中元古界钻遇花岗岩基底（富含铀钍的岩体）。作者认为在和田河气田附近应该发育规模花岗质基岩。前人研究表明［13-14，48，55］花岗质基岩可以作为良好的氦源。例如国内发现四川盆地威远富氦气藏［13］、鄂尔多斯盆地东胜富氦气藏［14］，以及美国的潘汉德—胡果顿富氦气藏［48］，其下伏都发育规模的花岗质岩石，并且具有良好的沟通氦源与储层的输导体系。作者认为和田河气田下伏良好的氦源并且该基岩形成时间为中元古代，时间久远有利于铀钍等元素的长期放射性衰变形成氦气。塔里木巴楚隆起南缘断裂体系发育，具有良好输导体系［49］。随着构造运动，断裂开启性活动，富氦流体可运移至浅部遇到烃类气体，并随着烃类流体运移至圈闭中成藏。前人研究表明氦气的运移聚集与地层水关系密切［34，56］，一般认为He在遇到富含烃类流体前主要是溶于地层水中运移［52，55-56］。不同气体在溶液中溶解满足亨利定律，即在一定温度和平衡分压下，气体在液体里的溶解度和气体的平衡分压成正比［34］，用公式表述为：
式中：X A为溶解的气体在溶液中的物质的量分数；P A为平衡时液面上该气体的分压；K x，A为亨利常数，亨利常数受到温度、压力与盐度等因素影响。
一方面，当受到构造运动以及地层中温度或者压力差异的影响，富氦地层水可能在地质体中发生运移，在向上运移过程中围岩温度会降低，遇到烃类气体，氦在地层流体中分压减小，有利于氦气析出；另一方面，氦密度小，深层富氦流体密度也会较小，可以在浮力驱动下向浅层运移。富氦流体在遇到大量烃类气体时，地层水中氦气分压会降低，也会导致He析出，烃类气体溶解，发生氦气被烃类气体置换的现象。氦被置换出并混入烃类气体中，部分烃类气体溶解进入地层水。含氦气的烃类气体随着输导体系运移至圈闭中聚集成藏。地层水在氦气运移聚集过程起到类似“提氦泵”作用。发生烃类与氦气置换作用的地层水再次随着地下水循环体系运移至富氦岩体附近可以继续溶解氦气，随着构造运动地层水可以再次活跃运移至浅层发生烃类气体与氦的置换作用。漫长的地质历史时期，规模的氦源，长期放射性衰变可以形成具有一定资源价值的氦聚集。和田河气藏盖层为含膏泥岩，研究表明地层水矿化度增加会使亨利常数急剧增大，导致气体溶解度显著减小［57-58］。因此作者认为和田河气藏上覆含膏泥岩盖层在一定程度上提高了地层水的矿化度，有助于减少氦气的溶解且有利于氦气的保存。前人［35］研究表明地热井热水中溶解的N2与He相对含量一般较高，例如渭河盆地，地热井热水析出气体中氦气相对含量最高达9.23%，氮气相对含量达99.56%，并且地热井热水析出的N2与He相对含量明显高于常规天然气，说明地层水可以是N2与He在地质体中运移的良好载体。对塔里木盆地N2与He相对含量分析发现，天然气中He与N2相对含量具有一定的正相关性（图6），也进一步佐证了氦气在进入烃类气体之前可能主要赋存于地层水中，并随着地层水运移。研究表明亨利常数具有随着温度增加而先增大后减少的趋势，并且在天然气中N2与He的亨利常数具有最为相似的变化规律［34，57］，因此二者在地层水中运移可以发生类似的被烃类置换现象，从而导致在部分气藏中He与N2相对含量具有一定的正相关性，塔里木盆地天然气中N2与He相对含量的正相关性也进一步佐证了He在地层条件下可能是在水溶状态下运移。由于He为无机成因，然而N2有多种成因［40］，因此在天然气中N2与He的相对含量并不是绝对的正相关性，但是作者认为在我国塔里木盆地及其他多个含油气盆地中确实存在二者相对含量的一定正相关性［13，52］，这种现象应该与二者亨利常数的相似变化规律有关。相似的亨利常数表明N2与He具有协同的或者相似的溶解以及从地层水中释放的现象［34］，因此作者认为相似的亨利常数在一定程度上决定了N2与He在天然气中相对含量的相关性。秦胜飞等［51］通过对和田河气藏中烷烃气组成以及同位素特征分析，认为和田河天然气为典型的水溶气成藏，并且气藏具有从东部井区运移到西部井区的特征。综合分析后，作者认为和田河东部的MT1井钻遇基底花岗质岩体可能是和田河气藏的氦源。规模分布的优质氦源以及良好的输导体系，匹配适宜的构造活动，这种得天独厚的成藏条件是和田河富氦气藏形成的关键。和田河气藏中N2与He的相对含量都较高，气藏中N2相对含量高于10%，He的含量也超过了工业提氦丰度值［37］。从塔里木盆地中He与N2相对含量分布图分析（图6），可以认为N2含量较高的天然气中He含量一般也较高。从中也可以得到启示，关注富氦天然气可以优先关注高含氮气的天然气。
3 塔里木盆地富氦天然气勘探有利区
偏酸性岩浆岩中铀钍含量明显较高，尤其是花岗质岩浆岩，因此当前学术界一般认为天然气中的氦来自花岗岩中铀钍元素放射性衰变［12-14，34］。在我国威远富氦气藏、东胜富氦气藏以及美国的潘汉德—胡果顿富氦气藏都发育下伏规模性的花岗岩［13-14，48］。按照花岗岩的平均U、Th含量分别为5.13×10-6和18.75×10-6，平均密度为2.5 g/cm3计算，单位体积花岗岩每年产生的氦气仅为2.89×10-12 m3［34］，放射性衰变产氦非常缓慢，因此放射性成因氦气聚集需要有年代积累效应。富含铀钍元素的花岗质基岩长期放射性衰变积累，可以使地层流体中饱含氦，长期积累，在有利的地质条件下便可形成富氦天然气藏。规模发育的氦源以及有利的储盖组合，良好的地下水循环系统等条件是富氦天然气形成的关键。
塔里木盆地二叠系岩浆岩分布广泛，前人将其划归为全球第12个大火成岩省［59］。岩浆岩中铀钍元素一般高于其他岩石，尤其是酸性岩浆岩中铀钍元素含量较高［34］。塔里木盆地以流纹岩和花岗岩为代表的酸性岩广泛分布，例如沙雅隆起、塘古巴斯坳陷、顺托果勒低隆起以及孔雀河斜坡、卡塔克隆起等地区［60-61］。塔里木盆地岩浆岩几乎在全盆地各个区带都有发现，展现出较好的氦气源岩潜力。在库车坳陷以及孔雀河斜坡都发育沉积型铀矿［62-63］，说明该地区存在铀的蚀源区，即具备良好的氦源。在沙雅隆起、卡塔克隆起、巴楚隆起以及麦盖提斜坡都有良好的油气以及氦气显示。结合当前塔里木盆地油气勘探现状，作者认为沙雅隆起、卡塔克隆起、巴楚隆起以及麦盖提斜坡应该是该盆地氦气勘探普查优先考虑的区块。此外，中国石化近期在大顺北地区获得了良好的天然气勘探成果［33］，该区块是“十四五”海相天然气勘探重点地区，因此应该加强对大顺北地区天然气中氦的普查工作。
4 结论
塔里木盆地钻井揭示富氦天然气显示良好，并且总体上台盆区富氦天然气显示优于前陆区；塔里木盆地氦气以壳源成因为主；氦气富集成藏与地层水关系密切，氮气相对含量高的气藏中氦气相对含量一般较高，塔里木盆地氦气勘探普查可以优先关注氮气相对含量高的气藏。地层水与富氦天然气成藏关系密切，在富氦天然气聚集过程中可能起到“提氦泵”的作用。良好的输导体系（通源的断裂体系）沟通优质的氦源与储层、适宜的构造活动促进富氦流体运移等条件是富氦气藏形成的关键。塔里木盆地在沙雅隆起、麦盖提斜坡、巴楚隆起和卡塔克隆起等构造单元均发育良好的氦源以及有利的油气成藏组合，有利于富氦天然气聚集，该构造单元是塔里木盆地氦气勘探的优先考虑区块。大顺北地区天然气勘探前景好，并且该构造单元是“十四五”海相天然气勘探重点区块，也应该加强对该区的氦气勘探普查工作。
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