Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 3: 507 - 517

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2023.08.010

Main characteristics and effectiveness analysis of potential helium source rock in crustal source helium-rich gas reservoirs

  • Dong ZHAO , 1, 2 ,
  • Xiaofeng WANG , 1 ,
  • Wenhui LIU 1, 3 ,
  • Dongdong ZHANG 1 ,
  • Xiaofu LI 1
Expand
  • 1. Department of Geology，State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi'an 710069，China
  • 2. Laboratory Management Office，Experimental Center，Xi’an Shiyou University，Xi'an 710069，China
  • 3. Petroleum Exploration and Production Research Institute，SINOPEC，Beijing 100083，China

Received date: 2023-07-04

  Revised date: 2023-08-21

  Online published: 2024-03-07

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42141022)

the National Key R & D Program of China(2021YFA0719002)

the National Natural Science Foundation of China(42102203)

the China Postdoctoral Science Foundation(2022M712566)

Fold

Abstract

The effectiveness evaluation of potential helium source rocks is a core issue in the field of helium resource exploration and development. However， in previous studies， the effectiveness evaluation of potential helium source rocks is mainly based on the content of U and Th elements and age of rock， which fails to fully characterize the key factors affecting the effectiveness of helium source rocks. Therefore， this paper takes four typical potential helium source rocks， namely granite， mud shale， gneisses and bauxite， as the research object. By establishing a calculation model for accumulated dissolved helium in pore water and combining with gas reservoir examples， the quantitative analysis of dissolved helium accumulation and exsolution in the pores of each potential helium source rock is carried out， so as to discuss and summarize the effectiveness of each potential helium source rock and the evaluation method of effective helium source rock. It is believed that： （1） Whether dissolved helium accumulated in the pores of potential helium source rocks can be exsolved into free helium on a large scale under suitable conditions is the key prerequisite for identifying the effectiveness of potential helium source rocks. （2） In addition to the content of U and Th elements， large volume， suitable porosity and water saturation， good matching relationship of “sedimentary and burial history， gas accumulation history and tectonic evolution history”， and relatively specific helium generation ability are also the key parameters to judge the effectiveness of potential helium source rocks. （3） By establishing the calculation method of dissolved helium enrichment efficiency （η He）， it is concluded that under the same conditions， free helium enrichment is most easily formed in granite， followed by mud shale and bauxite， and gneiss is the most difficult.

Key words： Crustal source helium; Effective helium source rocks; Amount of dissolution; Exsolution and enrichment; Enrichment efficiency

Cite this article

Dong ZHAO , Xiaofeng WANG , Wenhui LIU , Dongdong ZHANG , Xiaofu LI . Main characteristics and effectiveness analysis of potential helium source rock in crustal source helium-rich gas reservoirs[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(3) : 507 -517 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2023.08.010

0 引言

氦（He）是目前已知沸点最低的元素，也是分子直径（0.26 nm）最小的气体，具有密度低，易扩散、导热性强等性质，在国防军工、电子科技、低温科学、仪器制造等领域应用广泛，是现代高新技术产业链中无可替代的战略稀缺资源［1-3］。
尽管He是宇宙中第二丰富的元素，但在地球上却极其稀缺［3］，并受资源分布及开发技术所限，从天然气藏提氦仍是目前工业制氦的唯一途径。天然气藏中的氦主要有3种来源：大气氦、幔源氦以及壳源氦。目前全球探明最具经济效益的富氦天然气（He>0.1%）多以壳源氦为主［2-4］，即地壳岩石、矿物中U、Th等放射性元素衰变产生的4He［5-6］。
壳源4He在天然气成藏过程中具有明显的年代累积效应［7］，其形成与累积主要受控于源岩矿物中U、Th元素的含量及衰变累积时间。因此理论上U、Th含量丰富或年龄古老岩石都可以成为良好的氦源岩，譬如富含U、Th元素的泥页岩、铝土岩和年龄古老的基底花岗岩、变质岩。但勘探实践表明，仅以泥页岩、铝土岩和变质岩为氦源岩的天然气藏并未形成广泛的氦资源富集［8-9］，发育于盆地基底或周缘的花岗岩更可能是壳源富氦天然气藏的有效源岩。这就表明，有效氦源岩的主控因素并非只有简单的U、Th元素含量和衰变累积时间，还存在其他因素控制着潜在氦源岩的有效性。
事实上，虽然He常以微量组分形式与烃类天然气伴生，但其成因及成藏机制却与烃类气体存在本质差别。烃类气体生成主要受烃源岩有机质丰度以及地温条件控制，当烃源岩演化到一定阶段（门限温度）后即进入生烃高峰，大量烃类资源在烃源岩内部不断聚集，最终借助剩余压力与烃浓度差克服毛细管力向外排烃。
但与烃源岩相比，氦源岩生氦强度极低且不受温度影响，也不存在生氦高峰，通常难以突破毛细管力束缚形成独立连续流体，因此其运聚成藏必须借助孔隙流体完成，即4He自矿物晶格中析出后，便以溶解氦为主要形式在孔隙水中不断聚集，直至其他游离气体（如CH4、N2）运移经过或原位赋存条件发生改变（如构造抬升引起温、压降低），致使溶解氦脱溶为游离氦，进而跟随其他气体进入有利储层富集［4，10-11］。
那么在壳源氦富集成藏过程中，潜在氦源岩孔隙中的溶解氦能否顺利脱溶为游离氦便是关乎富（含）氦天然气藏能否形成的先决条件，换言之，潜在氦源岩有效性评价的关键性指标，实为判识各潜在氦源岩孔隙中累积的溶解氦能否在一定条件下规模性脱溶为游离氦。为此，本文选取花岗岩、泥页岩、片麻岩、铝土岩4种典型潜在氦源岩为研究对象，通过建立岩石孔隙水He溶解量计算模型，进而对各潜在氦源岩孔隙中溶解氦的累积、脱溶情况进行了定量分析，并在此基础上结合气藏实例对各潜在氦源岩有效性进行了初步评价，以期为氦资源勘探开发提供有益参考。

1 计算方法

1.1　He溶解度计算方法

WEISS［12-13］在总结、评估前人报道的N2、O2、Ar溶解度数据基础上，将溶解度数据拟合为一个平滑的函数方程，并将方程结果定义为本森系数（Bunsen Coefficient）：当气体分压（或逸度）为101.325 kPa时，单位体积液体（1 cm3）可溶解的标准状态下（即压力101.325 kPa，温度0 ℃）气体的体积，这里的气体体积可用理想气体或真实气体表示。
在随后的工作中WEISS［14］又根据He、Ne、Ar的溶解度实验数据对方程参数进行了补充修订，使其能够胜任惰性气体溶解度的计算［式（1）］。
L n   β = A 1 + A 2 100 T + A 3 L n   T 100 + S B 1 + B 2 T 100 + B 3 T 100 2
式中：β为本森系数，L/（L·atm）；T为温度，K；S为盐度，g/kg；A 1=-34.626 1；A 2=43.028 5；A 3=14.139 1；B 1=-0.042 340；B 2=0.022 624；B 3=-0.003 312。
COLT［15］在研究海洋环境时利用本森系数对惰性气体在淡水、海水中的溶解度进行了求解，并在此基础上将计算单位转化为更为常见的溶解度单位（mg/L）［式（2）］，使其适用于任意温、压条件下单一体系的惰性气体溶解度计算。计算结果具有良好的适用性。
C p , x = 1   000 K i β i χ i B P - P W V 101.325
式中：C p，x为气体溶解度，mg/L；K i为气体在标况下分子量/分子体积，mg/mL，He为0.178 48；β i为本森系数，L/（L·atm），由于稀有气体溶解度较低，通常用1 000β表示，如1 000β He；χ i为气体组分的摩尔分数，等于用十进制分数表示的干气成分百分比；BP为气体压力，kPa；P WV为水蒸气气压，kPa。
式（2）中He摩尔分数（χ i）可根据潜在氦源岩孔隙原位He相对体积分数进行赋值。在烷烃气运移经过溶解氦赋存区域之前，潜在氦源岩孔隙气体组分以非烃类气体（N2）为主。统计表明，我国中西部壳源富氦天然气藏He含量在非烃类气体中的占比介于0.96%~6.87%之间［16-19］，因此在计算过程中假定了1%和5% 2种不同的He摩尔分数（χ He），以充分表征不同分压对He溶解度的影响。孔隙水盐度被设定为淡水环境，这主要是由于目前鲜有资料详细介绍地质温、压条件下He在盐溶液中的真实溶解度或热力学计算值，增加了结果校验的不确定性，加之盐度的缺失并不会显著影响He溶解度随温、压变化的整体趋势，故本文讨论以淡水环境代替。其他地质背景参数均为通用平均值（表1）。
表1 He溶解度计算参数

Table 1 Calculation parameters of He solubility

参数名称 取值
地表温度/℃ 20
地层温度梯度/（℃/km） 30
地层压力梯度/（MPa/km） 10
孔隙水盐度/（g/kg） 0
He摩尔分数（χ He）/% 1或5

1.2　He溶解量计算方法

在溶解度基础上，选取单位体积（1 km3）潜在氦源岩作为计算载体，首先计算其在一定时间跨度内（100~1 000 Ma）的氦气累计产量，而后探讨不同埋深、不同摩尔分压条件下，各潜在氦源岩孔隙中能够累积的He溶解量，从而定量表征其他游离气体（CH4）运移经过或原位赋存条件发生改变（构造抬升）之前，各潜在He源岩孔隙中原位He资源的赋存状态。
本文计算假定矿物晶格中的氦气能够完全释放并全部进入孔隙水中，主要计算参数如表2所示，其中各岩性参数主要选取自典型岩性发育区或典型天然气藏的岩石地球化学、岩石物理实验、物性分析等测试数据，具有一定的代表性。
表2 潜在氦源岩He产量及溶解量计算参数

Table 2 Calculation parameters of potential helium source rock He production and dissolution

岩性

岩石体积

/（km3）

岩石密度

/（g/cm3）

平均U、Th含量

/（10-6）

He年产率

/（cm3/g）

He密度

/（g/cm3）

He摩尔分数

（χHe）/%

 岩石孔隙度/% 含水饱和度/%
花岗岩 1 2.5

U：6.96

Th：31.04

U：1.19×10-7

Th：2.73×10-8

 1.786×10-4 1或5 1.04 40
泥页岩 2.61

U：16.23

Th：11.66

 4.28 34.03
片麻岩 2.75

U：1.75

Th：16.5

 4.5 22.6
铝土岩 2.73

U：25

Th：56

 14.67 40.17

数据来源：He年产率及He密度分别来自文献［20-21］；花岗岩密度、平均U、Th含量、孔隙度、含水饱和度分别来自文献［21-24］；泥页岩密度、平均U、Th含量、孔隙度、含水饱和度分别来自文献［25，18，26-27］；片麻岩密度、平均U、Th含量、孔隙度与含水饱和度分别来自文献［28-30］；铝土岩密度、平均U、Th含量、孔隙度、含水饱和度分别来自文献［31-34］

2 结果与讨论

2.1　花岗岩

相较其他3种潜在氦源岩，花岗岩的生氦能力（U、Th含量）并没有显著优势（图1），1 000 Ma内单位体积花岗岩累积产He量仅为7.48×108 g，远不及同体积泥页岩和铝土岩在相同时间内产生的He质量。但由于花岗岩通常具有极低的孔隙度，因而在本文讨论的4种潜在氦源岩中具有最小的He溶解量（表3）。这就意味着，当烃类气体运移经过花岗岩发育区或盆地发生构造抬升时，花岗岩孔隙中累积的溶解氦更易脱溶离开原位孔隙，形成丰富的游离He资源。譬如柴达木盆地东坪气藏和四川盆地威远气藏，就分别借助烃类气体“置换”和喜马拉雅期构造抬升完成了He资源的脱溶富集［11，19，22］。
图1 潜在氦源岩生He强度对比

Fig.1 Comparison of helium generation intensity for potential helium source rocks

表3 潜在氦源岩He累积产量及溶解量对比

Table 3 Comparison of accumulative production and dissolution of helium in potential helium source rocks

花岗岩 泥页岩

时间

/Ma

He累积产量

/g

深度

/km

 溶解量/g

时间

/Ma

He累积产量

/g

深度

/km

 溶解量/g
χ He=1% χ He=5% χ He=1% χ He=5%
100 7.48×107 1.00 6.55×106 3.27×107 100 1.05×108 1.00 2.29×107 1.15×108
200 1.50×108 2.00 1.47×107 7.37×107 200 2.10×108 2.00 5.16×107 2.58×108
300 2.24×108 3.00 2.69×107 1.34×108 300 3.15×108 3.00 9.40×107 4.70×108
400 2.99×108 4.00 4.58×107 2.29×108 400 4.19×108 4.00 1.60×108 8.01×108
500 3.74×108 5.00 7.56×107 3.78×108 500 5.24×108 5.00 2.65×108 1.32×109
600 4.49×108 6.00 1.22×108 6.12×108 600 6.29×108 6.00 4.29×108 2.14×109
700 5.24×108 7.00 1.95×108 9.76×108 700 7.34×108 7.00 6.83×108 3.42×109
800 5.99×108 8.00 3.07×108 1.53×109 800 8.39×108 8.00 1.07×109 5.37×109
900 6.73×108 9.00 4.74×108 2.37×109 900 9.44×108 9.00 1.66×109 8.30×109
1 000 7.48×108 10.00 7.21×108 3.60×109 1000 1.05×109 10.00 2.52×109 1.26×1010
片麻岩 铝土岩

时间

/Ma

He累积产量

/g

深度

/km

 溶解量/g

时间

/Ma

He累积产量

/g

深度

/km

 溶解量/g
χ He=1% χ He=5% χ He=1% χ He=5%
100 3.24×107 1.00 1.60×107 8.01×107 100 2.20×108 1.00 9.28×107 4.64×108
200 6.47×107 2.00 3.60×107 1.80×108 200 4.39×108 2.00 2.09×108 1.04×109
300 9.71×107 3.00 6.57×107 3.28×108 300 6.59×108 3.00 3.80×108 1.90×109
400 1.29×108 4.00 1.12×108 5.59×108 400 8.78×108 4.00 6.48×108 3.24×109
500 1.62×108 5.00 1.85×108 9.24×108 500 1.10×109 5.00 1.07×109 5.35×109
600 1.94×108 6.00 2.99×108 1.50×109 600 1.32×109 6.00 1.73×109 8.67×109
700 2.26×108 7.00 4.77×108 2.39×109 700 1.54×109 7.00 2.77×109 1.38×1010
800 2.59×108 8.00 7.49×108 3.75×109 800 1.76×109 8.00 4.34×109 2.17×1010
900 2.91×108 9.00 1.16×109 5.79×109 900 1.98×109 9.00 6.72×109 3.36×1010
1 000 3.24×108 10.00 1.76×109 8.81×109 1000 2.20×109 10.00 1.02×1010 5.11×1010
此外，作为潜在氦源岩，相比U、Th含量更为丰富的泥页岩和铝土岩，花岗岩还具有3点显著特征有利于游离氦富集。其一是花岗岩不具备生烃能力，从而避免了He资源在累积过程中即被烃类气体大规模稀释。虽然也有研究表明，硅酸盐矿物中存在NH4 +替代K+进入矿物晶格形成固定铵［35］，并在高温条件下（实验温度大于1 000 ℃）释放N2的现象［36］。但考虑到固定铵释N2条件较为苛刻，过程也相对短暂，因此花岗岩自身释放的N2对He的稀释作用可以忽略。其二，花岗岩是大陆地壳最主要的岩石组成［37］，在我国具有极为广泛的分布范围［38］。尤其是在富氦盆地内部，露头及隐伏花岗岩的体量规模更是远超泥页岩和铝土岩，能够有效弥补U、Th含量相对较低的不足。其三，富氦盆地隐伏花岗岩通常发育于盆地基底，不仅具有十分古老的年龄，且距离盆内烃源岩生烃高峰到来的间隔时间较长，可为溶解氦持续积累提供良好的时间保障。譬如我国四川盆地、柴达木盆地以及美国Anadarko盆地基底花岗岩的结晶时间均早于盆内富氦天然气藏泥质或煤质烃源岩的形成时间［2，17，22，39］。

2.2　泥页岩

富含有机质的泥页岩普遍具有较高的U、Th含量，因而具有较强的生氦能力（图1），并且与花岗岩相比，泥页岩的孔隙度也有了显著改善，能够累积更多的溶解氦资源。譬如单位体积泥页岩在1 000 Ma内累积的He质量虽然高出花岗岩1个数量级，但也可在5.0 km（χ He=5%）以深完全溶解，因此从溶解氦累积量与脱溶所需埋深的良好的匹配关系评价，泥页岩具备有效氦源岩的基本特征。但事实上，泥页岩生烃及烷烃气的运移、成藏过程都会对常规天然气藏中He资源富集产生极大的影响。
（1）烷烃气的生成改变了He原位赋存相态。由于在相同温、压条件下，CH4的溶解度高于He［4，10］，因此在烷烃气与He的竞争性溶解过程中，溶解He被置换脱溶形成游离He，导致He原位赋存相态发生改变。此外，烷烃气的生成还会导致孔隙内He摩尔分压降低，进一步加速了溶解He向游离He的转变。
（2）烷烃气的初次运移中断了He资源的持续累积。当地层温度达到生烃高峰门限温度后，富含有机质的泥页岩便进入生烃高峰，大量生成的烃类气体在孔隙内部不断聚集，最终在剩余压力差和烃浓度差共同作用下开始向外排烃［40］。在烷烃气初次运移过程中，孔隙中原先被置换出的游离He会跟随烃类气体共同进入有利储层，形成“壳源同源型”含氦天然气藏。至此，泥页岩自接受沉积以来累积的氦资源几乎被全部释放，但由于泥页岩自接受沉积至进入生烃高峰的间隔时间相对较短［19］，致使共同运移进入气藏的He总量相对较低。但要强调的是，He的释放并不受地层温度与有机质热演化程度影响，因而在泥页岩生排烃结束后，He仍在源源不断的汇集进入岩石孔隙，只不过此时岩石孔隙已因烃类气体排出而遭受挤压［26］，导致He的溶解量大幅降低，难以再次形成有效的He资源累积。
（3）烷烃气强烈稀释氦气浓度。研究表明同体积［1ac-ft（英亩—英尺），1 233.5 m3］生烃潜力最小（S 2=2 mgHC/g岩石）的泥页岩产生的烷烃气体积是其10亿年释放He体积的3 000余倍［4］。因此，烷烃气的聚集还会对游离氦产生强烈的稀释作用，以致仅依靠泥页岩作为有效氦源岩的常规天然气藏难以形成富氦天然气藏。
对于“源储一体”的页岩气而言，尽管也存在氦含量被烷烃气稀释的影响，但相较于常规天然气藏，页岩气在成藏过程中并未发生显著的初次运移，因而更有利于氦资源的持续累积（图2）。譬如我国南方奥陶系—志留系五峰组—龙马溪组页岩气中He以自生为主，丰度主要分布在0.02%~0.08%之间，寒武系牛蹄塘组页岩U、Th含量是五峰组—龙马溪组页岩的2倍，页岩气中He含量普遍高于0.1%，达到工业开发门限［41］。
图2 页岩气体系氦与烷烃气形成和聚散过程示意

Fig.2 Schematic diagram of formation， accumulation and dispersion process of helium and alkane gas in shale gas system

2.3　片麻岩

受U、Th含量限制，片麻岩在本文讨论的潜在氦源岩中具有最低的生氦强度，其在1 000 Ma内积累的He质量不足同体积花岗岩He累积量的一半（图1）。不仅如此，片麻岩还具有较高的孔隙度，这就意味着与花岗岩相比，片麻岩孔隙中的溶解氦难以借助外界条件的有限改变实现规模性的脱溶富集。譬如在He摩尔分压为1%的条件下，1 km3片麻岩500 Ma内累积的He产量需要地层抬升至约4.5 km以浅才能实现有效脱溶，而在烃类气体充注之前，随He不断累积至摩尔分压为5%时，这一临界埋深则需抬升至1.5 km左右。换言之，在相同条件下，片麻岩需要更长累积时间、更大抬升幅度才能实现与花岗岩相同规模的He资源富集。
我国东部前寒武系变质岩潜山油气藏埋深普遍较浅，大部分埋深介于1 000~3 500 m之间［42］，似乎能够满足He脱溶富集所需的埋深条件。但事实上变质岩潜山油气藏中的壳源He含量并不丰富（He含量介于0.002%~0.03%之间，R/Ra=0.36~3.90）［43-44］，这主要与其经历的多期构造运动有关。譬如渤海变质岩潜山就经历了太古代以来所有的构造运动［44］，早期（加里东—海西期）的构造抬升虽然使得潜山得以暴露地表遭受风化淋滤，从而在其顶部形成风化壳型的优质储层［45-46］，但也造成了累积溶解He过早脱溶散失殆尽，未能充分发挥基底变质岩的年龄优势弥补U、Th含量较低的不足，以致在烃源岩生烃高峰到来之后，烷烃气并未在岩石孔隙中置换出丰富的游离氦。由此看来，盆地构造演化史（潜在氦源岩埋藏史）与气藏成藏史之间是否具有适当的匹配关系也是评价潜在氦源岩是否有效的关键指标之一。

2.4　铝土岩

铝土岩是一种化学成分上富含Al2O3（>40%）、Al2O3∶SiO2>1，由铝氢氧化物和氧化物组成的沉积岩类［47］。在以往的工作中，铝土岩常被视为风化壳气藏的区域盖层，但近年来勘探实践证实铝土岩内部也可见溶孔和微裂隙发育，具备成为优质储层的必要条件［33，47-48］，特别是鄂尔多斯盆地陇东探区NG3井、L47井铝土岩系天然气勘探的重大突破［31，49］，引起了业界对铝土岩的广泛关注。
作为潜在氦源岩，铝土岩丰富的U、Th含量（表2）虽然意味着更高的生氦强度，但松散的孔隙结构也暗示着更大的溶解量以及更苛刻的脱溶条件（图3），因此铝土岩是本文讨论的4种岩性中最特殊的一种。如果仅依靠构造抬升完成He资源脱溶富集，铝土岩与片麻岩具有相近的脱溶深度。以鄂尔多斯盆地和晋中盆地本溪组—太原组铝土岩（年龄约为300 Ma）为例，当He累积至摩尔分压为1%~5%时，单位体积铝土岩释放的He在1.5~4.0 km的深度范围内即可全部溶于孔隙水中，换言之，铝土岩需抬升至浅埋深区域才能规模性脱溶出游离He。陇东探区虽然在鄂尔多斯盆地东部燕山期构造抬升的带动下发生了“跷跷板式”的构造反转，但受制于有限的抬升幅度（埋深约为4.0 km）［33，48-49］，难以产生规模性的脱溶富集。但在鄂尔多斯盆地东缘石西探区和晋中盆地的天然气藏（埋深<2.0 km）以及运城—临汾地区的地热井中却发现了良好的He显示（He含量介于0.089%~13.40%之间）［32，44，50］，从而证实了铝土岩在浅埋藏条件下能够为富氦天然气藏形成做出一定贡献。
图3 相同构造背景下（ χ He=5%）单位体积潜在氦源岩生、储、释氦量对比

Fig.3 Comparison of helium production， storage and release per unit volume of potential helium source rocks under the same structural background（ χ He=5%）

从烷烃气置换溶解He脱溶角度考量，铝土岩又与东部变质岩潜山气藏有所不同。目前已发现的铝土岩系天然气藏多位于克拉通盆地内部，具有相对稳定的构造环境，可为溶解氦的持续累积提供良好条件。因此当烃类气体充注之后，完全能够置换出一定规模的游离氦，形成含氦或富氦天然气藏。但值得注意的是，陇东地区铝土岩系天然气藏烃源岩生烃高峰在晚侏罗世—早白垩世就已到来［47］，此时距离铝土岩接受沉积仅约160 Ma，孔隙水中并未累积足够规模的溶解氦，加之铝土岩体量规模较小（厚度约为5~20 m）以及烃类气体对游离He的稀释作用，都为该区He资源勘探带来一定挑战。

2.5　游离He富集效率

从上述讨论可以看出，潜在氦源岩的生氦能力主要由U、Th含量决定，对溶解氦的“封存”能力主要由孔隙度、含水饱和度和He摩尔分压决定，而生氦能力与“封存”能力之间的匹配关系则共同决定了潜在氦源岩孔隙中累积溶解氦经脱溶释放形成游离氦富集的难易程度，即生氦能力强而“封存”能力弱的潜在氦源岩，在相同条件下更易形成游离氦富集，反之则更难。为定量表征各潜在氦源岩形成游离氦富集的难易程度，本文研究引入游离He富集效率（η He）的概念，即相同体积潜在氦源岩生氦能力与其溶解氦“封存”能力的比值［式（3）］，数值越大，代表该潜在源岩在相同条件下越易形成游离氦富集。
η H e = ρ 岩石 × ( K × U + T h ) φ 岩石 × S w × χ H e × 10 6 × 100 %
式中：η He为游离氦富集效率，%；ρ 岩石为潜在氦源岩密度，g/cm3；K为生氦强度系数，即U、Th元素He年产率比值，通常为4.35；U为潜在氦源岩U含量，×10-6；Th为潜在氦源岩Th含量，×10-6；φ 岩石为潜在氦源岩孔隙度，%；S w为潜在氦源岩含水饱和度，%；χ He为岩石孔隙中He摩尔分压，%。
计算结果表明，相同He摩尔分压条件下花岗岩更易形成游离氦富集，泥页岩与铝土岩次之，片麻岩最难（表4）；而对同种岩性而言，He摩尔分压越小，则越易形成游离氦富集，即对应其他气体（CH4、N2）充注造成溶解氦脱溶。
表4 不同分压条件下各潜在氦源岩游离He富集效率

Table 4 Enrichment efficiency of free He under different partial pressure conditions of potential helium source rocks

岩性 游离He富集效率（η He）/%
χ H e = 1 % χ H e = 5 %
花岗岩 37 7.3
泥页岩 15 2.9
变质岩 6.5 1.3
铝土岩 7.6 1.5

3 有效氦源岩有利条件

3.1　丰富的U、Th含量和巨大的体量

岩石矿物中的U、Th元素是壳源4He生成释放的物质基础，因此潜在氦源岩中U、Th元素含量越丰富越有利于氦资源富集。此外，岩石的体量规模也对氦源岩有效性具有显著影响，尽管并非氦源岩所有部位都对富氦天然气藏的形成有所贡献，但在相同地质背景下，潜在氦源岩体量规模越大，对应的“有效排氦厚度”自然也越大。以生氦效率最高的铝土岩为例，如果按照大气田（探明地质储量≥300×108 m3）高效气源灶生气速率下限0.6×108 m3/（km2·Ma）计算［51-52］，1 km3烃源岩在20 Ma的主生气时间内形成的烷烃气体积约为同体积铝土岩1 000 Ma形成He体积的10万倍，即使是在矿物晶格中赋存He完全释放的理想条件下，所积累的游离He含量也仅占大气田气体总量的0.04%，低于0.05%的商业开发下限。因此仅有丰富的U、Th含量而缺乏巨大体积加以支撑，仍然难以形成规模性的He资源富集，自然也就不能成为富氦天然气藏的主力有效源岩。

3.2　良好的“埋藏史—成藏史—构造史”匹配关系

壳源4He在天然气成藏过程中虽然具有鲜明的年代累积效应［7］，但这并不表示拥有更古老潜在氦源岩的天然气藏一定具有更丰富的氦气含量。事实上这里的“年代累积”强调的是潜在氦源岩孔隙中原位溶解氦持续累积的时间，稳定累积的时间越久，通常越利于形成规模性的氦资源富集。而在地质条件下，影响溶解氦持续累积的因素通常为构造活动和烷烃气充注。因此，有效氦源岩的有利条件还暗含着潜在氦源岩埋藏史应与天然气藏成藏史和盆地构造演化史具有良好的匹配关系。倘若沉积盆地过早发生或反复发生构造抬升，或生烃高峰过早到来，都会导致氦资源累积过程提前中断，不利于富氦天然气藏的形成；倘若潜在氦源岩持续接受沉积而没有构造运动发生或烃类气体运移经过，则会造成潜在氦源岩孔隙中He摩尔分压增大（χ He），导致游离氦富集效率（η He）降低。

3.3　适宜的孔隙度和含水饱和度

从壳源氦资源借助孔隙水完成溶解—脱溶—富集的本质来看，潜在氦源岩还应具有适宜的孔隙度与含水饱和度。倘若这两项参数过大，虽然有利于孔隙水中溶解氦的保存与累积，但也会增加溶解氦利用有限的条件改变脱溶为游离氦的难度，造成游离氦富集效率（η He）降低，反之若岩石过于致密或干燥，则不能为溶解氦持续累积提供良好条件。

3.4　相对专一的生氦能力

有效氦源岩还应具有相对专一的生He能力，即除He外，自身不具备产生其他气体的能力。这主要是由于U、Th元素的半衰期极长，致使He累积过程十分漫长，加之He又具有相对较高的亨利系数，倘若潜在氦源岩在生He过程中还有其他气体生成，不仅会对溶解氦持续累积造成影响，还会对游离He产生强烈的稀释。

4 结论

（1）潜在氦源岩孔隙中累积的溶解氦能否在气藏成藏过程中规模性脱溶为游离氦是判识潜在氦源岩是否有效的关键指标。
（2）除岩石U、Th元素含量外，巨大的体积规模，适宜的岩石孔隙度、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，以及相对单一的生气能力也是评价潜在氦源岩是否有效的关键指标。
（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。

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