氦气易通过扩散的方式从气藏中散失，需要膏岩层、泥页岩等孔隙度、渗透率低的盖层作为有效封闭，但致密盖层的孔隙孔喉中氦气的微观扩散机制以及岩性、伴生气体的作用尚未被阐明。通过分子动力学模拟方法，建立了不同岩性的盖层孔隙模型，模拟了氦气在其中的吸附、扩散和流动行为。结果表明：①温度越低、气压越大、盖层孔隙尺寸越小，则氦气扩散越慢，盖层封闭效果越好。环境条件和孔径都相同时，氦气在岩盐和高岭石孔隙中扩散、流动较快，其次为蒙脱石、方解石，而在膏岩孔隙中最慢。②结合实际盖层孔喉的尺寸，对氦气封闭最好的是石膏、岩盐，其次为蒙脱石和高岭石，方解石最差。③气藏中的甲烷等气体和水都优先吸附在孔隙表面，且能减慢氦气扩散，含量越高，作用效果越强，孔隙含水量超过90%时，氦气扩散系数接近0。总的来说，盖层孔喉中的小孔径、高气压、低温条件以及较高的伴生气体含量和含水量有利于减少氦气散失，膏岩层是对氦气封闭效果最好的盖层，其次为泥页岩，最后是致密碳酸盐岩。

地下规模储氢是促进可再生能源消纳、解决弃风弃光和稳定电网输出的关键技术。然而，目前中国尚无建成地下储氢项目，虽然可以借鉴地下储气和二氧化碳封存的经验，但是氢气独特的物理化学性质亟待深入研究。基于大量国内外文献调研，综述了地下储氢的分类和发展现状，重点总结了储氢过程中氢气的渗流—扩散机理、生化反应和安全性评价等方面的研究进展。研究表明：枯竭油气藏、含水层和盐穴虽然是适宜进行大规模长时间储氢的构造，但是仍将面临氢气的高扩散性、地球化学反应、微生物反应和地质力学等相关挑战，目前相关研究明显不足，也需要加强多过程耦合机制研究。结合中国地质条件，分析了中国地下储氢的发展前景，初步评估显示致密砂岩气藏具备储存3.37×10⁸ t氢气的巨大潜力。研究结果可为中国制定大规模氢能储备战略、推动地下储氢重大示范工程建设提供关键科学依据与工程可行性支撑。

近年来鄂尔多斯盆地的勘探显示，其具有良好的氦气资源潜力，但对氦气分布特征及资源量认识薄弱，限制了对氦气富集规律的认识及后续的勘探工作。针对该问题，系统开展了鄂尔多斯盆地长庆气区氦气含量、分布特点及资源量评价研究。结果表明：庆阳气田、宜川气田以及苏里格气田西部均呈现出工业氦和富氦的特点，其中庆阳气田氦气含量范围为0.121%~0.204%（平均为0.144%），宜川气田氦气含量范围为0.060%~0.177%（平均为0.086%），苏里格气田氦气含量范围为0.018%~0.168%（平均为0.053%）；而榆林气田、靖边气田、神木气田和子洲—米脂气田的氦气含量普遍比较低，平均含量为0.034%。氦气多富集于盆地周缘地区，盆地中心氦气浓度最低，在纵向上则表现出二叠系最高、奥陶系最低的特点。新建立的氦气资源量评价方法计算表明，盒8段和山1段储层原位生成的最大氦气量分别为6.27×10⁶ m³和1.39×10⁶ m³，分别占其实测氦气储量的52.69%和3.11%，表明有外来源区氦的输入。鄂尔多斯盆地西南部的产氦单元有变质基底、沉积层系和印支期岩浆岩3类，所能生成的氦气量分别为2.14×10¹⁰ m³、1.44×10¹⁰ m³和1.74×10⁷ m³，总氦气生成量约为358×10⁸ m³。

氦气是重要的战略性资源，在航空航天、医疗成像和高新制造业发挥着不可替代的作用。稀有气体具有壳源、幔源和大气源三大来源，且在不同储集库中同位素特征差别大，可有效揭示壳—幔演化以及各圈层相互作用，也为示踪弱源氦气成藏过程提供重要手段。研究统计了中国各大盆地的含氦特征，并进一步对美国Hugoton⁃Panhandle气田、国内柴北缘地区油气田、坦桑尼亚裂谷带温泉区和国内渭河盆地地热田等典型富氦气藏中稀有气体同位素特征进行了归纳性研究。结果表明， 国内多个含油气盆地均发现有富氦气藏，国内外目前具有工业开采价值的氦气藏中³He/⁴He值基本显示壳源特征，即由铀、钍等氦源元素通过α放射性衰变生成。不同气藏中 ²⁰Ne/³⁶Ar值及²⁰Ne和³⁶Ar等同位素含量特征差异较大，代表不同富氦气藏形成时所经历的油—气—水等多相平衡过程不尽相同，氦气的富集与地下水及气藏主要气体组分的运移密切相关。壳源氦气藏中⁴He与²⁰Ne之间常呈正相关关系，表明这些气藏中⁴He富集可能与地下水密切相关，氦气应先溶于地下水再脱溶进入油气藏。幔源CO₂富氦气藏通常规模较小，氦气富集过程可能是因为CO₂易溶解于地下水或矿化形成碳酸盐矿物，使得气藏中CO₂减少，氦气相对丰度增加。进一步提出氦气成藏的四大有利条件：古老克拉通及富铀钍花岗岩提供充足的氦气来源、发育新构造活动、存在地下水系统和游离气相以及气藏中主要气体组分相对于氦气补给量适中。

氦气是一种关系国民经济和高新技术产业发展的全球性稀缺资源，中国工业用氦主要依赖进口，因此急需明确氦气成藏富集规律、寻找富氦气田，落实中国氦气资源家底和开发潜力。系统梳理了全球氦气资源分布及开发现状，开展国内氦气资源普查与分布研究，剖析了国内典型富氦气田气藏特征及成藏条件，明确了中国主要富氦气田氦气成因来源和富集成藏主控因素，认为中国天然气中氦气主要以壳源为主，指出相对浅埋的富铀钍古老花岗岩基底或侵入体、早期形成的大型稳定古隆起或古潜山、良好的上覆巨厚膏盐岩或泥岩盖层、沟通基底和储层的运移通道是氦气成藏富集的主控因素，建立了富氦常规气、富氦页岩气、富氦非烃气和富氦水溶气4种不同类型富氦气藏的成藏模式并预测富氦有利勘探区。在此基础上分析了中国氦气资源开发前景，提出了寻找富氦气田，加强中、低丰度氦气资源综合开发利用是未来提高中国国内氦气产量的重要方式。

针对煤层气和页岩气能否形成富氦气藏的问题，采用地球化学方法开展了煤和页岩中U、Th含量、煤层气与页岩气中氦气含量研究，并对煤和页岩生氦潜力及含氦性进行了客观评价。结果表明：尽管相对于其他岩石，煤和页岩中U、Th的含量明显偏高，发生放射性衰变产生的氦气相对较多，但煤和页岩生成的大量天然气会对氦气造成严重的稀释作用，从而导致煤层气和页岩气难以富氦。相同演化程度下，煤中有机碳含量远高于页岩，其生气量也远高于页岩，对氦气的稀释程度远大于页岩，因此煤层气中氦气含量远低于页岩气。在少数地区发现了富氦页岩气和煤层气，其主要是由于气藏中混有其他来源（特别是古老基底岩石）的氦气供给，这些气藏多分布在古老花岗岩体之上或附近或构造活动带上，但这种情况并不普遍。

基于氦气来源、赋存载体、地质背景及典型富氦气田解剖，分析梳理了氦气资源及区带分类体系、控藏要素有效性及主要富集模式。基于氦气自身特殊性及依附于天然气聚集成藏相关性分析，从氦气来源多样性、赋存载体类型、载体气技术经济性、载体气成因、载体气主要组分、氦气源储组合、原型盆地构造背景及氦气含量等9个方面，首先分析梳理了中国氦气资源类型划分方案与分类体系，为后续分门别类针对性细化研究和评价奠定基础。其次，分析指出了中国东中西部氦气资源类型纵横向分布变化特征、发育的构造动力学背景、地质地球化学特征与成藏关键条件。第三，从氦气“生—运—聚”系统与富氦气藏形成控制要素及有效性角度，剖析了氦气聚集控藏要素有效性及地质评价值得重视的相关问题，指出了氦气成藏和勘探评价中的认识误区。最后，从盆地构造背景、控氦富集机制及勘探思路和方向角度，提出了中国氦气赋存的“原盆—构造—岩性—载气”4层次要素组合区带的勘探选区评价思路及分类方案，据此梳理了中国4类盆地8类富氦区带，分析并建立了中国克拉通古隆起型、克拉通边缘断褶变异型、坳陷盆地断隆型、前陆盆地斜坡/隆起型、断陷盆地断凸型及富铀钍基岩型等8种典型区带富氦气田富集模式暨勘探模式，剖析了不同类型富氦气藏形成主控因素，为后续探寻发现类似富氦气区和目标评价提供思路参考。

系统采集赣南地区地热温泉伴生气体样品，借助气体组分、氦含量、同位素分析等手段，结合区域地质背景和相关文献研究资料，对氦气资源分布特征、成因及来源进行初步分析。结果表明：赣南地区氦气平均含量为0.416%，具备较好的资源品质；武夷隆起带、雩山隆起带南部和罗霄—诸广隆起带西部是氦气有利富集区域；氦气成因呈现以壳源为主、幔源为辅的总体特征，氦同位素与CO₂碳同位素具有明显相关性，通过碳同位素能够指示氦气中幔源组分占比的高低，进而反映氦气的成因；赣南地区氦气成因具有从北西向南东方向，由壳源成因逐渐过渡到壳幔混合成因的特征；氦源条件主要包括富U、Th元素的花岗岩体和深大断裂带，花岗岩体是壳源氦气的主要源岩，深切地幔的深大断裂带构成幔源氦气的上升通道，复杂的断裂系统也进一步促进了氦气的运移聚集。

潜在氦源岩有效性评价是氦资源勘探开发领域关注的核心问题，但在以往的研究中，潜在氦源岩有效性评价多以岩石U、Th元素含量及年龄为主，未能全面表征影响氦源岩有效性的关键因素。为此，以花岗岩、泥页岩、片麻岩、铝土岩4种典型潜在氦源岩为研究对象，通过建立孔隙水累积溶解氦计算模型同时结合气藏实例，对各潜在氦源岩孔隙中溶解氦的累积、脱溶情况进行定量分析，从而对各潜在氦源岩有效性及有效氦源岩评价方法进行讨论与总结。研究认为：①潜在氦源岩孔隙中积累的溶解氦能否在适宜条件下规模性脱溶为游离氦是判识潜在氦源岩是否有效的关键性先决条件；②除岩石U、Th元素含量外，巨大的体量规模，适宜的孔隙度和含水饱和度，良好的“沉积埋藏史—气藏成藏史—构造演化史”时空匹配关系，以及相对专一的生氦能力也是评判潜在氦源岩有效性的关键参数；③通过建立溶解氦富集效率（η_He）计算方法，认为在相同条件下花岗岩最易形成游离氦富集，泥页岩与铝土岩次之，片麻岩最难。

氦气是重要的稀有战略资源，目前主要来自天然气。氦气如何在气藏中富集是当前研究热点，也是氦气勘探迫切需要解决的关键问题。在柴达木盆地、四川盆地和准噶尔盆地采集天然气样品进行氦气和氮气含量测试及分析，并结合对其他国内外主要富氦气田天然气组分和氦气含量研究，发现富氦气田中氦气含量与氮气具有很好的相关性。不仅如此，一些贫氦气田也存在该现象。据此，提出氦气富集与氮气具有耦合作用，二者同时在天然气中富集，都与地下水有关，可能来自相同的源岩。氦气与氮气耦合关系的提出，或许能够真正找到氦气富集的奥秘，为寻找富氦资源打开新思路，为氦气富集理论提供依据。

塔里木盆地北部雅克拉地区发现具有开采价值的含氦气田，其中古生界氦气的平均含量为0.31%，是氦气资源量最丰富的层位，高于氦气工业生产标准，但其氦气资源潜力和成藏模式尚不清楚。基于雅克拉地区14口钻井的自然伽马能谱测井资料，对雅克拉地区古生界氦气资源生成量进行了定量评估，并结合成藏要素进行综合分析，根据氦气的运聚过程及载体特征，总结出氦气成藏模式。结果表明：雅克拉地区古生界平均生氦潜量为2.37×10^-10 cm³/g，氦气生成总量为3.22×10⁹ m³。生氦潜量最高的区域位于沙15井附近区域，其次为沙49井附近区域，从沙5井至沙49井的呈带状展布的狭长地带是生氦主力。区域内古生界沉积岩系供给含氦气藏的氦气量可高于天然气藏中的氦气总量，沉积岩系可为有效氦源岩，生成氦气以主要形成于加里东—海西构造期的断裂、裂缝为运移通道，在地下水和天然气的协助下持续运移，以古老地层水运移聚氦模式、天然气沿古老储层运移聚氦模式进行聚集成藏，上覆3套厚度较大的泥岩层、膏岩层，可对气藏有效的封存保护。

根据13口新井岩心、物性、测井、试气、气组分和氦气分布等资料，结合区域构造演化、沉积背景和典型气藏剖面，分析并总结富氦天然气藏地质特征及成藏主控因素。研究结果表明：自下而上发育基底花岗岩和变质岩裂缝型气藏、上泥盆统致密砂岩构造气藏和下石炭统大面积分布的连续型碳酸盐岩气藏；构造高点裂缝发育形成高产，构造低点普遍含气；干气天然气中富含氦气，氦气含量自下向上逐渐减少；广覆式分布的前泥盆系花岗岩和变质岩基底为氦气主要来源，上泥盆统和下石炭统百米厚度高伽马砂岩作为次要氦源；断层形成双向输导，一方面将下石炭统烃源岩生成的烃类气体向下运移至上泥盆统和基底圈闭；另一方面将下部生成的氦气向上运移至下石炭统气藏中；下石炭统顶部发育厚层、互层状硬石膏和致密灰岩作为区域盖层对富氦天然气藏起到保存作用。

当前研究发现，氦气的成藏与天然气具有耦合效应，二者表现为异生同储关系，但氦气的成藏理论尚不完善。研究从氦源岩、运移方式等方面入手，剖析鄂尔多斯盆地东胜与大牛地气田氦气成藏差异性，研究表明：①2个气田主要氦源均为基底岩石氦气，东胜气田可能氦源岩有富U、Th的基底岩石、煤层，大牛地气田可能氦源岩有基底岩石、煤层与铝土岩层；②东胜气田内部发育连通基底的断裂，为烷烃气与氦气运移提供通道，大牛地气田下方也存在基底断裂，但气田内部靠生烃作用产生的微裂缝进行运移；③对比二者成藏模式，认为连通基底与储层的深大断裂对于氦气成藏具有促进作用。

氦气因其独特的化学性质而成为重要的战略资源，中国氦气资源相对贫乏，资源安全形势极其严峻。鄂尔多斯盆地已有一定的氦气显示，但目前对于盆地内天然气中氦气体积分数的认识存在较大差异，对于氦气资源分布规律认识不足，制约了鄂尔多斯盆地氦气资源潜力评价及开发利用。在广泛收集和认识前人研究成果的基础上，以鄂尔多斯盆地磁力异常资料为主，结合347个天然气样品中氦气含量测试结果，分析了鄂尔多斯盆地氦气分布规律。通过对苏里格、庆阳和宜川3个气田天然气样品氦气含量进行测试，发现氦气含量均达到了工业生产的标准（>0.05%），其中庆阳气田Q1区和苏里格气田S47区氦气平均含量超过0.1%。结合岩石磁性特征对磁力异常进行分析，结果表明鄂尔多斯盆地的磁力异常呈明显的分区特征，反映了盆地基底具有多阶段拼合的地质特征，区域性磁力异常变化主要与盆地基底岩性相关，高磁异常条带可能系盆地基底太古界—下元古界深变质的片麻岩、变粒岩、基性火山岩、同期次的花岗岩等强磁性岩体引起；低磁异常主要由板岩、片岩、千枚岩、石英岩、大理岩等弱磁性岩体引起。鄂尔多斯盆地氦气主要为壳源成因，盆地基底下元古界强磁性深变质岩系为鄂尔多斯盆地的氦源岩，盆地中部平凉—庆阳—延安—佳县一带的北东向高磁异常条带为盆地主要的氦气分布区。

天然氢作为一种新发现的、地质成因的、可再生清洁氢，或将改变未来的氢气能源格局。基于对国内外天然氢勘探和利用现状、研究进展等调研，取得以下4点认识：①美国、俄罗斯、法国、澳大利亚等多个国家已在天然氢气藏勘探研究中取得积极进展，中国仍处于未起步阶段；②天然氢气藏具有5个地质特征，即氢源分布广泛、断层裂缝是氢主要运移通道、游离氢决定资源量大小、资源甜点区埋深浅及氢气藏属于动态成藏系统；③天然氢有深层脱气、蛇纹石化、水的裂解等多种成因机制，天然氢气藏主要分布在陆上火成岩区、金伯利岩、矿体、蒸发岩、油气田、裂谷带岩体和前寒武纪基底7个区域；④现有的氢生成量估算值（254±91）×10⁹ m³/a远低于实际，天然氢有望成为全球清洁氢的主要来源。此外，围绕天然氢学科建立和中国天然氢领域发展面临的理论技术问题提出了相关建议和方向。

黄骅坳陷CO2以丰度大、成因类型较多、分布层位较多、高纯度气藏分布地域较集中和气关系图为主要依据,参考CO2丰度及产区地质条件,对黄骅藏规模较小为特征。以R/Ra与δ13CCO2坳陷CO2成因类型进行了区分。根据对CO2丰度及其碳同位素、He丰度及其同位素、CO2/He比值和Ar同位素的分析认为,岩浆期后的地幔脱气可能是黄骅坳陷幔源CO2的主要来源方式,包括沧东断裂和盆地内二级断层在内的两组区域深断裂交会是黄骅坳陷幔源CO2富集的主要地质因素。

在近期所获大量新的地质地化资料基础上,重点对南海北部大陆架边缘盆地CO2成因及运聚成藏的主控因素进行了研究,并对可能的高CO₂风险区进行了初步预测。认为:莺歌海盆地壳源型及壳幔混合型CO₂的形成及富集成藏,主要受控于泥底辟热流体晚期分层、分块和多期的局部上侵活动,和巨厚的上新统―中新统海相含钙砂泥岩的物理化学综合作用,且CO₂运聚分布规律亦具多期和分层、分区的特点;琼东南盆地东部及珠江口盆地火山幔源成因型CO2则主要受控于幔源型火山活动和沟通深部气源的基底深大断裂的导气配置作用,CO₂运聚富集规律与幔源型火山活动及深大断裂的发育展布密切相关,CO₂主要来自地壳深部幔源火山活动所伴生的大量CO₂;因此,根据壳源岩石化学成因型CO₂与火山幔源成因型CO₂不同成因机理及成藏条件,可以追踪CO₂气源,可分析和预测天然气尤其是CO₂的运聚分布规律,可为天然气勘探部署及决策提供依据,可减少和降低勘探风险。另外还指出,油气藏中CO2的充注驱油特征可作为判识油气成藏动态过程的示踪标志,也可作为分析油气运聚、预测和追踪油气分布的良好指示。

为了定量分析碳酸盐岩接触变质作用形成的CO₂,研究了松辽盆地东北缘碳酸盐岩接触变质带常量元素和稀土元素的元素分配关系。认为碳酸盐岩接触变质过程中主要体现为硅的富集和钙、碳的亏损,并且CaO、SiO₂与ΣREE呈线性关系;随着变质程度增高,元素的含量、稀土元素的分布型式和分馏程度越趋向花岗岩,其主要原因是碳酸盐岩与侵入流体的混染作用、碳酸盐岩硅化及矿化过程引起的稀土变化、碳酸盐岩重结晶对轻稀土元素的富集。计算得出了CO₂释放量与岩石体积比(2.7～256.7)。证明了碳酸盐岩接触变质作用是无机成因CO₂形成的机制。