天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 3: 399 - 412

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.012

非烃气体：氦气专栏

鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气地球化学特征、氦气成因来源及成藏主控因素

  • 范立勇 , 1, 2 ,
  • 魏建设 , 3, 4 ,
  • 胡爱平 5 ,
  • 李玉宏 3, 4 ,
  • 谢林泽 1, 2 ,
  • 姜涛 6 ,
  • 张宇轩 3, 4 ,
  • 马尚伟 3, 4
展开
  • 1. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安 710018
  • 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018
  • 3. 中国地质调查局西安地质调查中心/西北地质科技创新中心，陕西 西安 710119
  • 4. 中国地质调查局氦气调查研究中心，陕西 西安 710119
  • 5. 中国石油长庆油田分公司勘探事业部，陕西 西安 710018
  • 6. 中国地质科学院，北京 100037
魏建设（1981-），男，河南驻马店人，硕士，正高级工程师，主要从事油气及非常规能源地质调查工作.E-mail：.

范立勇（1978-），男，山东泰安人，博士，高级工程师，主要从事油气地质及资源评价研究.E-mail：.

收稿日期: 2024-09-12

  修回日期: 2024-10-25

  网络出版日期: 2024-11-11

收起

Geochemical characteristics， origin and main controlling factors of helium gas accumulation of helium-bearing natural gas in Sulige Gas Field， Ordos Basin

  • Liyong FAN , 1, 2 ,
  • Jianshe WEI , 3, 4 ,
  • Aiping HU 5 ,
  • Yuhong LI 3, 4 ,
  • Linze XIE 1, 2 ,
  • Tao JIANG 6 ,
  • Yuxuan ZHANG 3, 4 ,
  • Shangwei MA 3, 4
Expand
  • 1. Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China
  • 2. National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low⁃Permeability Oil & Gas Fields，Xi’an 710018，China
  • 3. Xi’an Center of China Geological Survey / Northwest China Center of Geoscience Innovation，Xi’an 710119，China
  • 4. Research Center for Helium，CGS，Xi’an 710119，China
  • 5. Exploration Department，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China
  • 6. Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China

Received date: 2024-09-12

  Revised date: 2024-10-25

  Online published: 2024-11-11

Supported by

The Major Science and Technology Project of PetroChina Changqing Oilfield Company(2023DZZ02)

the Special Project of Geological Mineral Resources and Environmental Investigation of China Geological Survey(DD20230026)

the China National Key Research and Development Plan(2021YFA0719003)

Fold

摘要

鄂尔多斯盆地是中国最大的天然气产区，发现东胜和庆阳2个富氦天然气田，展示了良好的氦气资源前景。苏里格气田是中国发现的最大天然气田，为了评价气田的氦气资源前景，通过对气田天然气组分、烷烃气和二氧化碳碳同位素、氦气组分和同位素等地球化学分析，初步查明了苏里格气田古生界天然气、氦气地球化学特征，探讨了氦气成藏主控因素。结果表明：上下古生界天然气组分差异明显，上古生界天然气既有典型的成熟阶段湿气，也有高过成熟阶段干气，下古生界天然气为以干气为主且有部分湿气贡献；古生界均为热成因天然气，上古生界以中晚期腐殖气为主，为煤成气，主要来源于石炭系—二叠系煤系烃源岩，下古生界以晚期腐泥型干气为主，以油型裂解气为主；古生界天然气氦含量高于常规天然气氦气含量（0.03%），属中氦天然气，且具有上古生界高于下古生界的特点；苏里格气田氦气成藏主要受古今构造位置、富铀钍基底花岗岩和花岗片麻岩等氦源岩生氦强度大、生烃强度相对较小、基底断裂发育及气水关系复杂利于氦气从水层中脱溶进入到天然气藏中成藏等因素的影响，使氦气相对富集。

关键词： 古生界; 氦气成因来源; 成藏主控因素; 地球化学特征; 苏里格气田; 鄂尔多斯盆地

本文引用格式

范立勇 , 魏建设 , 胡爱平 , 李玉宏 , 谢林泽 , 姜涛 , 张宇轩 , 马尚伟 . 鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气地球化学特征、氦气成因来源及成藏主控因素[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(3) : 399 -412 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.012

Abstract

Ordos Basin is the largest natural gas producing area in China. The discovery of two helium-rich natural gas fields， Dongsheng and Qingyang， shows a good helium resource prospect. Sulige Gas Field is the largest natural gas field discovered in China. In order to evaluate the helium resource prospect of the gas field， geochemical analysis of natural gas components， alkane gas， carbon isotopes of carbon dioxide， helium components and isotopes of the gas field is conducted. The geochemical characteristics of gas and helium in the Paleozoic in Sulige Gas Field have been preliminarily identified， and the main controlling factors of helium reservoir formation have been discussed. The results show that the composition of natural gas in the Upper Paleozoic is obviously different. The Upper Paleozoic natural gas has typical wet gas at mature stage and dry gas at higher than mature stage. The Lower Paleozoic natural gas is mainly dry gas with partial contribution of wet gas. The Paleozoic is dominated by thermogenic natural gas， the Upper Paleozoic is dominated by middle-late humic gas， which is coal-derived gas， mainly from Carboniferous and Permian coal measure source rocks， and the lower Paleozoic is dominated by late sapropelic dry gas and oil cracking gas. The helium content of Paleozoic natural gas is higher than that of conventional natural gas （0.03%）， which belongs to middle helium gas， and the Upper Paleozoic is higher than the Lower Paleozoic. The helium accumulation in Sulige Gas field is mainly influenced by the ancient and modern structural location， the high helium generation intensity and relatively low hydrocarbon generation intensity of helium source rocks such as U-Th rich basement granite and granite gneiss， the development of basement fault and the complex gas-water relationship， which is favorable for the helium to dissolve out of the water and enter into the natural gas reservoirs.

Key words： Paleozoic; Origin of helium gas; Main controlling factors of reservoir formation; Geochemical characteristics; Sulige Gas Field; Ordos Basin

0 引言

氦是已发现熔点和沸点最低的元素，同时具有低溶解度、低密度、高导热率、强化学惰性等特殊的物理化学性质，被广泛应用于载人深潜、液体燃料火箭、第四代核反应堆、高端芯片制造、核磁共振、量子计算机、现代精密分析仪器等高新技术领域，是我国进一步走向“深空、深海、深地、深蓝”不可或缺的重要战略性稀有气体资源［1-3］。目前，世界工业利用的氦气资源主要来源于富（含）氦天然气藏，将氦气含量（体积分数，下同）达到0.01%及以上的天然气称为含氦天然气，并进一步划分为富氦（≥0.30%）、高氦（0.10%~0.30%）、中氦（0.03%~0.10%）和低氦（0.01%~0.03%）等4种资源类型［4］。我国氦气长期依靠进口，对外依存度居于高位，2023年我国氦气消费量为2 565×104 m3，进口量高达2 297×104 m3，对外依存度高达89.6%，氦气进口主要来自卡塔尔、美国和澳大利亚［2］，资源安全形势十分严峻。
鄂尔多斯盆地是我国构造最稳定的含油气盆地，也是我国最大的天然气产区，上古生界石炭系—二叠系和下古生界奥陶系是其天然气勘探主要层系，其中上古生界致密气是鄂尔多斯盆地天然气增储上产的主力。目前上古生界发现了多个探明储量超过1 000×108 m3的致密砂岩大气田，包括苏里格、榆林、大牛地、乌审旗、子洲、东胜及延安等气田［5-10］，天然气储集在石炭系—二叠系致密砂岩中［11-13］，盆地北部的苏里格气田是我国已发现的最大气田，也是典型的低孔、低渗、低压和强非均质性致密砂岩气田［14-15］。
近年来，随着我国高新技术产业的发展，对氦气需求持续增加，重视程度逐步提高，科研院所和油田企业等单位积极开展氦气资源调查评价与勘探，对鄂尔多斯盆地不同气田氦气含量、氦源岩类型、生氦潜力和富集规律开展了初步研究，仅对东胜、大牛地和庆阳等高、富氦气田氦气成因和主控因素进行了研究，苏里格等中低氦气田研究程度较低［16-20］，氦气成藏条件和主控因素不清。本文通过对鄂尔多斯盆地苏里格气田含氦天然气烃类组分、碳同位素和稀有气体同位素等分析，结合地球化学资料判识天然气藏中氦气的成因和来源及伴生的天然气成因和来源，结合古今构造位置、基底断裂发育情况、氦源岩、烃源岩和保存条件等综合分析氦气成藏的主控因素。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地地处华北地块的西缘，面积约为37×104 km2，是一个稳定沉降、坳陷迁移、扭动明显的多旋回克拉通盆地。鄂尔多斯盆地划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、天环坳陷和西缘逆冲带6个二级构造单元（图1）［21-22］。
图1 鄂尔多斯盆地构造单元划分与苏里格气田位置（据文献［22］修改）

Fig.1 Tectonic characteristie and location of the Sulige Gas Field in Ordos Basin（modified from Ref.［22］）

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地西北部，地处内蒙古、陕西两省区，位于伊陕斜坡西北部，北部跨伊盟隆起，紧邻西部的天环坳陷（图1），有利勘探面积约为5.5×104 km2，天然气资源量近6.0×1012 m3。于2006年开始建产，2014年达到稳产，2022年产量突破300×108 m3，并持续稳产［15，21］。
苏里格气田具有纵向上多层系复合含气的特征（图2），主力含气层为上古生界二叠系盒8段、山1段，埋深为2 800~3 500 m［15，21］，盒6段、山2段、石炭系本溪组以及下古生界奥陶系马家沟组是重要的兼探层系［21-22］。上下古生界天然气分布具有一定的分带性，上古生界天然气主要分布在气田的西北部，下古生界天然气主要分布在气田的东南部（图1）。
图2 苏里格气田古生界综合柱状图（据文献［22］修改）

Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Paleozoic of Sulige Gas Field（modified from Ref.［22］）

2 含氦天然气地球化学特征

2.1　天然气组分特征

本文分析所检测到的天然气烃类气体组分包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷和异戊烷等（表1）。上古生界和下古生界天然气中烃类气体的主要成分均为甲烷，其相对含量占总组分的62.96%~99.87%（图3），平均值为90.82%，重烃含量较小。上古生界天然气中甲烷的含量为62.96%~99.87%（图3），平均为90.82%；乙烷含量为0.01%~9.12%，平均为4.35%；丙烷含量为0.003%~4.26%，平均为0.80%；正丁烷含量为0~0.92%，平均为0.16%；异丁烷含量为0~1.36%，平均为0.15%；正戊烷含量为0~0.84%，平均为0.07%。下古生界奥陶系马家沟组天然气中甲烷含量为73.87%~98.24%（图3），平均为90.89%；乙烷含量为0.19%~7.00%，平均为2.13%；丙烷含量为0.01%~1.68%，平均为0.39%；正丁烷含量为0~0.31%，平均为0.07%；异丁烷含量为0~0.32%，平均为0.06%；正戊烷含量为0~0.11%，平均为0.04%；异戊烷含量为0~0.06%，平均为0.02%。甲烷、乙烷含量显示出一定的负相关关系，乙烷含量随着甲烷含量的增加而减少（图4）。
表1 苏里格气田天然气组分数据

Table 1 Natural gas composition data of Sulige Gas Field

层位 烃类气体组分含量/% 干燥系数 非烃类气体组分含量/%
C1 C2 C3 nC4 iC4 nC5 iC5 He H2 CO2 CO N2
上古生界

石盒子组—

本溪组

 62.96 ~ 99.87 90.82 ( 544 ) 0.01 ~ 9.12 4.35 ( 542 ) 0.003 ~ 4.26 0.80 ( 540 ) 0 ~ 0.92 0.16 ( 541 ) 0 ~ 1.36 0.15 ( 544 ) 0 ~ 0.84 0.07 ( 500 ) 0 ~ 0.96 0.03 ( 497 ) 0.840 ~ 0.999 0.943 ( 544 ) 0.02 ~ 0.18 0.05 ( 531 ) 0 ~ 4.69 0.08 ( 354 ) 0.16 ~ 4.61 1.30 ( 42 ) 0.17 ~ 8.67 1.24 ( 438 ) 0 ~ 28.10 3.09 ( 43 )
下古生界 马家沟组 73.87 ~ 98.24 90.89 ( 33 ) 0.19 ~ 7.00 2.13 ( 32 ) 0.01 ~ 1.68 0.39 ( 32 ) 0 ~ 0.31 0.07 ( 33 ) 0 ~ 0.32 0.06 ( 33 ) 0 ~ 0.11 0.04 ( 24 ) 0 ~ 0.06 0.02 ( 24 ) 0.900 ~ 0.999 0.972 ( 33 ) 0.02 ~ 0.08 0.05 ( 25 ) 0 ~ 0.90 0.16 ( 10 ) 2.93 ~ 5.70 3.97 ( 9 ) 0.24 ~ 2.85 1.34 ( 19 ) 1.32 ~ 21.37 4.42 ( 9 )

注： 62.96 ~ 99.87 90.82 ( 544 )= 最小 值 — 最大 值 平均 值 ( 样品 数 )

图3 苏里格气田天然气甲烷含量直方图

Fig.3 Histogram of methane content of natural gas in Sulige Gas Field

图4 苏里格气田甲烷—乙烷含量关系

Fig.4 Relationship of methane-ethane content in Sulige Gas Field

天然气干燥系数是用来判断天然气热演化程度的常用参数，干燥系数越高，天然气成熟度越高。天然气干燥系数计算方法为天然气中甲烷（C1）组分与Cl-5组分的比值，即在只考虑烃类组分的情况下，甲烷占Cl-5组分的多少。一般以0.95为界来区分干气和湿气，干气的干燥系数大于0.95，湿气的干燥系数小于0.95［23-24］。苏里格气田上古生界天然气干燥系数（C1/∑C1-5）变化范围为0.840~0.999（图5），平均为0.943，62.5%的样品干燥系数小于0.95，表明既有典型的成熟阶段生成的湿气，也有高过成熟阶段生成的干气；下古生界天然气干燥系数（C1/∑C1-5）变化范围为0.900~0.999（图5），平均为0.972，72.7%的样品干燥系数大于0.95，表现为以干气为主且有湿气贡献的特征。苏里格气田下古生界天然气样品干气的比例明显高于上古生界，指示下古生界天然气有下古生界烃源岩的贡献［24］，且天然气甲烷含量、总烃含量及干燥系数具有下古生界高于上古生界的特征。
图5 苏里格气田天然气干燥系数直方图

Fig.5 Histogram of natural gas dryness coefficient in Sulige Gas Field

苏里格气田古生界天然气非烃气体中有N2、CO2、CO、H2和He等，N2、CO2含量最高，N2、CO2、H2具有下古生界高于上古生界的特征，显示出二者来源的差异性。上古生界N2含量为0~28.10%，平均为3.09%；CO2含量为0.16%~4.61%，平均为1.30%；CO含量为0.17%~8.67%，平均为1.24%；H2含量为0~4.69%，平均为0.08%。下古生界N2含量为1.32%~21.37%，平均为4.42%；CO2含量为2.93%~5.70%，平均为3.97%；CO含量为0.24%~2.85%，平均为1.34%；H2含量为0~0.90%，平均为0.16%。

2.2　氦气含量特征

苏里格气田古生界天然气中氦含量具有上古生界高于下古生界的特点，古生界天然气He含量处于0.02%~0.18%之间，平均为0.05%，其中，上古生界天然气He含量处于0.02%~0.18%之间，平均为0.05%，89.3%的样品在0.03%~0.10%之间，属中氦天然气；下古生界天然气He含量处于0.02%~0.08%之间，平均为0.05%，76%的样品在0.03%~0.10%之间，亦属中氦天然气（图6）。He含量与N2、CO2之间无明显的相关性，但与CH4和干燥系数有一定的负相关关系，与C2H6和重烃含量呈正相关关系，氦气含量随着甲烷含量的增加而降低（图7），表明甲烷气体含量太高并不利于氦气的富集，作为氦气伴生气的烷烃气尤其是甲烷气体对氦气的聚集起到了稀释作用，导致了氦气含量低。
图6 苏里格气田天然气氦气含量直方图

Fig.6 Histogram of helium content of natural gas in Sulige Gas Field

图7 苏里格气田含氦天然气地球化学参数与氦气含量交会图

Fig.7 Cross plots between the geochemical parameters and helium content of helium-bearing natural gas in Sulige Gas Field

2.3　同位素特征

天然气烃类碳同位素值一般与烃源岩母质类型及演化程度有关，因此通常将天然气碳同位素组成作为鉴别成因类型的主要指标［23，25-28］。通常无机成因烷烃气具有负碳同位素特征，即δ13C1>δ13C2>δ13C3，而有机成因烷烃气则具有正碳同位素特征，即δ13C1<δ13C2<δ13C3 ［23，29-31］。
苏里格气田天然气烷烃类和CO2碳同位素具有上古生界大于下古生界的特征（表2），上古生界天然气中烷烃气甲烷碳同位素值介于-35.9‰~-24.1‰之间，平均为-32.1‰，乙烷碳同位素值介于-34.3‰~-22.2‰之间，平均为-25.0‰，丙烷碳同位素值介于-34.1‰~-22.0‰之间，平均为-25.2‰，正丁烷碳同位素值介于-26.3‰~-21.9‰之间，平均为-23.4‰，异丁烷碳同位素值介于-27.8‰~-21.2‰之间，平均为-22.8‰，CO2碳同位素值介于-26.4‰~-6.3‰之间，平均为-14.2‰；下古生界天然气中烷烃气甲烷碳同位素值介于-39.1‰~-32.0‰之间，平均为-34.6‰，乙烷碳同位素值介于-35.6‰~-26.1‰之间，平均为-30.6‰，丙烷碳同位素值介于-27.9‰~-26.7‰之间，平均为-27.3‰，正丁烷碳同位素值为-24.7‰，异丁烷碳同位素值为-22.9‰，CO2碳同位素值介于-21.7‰~-8.6‰之间，平均为-17.7‰。
表2 苏里格气田天然气碳同位素与氦同位素数据

Table 2 Carbon isotope and helium isotope data of natural gas in Sulige Gas Field

层位 稳定碳同位素/‰

氦同位素

（3He/4He）/10-8

C1 C2 C3 nC4 iC4 CO2
上古生界

石盒子组—

本溪组

 - 35.9 ~ - 24.1 - 32.1 ( 43 ) - 34.3 ~ - 22.2 - 25.0 ( 42 ) - 34.1 ~ - 22.0 - 25.2 ( 40 ) - 26.3 ~ - 21.9 - 23.4 ( 24 ) - 27.8 ~ - 21.2 - 22.8 ( 27 ) - 26.4 ~ - 6.3 - 14.2 ( 34 ) 3.18 ~ 13.64 5.53 ( 18 )
下古生界 马家沟组 - 39.1 ~ - 32.0 - 34.6 ( 43 ) - 35.6 ~ - 26.1 - 30.6 ( 42 ) - 26.7 ~ - 27.9 - 27.3 ( 2 ) -24.7（1） -22.9（1） - 21.7 ~ - 8.6 - 17.7 ( 9 ) 6.89（1）

注： - 35.9 ~ - 24.1 - 32.1 ( 43 )= 最小 值 — 最大 值 平均 值 ( 样品 数 )

苏里格气田天然气氦同位素值具有下古生界高于上古生界的特征（表2），上古生界3He/4He值为（3.18~3.64）×10-8，平均为5.53×10-8。下古生界3He/4He值为6.89×10-8。

3 天然气成因类型

3.1　天然气成因来源

烷烃碳同位素是判断天然气成因的最常用指标，高—过成熟天然气来源以甲烷碳同位素为主要判识指标，以乙烷碳同位素为参考指标［29-30］。下古生界甲烷、乙烷、丙烷碳同位素具有正碳同位素特征（图8），表明为有机成因气。上古生界部分样品甲烷和乙烷碳同位素出现倒转现象（图8），乙烷和丙烷碳同位素多数具有倒转现象，造成这种倒转现象的原因可能是由于下古生界油型气与上古生界煤成气混合引起的［32］。
图8 苏里格气田天然气甲烷—乙烷—丙烷碳同位素折线图（黑色折线为下古生界，其他为上古生界）

Fig.8 Carbon isotope line diagram of methane-ethane-propane in Sulige Gas Field （black line is Lower Paleozoic，others are Upper Paleozoic）

天然气成因分类判别指示苏里格气田上古生界天然气以煤成气为主，主要来源于石炭系—二叠系煤系烃源岩，下古生界天然气以油型裂解气为主（图9）。δ13C1与δ13C2关系指示上古生界天然气以中晚期腐殖型气为主，下古生界以晚期腐泥型干气为主（图9）。古生界天然气均为热成因，下古生界天然气来源以Ⅱ型干酪根为主，上古生界天然气来源以Ⅲ型干酪根为主（图10）。
图9 苏里格气田天然气成因类型判别图

Fig.9 Natural gas genetic type identification diagram of Sulige Gas Field

图10 苏里格气田天然气成因类型及干酪根类型判别图

Fig.10 Identification chart for gas source types and kerogen types in Sulige Gas Field

苏里格气田古生界天然气中CO2的 δ 13 C C O 2值分布在-26.40‰~-6.30‰之间（图10），其中上古生界 δ 13 C C O 2值介于-26.40‰~-6.30‰之间，下古生界 δ 13 C C O 2值分布在-21.70‰~-8.60‰之间，总体上表现出古生界天然气中CO2主要为有机成因，上古生界CO2有部分无机成因和混合成因，下古生界有部分混合成因（图11）。
图11 苏里格气田天然气成因类型 δ 13 C C O 2与CO2含量判别图

Fig.11 Natural gas genetic type identification diagram between δ 13 C C O 2 and CO2 content of Sulige Gas Field

3.2　氦气成因来源

自然界中氦有大气源、壳源和幔源3种来源，一般认为，壳源氦气3He/4He值为0.02×10-6，壳源氦气主要来自于地壳中放射性元素U和Th的衰变，幔
源氦3He/4He值为1.1×10-5，大气氦为1.4×10-6［33-40］。一般将大气中的3He/4He值定义为Ra，将样品的3He/4He值定义为R，可以用R/Ra来反映天然气藏中氦气的来源。当R/Ra>1时，表示样品中幔源氦占比大于12%；当R/Ra>0.1时，表示样品中幔源氦占比大于1.2%；当R/Ra<0.1时，一般认为样品中的氦基本都来自壳源［28］。苏里格气田古生界R/Ra值处于0.015~0.097之间，均小于0.1，平均为0.035，为典型的壳源氦特征（图12），氦气生成与基底的古老变质岩和花岗岩等有关（图13）。
图12 苏里格气田天然气稀有气体R/Ra与He含量判别

Fig.12 Content identification diagram of R/Ra and helium content of natural gas rare gases in Sulige Gas Field

图13 苏里格气田氦气成藏主控因素综合评价

Fig.13 Comprehensive evaluation diagram of main controlling factors of helium reservoir formation in Sulige Gas Field

利用壳幔二元混合模式［41-45］，计算天然气中幔源氦的贡献比例：
幔源氦Hem（%）=［（R—R c）/（R m—R c）］×100
式中：R、R c、R m分别为样品、壳源和幔源氦的 3He/4He值，R c=0.02×10-6，R m=1.1×10-5。
计算结果表明苏里格气田壳源氦的占比在98.94%~99.99%之间，平均为99.73%（表3）。壳源氦气以4He为主，由岩石U、Th元素放射性衰变形成的α粒子捕获电子形成。前人研究表明鄂尔多斯盆地氦源岩为地壳型，包括基底岩系和沉积岩系，主要是太古宇—古元古界富含U—Th元素的花岗岩和花岗片麻岩等变质岩、中元古界长城系沉积变质岩、下古生界泥质含量较高的碳酸盐岩及上古生界的泥岩、煤和铝土岩。盆地基底岩石放射性元素U和Th平均丰度分别为1.29×10-6和8.19×10-6，生氦强度为0.391×10-12 cm3/（a·g）。鄂尔多斯地区基底厚度远大于上覆沉积地层，生氦潜力较高。苏里格气田区基底属盐池—榆林陆块的集宁群富铝变质岩系，岩性为花岗片麻岩和黑云母片麻岩［16，19］。
表3 苏里格气田古生界天然气氦同位素及来源数据

Table 3 Helium isotope and source data of Paleozoic natural gas in Sulige Gas Field

序号 井号 层位 （3He/4He）/10-8［30］ R/Ra 幔源氦/% 壳源氦/%
1 Su77-2-5 上古生界 P2 x 4.19 0.030 0.20 99.80
2 Su77-6-8 P2 x 8 4.69±0.8 0.034 0.24 99.76
3 Su33-18 P1 x 4.34 0.031 0.21 99.79
4 Su36-13 P1 x 3.78 0.027 0.16 99.84
5 Su38-16 P2 x 3.34 0.024 0.12 99.88
6 Su35-17 P2 x 3.65 0.026 0.15 99.85
7 Su33-18 P2 x 3.62 0.026 0.15 99.85
8 Su16 P2 x 2.94 0.021 0.09 99.91
9 Su40-16 P2 x 2.07 0.015 0.01 99.99
10 Su53 P2 s、P2 x 4.96±0.28 0.035 0.27 99.73
11 Su95 P2 x 5.72±0.27 0.041 0.34 99.66
12 Su75 P2 x 4.94±0.26 0.035 0.27 99.73
13 Zhao61 P2 x 4.49±0.27 0.032 0.23 99.77
14 Su77-2-5 P2 x 4.19±0.28 0.030 0.20 99.80
15 Su21 P2 s、P2 x 4.48±0.34 0.032 0.23 99.77
16 Su14-0-31 P2 s、P2 x 6.32±0.39 0.045 0.39 99.61
17 Su48-2-86 P2 s 5.65±0.36 0.040 0.33 99.67
18 Su48-14-76 P2 s、P2 x 7.04±0.05 0.050 0.46 99.54
19 Su48-15-68 P2 x 7.16±0.39 0.051 0.47 99.53
20 Su139 P2 s、P2 x 9.17±0.48 0.066 0.65 99.35
21 Su120-52-82 Pl s、P2 x 13.64±0.53 0.097 1.06 98.94
22 Su1 P2 sh 4.48±0.26 0.032 0.23 99.77
23 Su20 P2 sh 3.57±0.16 0.026 0.14 99.86
24 Su6 P2 x 3.55±0.23 0.025 0.14 99.86
25 Tao5 P2 x 3.83±0.22 0.027 0.17 99.83
26 Tao6 P2 x 3.18±0.20 0.023 0.11 99.89
27 Tao8 P2 x 3.18±0.20 0.023 0.11 99.89
28 Su345 下古生界 O1 m 5 6.89±0.88 0.049 0.45 99.55

3.3　氦气成藏主控因素

苏里格气田古构造位置位于中央古隆起北段，主力氦源岩为基底花岗岩和花岗片麻岩，且研究区发育花岗岩等酸性岩体，亦可以作为氦源岩，此类氦源岩体量大，只生氦不生烃，有效生氦时间长，生氦强度大，生氦强度为（6.04~6.78）×10-12 cm3/（a·g）［16］，且上部烃源岩生烃强度相对较小，上古生界煤系地层生烃强度处于（20~28）×108 m3/km2，下古生界生烃强度以（2~10）×108 m3/km2为主（图13），有利于氦气生成与富集。
由于氦气为弱源成藏特点，不能独立成藏［1，37］，氦气的运移聚集可能与烃类气体具有一定的相关性，基底变质岩生成的氦气以基底断裂为通道向上运移至沉积层系，与近源沉积岩生成的氦气和烃类气体共同运移至储集层，形成含氦天然气藏［4］。
现今构造位置位于伊盟隆起、天环坳陷和伊陕斜坡的交会部位，基底断裂发育，北部的乌审召断裂、中部的苏里格—偏关断裂及南部的定边—靖边断裂3条近东西向断裂横穿苏里格气田区，平面上延伸较长，延伸距离超过200 km（图13），在纵向上断开层位较多［46-51］，同时区内发育多条延伸长度超过30 km的北东、北西走向的基底断裂，且研究区离盆地西缘断裂较近，这些基底断裂沟通基底氦源岩，是氦气向上运移的重要通道。
氦气与烃类气为“异源同储”，且苏里格气田上古生界气藏的普遍特点是气水关系及分布复杂，一般表现为气层中含水，水层中见气的特征［52］，气井产水严重，说明气层离水层较近，氦气以地层水为载体，形成地下水脱氦聚集模式，有利于氦气从水层中脱溶进入天然气中成藏。二叠系顶部的石千峰组发育厚层泥岩，可以作为区域盖层，有利于富/含氦天然气的保存。

4 结论与认识

（1）鄂尔多斯盆地苏里格气田天然气主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和戊烷等烃类气体、二氧化碳、氮气和一氧化碳等非烃类气体和氦气等稀有气体组成。上古生界与下古生界天然气组分差异明显，上古生界天然气干燥系数为0.840~0.999，平均为0.943，表明既有典型的成熟阶段生成的湿气，也有高过成熟阶段生成的干气；下古生界天然气干燥系数为0.900~0.999，平均为0.972，表现为以干气为主且有部分湿气贡献的特征。
（2）古生界天然气氦含量高于通常天然气氦气含量（0.03%），属中氦天然气，氦含量具有上古生界高于下古生界的特点，上古生界He含量处于0.02%~0.18%，平均为0.05%，下古生界He含量处于0.02%~0.08%，平均为0.05%； He含量与N2、CO2之间无明显的相关性，但与CH4和干燥系数有一定的负相关关系，与C2H6和重烃含量呈正相关关系，氦气含量随着甲烷含量的增加而降低。
（3）天然气烃类碳同位素及CO2碳同位素特征指示苏里格气田古生界天然气均为热成因，上古生界天然气来源以Ⅲ型干酪根为主，且主要为中晚期腐殖气，下古生界天然气来源以Ⅱ型干酪根为主，且主要为晚期腐泥型干气。上古生界天然气以煤成气为主，主要来源于石炭系—二叠系煤系烃源岩，下古生界天然气以油型裂解气为主。CO2成因以有机成因为主，上古生界天然气有部分无机成因和共存成因，下古生界有部分共存成因。
（4）苏里格气田氦气成藏主要受古（中央古隆起）今（伊盟隆起、天环坳陷和伊陕斜坡交会部位）构造位置、富铀钍基底花岗岩和花岗片麻岩等氦源岩生氦强度大、生烃强度相对较小、基底断裂发育及气水关系复杂造成氦气从水层中脱溶进入到天然气藏中成藏等因素的影响，使氦气相对富集。

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