0 引言
氦气是现代高科技产业无可替代的关键元素，属于重要的战略资源。氦气具有无色、无味、强化学惰性和沸点低的独有特征，广泛应用于航天发射中火箭发动机燃料推进混合剂、发射前的检漏及吹替剂，医疗领域中应用广泛的低温冷却剂。此外在量子技术、核工业、磁悬浮列车、电子产业、高端焊接、激光技术、泄露检测及深海潜水等领域都是不可缺少和不可替代的物资。即在多数现代高科技领域中是一种无可替代的关键元物质［1-3］ 、是高新技术产业发展的重要战略资源。从2005年到2015年，全球氦气的消耗量增长了130%［4］。由于高科技产业的快速发展，我国氦气的消耗量近年来快速增长，目前已发现和生产的氦气不能满足消费需求。现有成果表明我国富氦天然氦气藏具有点多、类型多、资源前景较好的特征，但氦气资源整体探明率及研究程度很低，其资源规模需要进一步评价和研究确认。
1 全球氦资源的总体分布特征
1.1 工业氦气的总体赋存特征
目前从含氦、富氦天然气藏中提取氦气仍是工业化生产氦气的唯一途径，虽然氦气广泛存在于各种地质系统中，包括大气圈、海洋及湖泊、冰川、地下水、油田卤水等水体、热液流体、火成岩和侵入体、流体包裹体、沉积物和含煤地层、石油天然气藏等，但由于氦气是一种稀有气体，大气中含量很低，为10-6量级（约5.24×10-6），水体中氦气的溶解度也很低。目前的技术手段难以有效地从大气中和含氦量很低的水体中提取氦气资源。在绝大多数天然气藏中氦的含量低于0.05%，一般称之为贫氦气藏，而将氦含量大于0.1%的天然气称为富氦天然气藏。当天然气中的氦含量大于0.3%时，天然气藏中氦就具有很好的经济价值［5］。由于大部分天然气藏氦含量相对较低，即为贫氦天然气藏（氦含量<0.05%），其氦的含量未能到达商业开采门限，现有技术条件下这种贫氦天然气藏中的氦气不具有直接商业开采价值［6］。目前氦气资源的提取主要是从具有商业开采价值，即氦含量大于0.1%（或0.2%）的天然气藏中提取［1］。目前全球90%以上的氦气是从富氦、高氦的天然气藏（氦含量大于0.1%的天然气藏）提取。因此目前全球可进行工业利用的氦气资源主要赋存于含氦、富氦天然气藏中。
1.2 全球氦气生产和供应
1.3 全球氦气资源分布
美国也是目前世界上最大的氦气资源国，截至2017年，全球己探明的剩余氦气储量为7.4×109 m3，其中美国3.9×109 m3、阿尔及利亚1.8×109 m3、俄罗斯1.7×109 m3、波兰2.5×107 m3［4，6］。据报道卡塔尔氦气资源量为10×109 m3，但由于氦含量较低（仅为0.04%），在正常条件下难以达到工业开采价值，必须在液化天然气（LNG）的生产过程中将烃类气体液化后，LNG尾气中氦富集程度大幅增加，从而才能达到氦气商业利用价值［1，9］。此外，经过近几年的勘探工作，Helium One公司预测坦桑尼亚鲁夸湖、埃亚西湖和巴兰吉达湖地区的氦气资源量可达3.9×109 m3，有望打破现在全球的氦气供应格局［5］。
目前研究资料表明全球氦气资源分布极不平均，据美国地质调查局（USGS）的调查报告，全球氦气总资源量约为5.19×1010 m3，主要分布在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大等国，资源量依次为2.06×1010 m3、1.01×1010 m3、8.2×109 m3、6.8×109 m3和2.0×109 m3，以上5国氦气资源量占全球总资源量的90%以上［8］。据USGS估算波兰和澳大利亚也有一定资源量［4］。美国发现的氦气资源主要分布于堪萨斯州、俄克拉荷马州和得克萨斯州的Panhandle-Hugoton气田，怀俄明州的Riley Rigde气田，堪萨斯州的Greenwoods气田，俄克拉荷马州的 Keyes气田和得克萨斯州的Cliffside气田（图2）；上述气田均是以烃类为主的天然气田，个别气藏中氮气和二氧化碳含量较高。此外在洛基山以东的沉积盆地、新墨西哥州的Four Corners地区和Chupadera Mesa地区也发现一些富氦的天然气资源［10-11］。美国的Panhandle富氦烃类气田是美国最为重要的氦气田，位于北美克拉通内部Amarillo隆起之上，下伏前寒武系基底主要为中元古代（1 360~1 340 Ma）形成的花岗岩［12-13］，同时气田东侧紧邻Woodford页岩沉积中心［14-15］，该页岩的部分层段铀、钍含量较高，分别为50×10-6和12×10-6［16］，表明气田具有良好的烃类与氦气供给条件。
阿尔及利亚的氦气资源主要来自东部三叠盆地的蒂尔赫姆特穹隆构造高部位的Hassi-R'Mel天然气田；该气田从区域地质背景来看属于撒哈拉地台北缘阿特拉斯褶皱带前缘。
上述研究表明现今可利用的氦气资源主要赋存于天然气藏，全球已发现的氦气资源主要集中在美国、阿尔及利亚和俄罗斯等少数国家和地区。
2 天然气藏中氦气的来源及成因判识
2.1 氦气来源
大气氦是指赋存于大气圈的氦气组分，大气中的氦主要来自固体地球脱气作用释放出的氦气，如火山喷发、断裂—岩浆作用的脱气和岩石风化作用释放的氦。大气中的氦气一般是通过溶解于地下水并随之循环进入盆地流体系统，由于大气中氦的含量很低（5.24×10-6），且氦气在水中的溶解度非常小，所以一般情况下随着地下水循环进入盆地流体系统的大气来源的氦相对较少，在天然气藏中大气来源的氦通常可以忽略不计。因此，地下流体及油气藏中的氦主要是壳源氦和幔源氦。
238U→84He+6β+206Pb
235U→74He+4β+207Pb
232Th→64He+4β+208Pb
壳源氦气的生成量取决于岩石矿物中铀、钍含量和岩石存在的时间。岩石、矿物中铀、钍含量越高、形成的时间越长，则放射性衰变产生的氦气就越多，这就是说盆地中古老、含放射性高的基底岩石可能是良好的“氦气源岩”。
幔源氦是指地球深部（地幔）赋存的原始氦，即地球形成时赋存于地球内部的氦，具有相对富集3He的特征。幔源氦可通过岩浆、断裂活动等脱气作用释放到地球浅层的沉积圈层中［25］。源于地幔的CO2、N2和CH4等挥发物，通过岩浆活动脱气，与He一起进入盆地流体系统中。因而，在沉积盆地油气藏中也可发现相当数量的幔源氦。
2.2 氦气成因判识
应用氦及其他稀有气体同位素组成特征可以有效地判识氦气成因、来源。不同来源、成因的氦其同位素3He/4He值具有明显的差异，氦的同位素组成特征（3He/4He值）能作为其成因判识的有效指标。大气来源氦的3He/4He值为1.4×10-6；壳源氦的 3He/4He值为n×10-8~n×10-9；幔源氦的3He/4He值为1.1×10-5或更高［26-28］。氦的同位素比值也常用样品氦的3He/4He值与大气氦的3He/4He值的比值表征，即R/Ra=（3He/4He）样品/（3He/4He）大气。在用R/Ra值表示气样氦同位素分布特征时，当R/Ra>1，表示具有明显的幔源氦加入；当R/Ra<0.1时，可以认为天然气中氦基本来自壳源［21］。
陶明信等［33］对位于郯庐断裂东侧的苏北盆地富氦天然气藏研究认为，地壳减薄、基性火山岩发育的大陆裂谷环境有利于幔源氦在天然气藏中聚集成藏。拉张环境下形成的一系列正断层及长期活动的深大断裂是形成氦气藏的重要构造条件。
前人报道威远气田震旦系—寒武系储层中天然气中氩同位素40Ar/36Ar值平均为7 000，该值在全国油气田中最高，具有明显的年代积累效应；而该气田的三叠系、二叠系储层的天然气40Ar/36Ar值分别为846和 969，这说明不同时代储层的气源具有一定的差异［37］。
3 富氦气藏特征及成藏的主要影响因素
从目前全球已发现的主要富氦气藏来看，可根据天然气组分特征将其分为以下3类：① 烃类—富氦气藏；② 二氧化碳—富氦气藏；③ 氮气—富氦气藏。富氦天然气藏中氦气的运移、富集机制与常规的天然气既有共性，也具有自身的独特性。对氦气资源的成藏条件、主要控制因素国外学者也做过一些研究，认为富氦天然气的成藏条件与常规天然气既有相同的特征，也具有其独特性，氦气的成因来源、氦气的运移富集机理与常规天然气（烃类气体）有明显的差异［16］。沉积盆地中富氦、高氦天然气藏的分布与其构造背景、岩石组成、基底地层和上覆沉积盖层的时代具有密切的关系。
DANABALAN［5］认为控制或影响天然气藏中氦气含量的因素主要有：盆地的构造/基底特征、“氦气源岩”的分布、氦气从源岩中释放机制、氦气在地层流体中运移—溶解/解析机制、富氦气藏的聚集条件和机制。
3.1 气藏的化学组成及氦气藏的主要类型
对富氦、高氦气藏的组分研究表明，氦含量与氮气具有良好的正相关趋势，氦含量高，则氮气含量也高。在美国中部地区发现了一些高氮天然气藏中氦含量达10%，而在其他国家目前还很少发现富氦的高氮天然气藏。我国塔里木盆地西北部的沙13井下奥陶系氮气和氦气含量分别为33.76%和2.19%，而沙15井下白垩系天然气中氮气和氦气含量则分别只有2.59%和0.05%。尽管在高氮天然气藏发现了富氦的气藏，但不是所有的高氮天然气藏都具有富氦的特征，如德国西北部一些天然气藏氮含量高达50%~88%，但这些气藏中氦的含量较低（<0.05%），也就是说氦与氮可能具有一定的相关性，但天然气藏中的氮不一定都与氦具有成因联系［39-40］。
在一些富氦、高氦天然气藏中Ar/N2值与Ar/He值具有较好的线性关系，当He浓度增加时，Ar/He值有下降趋势。随着Ar/He值升高，天然气中氦气含量降低，可能反映了空气污染或者孔隙中原始Ar与He的积累［38］。
3.2 区域地质及盆地基底
全球氦气资源主要分布于晚元古代—古生代地台背景下的沉积盆地中，这些沉积盆地一般埋深小于3 500 m，且具有前元古界的花岗岩基底［6］。目前已探明的氦资源主要分布区具有下述明显的特征：一方面发育高含U、Th的烃源岩或盆地基底中发育高含U、Th的花岗岩；另一方面这些地区深层具有强烈的岩浆和断裂活动。
在美国洛基山地区一些山间沉积盆地中，中生代—新生代构造—岩浆活动强烈且具有古老的花岗岩基底区，也发现高氦天然气藏（氦含量>1%），同时含有较高的氮气和二氧化碳。
通常中生代—新生代的地台区和基底深埋较大的沉积坳陷区天然气藏中氦的含量较低，平均含量在0.01%~0.02%之间。在坳陷中心区、生烃潜力强的地区、由于具有大量的烃类气体生成，往往不容易形成富氦、高氦的天然气藏，因为在沉积坳陷中心区往往烃源岩发育，富有机质的烃源岩一方面能形成氦，但同时也生成大量的烃类气体，尤其是在处于成熟阶段的烃源岩，生成的大量烃类将可能大大降低天然气藏中氦的丰度。
研究发现在大陆架地区的天然气藏中氦气含量相对较低，一般在0.012%~0.035%之间，大陆架地区的天然气藏中氦含量相对较低可能主要是因为大陆架地区基底主要为由U、Th含量较低的玄武岩洋壳组成［6］；同时一般大陆架地区生烃强度高。
沉积盆地中天然气藏中氦含量与其大地构造背景、基底岩石、矿物特征具有密切的关系。BROWN［16］通过研究美国一些富氦天然气藏分布特征认为相对隆起区、生烃潜力较低的地区较为容易形成富氦天然气藏，因为在相对隆起区天然气藏在成藏过程中、或天然气藏形成后具有相对较少的烃类或非烃类组分的加入。
3.3 氦源（岩）及释放机制
自然界中多数岩石均含有一定量的放射性U、Th元素，放射性元素衰变产生的氦首先赋存于岩石、矿物晶格中，氦气从岩石/矿物的晶格中逃逸、释放的过程就是氦气的初次运移过程。但目前还不清楚氦如何有效地从岩石、矿物的晶格中释放出来。目前有2种不同的观点：①稳定释放机制，TORGERSEN等［54］认为澳大利亚大自流盆地地下水中4He主要来自于漫长的地质历史时期稳定释放，且地壳4He脱气是一个漫长、普遍现象。②幕式释放机制，非稳定地质条件下（如岩浆/火山活动），不仅存在大量的幔源氦（相对富3He）释放，随着地温的升高可促进壳源放射性氦从母源中的释放。LOWENSTERN等［55］研究表明由于地壳变质作用，黄石公园太古代克拉通岩石中累计达2 500 Ma的氦气在2 Ma内迅速释放，即在构造和岩浆活动区，氦气处于开放系统，氦气通常具有幕式释放的特征。
3.4 运移富集过程
BROWN［16］认为富氦天然气的成藏具有2个重要的环节：①氦源岩中由U、Th衰变生成的氦经扩散作用进入地层水；②含氦的地层水在浅层适当的条件下充分地析出聚集成藏。地层水的类型和矿化度的高低对氦的溶解度具有非常明显的控制作用。
氦气从源岩中释放后将进行二次运移，对于氦气的二次运移通道问题，前人已进行一定的研究，一些学者认为深部的断裂系统是氦气运移的主要通道。因此，基底岩石、花岗岩体形成后，如果经历较强烈的构造运动而形成发育的断裂体系则有利于氦气的运移［56］。BALLENTINE等［22］认为由于地壳中氦气含量低，不能单独形成连续流体。因此，氦气的运移必须依靠孔隙中的流体。BALLENTINE等［49］认为美国Hugoton-Panhandle气田的氦气主要是通过地下水而运移的。由于氦气在一般情况下含量低，通常不能形成以氦气流为主的气态运移形式。因此，氦气的二次运移主要是伴随其他载体（气态组分）或以溶解状态随地层流体在孔隙层中运移。
对于氦气的溶解/解析—交换特征，前人也做了相应的研究，BROWN［16］利用“亨利定律”提出了氦气富集机理和模型。对于氦气的溶解性特点已经有相关研究，WEISS［57］研究结果表明，随着溶液盐度的升高，氦气的溶解度不断下降；SOLEN等［58］报道He—N2—CH4的三元体系中，随着压力的增大，氦气在流体中的溶解度逐渐增大，氮气是先增大后减小，而甲烷则呈现出逐渐减小的特征（图7）。目前对氦气溶解特征的研究多数基于相对低温、低压的实验室条件，而类似于地层条件的高温、高压情况下的实验目前尚未见到报道。但是目前对于烃类组分在水中的溶解度特性已做了较多的工作。DUAN等［59］认为在常压条件下，甲烷在水中的溶解度随温度的升高而降低；但在高压情况下，随着温度的增加其溶解度先减小后增大，且随着盐度的增加，溶解度变小。
虽然氦气的运移、富集成藏常常与天然气的烃类组分、非烃（氮气、二氧化碳等）具有伴生关系，但研究氦气在地层条件下的运移和聚集时不能简单借鉴甲烷及烃类组分的物理化学性质来认识氦气的富集规律。
氦气在地层流体的运移、聚集过程中除流体的温度、盐度外，地层水动力强度和地层压力也具有关键的控制作用［22］。氦气在地层中的二次运移过程中一方面与常规油气运移具有相同之处，受岩石的孔隙度、渗透率和毛细管压力的影响；另一方面，由于氦气是微量组分且具有惰性特征，所以更具有其独特机制。
3.5 盖层特征及封盖条件
盖层的封闭能力对天然气藏中氦的富集也至关重要，氦气资源主要赋存于天然气藏中，因此氦气藏的形成必须具有圈闭、储集体及封盖条件。通过计算表明，虽然一些“氦源岩”能够产生大量的放射性成因氦，但是氦气在天然气藏中的比例很低，这表明氦气的富集、成藏、封闭特点可能较常规天然气藏更为复杂。这可能与氦气的分子大小（直径0.26 nm）和其吸附性、在地层水的溶解/析出有密切关系。一些盖层对CO2、N2、烃类组分可以有效地封闭，但不一定可以有效地封盖氦气，因为氦的分子半径更小。
现有资料表明从盖层条件来看，富氦、高氦气藏均具有致密膏盐层，灰岩层、页岩层作为封盖层；此外，异常高压层也是良好的盖层，这些致密盖层能形成良好的封闭条件。另外不同赋存状态的氦对盖层的要求也具有差异，如果是在溶解状态下，封闭氦气水溶液的是毛细管压力。而在游离态情况下，由于氦气的分子直径小，常规的盖层可能不能有效地封盖氦气，一些盖层能有效地封盖CO2、N2、烃类等组分，但不一定能有效地封盖氦，因为氦的分子直径更小，这可能是氦气不能独立成藏保存的原因之一。研究表明当盖层中充满水（特别是盐水）时，由于氦溶解度低的特性使得饱含地层水的低孔渗地层对氦气具很强的封闭作用。
如果氦气与大分子气体为混合状态时，天然气藏可能存在亨利效应，在较低的地层压力和较高的封闭压力作用下将更有利于对氦气的封盖进而成藏。如美国Hugoton地区富氦天然气藏上部分布的致密膏盐层可能是该区富氦气藏成藏的重要因素。
作为盖层的泥质岩往往也是烃源层，在生烃过程中常形成超压层；此外早期的快速沉降和晚期的快速抬升，可导致泥岩的相对超压和砂岩的相对低压，这样的压差分布特征也能对富氦气的保存起重要作用。
由于目前对于富氦天然气藏的成藏机理研究相对薄弱，大多数富氦天然气的成藏模式都是侧重于富氦天然气的常规组分和成藏地质要素的分析，而对于氦气组分的富集、成藏的地质过程和主要控制因素的研究较少，总体来说富氦、高氦天然气的形成条件、主控因素富集机制研究有待深入和加强。
4 我国氦资源前景
目前我国氦气资源研究、评价、勘探程度均很低，资源量和储量情况基本不明。美国自1920年就有专门针对氦气资源的研究和评价工作［60］。第二次世界大战期间美国认为氦气具有重要的军事用途（用于飞艇等），随后研究发现氦气具有独有特性和广泛的用途。自此，美国一直对氦气资源特别关注，其现今是全球氦探明储量和产量大国。我国从资源角度对氦气的关注较晚，鲜有专门针对氦资源的专题评价、研究。目前，我国已在中部的四川盆地、鄂尔多斯盆地及其南部渭河断陷，西部的塔里木盆地、柴达木盆地，东部的松辽盆地、海拉尔盆地、苏北盆地、渤海湾盆地、三水盆地等有富氦、高氦天然气藏的发现和报道［21，32，34，61-69］。此外，部分地区地热井/温泉中也有一定氦气发现［70］。
近年来，对四川盆地中已发现的天然气藏进行了氦含量的初步分析，表明其氦含量整体偏低，不同地区和层位变化范围较大。除威远气田和资阳气藏以外，现今已发现的绝大部分天然气藏都属于贫氦气藏。富氦天然气主要赋存在震旦系中，上覆寒武系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系和侏罗系气藏氦含量则普遍小于0.1%［72］。
一方面由于我国几乎没有专项课题对我国氦资源进行评价和研究（美国自1920年就有专门针对氦资源评价的工作［60］）；另一方面过去对天然气藏中氦含量的分析方法和标准不够规范，部分地区同一气藏、甚至同一单井产出的天然气，不同文献报道的氦含量存在数量级的差异，其原因主要在于：①样品采集或分析过程中可能存在空气污染；②氦含量分析方法不当；③样品在运输、保存过程中可能存在泄漏。
因此，目前我国已报道的氦气含量资料，需要对其可靠性进行甄别和进一步证实。整体而言，四川盆威远气田天然气、部分塔里木盆地天然气、渭河盆地水溶气及部分郯庐断裂带附近天然气中氦含量数据较为可靠。由于我国以前对氦气资源总体关注不够，使得我国氦资源的评价、富集成藏条件、分布规律研究工作十分欠缺，造成对我国氦气资源的分布情况缺乏认识，氦气产业基本未得到应有的发展，完全不能满足国家对氦资源的需求。因此我国氦资源的评价、富集成藏条件、规律研究工作亟待加强。
5 结论和认识
氦具有强化学惰性和沸点低等独有特性，为现代高科技产业无可替代的关键元素，是重要的战略资源。高科技产业的快速发展造成全球氦的消耗量持续增加。现今可利用的氦资源主要赋存于天然气藏，全球已发现的氦储量主要集中于美国、阿尔及利亚和俄罗斯等少数国家和地区。天然气藏中氦气具有壳源、幔源和大气源等多种来源和成因，利用氦及稀有气体同位素组成可有效判识氦的成因和来源。富氦天然气藏氦气的运移、富集机制与常规的天然气既有共性特征，也具有自身的独特性，一些有利于形成大型油气藏的高生烃强度地区，可能不利于富氦、高氦天然气藏的形成，而生烃强度相对低的隆起区则可能有利于富氦、高氦天然气的形成。现有勘探和研究成果表明我国具有富氦、高氦天然气藏分布，具备形成富氦、高氦天然气藏的地质条件。
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