氦氣是重要的稀有戰(zhàn)略資源，主要來自天然氣，其中，富氦天然氣是目前提氦最主要的原料氣。氦氣富集和天然氣成藏有很大區(qū)別，對于氦氣富集模式方面的研究，國內(nèi)外開展得都較少，對氦氣的富集模式認(rèn)識比較局限。中國含油氣盆地類型較多，不同類型盆地形成的富氦氣藏地質(zhì)背景不同，氦氣富集模式多樣，根據(jù)多年研究，可劃分出兩大類共6種富集模式。

(相關(guān)資料圖)

模式劃分依據(jù)

氦氣在正常的天然氣成藏系統(tǒng)中聚集，很難形成富氦氣藏，烴源巖和儲集層中U和Th生成的氦氣被天然氣捕獲并稀釋后只能形成低氦氣藏。富氦氣藏的形成必須有其他氦源作更多的補充，稱之為主力氦源。富氦氣藏的形成需要經(jīng)過“多源聚氦，主源富氦”的過程，主力氦源可以是古老基底，也可以是來自地幔流體中的幔源氦。根據(jù)氦氣來源，可把氦氣富集分為兩大類，即殼源氦富集和殼?；旌虾じ患?，兩類氦氣富集可劃分出6種富集模式。

殼源氦富集

古老地層水上移釋氦富集模式

烴源巖沉積后，其含有的U和Th持續(xù)緩慢生氦。烴源巖埋深加大、溫度升高，進(jìn)入生烴門限開始生烴、排烴。烴源巖中的礦物也陸續(xù)達(dá)到破裂溫度釋放氦氣，氦氣隨油氣一起運移到儲集層，溫度如果進(jìn)一步升高，原油和干酪根可裂解成氣。此時氣藏中捕獲了來自烴源巖和儲集層U和Th衰變產(chǎn)生的氦氣，形成低氦氣藏。深部基底巖石礦物中的U和Th經(jīng)過更長時間的衰變產(chǎn)生的氦隨溫度升高突破各種礦物對氦的封閉溫度釋放出氦，釋放出的氦溶解于水中保存下來?；讕r石地質(zhì)年代一般較老，生氦時間較長，累計生成的氦氣較多，地層水中溶解的氦氣則較多。隨喜馬拉雅期構(gòu)造運動使地層抬升，同時產(chǎn)生溝通深部地層水與上覆氣藏的深大斷裂，在構(gòu)造運動的驅(qū)使下，溶解氦氣的深部地層水沿斷裂向上運移，隨溫度和壓力的降低，沿途可能釋放出部分游離態(tài)氦氣。氦氣繼續(xù)向上運移到氣藏中，其余的氦氣隨地層水與氣藏底、邊水混合，與氣藏發(fā)生氣體交換反應(yīng)，在亨利定律作用下，水中的氦氣幾乎可以全部釋放到氣藏中，氣藏中的其他氣體一部分會進(jìn)入到水中（圖1）。這種氦氣富集模式的氣田有四川盆地威遠(yuǎn)氣田、塔里木盆地和田河氣田、鄂爾多斯盆地杭錦旗氣田等。

天然氣沿古老儲集層運移富氦模式

當(dāng)天然氣沿儲集層橫向運移時，可以捕獲沿途地層水中溶解的氦氣（圖2）。地層水中溶解的氦氣多少取決于儲集層年齡和U、Th含量，年齡越老，U和Th含量越高，生成的氦氣就越多。因此，這種富集模式一般發(fā)生在古老儲集層中，要求天然氣沿古老儲集層進(jìn)行運移，儲集層越老，富氦效果越明顯，同時也說明為何氦氣往往富集在構(gòu)造高部位，除了深部地層水會向構(gòu)造高部位運移釋放出氦氣，游離氣沿儲集層向上傾方向運移，氦氣含量會出現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

柴達(dá)木盆地東坪氣田氦氣富集屬該種模式，氣田位于阿爾金山前東段，是喜山期構(gòu)造運動作用下發(fā)育的大型盆緣鼻狀古隆起。東坪氣藏屬基巖型氣藏，天然氣主要儲集于古近系下伏基底結(jié)晶巖系的巖漿巖或變質(zhì)巖中?；鶐r為多期花崗巖和古生界變質(zhì)巖組成的復(fù)合基底，年齡在4億年以上?；鶐r不具生烴能力，但有較高的U、Th含量，生成氦氣離開封閉礦物后進(jìn)入基巖裂隙水中，天然氣自東南向西北進(jìn)入基巖儲集層，捕獲水中的氦氣。

富氦頁巖氣（煤層氣）藏氦氣富集模式

頁巖氣藏因烴源巖生氣量很大，對氦氣有強烈的稀釋作用，頁巖氣中很難發(fā)現(xiàn)富氦氣藏，例如四川盆地焦石壩、昭通和威遠(yuǎn)志留系龍馬溪組頁巖氣，氦氣平均含量僅0.03%左右。富有機質(zhì)頁巖在熱演化過程中生成的天然氣一部分運移到上覆圈閉中形成貧氦天然氣藏，另一部分保留在頁巖形成貧氦頁巖氣藏。但如果是古老頁巖氣藏，氣藏下面或附近可能發(fā)育其他古老巖層，比如古老花崗巖，就有可能形成富氦的頁巖氣藏（圖3）。古老巖石中U和Th經(jīng)過漫長地質(zhì)時期累計生成的氦溶解于古老地層水中，地層水通過斷裂運移與頁巖氣發(fā)生氣體交換，可以使頁巖氣富氦。這樣的例子在寒武系頁巖氣中可以見到。

雖然威遠(yuǎn)地區(qū)龍馬溪組頁巖氣藏氦氣含量較低，但在寒武系頁巖氣中卻發(fā)現(xiàn)了高氦含量的頁巖氣藏，W201-H3鉆遇的寒武系頁巖氣，氦氣含量為0.13%，達(dá)到富氦氣藏標(biāo)準(zhǔn)；另外，W201-H1井頁巖氣井通過4個不同時間的取樣測試，氦氣含量為0.1200%～0.1286%，平均0.1236%。不僅是四川盆地，其他地區(qū)寒武系頁巖氣也可以形成富氦氣藏，例如宜昌地區(qū)針對下寒武統(tǒng)頁巖鉆探的宜頁1井經(jīng)壓裂后獲高產(chǎn)氣流，在壓裂段采集的9個天然氣樣品，氦氣平均含量為0.16%，該井位于黃陵花崗巖附近，主氦源應(yīng)該是花崗巖體中的水溶氦。

殼?；旌细缓獠睾飧患Ｊ?/strong>

目前發(fā)現(xiàn)的殼?；旌细缓獠胤植荚跂|部含油氣盆地，這些盆地是在陸殼內(nèi)部基底上發(fā)育起來的拉張型中新生代斷陷－坳陷型含油氣盆地。新生代以來，由于太平洋板塊向歐亞板塊的俯沖，使中國陸殼沿北北東方向產(chǎn)生地殼破裂帶，上地幔沿著地殼減薄和地裂帶隆升，局部地幔隆起區(qū)巖石圈減薄，上層地殼處于引張應(yīng)力作用下，使原來古生界的基底塊斷破裂，形成一系列斷陷盆地，并演化為大型坳陷盆地，包括幔源氦在內(nèi)的地幔流體不可避免地或多或少參與到油氣成藏過程中，在一些氣藏中形成殼?；旌铣梢虻母缓獠亍８鶕?jù)氦氣富集具體特點，東部含油氣盆地氦氣的富集又可分為3種模式。

以烴類為主殼幔混合氦氣富集模式

烴源巖在正常演化過程中生成的天然氣，攜帶烴源巖中U和Th經(jīng)放射性衰變形成的氦氣運移到儲集層，沿途可能會捕獲運移路徑上的少量氦氣，最終把儲集層溶解于水中的氦氣捕獲，這個過程只能形成貧氦氣藏。構(gòu)造活動產(chǎn)生了溝通上地幔的深大斷裂，同時也在地殼中產(chǎn)生一系列斷裂，斷裂把基底中溶解在水中的氦氣和幔源氦氣帶入氣藏，使氣藏富氦。這類氣藏中的氦氣幔源成分不高，主力氦源是基底巖石中溶解在水中的氦氣（圖4）。

松遼盆地雙城-太平川地區(qū)五站和太平莊氣田中的氦氣屬于這類富集模式，氣田以烷烴氣為主，來自高-過成熟煤系烴源巖，氦氣含量平均0.14%，幔源氦占比僅為2.2%～6.0%。如果把幔源氦的成分扣除，僅殼源氦也可達(dá)富氦氣藏標(biāo)準(zhǔn)，主力氦源為基巖中的水溶氦。

以二氧化碳?xì)鉃橹鳉め；旌虾飧患Ｊ?/em>

這類氣藏以二氧化碳為主，含有少量氮氣和烴類氣體，氣藏中幔源氦的比例超過50%。二氧化碳為無機成因，與巖漿活動有關(guān)，巖漿活動把深部流體帶入氣藏，同時形成的斷裂把基底和其他巖層中的殼源氦氣釋放出來，一起帶入氣藏，這類氣藏主力氦源來自地幔（圖5）。例如三水盆地，形成于北西－南東向擠壓背景，沿北西向張性斷裂發(fā)育的斷陷盆地，沉積了巨厚的第三系，火山活動頻繁、強烈，巖漿巖夾雜于沉積巖之中，屬于深源巖漿。盆地中隸屬于寶月氣田的水深22、水深44等氣藏，以二氧化碳為主，氦氣主要來自地幔流體，少部分來自殼源氦；二氧化碳主要為巖漿－幔源成因，也不排除部分二氧化碳來自被巖漿烘烤的碳酸鹽巖，或熱液與碳酸鹽巖接觸產(chǎn)生的二氧化碳，也可能來自酸性地層水溶解碳酸鹽巖生成二氧化碳。松遼盆地萬金塔二氧化碳?xì)馓镏泻饨咏缓獠?，氦氣富集模式與此相似，為殼?；旌闲停葬Ｔ春鉃橹鳎瑲獠氐男纬膳c萬金塔構(gòu)造緊鄰郯廬大斷裂有關(guān)，也可能是萬金塔氣田正好坐落在古火山口上。

以氮氣為主的殼?；旌虾飧患Ｊ?/em>

氣藏以氮氣為主，含少量烴類和二氧化碳?xì)怏w。氦氣中幔源氦的比例往往小于50%，多以殼源氦為主。氦氣主要主要由深部地殼U和Th的放射性衰變，氮氣主要由地殼深部含氮化合物經(jīng)過高溫裂解生成，高溫來自巖漿烘烤或熱液。在巖漿和熱液作用下，一方面，地殼中含氮化合物裂解產(chǎn)生氮氣，另一方面，溫度升高會突破氦氣在各種礦物中的封閉溫度，有利于氦從礦物中釋放，釋放出的微量氦與含氮化合物產(chǎn)生的氮氣先溶解于孔隙水中，水中溶解的氣體如果達(dá)到飽和可以形成游離氣向上運移。巖漿活動在地殼產(chǎn)生斷裂，在幔源流體上涌的同時，驅(qū)使深部地殼流體沿斷層向上運移，在適當(dāng)圈閉中形成以氮氣為主的富氦氣藏。如果區(qū)內(nèi)有多個氣藏疊加，下部氣藏中二氧化碳含量往往較高，主要是因為下部氣藏更靠近幔源流體，也可以接受水中釋放的二氧化碳（圖6）。

典型的實例有蘇北盆地黃橋氣田中的溪橋氣藏，該氣藏為富氦的氮氣藏，另外該氣田還有以烴類氣體為主和以二氧化碳為主的氣藏，二氧化碳?xì)獠匚挥诘獨獠氐南虏?。溪橋氣藏中幔源氦的比例多介?0%～50%，受巖漿活動影響，氦氣來自殼?；旌蟻碓?。幔源流體驅(qū)使深部地殼流體沿斷層向上運移，氮氣和氦氣優(yōu)先占據(jù)上部儲集空間，形成以氮氣為主的富氦氣藏，氦氣不僅有來自殼源氦氣，幔源流體中的部分揮發(fā)性氣體有少部分混入到氮氣藏中；幔源流體中的二氧化碳只能占據(jù)下部儲集空間形成二氧化碳?xì)獠?，因二氧化碳?xì)獠刂袃H存有幔源氦，未能形成富氦氣藏。

作者：秦勝飛（中國石油勘探開發(fā)研究院）