Natural Gas Geoscience >

2024 , Vol. 35 >Issue 5: 851 - 868

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.027

Helium resources accumulation regulations and their development prospects in China

  • Jian LI , 1, 2, 3 ,
  • Xiaobo WANG , 1, 2, 3 ,
  • Zhusong XU , 1, 2, 3 ,
  • Huiying CUI 1, 2, 3 ,
  • Xiaomei WANG 1, 2, 3 ,
  • Bin ZHANG 1, 2, 3 ,
  • Jianying GUO 1, 2, 3 ,
  • Shizhen TAO 1, 2, 3 ,
  • Jianfa CHEN 4 ,
  • Zengye XIE 1, 2, 3 ,
  • Jixian TIAN 1, 2, 3 ,
  • Yifeng WANG 1, 2, 3
Expand
  • 1. Research Institute of Science and Technology，CNPC，Beijing 100083，China
  • 2. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，CNPC，Beijing 100083，China
  • 3. Key Laboratory of Gas Reservoir Formation and Development，CNPC，Langfang 065007，China
  • 4. College of Geosciences，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China

Received date: 2024-03-15

  Revised date: 2024-04-22

  Online published: 2024-05-07

Supported by

The Research and Development of the China National Key Project(2021YFA 0719004)

the Key Core Technology Research Project of CNPC(2021ZG13)

the Advanced Strategic Reserve Fund Project of Science and Technology Management Department of CNPC(2018D-500802)

the PetroChina Technology Project(2021DJ06)

Fold

Abstract

Helium is a globally scarce strategic resource that is relevant to national economies and the development of high-tech industries， and China relies mainly on imported helium for industrial use. Therefore， there is an urgent demand for clarifying helium formation and enrichment patterns， searching for helium-rich fields， and realizing China's helium resource inventory and development potential. This article analyzed the reservoir characteristics and accumulation conditions of typical helium-rich fields in China， and clarified the origin and source of helium and the main controlling factors of helium enrichment. It was recognized that helium in natural gas in China comes mainly from crustal sources. Relatively shallow buried ancient U-Th-rich granite basement or intrusion， large and stable ancient uplift or submarine formed in the early period， good overburden of huge thick paste-salt rock or mudstone cover， and channels connecting the basement and reservoir， were the main controlling factors of helium enrichment. Four types of helium-rich gas reservoirs， namely helium-rich conventional gas， helium-rich shale gas， helium-rich non-hydrocarbon gas， and helium-rich water-soluble gas， have been modeled and predicted to be helium-rich favorable exploration areas. Based on this， the prospect of helium resource development in China has been analyzed. It was proposed that the exploration of helium-rich fields and the comprehensive development and utilization of medium- and low-abundance helium resources are important ways to increase the domestic helium production in China in the future.

Key words： Helium; Helium-rich gas reservoir; Main controlling factors; Resource potential; Prospect for helium development

Cite this article

Jian LI , Xiaobo WANG , Zhusong XU , Huiying CUI , Xiaomei WANG , Bin ZHANG , Jianying GUO , Shizhen TAO , Jianfa CHEN , Zengye XIE , Jixian TIAN , Yifeng WANG . Helium resources accumulation regulations and their development prospects in China[J]. Natural Gas Geoscience, 2024 , 35(5) : 851 -868 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.027

0 引言

氦气是自然界熔点和沸点最低的稀有气体，具有低溶解度、高导热性、高渗透性、强扩散性、强化学惰性等特殊物理化学性质，广泛应用于燃料火箭、核磁共振、半导体、光纤、深海潜水、第四代核反应堆等航空航天、国防安全、高新技术产业和民生领域，关系着一个国家进一步走向“深空、深海、深地、深蓝”领域［1-5］。然而，目前我国氦气资源研究与勘探刚刚起步，可利用氦气资源稀缺，对外依赖度高，国内产量低，自主保障程度低，且需求量越来越大。随着我国经济快速发展，氦气消费需求以3%~6%的速度快速增长，预计我国氦气需求量2025年将达到2 800×104 m3，2030年将达到3 500×104 m3。近年来，在全球氦气产能及产量增加不确定性增大、主要氦气来源国加强出口限制、提氦工厂正常及突发停产检修频繁等背景下，未来我国及全球氦气消费领域进口面临的不确定性风险增大，氦气已成为我国乃至全球的重要稀缺资源［6-8］。因此，迫切需要加强我国氦气资源普查评价、富集成藏研究和勘探开发工作。
目前发现的氦气资源主要伴生于沉积盆地内以烃类为主的天然气藏、以氮气或二氧化碳为主的非烃类气藏，其中具有直接商业开采价值的是富氦气藏，如美国潘汉德—胡果顿（Panhandle-Hugoton）气田、阿尔及利亚哈西鲁迈勒（Hassi R’mel）气田、中国威远气田等［9-12］。此外，氦含量较低的中低丰度天然气也可通过液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）闪蒸气（Boil-Off Gas，BOG）方式进行提氦，如卡塔尔的北方气田。氦气作为以烃类等为主的天然气藏的伴生气，其特殊的性质导致其与赋存于同一储集空间的天然气在来源、生成、运移、富集及保存等方面均存在明显的不同，且不同的含氦气藏中氦气的成因来源、运聚特征、成藏模式也存在明显的差异［13］。近年来，国内对氦源的评价［14-15］、氦气运移和富集机制［16-17］、氦气资源潜力［4，18］及分布预测评价［19-20］展开了一些初步研究，并取得了一定的研究进展。尤兵等［17］梳理了富氦天然气藏中氦源的研究现状与研究方法，总结了壳源氦源岩的特征，并提出了氦源岩的关键评价参数。秦胜飞等［16］根据对不同类型盆地富氦气藏的研究，划分出壳源氦富集和壳幔混合氦富集两大类富集模式。赵栋等［21］对地层条件下He溶解度进行了计算，建立了岩石孔隙水中氦气溶解、 脱溶量计算模型，定性与定量相结合研究了地层温、压条件变化与He运聚成藏之间的相关性，并将壳源富氦天然气藏成藏模式总结为“抬升脱溶型”和“置换脱溶型”2种类型。然而，目前国内对氦气成因来源、富集机理、主控因素和分布规律的研究相对薄弱，氦气勘查技术刚刚起步，基本沿用烃类气的勘查评价技术方法，缺乏专门指导氦气勘探的理论和技术方法。因此，本文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，探讨了氦气成因来源与形成机理，解剖了六大国内典型富氦气田（藏），深入研究了氦气成藏富集主控因素，总结氦气成藏规律，预测了国内富氦有利勘探区。在此基础上，分析了我国氦气资源开发前景，提出提高国内氦气产量的意见和建议，从而为我国氦气资源的勘探开发提供有益参考。

1 氦气资源分布

1.1　氦气赋存状态

氦存在于整个宇宙中，按质量计约占23%，仅次于氢，但在地球上含量稀少。氦在自然界中广泛存在于大气圈、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、石油天然气藏等地质系统中，但主要赋存于天然气体或放射性矿石中［22-25］。天然气藏普遍含氦，但氦气含量差异较大，绝大多数天然气藏中氦气含量低于0.05%，少部分天然气中氦含量大于0.1%，小部分天然气中He含量大于0.3%，其中部分天然气中He含量甚至可以高达8%。美国氦气资源丰富、氦气含量整体较高，将天然气中氦含量大于0.3%定义为富氦天然气，划为经济提氦资源，将氦含量为0.1%~0.3%氦气资源划为次经济提氦资源，将氦含量<0.1%的氦气资源划为非经济提氦资源。考虑当前我国氦气资源相对不足、品位整体不高，我国一般将天然气中氦含量≥0.1%定义为富氦天然气。由于空气中He含量为5.24×10-6，提氦成本比等体积的黄金还要贵，现有技术条件下不具备大规模工业提取价值。目前工业用氦主要来源于含氦天然气，提氦方法包括深冷法、LNG-BOG法、天然气轻烃联产综合利用法等。

1.2　全球氦气资源分布

全球氦气资源分布极不平均，主要集中在美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯等少数国家和地区。据美国地质调查局（USGS）2022年数据［26-27］，结合调研及本文研究（表1），初步估算全球氦气总资源量约为790×108 m3。按照USGS的数据，美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯的资源量分别为171×108 m3、101×108 m3、82×108 m3、68×108 m3，以上四国氦气资源量占全球总资源量的85%以上［26-27］。此外，波兰和加拿大也有一定氦气资源［27］。2016年以来，在坦桑尼亚大裂谷地区发现非伴生氦气资源，预计鲁夸湖、埃亚西湖和巴兰吉达湖地区的氦气资源量可达28×108 m3，具有一定的资源前景，但仍需钻探证实［28］。
表1 全球氦气资源量情况对比

Table 1 Comparison of global helium gas resources

国家 USGS（2022） 本文

氦气资源量

/（108 m3）

资源占比

/%

氦气资源量

/（108 m3）

资源占比

/%
合计 484 100 790 100
美国 171 35.3 171 21.6
卡塔尔 101 20.9 101 12.8
阿尔及利亚 82 16.9 82 10.4
俄罗斯 68 14.0 205 25.9
加拿大 20 4.1 20 2.5
澳大利亚 18 3.7 18 2.3
中国 11 2.3 78.5 9.9
波兰 3 0.6 3 0.4
伊朗 50 6.3
坦桑尼亚 39 4.9
南非 9.2 1.2
哈萨克斯坦 2 0.3
其他 10 2.1 10 1.3
美国是世界上最大的氦气资源国，其发现的氦气资源主要分布在潘汉德—胡果顿、Riley Rigde、Greenwoods、Keyes、Cliffside、Panoma等以烃类为主的天然气田（藏），个别气藏中氮气和二氧化碳含量较高［29-31］。卡塔尔北方气田拥有丰富的氦气资源，但其气藏中氦气含量仅为0.04%，在正常条件下不具备工业开采价值，因采用液化天然气生产方式进行规模天然气开发使得提氦成本大大降低［32］。阿尔及利亚的氦气资源主要来自于其东部三叠盆地的Hassi-R'Mel天然气田，平均氦含量为0.19%，主要采用LNG-BOG法提氦，俄罗斯发现的氦气资源则主要分布在西伯利亚地台的天然气藏中，氦含量主要分布在0.1%~0.6%，具备商业开发价值，目前主要采用天然气轻烃联产综合利用法提氦。

1.3　中国氦气资源分布

近年来氦气勘查评价研究表明，中国氦气资源分布广泛，目前鄂尔多斯、塔里木、四川、松辽、渤海湾、准噶尔、柴达木、吐哈、苏北及三水等盆地均有含氦气田（藏）或气井发现，当前在我国主要含气盆地共评价出和田河、阿克、罗斯2、古城、尖北、东坪、马北、庆阳、东胜、黄龙、正宁及太平庄等氦含量大于0.1%的富氦气田（藏）18个。但国内氦气资源品位总体相对较低，以氦含量在0.01%~0.1%之间的中低丰度为主（图1）。按氦气含量>0.01%标准初步估算，我国氦气资源量（不含水溶氦）约为78.5×108 m3（表1）。此外，地热水溶气中氦气含量相对较高，可高达1%以上，如渭河、汾河盆地等，但目前经济技术条件下尚未实现有效经济开发，有待提取技术的不断进步，该领域也是未来值得关注的远景资源领域。
图1 中国氦气含量分布

Fig.1 Map of helium content distribution in China

中西部大型叠合盆地是中国氦气资源的主要富集区，氦气远景资源量高，是氦气资源的主力勘探区。四川盆地威远气田是2020年前中国唯一开展氦气开采的大气田，氦气含量在0.2%左右，最高达0.36%，折算氦气储量约为0.8×108 m3，目前资源已近枯竭［33］。鄂尔多斯盆地是目前国内最大的天然气生产基地，目前中国石油在该盆地南部发现了庆阳、黄龙、正宁等3个富氦气田，其中庆阳富氦气田氦气含量分布在0.062 4%~0.293 8%之间，平均含量约为0.118%，黄龙、正宁富氦气田氦气含量分别分布在0.11%~0.19%、0.12%~0.215%之间，氦气平均含量分别约为0.15%、0.2%，其中庆阳气田的氦气储量超过3.5×108 m3，是国内氦气规模最大的特大型富氦气田，具有重要的经济开发利用价值。此外，中国石化在鄂尔多斯盆地北部发现的东胜富氦气田的氦气含量分布在0.045%~0.487%之间、氦气平均含量约为0.12%，探明氦气地质储量约为1.96×108 m3，也是一个特大型富氦气田［1，11，34］。特别值得注意的是，目前跻身全球十大气田的国内最大的苏里格气田，氦气平均含量约为0.043%，初步估算氦气储量超过8.5×108 m3，气田氦气总量巨大，是未来具有规模开发潜力的超大型含氦气田。柴达木盆地是我国西部大型中新生代含油气盆地，氦气资源较为丰富［35-36］。通过开展持续多年的氦气普查与评价工作，目前已在柴北缘评价发现了尖北、东坪等富氦天然气田（藏），其中：尖北气田氦气含量介于0.171%~0.228%之间，平均氦含量为0.197%；东坪气田氦气含量介于0.008 3%~0.686 1%之间，平均氦含量为0.11%，其中东坪3区块氦含量相对较高、东坪1区块氦含量相对较低；牛东气田氦气含量介于0.008 6%~0.028 1%之间、平均氦含量为0.023 8%。塔里木盆地氦气分布广泛［37-39］，目前在塔西南、塔北、塔中等地均有发现，氦气资源相对较为丰富。目前已经评价发现了包括和田河、阿克、罗斯2、古城等富氦气田（藏），其中和田河气田是继威远气田之后，近年来我国新评价发现的第一个大型富氦气田，氦气含量分布在0.27%~0.45%之间，平均氦含量约为0.315%，氦气探明储量为0.72×108 m3，氦气资源规模与威远气田相当，但平均氦气含量超过威远气田，具有相对较高的工业利用价值。此外，在中国部分地区的热水/热泉中发现了水溶氦，渭河盆地埋深4 000 m以浅的水溶氦资源量为21.3×108 m3，是目前中国开展氦气资源研究的热点地区之一，其中渭南地区的水溶氦平均含量为2.211%，西安和咸阳地区的水溶氦平均含量分别为1.783%和1.077%［40-41］。
中国东部陆内裂谷盆地氦气资源主要分布在郯庐断裂带两侧的裂陷盆地，断裂带周缘松辽、渤海湾、苏北等盆地已发现了多个非烃含氦气藏，包括含氦的二氧化碳气藏、氮气藏等。渤海湾盆地济阳坳陷花沟地区氦含量高达2.08%~5.11%，但氦气资源量只约为（0.2~0.5）×108 m3［42-43］。苏北盆地黄桥气藏为典型非烃CO2富氦气藏，氦气含量高达0.2%~1.34%，氦气储量仅为12.77×104 m3。总体而言，我国东部地区氦气丰度相对较高，但天然气藏整体规模较小，氦气资源潜力相对有限。

2 氦气的形成机理与来源

2.1　氦气来源

氦有3He和4He两个稳定同位素，以4He为主。3He为原始成因，主要来源于地幔脱气，是地球形成时从宇宙星云中带来的原始氦。4He主要为放射性成因，由放射性元素铀、钍等的自发裂变或诱发裂变形成。天然气藏中的氦气一般有三种可能来源：大气源、壳源和幔源。大气源氦是赋存于大气圈的氦气组分，主要来自火山喷发、岩浆脱气以及岩石风化作用等释放的氦，体积分数仅为5.24×10-6，随着地下水循环进入盆地流体系统的大气源氦通常可以忽略不计［22］。因此，赋存于地下流体及油气藏中的氦主要是幔源氦和壳源氦。幔源氦是地球深部地幔挥发出来的氦气，其通过岩浆活动或者深大断裂上升至地球浅层的沉积圈层，具有相对富集3He的特征［14］。壳源氦是由赋存在岩石（矿物）中的铀（235U、238U）和钍（232Th）等发生放射性衰变形成的。238U、235U和234U是天然放射性同位素，相对丰度分别为99.275%、0.720%和0.005%。钍是放射性金属元素，已发现质量数为212~236的共25种同位素，天然存在的钍主要为232Th。主要衰变反应如下：
238U→206Pb+84He+6β- T 1/2 = 44.68×108 a
235U→207Pb+74He+4β- T 1/2 = 7.1×108 a
232Th→208Pb+64He+4β- T 1/2 = 140.1× 108 a
岩石矿物中氦气的生成量取决于岩石矿物的类型，岩石矿物中铀、钍元素丰度，岩石形成年龄及岩石体积规模［14，17］。但地壳岩石中铀、钍元素丰度极低，含量一般在1×10-6左右，钍含量在n×10-6左右，且铀、钍元素放射性衰变形成4He的过程极其缓慢，238U、235U、232Th半衰期分别为44.68亿年、7.1亿年、140.1亿年［44］。因此，氦源岩的放射性矿物岩体的规模越大，形成的地质时间越早，则天然气藏中壳源氦的含量越高。目前研究表明，在地球的地质发展演化过程中地壳和上地幔产生地球化学分异，铀、钍则富集于地壳，特别是盆地古老基底（花岗岩）。另外，页岩也可作为沉积盆地内富氦天然气藏的潜在氦源岩（表2）。
表2 各类岩石中U和Th含量

Table 2 U and Th contents in various types of rocks

岩石 铀/10-6 钍/10-6
超镁铁岩 0.014 <0.05
玄武岩 0.4 1.3
大洋拉斑玄武岩 0.1 0.18
高原玄武岩 0.53 1.96
中性岩 1.8 7
花岗岩 4 18
杂砂岩 2.1 6.7
页岩 3.2 13.1
碳酸盐岩 2.2 1.7

2.2　氦气成因判识

三种源氦同位素具有明显数量级差异，因此，应用氦同位素组成可以有效判识氦气成因、来源。3He/4He值是判识氦气来源的常用参数。典型幔源氦、大气源氦和壳源氦的3He/4He值分别为1.1×10-5、1.4×10-6、2×10-8。氦同位素特征通常也用样品的3He/4He值（R）除以大气的3He/4He值（Ra）来表示，即R/Ra =（3He/4He）样品/（3He/4He）大气。由于样品中大气氦可以忽略，可以用二元法计算天然气中幔源氦所占比例［45-46］，计算公式为：
幔源氦贡献比例=（3He/4He样品-3He/4He壳源）/（3He/4He幔源-3He/4He壳源）×100%
当R/Ra<0.1时，基本可以认为气藏中氦来自壳源；当R/Ra>0.1时，表明气藏中幔源氦的比例大于1.2%；当R/Ra>1，表明气藏中幔源氦的比例大于12%。R/Ra值越大，气藏中幔源氦的贡献越大。

2.3　中国含油气盆地氦气地球化学特征

我国含油气盆地中，氦同位素比值以及幔源氦贡献的差异较大，3He/4He值分布在7×10-9~8.4×10-6之间，R/Ra值分布在0.005~6之间［45-47］。我国的氦气成因来源类型和分布具有明显的区域规律性，东部断陷和裂谷盆地3He 含量相对较高，混有较多的幔源氦，为壳—幔混合成因；中部盆地为典型壳源氦成因，西部盆地则以壳源成因为主，混入少量的幔源氦。目前国内外发现的富氦气田（藏）如威远、和田河、罗斯2、东坪、尖北、庆阳、黄龙及东胜等主要为典型壳源成因，潘汉德—胡果顿、阿克以壳源成因为主（图2）。
图2 中国不同含油气盆地氦同位素比值分区特征

注：★代表和田河、罗斯2、东坪、尖北、庆阳、黄龙、东胜、潘汉德—胡果顿、阿克富氦气田同位素和氦气含量数据分布

Fig.2 Helium isotope ratio zoning characteristics of different petroliferous basins in China

中国东部含油气盆地是西太平洋板块俯冲背景下形成的一系列边缘海盆地和断陷—坳陷盆地，诸如松辽、渤海湾、三水和苏北等盆地，主要分布于东部的郯庐断裂带两侧，3He/4He值为1.4×10-8~7×10-6，平均值为2.3×10-6，R/Ra值为0.01~4.99，平均值为1.64，表现出壳—幔混合成因氦气的特点（图2）。混入的幔源成因氦气含量较高，幔源氦贡献比例最大可达70%以上［16，44，48］。以伸展裂陷型盆地——松辽盆地为例，盆地火山喷出岩广布，北部地区发育有交叉分布的两组深大断裂，富氦气井沿断裂带分布，特别是在两组深大断裂的交会处［13，49］。松辽盆地北部氦气资源量丰富，部分井氦气含量超过0.1%，3He/4He值为1.0×10-7~4.2×10-6，幔源氦贡献比例高达38%［50］。而松辽盆地南部万金塔二氧化碳气田，3He/4He值为6.3×10-6~7.2×10-6，幔源氦贡献比例更是高达64%，这与壳—幔混合成因氦气多与非烃类气藏伴生，且多与二氧化碳气藏相伴生的研究发现一致［51］。济阳花沟气田、苏北黄桥气田以及三水盆地二氧化碳气田均表现出幔源氦含量较高，基本都在40%以上［43，51-52］。东部含氦盆地呈现出独特的高幔源氦比例特征，这主要是因为东部含氦盆地多为裂陷盆地，太平洋板块的活动使东部处于活跃的构造环境，构造作用产生沟通地幔的大型断裂带（郯庐大断裂），为岩浆脱气作用释放的幔源氦气以及非有机成因气（CO2、N2）的向上运移提供高效通道，有利于3He的释放。
中国中部含油气盆地为板内多旋回坳陷盆地，四川、鄂尔多斯等盆地3He/4He值为7×10-9~1.4×10-7，平均值为5×10-8，基本认为盆地中的氦全部是壳源氦［20，53］。中部含油气盆地氦气藏为典型壳源成因，这归因于中部地区各盆地所处的大地构造背景稳定，远离构造活动区，虽然发育有基底断裂沟通盆地基底，但沟通地壳深部乃至地幔的深大断裂欠发育，缺乏沟通地幔深部的有效通道，故天然气藏中氦气为基岩衰变产生的氦气。
中国西部地区受印度板块与欧亚板块南北方向的挤压作用，大地构造演化复杂，如准噶尔、塔里木、柴达木、吐哈等盆地为挤压性质的大型坳陷沉积盆地［13，36，44，54-55］。柴达木盆地含氦天然气3He/4He值分布在1.0×10-8~1.3×10-6之间，塔里木盆地3He/4He值分布在2.0×10-8~2.6×10-7之间，准噶尔盆地3He/4He值分布在2.0×10-8~5.4×10-7之间，显示出氦气以壳源为主，有少量幔源氦混入，这归因于西部盆地构造活动略强于中部盆地而远弱于东部盆地。

3 中国富氦气藏成藏特征

根据储层类型和载体气的差异，国内外典型富（含）氦气田（藏）可以分为4个大类10个小类（表3）。本文选取了和田河、尖北、东坪、东胜、威远、黄桥气田（藏）6个国内典型富氦气藏以及渭河盆地富氦水溶气进行典型气藏解剖，分析了氦源、储层、盖层、沟通条件等成藏条件，明确了典型富氦气田（藏）成藏过程。
表3 富（含）氦气田分类

Table 3 Classification of helium rich or helium containing fields

富（含）氦气田分类 部分典型富氦或含氦气田（藏）
常规气田 碳酸盐岩气田 美国潘汉德—胡果顿（美国）、和田河、威远、黄龙、罗斯2、鸟山、古城6
碎屑岩气田 阿克莫木、阿尔及利亚哈西鲁迈勒（阿尔及利亚）
基岩或变质岩气田 尖北、东坪
火山岩气田 徐深、长深、克拉美丽
非常规气田 致密砂岩气田 庆阳、正宁、东胜、苏里格、宜川、青石卯、天府
页岩气田 威远筇竹寺组W201-H3井、宜昌水井沱组宜页1井、长宁、太阳、泸州（五峰—龙马溪组）
煤层气田 郑庄—樊庄
非烃气田 CO2气田 黄桥、古龙2井
N2气田 溪桥
水溶气田（藏） 渭河盆地水溶气

3.1　塔里木盆地和田河气田

和田河气田位于塔里木盆地中央古隆起巴楚隆起区，是我国发现的首个氦含量大于0.1%的特大型富氦天然气田，氦气平均含量为0.315%，R/Ra值约为0.05~0.08，天然气中的氦基本为壳源成因。气藏主要分布在石炭系生屑灰岩和奥陶系碳酸盐岩中（图3），是典型常规碳酸盐岩富氦气藏，储层中溶蚀孔洞非常发育，储集空间主要为裂缝和孔洞［37］。烃类气体主要源于寒武系海相烃源岩，氦气可能与前寒武系花岗岩基底和沉积层系黑色页岩中铀、钍放射性元素衰变密切相关，石炭系发育的卡拉沙依组泥岩及巴楚组泥岩盖层为气藏提供了有利封盖条件［17，56-59］。
图3 和田河富氦气田氦气富集成藏模式（底图据文献［58］，修改）

Fig.3 Helium-rich gas reservoir accumulation model of Hetianhe Gas Field（the base map is based on Ref.［58］，modified）

和田河气田氦气成藏主要受控于古元古代基底花岗岩、古隆起、沟通基底断裂及上覆盖层等。该气田圈闭形成于喜马拉雅构造活动期，受喜马拉雅期挤压应力的影响，气田边界断裂活动强烈，形成了被南、北两条逆断层所夹持的条带状断背斜圈闭。强烈的构造活动促使矿物和岩石破裂形成大量裂缝，有利于基底花岗岩中氦气的释放，而形成的两条大断裂为源自寒武系的烃类气体和来源于基底和沉积层系黑色页岩的氦气向上运移聚集提供了良好的疏导通道。古元古代基底花岗岩和黑色页岩层系生成的氦气，沿着沟通基底与上部储层的深大断裂及不整合面垂向和侧向运移，并与烃源岩生成的烃类气体一起在中央古隆起巴楚隆起区麻扎塔格等局部构造运移聚集，最终形成氦气含量自东向西逐渐升高、呈条带状展布的特大型富氦气田。

3.2　柴达木盆地东坪、尖北气田

柴达木盆地位于青藏高原西北部，是中国西部大型中新生代含油气盆地。东坪和尖北气田发育在柴达木盆地北缘阿尔金山南部山前东段的隆起带上，分别位于东坪鼻隆和尖北斜坡，这些隆起是喜马拉雅期构造运动形成的大型盆源鼻状古隆起，导致部分基岩位于构造高点接受风化并形成基岩气藏［15，36，54］。东坪和尖北气田是典型特殊储层基岩气藏，烃类气体来自于侏罗系煤系烃源岩，并储集于古近系下伏基底结晶岩系的岩浆岩或变质岩中［60-62］。基岩为多期花岗岩和古生界变质岩组成的复合基底，富含放射性 U、Th元素，且储集空间类型多样，包括溶蚀孔、基质微孔、裂缝及缝内扩溶孔等，整体发育在古地貌的高点，可以为富氦天然气提供良好的储集空间［15，62］。而在其基岩储集层之上的古近系路乐河组底部发育一套区域性含膏盐岩盖层，岩性主要为膏质泥岩、含膏泥岩等，排驱压力高，对下伏基岩储层具有良好的封盖作用［60，63-64］。
东坪、尖北气田的平均He含量分别为0.11%、0.197 5%，R/Ra值介于0.003~0.059之间，平均为0.022，属于壳源氦。东坪和尖北气田位于柴达木板块边缘，经历了多期构造活动，有大面积的酸性岩体侵入（图4），东坪气田基岩主要由加里东期和印支期的变质岩及侵入岩体组成，侵入岩体主要包括闪长岩体、花岗岩体等；尖北气田基底主要为元古代变质岩基底上形成的花岗岩、花岗闪长岩和石英闪长岩。研究证明东坪及尖北气田广泛发育和分布的花岗岩、花岗片麻岩及其风化壳，富含U、Th等放射性元素且时代较早。以东坪花岗岩为例，U、Th平均含量分别为2.87×10-6、20.12×10-6，高于地壳平均含量，能够作为氦源岩通过放射性衰变提供良好气源保障［15，54］。柴北缘东坪—尖北地区基底花岗岩等生成的氦气离开封闭矿物后，一部分进入基岩裂隙裂缝系统、一部分沿着基岩断裂向上运移，随着后续烃类天然气不断生成，氦气与天然气一起沿断裂及古近系底部的不整合向高部位运移并在烃类气中不断富集，最后在东坪鼻隆和尖北斜坡构造高部位富集形成东坪、尖北富氦气田。
图4 东坪气田气藏剖面氦气含量分布特征（底图据文献［15］，有修改）

Fig.4 Characteristics of helium content distribution in gas reservoir profile of Dongping Gas Field（the base map is based on Ref.［15］， modified）

3.3　鄂尔多斯盆地东胜气田

鄂尔多斯盆地是华北板块西部克拉通型基底之上发育的大型含油气盆地，晚古生代发育大范围煤系烃源岩和大面积致密砂岩，致密砂岩几乎遍布全盆地，为我国最大的超大型致密砂岩大气区［65-66］。东胜气田位于鄂尔多斯盆地北部杭锦旗区块，上古生界烃源岩分布范围广，埋藏深度变化大，石炭系—二叠系煤系烃源岩生成的天然气在生烃增压和扩散作用下，在致密砂岩中进行较为缓慢的二次运移和聚集，形成致密砂岩气藏，当前探明天然气储量为1 474×108 m3［67］。
东胜气田天然气中氦气探明储量约为1.96×108 m3，氦气含量主要分布大0.045%~0.487%之间，平均值为0.12%，氦气储量规模大，是特大型致密砂岩富氦气藏［53，68］。东胜气田上古生界天然气中3He/4He值分布范围为（1.83~6.25）×10-8，R/Ra值分布范围为0.02~0.06，伴生氦气属于典型的壳源成因氦。氦源岩为基底富含U、Th元素的太古界—元古界变质岩—花岗岩系（图5）。U含量介于（5.16~25.7）×10-6之间，Th含量介于（24~47.5）×10-6之间，在漫长的地质历史时期中源源不断地释放出充足的壳源氦，满足形成富氦天然气藏的基本氦源条件［69］。另外，天然气中氦的运移和聚集受控于区域构造断裂活动，沟通基底氦源岩与储层的三眼井断裂、乌兰吉林庙断裂和泊尔江海子断裂为氦气沿断裂向上运移进入上覆致密砂岩储层提供了高效运移通道［53］。上石盒子组和石千峰组泥岩体系（包含夹层粉砂岩）是上古生界致密气及伴生氦气的区域性盖层，局部的煤层和泥岩则对气藏起到直接盖层作用［67］。其中上石盒子组和石千峰组厚度为130~160 m，发育大套内陆干旱湖相泥质岩，主要为粉砂质泥岩、泥岩，泥质岩中的黏土矿物以高岭石和伊利石为主，其封阻能力较强［53］。广泛存在的巨厚石炭—二叠系煤系泥岩作为良好盖层，使氦气可以有效保存。
图5 鄂尔多斯盆地基底结构及时代与富氦气田叠合图（底图据文献［72］，有修改）

Fig.5 Superposition of the basement structure and age of the Ordos Basin with helium-rich gas fields（the base map is based on Ref.［72］， modified）

3.4　四川盆地威远气田

威远气田是中国储层最老和气源最老的气田，位于四川盆地内乐山—龙女寺古隆起带上，威远气田震旦系储层He平均含量为0.18%，R/Ra平均值约为0.03，为典型壳源成因。威远构造带震旦系下方发育富含铀、钍元素的古老花岗岩体（741 Ma），铀、钍元素平均含量分别为7.19×10-6和32.7×10-6［44］，为威远富氦气田的形成提供充足的氦气来源。此外，作为烃源岩和储层的寒武系筇竹寺组页岩，不仅有机碳含量高达2%，而且具有丰富的放射性元素，其中U含量为（10~62）×10-6，Th含量为5×10-6［17，70］，明显高于地壳平均值，表明寒武系筇竹寺组页岩既是有效的烃源岩，也是潜在的氦源岩。
威远地区的构造演化对富氦气藏的形成起到了重要的控制作用。威远气田基底古老花岗岩中U和Th元素经过漫长地质时期累计生成的氦溶解于古老地层水中，随着喜马拉雅期构造运动使地层大幅度抬升4 000 m，形成沟通深部地层水与上覆气藏的深大断裂，为溶解氦气的深部地层水沿断裂向上运移提供了动力和通道（图6），在构造高点发生脱溶，并在背斜圈闭中聚集形成富氦天然气藏。
图6 四川盆地威远气田氦气富集成藏模式

Fig.6 Diagram of helium accumulation model in Weiyuan Gas Field， Sichuan Basin

3.5　苏北盆地黄桥气田

苏北盆地是中国东部的一个重要小型含油气盆地，在盆地内发现了丰富的天然CO2气藏，特别是在江苏泰州黄桥地区发现中国探明储量最大的CO2气田，大约为200×108 m3［71］。黄桥气田分为下层和上层2套多层系的气藏，下层气藏为背斜裂缝型CO2气藏，CO2含量为65.0%~99.8%，含有少量N2以及甲烷等气体；上层气藏为发育于新近系下盐城组中段砂岩的N2气藏，N2含量为 43.6%~65.0%，气态烃含量为26.7%~46.9%，并伴生少量原油及CO2 ［52］。此外，上层气藏中发现了高品位的氦气资源，He含量多分布在0.2%~1.3%之间，He资源量为12.77×104 m3［48］。
黄桥浅层富氦气藏R/Ra值约为2.64~4.57，幔源氦比例多介于32%~55%之间，气藏中的氦气为壳幔混合来源，其中幔源氦主要来自于地壳深处或者地幔，壳源氦来自于基底花岗岩U和Th的放射性衰变，并通过沟通地幔的深大断裂从地下深处运移至浅层，聚集形成以非烃气为主的富氦气藏。

3.6　渭河盆地水溶气

渭河盆地位于陕北地块与秦岭造山带的衔接部位，属新生代断陷盆地。该盆地内地热水伴生气中氦气资源十分丰富，水溶气中氦气含量为0.19%~9.23%，平均含量为1.5%。3He/4He值分布在（3.61~78.0）×10-8之间，R/Ra值分布在0.016~0.068之间，表明水溶气中的氦气属于典型的壳源成因氦［41］。渭河盆地基底和周缘发育大量元古代、燕山期和印支期的花岗岩，含有丰富的铀、钍元素，U含量介于（1.9~11.8）×10-6之间，Th含量介于（10.6~27.5）×10-6之间，是盆地壳源氦的主力氦源岩［73-74］。此外，蓝田地区还发现了铀矿［41］。放射性衰变产生的4He溶解到地下水中，经过长时间的积累，富氦地下水随着断裂构造带不断运移，在含水砂岩储层的构造或岩性等圈闭形成富氦水溶气藏。

4 中国氦气富集成藏主控因素及成藏模式

综合分析了国内6个典型富氦气田（藏）的气藏特征及成藏条件，氦气的生成、运移、富集、保存与常规天然气藏既有一些共性也有其独特之处。氦气生成量少且缓慢，但扩散性强，导致其在地层中无法独立成藏，常以微量组分形式与天然气伴生，但其成因及成藏机制却与烃类气体存在本质差别。基于上述氦气形成机理与来源、典型富氦气藏的系统分析总结，提出了富氦气藏富集成藏4个主控因素，建立了4种不同类型氦气成藏模式。

4.1　氦气富集成藏主控因素

4.1.1　充足的氦源岩

氦源岩是富氦天然气藏形成的物质基础和前提条件。目前已发现的大部分富氦气田（藏）的氦源岩均与基底岩石有关，基底岩石的类型、展布规模、时代、U和Th含量、深度、距离天然气藏的远近等控制了富氦气田（藏）的规模大小和含量高低。一般来说，氦源岩展布规模越大、时代越老、U和Th含量高、埋藏较浅、距离天然气藏距离越近，可以为富氦天然气藏提供大量的氦源，并有利于氦气的运移和富集［15］。研究表明（表4），发育于盆地基底或周缘的富含铀钍基底花岗岩、花岗岩侵入体是富氦气藏的主要氦源岩，四川盆地威远气田、鄂尔多斯盆地东胜气田、塔里木盆地和田河气田、柴达木盆地北缘地区东坪、尖北气田等下部均发育巨大的基底花岗岩体。
表4 典型富氦气田（藏）氦源特征

Table 4 Characterization of helium source rocks in typical helium-rich gas fields

气田（藏）名称 层位 氦含量/% 氦源条件 氦源类型 源岩时代 气藏深度/m 展布规模
潘汉德—胡果顿 二叠系狼营组碳酸盐岩 0.49 前寒武纪—中元古代花岗岩 花岗岩 前寒武纪—中元古代 750~900 非常大
哈西鲁迈勒 三叠系下部哈西努迈勒砂岩 0.19 太古界—新元古界花岗岩及变质岩 花岗岩及变质岩 太古代—新元古代 1 500~2 000 较大
东西伯利亚盆地恰扬达等 里菲系、文德系 0.15~0.6 元古代花岗岩 花岗岩 元古代 1 400~1 800 非常大
四川盆地威远（震旦系） 震旦系碳酸盐岩 0.2 前震旦纪基底花岗岩 花岗岩 前震旦纪 2 200~2 500 小
塔里木和田河 奥陶系碳酸盐岩 0.31 新元古代花岗岩 花岗岩 新元古代 1 546~2 272 较大
塔里木阿克 石炭系砂岩 0.13 古元古代花岗岩 花岗岩 古元古代 900~1 130 小
鄂尔多斯庆阳 二叠系致密砂岩 0.108 太古代花岗岩片麻岩 花岗岩片麻岩 太古代 4 100~4 390 较大
鄂尔多斯黄龙 奥陶系白云岩 0.15 太古代花岗岩片麻岩 花岗岩片麻岩 太古代 2 167 小
鄂尔多斯东胜 二叠系致密砂岩 0.12 太古代花岗岩片麻岩 花岗岩片麻岩 太古代 3 250 较大
柴达木盆地尖北 基岩、古近系—新近系 0.11 元古代和古生代花岗岩和变质岩基底 花岗岩或片麻岩 元古代和古生代

4 637~

4 647［14］

 小
柴达木盆地东坪 基岩、古近系—新近系 0.197 5 元古代和古生代花岗岩和变质岩基底 花岗岩或片麻岩 元古代和古生代 869~4 645 小
威远筇竹寺组页岩气 寒武系页岩 0.132 前震旦纪基底花岗岩、筇竹寺组页岩 花岗岩或页岩 前震旦纪、寒武纪 1 700~2 450 小
苏北盆地黄桥 新近系下盐城组中段砂岩 0.2~1.34 前震旦纪基底花岗岩、幔源 花岗岩、幔源 前震旦纪

371~378

1 800~2 300

 较小
渭河盆地水溶气 上新统蓝田—灞河组和中新统高陵群砂岩 0.19~9.23 太古宇、元古宇花岗岩片麻岩 花岗岩、片麻岩 太古代、元古代 大
除了古老富U、Th基底花岗岩，泥页岩也含有一定量的铀、钍元素（表5），尤其是富有机质页岩，吸附了大量的铀元素，具有最大的生氦速率潜力［14，21］。威远气田中下寒武统筇竹寺组富有机质页岩的铀含量达到（13.7~47.7）×10-6，而花岗岩体的铀含量为（2.55~16.94）×10-6，明显低于页岩的铀含量［20］。如四川盆地川南威远地区寒武系筇竹寺组W201-H3井页岩气氦含量达到0.13%。因此，除了本地区古老基底花岗岩外，富U、Th的筇竹寺组泥页岩可能也有重要贡献。但考虑到烃源岩产生的氦气会被烃源岩产生的烃类气体稀释，因而仅以沉积岩层作为单独的氦源岩形成富氦天然气藏所需的条件可能会比较苛刻。
表5 中国主要富氦气藏的3类主力有效氦源岩

Table 5 Three main types of effective helium source rocks in major helium-rich reservoirs in China

氦源岩类型 时代 分布地区 U、Th含量/10-6 已发现气藏或代表井
古老富U、Th花岗岩基底

古元古代哥伦比亚超大陆

新元古代花岗岩基底

 塔里木中央古隆起、塔北古隆起、鄂尔多斯基底四川盆地威远地区

U：2.9~9.0

Th：70.7~102

 和田河、阿克、东胜、庆阳、威远

富U、Th

黑色页岩

早寒武世

早志留世

三叠纪

四川、塔里木

四川

鄂尔多斯

U：10~120

Th：3.8~25.9

轮探1井

威201井

铝土岩 二叠纪 鄂尔多斯陇东地区

U：7.8~22.3

Th：35.4~136

宁古-14井

宁古-13井

铝土岩是一种由铝氢氧化物和氧化物组成的沉积岩类，近年来在鄂尔多斯盆地东缘石西探区和晋中盆地的浅埋天然气藏中发现了良好的 He 显示［53］。作为潜在的氦源岩，铝土岩具有丰富的 U、Th 含量（表5），但其松散的孔隙结构、较小规模的体量（厚度约为5~20 m）以及烃类气体对游离He的稀释作用，限制了富氦天然气藏的形成［21］。

4.1.2　适当的圈闭条件

氦气自氦源岩中释放后，会随地下水、烃类气、非烃类气等载体气二次运移进入有利储层富集，从而与天然气形成伴生关系。因此，天然气成藏所需要的圈闭条件也是氦气成藏所必需的，因此早期形成的大型稳定古隆起、古潜山等构造高点成为控制富氦气藏形成的另一关键主控因素，为氦气与烃类气等持续运聚提供有利储集空间，控制富氦气田（藏）的富集规模。目前已经投入开发的富氦气田（藏）均位于盆地古老克拉通地台内部或边缘的隆起带之上。例如威远气田位于乐山—龙女寺古隆起带之上，和田河气田位于塔里木盆地中央古隆起巴楚隆起带之上。

4.1.3　良好的封盖条件

良好的封盖层条件是天然气富集成藏的重要条件，但能封闭住天然气的盖层却不一定能有效地封闭氦气。这是因为氦气分子半径很小，仅为 0.26 nm（甲烷半径为0.42 nm），具有强扩散性和穿透能力，容易发生逸散，导致氦气富集成藏较烃类气对保存条件要求更加苛刻［75-76］。因此，良好的封盖保存条件是富氦气藏保存的关键。目前发现的国内外大型或特大型富氦气田（藏）均具有巨厚的致密膏盐层、盐岩层、页岩层作为封盖层（表6），封闭性较好的致密岩层有利于阻止富氦天然气持续向上扩散散失，为形成大型富氦气田提供了良好封盖条件。盖层的毛细管阻力或“水锁效应”会影响含氦天然气的有效封盖［44］。通常无机矿物孔隙喉道优先被水膜覆盖，有机质孔隙喉道优先被甲烷分子吸附，因此，盖层孔隙中的气和水可能对盖层孔隙尺寸有一定影响，这还需要进一步地深入研究［44， 64］。此外，当盖层孔隙水的盐度较高时，He亨利系数显著增高，即溶解度急剧下降，不利于以溶解态扩散［75］。
表6 主要富氦气田（藏）盖层厚度

Table 6 Thickness of cover in major helium-rich reservoirs

富氦气田（藏）名称 盖层 盖层厚度/m
美国潘汉德—胡果顿 中二叠统蒸发岩 1 500
阿尔及利亚哈西鲁迈勒 三叠系蒸发岩 350
俄罗斯东西伯利亚恰扬达等 文德系盐岩 400
威远 寒武系页岩 400
和田河 石炭系泥岩 400
庆阳 石炭系、二叠系煤系岩层 390
黄龙 100
东胜 400
东坪 古近系—新近系泥岩 200
尖北 100
黄桥 新近系泥质岩 50

4.1.4　有效的运移通道

沟通基底的富铀、钍花岗岩氦源与储层的断裂、裂缝及风化壳面不仅促进基底岩石中氦气的大规模释放，也是形成的氦气与烃源岩生成的天然气向上运移、富集成藏的重要通道。构造活动导致的深大断裂既可以作为壳源氦向上运移的通道，还可以作为沟通幔源氦的通道，为富氦气藏成藏提供良好的疏导条件。国外的潘汉德—胡果顿，国内的威远、东坪等富氦气田均有深大断裂沟通基底与储层（图5，图7），为氦气向上运移提供了良好的通道。此外，我国东部的郯庐断裂带是一条切割厚度达30~40 km、全长可达2 400 km的深大断裂带，切割深度可达莫霍界面，为幔源氦输入、壳源氦运移提供了通道，松辽盆地、渤海湾盆地和苏北盆地的高含氦气田（藏）均分布在郯庐断裂带两侧［48，77-78］。和田河气田在喜马拉雅构造活动期形成两条延伸长度达90 km的大断裂，既为基底岩石中氦气提供了释放条件，也为烃类气体和富氦流体提供了有效的垂向运移通道［58］。
图7 氦气从源岩释放的初次运移与储层中二次运移模式（据文献［10］）

Fig.7 Patterns of primary versus secondary transport in reservoirs for helium release from source rocks（according to Ref.［10］）

4.2　氦气富集成藏机制

铀、钍半衰期非常漫长，生氦强度弱且易扩散，游离态氦气流难以规模成藏，一般与天然气伴生成藏。氦气初次运移主要以扩散等方式从母源矿物中释放进入孔隙水，二次运移早期阶段以水溶态形式随地层水运动。一方面当含氦流体遇到烃类气、非烃类气等运载气会导致氦气分压的显著降低，将氦气从溶解态“置换”出来；另一方面当构造运动引起的地层压力的降低有利于氦气的脱溶，随着深度的降低，氦气的溶解度迅速减小，两者均导致氦气在水中的溶解度显著下降而脱溶进入气相运移并不断富集，最终在合适圈闭中聚集成藏（图7）。因此，氦气的大规模运移依靠地下水和含气层作为载体。本文根据氦气运移载体的差异，提出4种富氦天然气成藏模式：富氦常规气成藏模式、富氦页岩气成藏模式、富氦非烃气成藏模式和富氦水溶气成藏模式。

4.2.1　富氦常规气成藏模式

深部基底花岗岩和古老烃源岩中U、Th元素在漫长的地质历史时间内持续生成氦气，并溶解于地层水中。强烈的构造运动使地层大幅度抬升，同时产生沟通基底与储层断裂的深大断裂，为溶解氦气的深部地层水向上运移提供了通道。溶解在深层地下水中的天然气、氦气以及深部流体中的氦气因压力和温度降低发生脱溶，在常规碳酸盐岩、碎屑岩等古构造圈闭中与天然气形成富氦天然气。而有利继承性古圈闭和巨厚区域性蒸发岩或泥岩盖层则为富氦天然气藏提供良好的形成和保存条件。这种氦气富集模式的气田有潘汉德—胡果顿、威远、和田河等气田。

4.2.2　富氦页岩气成藏模式

富有机质页岩不仅是烃源岩，还含有丰富的U和Th元素。在有机质的热演化生烃过程，页岩可以同时自生自储烃类和氦气，并累积于页岩层系［79-80］。因此，富U、Th的古老页岩可以作为一种重要的有效氦源。此外，古老页岩层系下覆古老基底花岗岩是不可忽略的有效氦源，也是当前公认的一种最重要的主力氦源岩，为页岩气的氦气富集提供了充足的氦源。古老基底花岗岩中U、Th元素经过漫长地质时期累计生成的氦溶解于古老地层水中，地层水通过断裂运移至页岩气藏，页岩气交换出水中溶解的氦，使页岩气藏中氦气进一步富集。富氦页岩气成藏的显著特征存在富U、Th古老页岩、古老基底花岗岩双氦源供氦模式，使得深层古老页岩领域富氦天然气勘探前景广阔，大大拓展富氦天然气勘探领域。典型富氦页岩气藏如威远气田筇竹寺组页岩气藏、中扬子宜昌宜页1井页岩气藏等。

4.2.3　富氦非烃气藏成藏模式

富氦非烃气藏存在2种：一种是以二氧化碳为主的气藏，含有少量氮气和烃类气体，气藏中幔源氦的比例超过50%；另一种是以氮气为主的气藏，含少量烃类和二氧化碳，气藏中幔源氦的比例往往小于50%，多以壳源氦为主。
富氦非烃气藏的形成与岩浆活动、通幔深大断裂密切相关，岩浆活动产生的脱气作用带来了幔源氦气以及无机成因气，沿着由构造作用产生的通幔深大断裂向上不断运移和散失。同时在岩浆活动的作用下，更多的壳源氦从矿物中释放出来，与烃源岩产生的天然气也一起沿着断裂进行运移。最终，不同来源的氦气与天然气在浅部有利圈闭形成富氦非烃气藏，如松辽盆地万金塔气藏、苏北盆地黄桥浅层富氦气藏等。

4.2.4　富氦水溶气（温泉气）藏成藏模式

在地层水或温泉水资源丰富的盆地内，富含U、Th的古老基底花岗岩体源源不断地通过放射性衰变产生4He，溶解到孔隙水中并不断地累积形成富氦地下水。富氦地下水会沿着沟通盆地基底深部与浅层的断裂不断运移，在局部小型含水构造圈闭内形成水溶氦资源，如渭河盆地地热水溶气藏。

5 中国氦气勘探开发前景

以前仅关注氦气在油气成因与来源地球化学方面示踪指示作用，而对于氦气资源总体关注度不够，使得我国专门针对氦资源的普查、潜力评价和勘探工作十分欠缺。近年来，随着国内氦气资源勘查评价与开发利用力度加大，特别是“十二五”以来持续围绕我国主要含气盆地深入开展了氦气资源普查与评价研究［81］，我国氦气资源潜力评价取得了积极的进展和丰硕的成果。通过研究发现，我国氦气资源总体具有一定的规模、但以中低丰度为主，具有相对较好的勘探开发和提氦前景，这大大提高了我国氦气资源及勘探开发前景认识程度。本文在分析我国富氦气藏成藏主控因素和成藏规律的基础上，进一步预测了我国主要含气盆地富氦有利区，提出塔里木盆地塔西南巴楚隆起，塔中、塔北、塔东古隆起，鄂尔多斯盆地北部伊盟古陆和南部庆阳古陆等前寒武基底花岗岩，四川盆地前震旦系基底花岗岩，柴达木盆地三大山前带基岩分布区等区域为富氦天然气分布有利区，为未来勘探发现新的富氦气田（藏）提供了有利方向和目标。
尽管目前我国的氦气资源勘查评价研究工作取得了一系列进展，但国内氦气资源品位总体相对较差，氦气含量为0.01%~0.1%的中低丰度氦资源是主体（约占89%）。氦气含量>0.3%富氦气田很少，只有和田河气田，其氦气的年产量只能达到90×104 m3；0.1%~0.3%的富氦气田虽然不少，但总储量较少，年产量也少，其氦气的年产量只能达到约500×104 m3。因此，加强中低丰度氦资源综合开发利用是未来提高国内氦气产量的重要方式，包括天然气中重烃+氦气的综合利用、天然气中CO2+氦气+CCUS的综合利用、LNG生产中BOG进行提氦、水溶气中地热水+烃类气+氦气的综合利用等。鄂尔多斯盆地天然气资源丰富，2022年长庆油田天然气产量达507×108 m3，全面建成国内首个年产量超过500×108 m3大气区，占全国天然气产量近1/4。上古生界气中重烃含量高，可用于综合利用的天然气储量高达4×1012 m3，2022年产量达400×108 m3以上，虽然天然气中氦气含量相对偏低（约为0.03%~0.05%），但由于天然气产量高，可提氦量比较大，具有实现年产氦气1 500×104 m3的提氦潜力。四川盆地须家河组、沙溪庙组的致密砂岩气重烃含量也比较高，也可以通过天然气综合利用进行提氦。截至2022年度须家河组和沙溪庙组探明储量超过6 000×108 m3。预计天然气年产量可达50×108 m3，按氦气含量0.06%计算，可建成年产（200~300）×104 m3的氦气产能。此外，四川盆地川南地区威远、长宁、太阳、泸州等地区已探明发现的五峰—龙马溪组页岩气超过1.7×1012 m3，氦气平均含量总体在0.02%~0.03%之间，氦气资源潜力约为4.2×108 m3，目前天然气产量超过130×108 m3，也可建成年产（100~300）×104 m3的氦气产能。另外，我国煤层气的资源也很丰富，在进行LNG生产过程中亦可以生产氦气。
总体而言，氦气是一种稀缺资源，我国氦气资源具有一定规模，但总体以中低丰度为主，具有相对较好的勘探开发和提氦前景，需寻找富氦气田特别是真正意义上的氦气藏，积极研发中低丰度、低成本提氦关键技术，加强中低丰度氦气资源的综合开发利用，提高我国氦气的产量以满足国家需求。

6 结论

（1）近期中国氦气勘查研究共评价出和田河、阿克、罗斯2、古城、尖北、东坪、马北、庆阳、东胜、黄龙、正宁、太平庄等氦含量大于0.1%的富氦气田（藏）18个，为开展氦气资源开发利用提供了资源保障和技术支持；氦气在我国天然气藏广泛存在，但气藏中氦气含量差异较大，总体以中低丰度为主；主要分布在鄂尔多斯、塔里木、四川、柴达木、松辽等盆地，其中中西部盆地是中国氦气资源的主要富集区，氦气资源潜力相对较大。
（2）中国的氦气成因来源类型和分布具有明显的区域规律性，东部盆地混有较多的幔源氦，为壳—幔混合成因，中部盆地为典型壳源氦成因，西部盆地则以壳源成因为主，混入少量的幔源氦。
（3）综合分析了国内6个典型富氦气田的气藏特征及成藏条件，提出了相对浅埋深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、沟通基底和储层的通道是富氦气藏富集成藏的4个主控因素，建立了富氦常规气、富氦页岩气、富氦非烃气和富氦水溶气等4种成藏模式。
（4）中国氦气资源具有一定规模，但总体以中低丰度为主，具有相对较好的勘探开发和提氦前景，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国内氦气产量的重要方式。

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