中国氦气资源及区带分类体系、控藏要素有效性与富集模式- 大数跨境

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中国氦气资源及区带分类体系、控藏要素有效性与富集模式

中科富海

2024-07-04

陶士振，陈悦，杨怡青

（中国石油勘探开发研究院，北京 100083）

DOI：10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.012

摘要基于氦气来源、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。

关键词 氦气资源；资源分类体系；控藏要素；区带层次要素；“原盆—构造—岩性—载气”组合区带；区带分类方案；富集模式

0 引言

氦的元素名来源于希腊文，原意是“太阳”。1868年法国的杨森利用分光镜观察太阳表面，发现一条新的黄色谱线，并认为是属于太阳上的某个未知元素，故名氦^［1］。氦是所有元素中最不活泼的元素，极难形成化合物，这是因为氦的原子核到电子层距离很小，并且达到了稳定结构。氦在通常情况下为无色、无味的气体，是唯一不能在标准大气压下固化的物质。液态氦在温度下降至2.18 K（-270.97 ℃）时，性质发生突变，成为一种超流体液氦，能沿容器壁向高处倒流（超流动性），热传导性为铜的800倍，并变成超导体，且其比热容、表面张力、压缩性都是反常的^［2］。

由于氦质量轻，扩散性强，岩石圈脱气后直接逸散至太空，学界曾经普遍认为，氦无法与其他元素结合，因此不可能将其锁在地球的岩石中，且氦气在地幔中的混溶性很低，所以地球的氦气供应是有限的。1962年，化学家BARTLETT^［3］在Proceedings of the Chemical Society上报道了含氙化合物的实验室首次制备，标志着惰性气体化学研究领域的开端里程碑，揭示了物质不同阶段的化学键、反应性和地球深部地球化学的研究突破^［4］。

近年来氦元素基础化学研究取得一系列突破性进展，为氦气资源成因来源及地球化学研究拓展了视角和领域。2017年，纽约州立大学石溪分校Artem R. Oganov团队与南开大学周向锋、王慧田团队报道了在压力>113 GPa下氦和钠的热力学稳定化合物，具有萤石型结构，并预测了压力>15 GPa下具有类似结构的Na₂HeO的存在^［5］，结束了氦元素无化合物的历史，标志着我国在稀有气体化学研究领域的世界领先水平。2018年，北京计算科学研究中心苗茂生团队研究证明氦具有在低至 30 GPa 的压力下与多种离子化合物反应的倾向^［6］。由于地球上的大多数矿物都含有不等数量的带正电和带负电的原子，氦倾向于在高压下插入阳离子和阴离子数量不相等的离子化合物的晶格中，表明地幔中大多数矿物可能储存了大量的氦^［6］，该研究结果也影响了关于地球深部元素构成的认识。2019年，南京大学孙健、王慧田团队证明了氦和水可以在高压和高温下形成2种以前未知的超离子状态并形成稳定的化合物，甚至可以在接近环境压力的情况下存在^［7］。超离子态是一种物质的相，可以同时表现出液体和固体的某些性质，如在超离子冰中，氢原子可以自由移动，而氧原子则固定在其亚晶格中。由于He-O相互作用比 H-O 相互作用弱，因此这些超离子态的氦原子比氢原子具有更大的扩散系数和更低的“熔点”温度。2024年，吉林大学刘寒雨团队通过理论计算研究发现多种含He/Xe的卤化铁化合物在很宽的温度范围内和低于60 GPa较低压力下均具有稳定性，该研究也为二者在原始地球上存在的条件提供新的线索，将氦和氙赋存的可能形式和范围扩大到地球的下地幔，为进一步研究地球演化和惰性元素的分配提供了理论基础^［8］。这些研究成果将为进一步开展氦气资源溯源示踪、运移聚集及成藏演化奠定新的起点和基础。

地球深部氦气脱气释放与岩石圈元素放射性衰变生成的氦在运移和聚集的微观机理上与天然气有较大差异^［9］，但氦气在进入天然气成藏系统后，其运聚和分布宏观控制因素与天然气既有差异性又有相似性^［10］。天然气的一些运移聚集、分布规律和控制因素，对于氦气也具有类似性，可适用和沿用^［10-11^］，但需要注意氦气分子及相平衡的特殊性。胡砺善^［12］1957年、张恺1986年¹、杨远聪等^［13］1993年、张子枢^［14］1995年、李贤庆等^［15］2001年先后提出水溶气及溶脱机理与勘探开发。陈荣书等^［16］1988年、郝石生等^［17］1992年提出天然气运移的水溶气相、油溶气相、游离气相等运移相态，其中水溶气相和游离气相是天然气运移的主要方式，始于烃源岩生排油气，随着温压变化水溶气相脱溶为游离气相，直至圈闭区汇聚成藏。非常规天然气（深盆气、页岩气等）气水关系具有一定特殊性。关于天然气气源问题，早有“多源供气、多阶演化、主源定型”的事实和共识，徐永昌等^［18-20^］1993年提出“多源复合、主源定型”“多阶连续、主阶定名”“多源复合，多阶连续”等地质事实和规律的总结，对天然气各种组分包括氦气、氢气等均适用。李明诚^［21］1987年提出流体势大小决定油气运聚方向，其中，相对低流体势区（低压或负压区）是油气运聚的指向区。ZHU等^［22］2000年、陈践发等^［23］2003年、王晓锋等^［24］2022年研究指出天然气中氮的多种来源及其含量与氦气的相关性。国内李玉宏等^［9］最早开展氦气资源形成机理与勘探技术方法研究，提出“弱源成藏”等理论认识。

氦气作为天然气藏的伴生组分，我国早在20世纪70年代起徐永昌等^［25-26^］、戴金星等^［27］、刘文汇等^［28］已先后撰文著书，研究了天然气中氦氩等稀有气体地球化学特征，为氦气地质地球化学研究奠定了基础，21世纪以来，李玉宏等^［9］开展了氦气成藏、富集规律及勘查评价研究。2002年BALLENTINE等^［29］研究发现氦气主要通过扩散和平流由地壳流体“携带”运移，且倾向于被圈闭在氦气通量集束、构造高部位以及有效密封的地方脱溶成藏（尤其当存在蒸发岩盖层时）。基底断层和断裂会“引导”氦气的垂向运移^［30-32^］。地下水溶氦运移及其脱溶成藏则由BALLENTINE等^［33］于2002年通过Panhandle-Hugoton油气田的Ne、Ar同位素地球化学研究证明。

氦气目前作为一种资源，其地质理论研究和勘探技术研发日益受到重视，多种学术观点并存，研讨活跃，理论频出。众所周知，“理论”是一系列完备的规律性、普适性、公理性要件构成的科学体系，氦气地质理论认识是天然气地质理论体系的组成部分，包括氦气生、运、聚、散等系统要素，其中含氦气系统的“生—运—聚”各组成部分（子系统）为氦气地质理论框架的基础和核心。氦气作为天然气中的一种伴生组分，目前作为一种资源立项和研究，氦气生运聚基本原理、形成演化机理、实验原理方法及结果表征的系统化和理论化的集成、抽象和升华后的科学规律性认识可以称之为“理论”或“理论体系”，但其生、运、聚各组成部分不宜都叫理论，如氦气的形成、运移、成藏、富集等等，除了成藏因涉及因素较多且机制复杂外，日常习惯上也叫成藏理论，其他各子系统不宜再叫“理论”，称之为“机理”较合适，如氦气的形成机理、成藏机理、富集机理等。本文试图就氦气资源及区带分类、不同类型富氦气田特征、成藏条件及地质评价的基本问题作以初步探讨，以期为揭示中国氦气成藏规律及理论框架构建抛砖引玉，共同探讨。

1 氦气资源类型划分方案与分类体系

氦元素是宇宙中含量仅次于氢的元素，占整个星系星体质量约23%。氦气广泛存在于宇宙空间，但地球氦气资源较为贫乏。在地球系统中，氦气广泛存在于各个圈层，包括从地核、地幔到地壳的气体、液体、固体、超临界流体、熔融体等各种相态中。在地球岩石圈主要赋存于天然气藏（聚集态）、弥散于各种固体岩矿（地幔岩捕掠体、岩浆岩和变质岩、沉积地层、放射性岩石矿物等），以及各种流体系统（地下水、热液流体、变质流体、流体包裹体、油田卤水、海洋、湖泊、大气圈等），但氦气主要赋存于天然气藏、地下流体及放射性岩石矿物中，目前规模经济可采氦气资源主要存在于天然气藏中。

氦气资源分类具有多种方案，可以从不同角度进行划分。本文根据氦气母质来源、氦源多样性、赋存载体类型、载体气技术经济性、载体气成因类型、载体气主要组分、氦气源储组合、原型盆地构造背景和氦气含量等9种分类方案划分为不同类型，建立不同类型氦气资源分类体系（表1），以期为后续分门别类针对性细化研究和评价奠定基础。

表1 氦气资源类型划分方案与分类体系
Table 1 Division scheme and classification system for helium resource types

上述分类方案旨在阐释氦气资源分类的多角度、多因素及体系性。在实际工作中，根据不同研究目的和需要，采用相应针对性的分类方案。如对比研究东中西部氦气资源形成与富集规律，可以根据载体气成因类型及氦气壳幔不同来源进行划分；在进行选区评价及有利富氦区带优选排队时，可以按照原型盆地构造背景来进行划分；进行资源及储量分级评价时，可按照氦气百分含量进行划分（表1）。

2 东中西部氦气聚集的大地构造背景、地球化学特征与成藏条件

中国不同地区大地构造动力学背景及富氦气藏形成条件具有较大差异（表2），氦气来源、丰度、载体气类型及氦气富集机制存在较大差异。

表2 中国东中西部氦气聚集的构造背景、地球化学特征及差异对比一览表
Table 2 Comparison of structural background, geochemical characteristics, and differences of helium accumulation between in the East and West of China

注：0.044~0.370（0.271/12） =最小值—最大值（平均值/样品数）

表2 中国东中西部氦气聚集的构造背景、地球化学特征及差异对比一览表（续）
Table 2 Comparison of structural background, geochemical characteristics, and differences of helium accumulation between in the East and West of China（continued）

注：0.044~0.370（0.271/12） =最小值—最大值（平均值/样品数）

2.1　东中西部生氦和聚氦的大地构造动力学背景

中国东部广泛分布松辽、渤海湾、苏北、东海、珠江口、三水及莺歌海等众多含油气盆地。自中生代以来，中国东部开始就一直处于（古）太平洋板块的俯冲过程之中，（古）太平洋板块的俯冲程度直接影响了中国东部的盆地演化、断裂活动、岩浆活动等地质事件。受控于（古）太平洋板块俯冲作用的影响，中国东部形成了一系列伸展正断层和巨型深大断裂带^［34］。这些深大断裂成为壳幔物质与能量交换，特别是幔源物质，如CO₂、He、H₂等上升的主要活动通道。中国东部新生代深源火山活动强烈，特别是沿郯庐断裂带，由于地幔或软流圈上拱，深源熔融物质（岩浆）沿深大断裂带上涌，将深部热源直接带至地壳上部，以岩浆侵入或火山喷发方式发生地幔脱气^［35-36^］，CO₂气藏广泛发育和幔源氦混入比例较中西部高是中国东部显著的特点^{［24，37］}。

中国中西部盆地是晚古生代—早中生代—新生代大型造山带环绕的小型克拉通盆地，盆地核心为构造相对稳定的小型克拉通，边缘环绕构造活跃的前陆冲断带。其中鄂尔多斯、四川、塔里木、准噶尔、柴达木等盆地为具有前震旦纪酸性、中基性变质岩系基底的沉积盆地^［38］。总体上，盆缘断裂褶皱活动带中的有效圈闭及保存条件区有利于氦气富集，如鄂尔多斯盆地三交北—紫金山煤层气、四川盆地克拉通盆缘内外页岩气富/含氦，包括高丰度烃类气的涪陵页岩气，其氦气资源规模总量较大。

不少学者^［39-40^］研究表明中国大陆水平方向上大地热流呈现“东高西低”的变化趋势，东部地区，特别是新生代以来上地幔隆起幅度大的地区，地温及地温梯度较高，而中、西部构造稳定区盆地内呈低热状态，地温及地温梯度都较低。而地下流体中氦同位素比值与大地热流值随地质时间的变化趋势相同，杜建国等^［39］根据天然气中³He/⁴He值计算的大地热流与用其他方法测得热流值一致，印证了中国氦气同位素比值“东高西低”的变化趋势。

我国东中西部大地构造动力学背景、富氦气藏形成条件及地球化学特征具有较大差异（表2），氦气来源及载体气类型及成因差异较大（图1）。中国各类常规—非常规天然气田中氦气广泛弥散分布，中国东部发生多旋回构造，演化复杂、活动性强，主要发育常规气藏和火山岩气藏，中国西部发育中小型克拉通，构造活动相对稳定到适中，主要发育多类型常规—非常规气藏，且氦气赋存层位相对东部盆地较老，中国中部构造活动稳定，主要发育常规气藏、页岩气藏、煤层气藏和致密砂岩气藏，氦气赋存层位跨度较大，氦源岩类型较多。东中西部富/含氦气田（区）在纵向地层分布上也存在一定差异性，总体上氦气赋存层位由东向西、由北向南，呈现出由新到老的变化趋势（图2）。

图1 中国典型富氦气田油型烷烃气和煤成烷烃气的鉴别图Fig.1 Identification diagram of oil type alkane gas and coal type alkane gas in typical helium rich gas fields in China

（底图据文献［67］，数据据文献［43-48，51，57，62，66-67］）

（base map is based on Ref.［67］，data is based on Refs.［43-48，51，57，62，66-67］）

图2 中国富/含氦天然气纵向赋存层位分布特征（据文献［37］补充改编）Fig.2 Schematic diagram of vertical occurrence horizons of rich-helium natural gas in China

（supplementary and modified from Ref.［37］）

2.2　东中西部“气—氦”系统地球化学特征及成藏条件差异性

我国东西部“天然气—氦气”（简称“气—氦”，下同）复合含气系统，所处的大地构造动力学背景不同，决定了其地球化学特征及成藏条件具有较大差异性。基于目前已发现的典型富氦气田，剖析其构造背景、地球化学特征及富氦气藏形成条件（表2），氦气有多种来源，壳源氦是氦气资源的主体。来自不同类型氦源的氦气与大地构造背景密不可分，东部伸展型裂谷盆地主要为壳幔混源氦气，西部挤压型沉积盆地氦气成因类型以壳源为主，混入少量幔源氦，中部过渡型盆地为壳源氦。不同类型天然气中主要供给氦气的源岩不同，常规天然气，如碳酸盐岩气、碎屑岩气等氦气主要来源于花岗岩、变质岩基底，非常规天然气，如页岩气/煤层气中的氦气，一部分氦气可以由页岩储层/煤系地层自生自储补给氦气；致密砂岩气、火山岩气中的氦气，可以由花岗岩—变质岩基底/火山岩、泥页岩产生。

关于由构造活动背景的差异导致天然气成因类型不同。戴金星^［68］提出，将天然气碳同位素组成作为鉴别成因类型的指标，无机成因气具有负碳同位素系列，而有机成因烷烃气则具有正碳同位素系列，甲烷碳同位素δ¹³C₁值大于-30‰多为无机成因甲烷，绝大部分有机成因甲烷δ¹³C₁值小于-30‰。根据前文对中国典型富氦气田天然气碳同位素组成分析可知，中国东部松辽盆地庆深气田天然气碳同位素大部分呈负序列分布^［51］，具有无机成因气特征。中西部主要为有机成因的煤成气和油型气，如和田河气田为油型气，阿克1井区、东胜气田为煤成气，东坪气田存在有机—无机混合气，金秋气田存在油型气和煤成气，以煤成气为主，威远页岩气为油型气（图1）。

由于氦气本身的特性，很难独立成藏，通常以天然气伴生组分的形式出现^［69］，以共伴生的方式赋存于烃类为主的天然气藏、以氮气或二氧化碳为主的非烃类天然气藏中^［70］。天然气中氦气含量差异巨大，氦气含量分布在0~3.08%之间，甲烷含量分布在1.01%~98.9%之间（图3，表2），绝大部分样品的CH₄含量大于60%，只有苏北盆地溪桥气田、济阳坳陷花沟地区以及松辽盆地庆深气田芳深701井和汪深1井^［51］的天然气中甲烷含量较低。其中，芳深701井、汪深1井和渤海湾盆地花沟17井区为CO₂气井，溪桥气田为N₂气田^［51-53^］。中低含N₂气藏（小于60%）中N₂相对较高的样品，He含量也相对较高。烃类为主的富氦气藏中，西部盆地和田河气田、阿克1井区、东坪气田氦气含量总体上大于中部威远气田、三交北—紫金山煤层气和松辽盆地庆深气田。同时常规气藏/井区（和田河、阿克1、东坪、威远碳酸盐岩气、溪桥、花沟501）中氦气含量总体上大于非常规气藏（威远页岩气、三交北—紫金山煤层气、庆深气田）中氦气含量（表2）。但是非常规天然气如致密气面积大、丰度低、分布广，总体上资源规模较大。

图3 中国东中西部典型富氦气田/井区氦气与甲烷关系分布（数据据本文及文献[44-45，48-58,71-74]）Fig.3 Distribution of the relationship between helium and methane in typical rich-helium gas fields/well areas in eastern, central, and western China(data is based on this article and Refs.[44-45，48-58,71-74])

总体上，天然气中He与N₂有正相关的趋势，但其相关性复杂，在对数坐标图中数据展布较清晰［图4（a），图4（c）］。天然气中N₂与CO₂组分含量总体呈负相关［图4（b）］，He与CO₂组分含量之间变化趋势不明显［图4（d）］。笔者最新采样检测发现，松辽盆地存在高CO₂气井高含He的情况，可见其原因及受控因素复杂，并且这些组分是异源同储的偶然伴生关系，非同源共生的必然成因关系，故不宜依据这些指标进行未知区氦气含量及富集区预测。

图4 天然气中He与CO₂、N₂伴生组分相关图（数据据本文及文献[10,44,49,72,75-81]）Fig.4 Correlation diagram of He, CO₂ and N₂ associated components in natural gas (data is based on this article and Refs.[10,44,49,72,75-81])

（a）典型盆地天然气中He与N₂组分含量相关图（对数坐标）；（b）典型盆地天然气中N₂与CO₂组分含量相关图；；（c）典型盆地天然气中He与N₂组分含量相关图；（d）典型盆地天然气中He与CO₂组分含量相关图

3 氦气生运聚散特征、控藏要素有效性及地质评价相关问题

富氦气藏形成于“气—氦”复合“生—运—聚”系统，涉及有利构造背景下“生、储、盖、圈、运、保”六大地质要素时空有效匹配、与天然气量规模及丰度耦合适配，概括为“优质氦源、高效输导、适宜载体”三大要素控制氦气资源形成和富集。

3.1　氦气生运聚散条件及特征认识

关于氦气生运聚散条件及特征方面，涉及氦气形成分布与勘探评价的一些误区（表3）：①氦源方面。一是最新氦化学研究表明氦气来源更加广泛和丰富，可存在于上下地幔及大多数矿物晶格中^［5-6^，8］，氦气来源空间范围及赋存介质超出预期。目前已发现富氦气藏主力氦源多数是盆地基底花岗岩或变质岩，也有的氦源仅仅是盆地盖层（天然气的烃源岩、储气层及其围岩），即使没有基底氦源贡献，也可以形成富氦气藏。如四川金秋气田^［41］，没有沟通基底的断裂，也能形成多口井氦含量大于0.1%的氦气富集，富铀钍中生界天然气成藏系统地层（须家河组和沙溪庙组砂泥岩）为主力氦源。二是煤层气和页岩气在有利的“源—运—聚”条件下可以富集氦气，富铀钍煤层和页岩可有效供氦，若有基底氦源更能促进氦气有效富集^{［10， 82］}。②运移方面。一是运移通道是关键，地下不乏各种运移流体载体，即使真空也可运移^［37］，但是真空区域仅仅是在短时间和局限区域存在，由于负压抽吸作用立即会引灌吸纳外部流体进入；二是抬升（挤压）、走滑、沉降（伸展裂陷）都可催生有效通道及氦气运移^{［10，54］}；三是构造活动区和水动力活跃区有利于释放和运聚成藏。构造活动区域（中国东、西部）和构造稳定区（中部），水动力活跃区和稳定区，都能以不同方式实现氦气的有效运移^［11］。③聚集方面。一是储层条件方面。各种岩石，包括页岩、煤岩、火山岩等，在一定条件下都可形成氦气富集的有效储层^［82］；二是圈闭及盖层条件。尽管富氦气藏分压低，盖层中水氦溶解度低，一定程度上可以阻挡氦气散失。但即使是充满盐水情况下，在气藏和盖层之间，氦气存在动态溶解—脱出的往返过程，但是He一旦进入盖层中，后续就存在重返气藏和向上逸散2种可能性。同时，氦的高扩散性，特别是盖层经过压实排水后，在无或少自由水情况下，多以扩散方式散失，盖层是圈闭关键要素，也是天然气和氦气兼探风险勘探钻井成功率的决定要素；三是盖层好差不是下部流体携氦上移泄压泄流的前提条件和机制。下部流体上移的泄压泄流方式不是通过盖层来实现（除非被断层破坏），关键要有泄流空间，有效泄流机制通常是在圈闭下方，向两侧以平流的方式泄流，所以盖层好差与是否引发深部流体有效上涌运移没有必然的因果关系，一定强度的构造活动及断裂通道才能足以促使下部流体上涌泄流。④勘探评价。关于天然气圈闭/甜点勘探与氦气富集评价选区问题。“圈闭”和“甜点”分别是常规和非常规天然气的勘探目标，尤其是在非常规天然气里找氦气，离开甜点不可能存在氦气规模效益聚集，关键是需要按照氦气“生—运—聚”规律，面向研究区圈闭群、甜点群中寻找有利于氦气富集的相对低势（低充满度、低丰度、低压力系数等）区/层，或大型圈闭/优质甜点区中寻找相对低/弱势载体气部位。通常认为气藏中氦气分压较低，较难以溶解进入盖层水中，因此含水盖层对氦气具有较好的封闭性。但是地下流体在以百万年为时间单位的地质历史长河中，分子运动是一个永恒的动态过程。即使盖层中充满高盐度孔隙水且He溶解度低，水溶相扩散可能受限，但是在漫长地质演化中，He在“气藏⇄盖层⇄上覆体”之间存在运聚动平衡（布朗运动、溶解、渗流和扩散），即使盖层充满高盐度水一点不溶，处于平衡状态，也不是盖层与气藏之间氦气分子静止不流动，而是进出盖层的往复动态平衡过程，其间一旦氦气分子进入盖层中，必然以不同方式向上覆体逸散。尤其在自由水较少的盖层，氦气浓度差（扩散压差）或流体盐度差（渗透压差）引发的氦气分子运动，通过扩散作用使得氦气散失。氦气在盖层的散失同样需要克服其与毛细管力之差^［84］，即：

表3 含氦气系统控藏要素有效性及地质评价相关问题
Table 3 Effectiveness of control elements for helium gas systems and related geological evaluation issues

总结来说，含水盖层封闭由毛细管压力封闭与氦溶解散失之间的动态平衡支撑，而不含水盖层由氦扩散散失与毛细管压力封闭之间的动态平衡支撑（图5）。

图5 含氦天然气藏中盖层封闭与扩散Fig.5 Sealing and diffusion of cap rocks in helium bearing natural gas reservoirs

3.2　氦气控藏要素有效性及地质评价相关问题

对于天然气而言，常规与非常规天然气之间既有区别又有联系，非常规天然气在成藏要素及组合方面具有特殊性，如页岩油气三位一体^［85-87^］。对于氦气而言，与天然气相比，氦气“生—运—聚”条件、成藏机理与地质评价，既具有共性和相似性，又具有特殊性和复杂性，不同地区和地质背景下存在较大差异^［88-90^］。因此，对于氦气成藏和评价，需要坚持全面、辩证、发展的哲学思维，科学研究和总结规律认识，需谨防基于个别现象、个别案例，以偏概全、关注一点，忽略其余。例如，构造活动及运聚动力具有多样性，决定了构造隆升和高水动力强度是地下水及其中的氦气运移和释放的有利条件，但非必要（或唯一）条件，晚期强烈构造活动往往会导致气藏调整和破坏，畅通有效的输导通道和运移动力才是必要条件和关键，如裂谷盆地氦气富集通常为伸展裂陷沉降活动形成畅通有效的输导通道。裂谷盆地天然气及氦气聚集的断凸和断隆（块）带，是伸展拉张过程中非均匀沉降造成，不是构造抬升造成。

地下流体“氦—气—水—岩”相平衡原理及“相—势”耦合作用，驱动地下流体及氦气运移、脱溶及成藏。地下多相流体“相—势”耦合作用控制流体及不同气体组分运移、分异、溶合，进而控制不同类型气体组分溶解、脱溶与“气—氦”交换（置换、萃取）及成藏，达到（动态）相平衡。氦气在地下流体中运移和聚集成藏，受氦气、天然气、地下流体、岩石及其间“相—势”变化及耦合作用触动或控制。地下流体（气、水）势差或压差，前者如氦气浓度差、气水密度差（产生浮力）等，后者如烃源岩生气增压，氦源岩生氦释放能量、气水界面处气液两相氦气分压差等，驱动天然气和氦气运移聚集或脱溶成藏。“气—水—岩”相互作用，特别对于CO₂、N₂非烃载体气有关的“气—水—岩”相互作用，造成载体气组分及含量变化，进而引起氦的富集或贫化。

氦气有效控藏要素可以概括为“通源连圈、低势高位、气氦适配”，首先，富氦气藏的形成需要具备有利氦源和聚氦圈闭，同时氦源和圈闭之间输导体系有效沟通；其次，处于有利的相对低势和高位区，这里的“低”是相对概念，是指所处区域背景值中相对较低的部位（生烃强度、充满度、丰度及压力系数等），可以是高背景值中的相对中低值区域，这里“高位”也是局部相对概念，同时高位通常也是低势区；最后，气氦适配，即天然气的规模体量和氦气供给通量适配，才能有利于氦气聚集形成规模经济效益储量。天然气规模太大易造成稀释低品位，增加提氦难度和成本，但是氦气资源规模总体潜在效益较大，特别是液化联产提氦规模有效；天然气规模太小则经济可利用价值低，不利于规模效益氦气聚集。

氦气富集分布通常具有“近源、断控、低势（高位）”，但需要具体情况具体分析，例如，理论上，氦气具有近源聚集的有利条件和地质规律，即氦气富集程度总体与储集层地质年龄正相关，即储气层年代越老，距离基底氦源岩越近，氦气含量越高，但实际情况及影响因素复杂，如鄂尔多斯盆地上古生界氦气富集程度总体上高于下古生界，与上下古生界之间致密层（盖层）封闭性及气藏规模和丰度有关。还有可能的原因是，上古生界气藏之上有巨厚优质盖层，同时上古生界煤系地层，包括其中的富铀钍煤岩、暗色泥岩、铝土岩等，也提供有效充分的氦源。

氦气与天然气中其他主要组分（CH₄、CO₂ 和N₂）之间并非是成因上的依赖关系，而是这些气体组分可以作为氦气由深部向浅部运移的载体，因此氦气与天然气展现出了良好的伴生关系^［91］。氦气与天然气中其他主要组分（CH₄、CO₂ 和N₂）之间多数为异源同储，尽管基底富铀钍岩石既生氦又可生氮，烃源岩既生烃又生氦，但是生氦、生烃、生氮的母质类型（分别是铀钍元素、有机质、含氮化合物）有本质不同，不具成因上的相关关系，只具有数量表观上的相关性，可以作为气藏含氦性评价参考指标，不宜作为富氦气藏有效控藏及选区评价关键要素。

同样，CO₂和甲烷等的充注对氦气起到稀释作用，与氦气富集总体呈负相关，但在裂谷盆地如松辽盆地北部高CO₂气藏不完全这样，故其含量多少不能作为预测评价氦气富集区的成因指标和表征指标，因为影响氦的富集因素复杂多样，受“源—运—聚”多种要素及其有效时空匹配，不同大地构造背景和盆地之间也存在很大差异性。

4 氦气聚集4层次要素区带类型、富集模式与主控因素

4.1　氦气聚集4层次要素区带类型及划分

本着探寻富氦新区新目标，聚焦不同原型盆地类型聚氦构造背景和富氦控藏关键因素，从“解剖已知→据此类推→预测未知”的角度，通过对我国典型富氦气田含氦气系统构造地质背景和控藏要素的综合解剖，提出了我国氦气聚集的“原盆—构造—岩性—载气”组合区带模式、勘探选区评价方向思路及分类方案（表4），该组合模式是基于我国典型富氦气田所在原型盆地类型、所处部位构造背景及变形特征、储气层岩性、载体气类型的综合要素分析而赋予的区带综合信息，以便后续分盆地、分层次、分类别进行氦气富集主控因素分析及富氦区带评价优选。这里提出的按氦气赋存的“原盆—构造—岩性—载气”4层次要素组合评价优选区带理念，意在强调氦气下一步勘探评价选区的方向和思路：“在何种原型盆地里找→在何种构造背景里找→在何种储层类型里找→在何种载体气里找？”以便于理清后续选区评价的方向、层次、思路（图6）。区带命名可以按照上述“原型盆地—构造背景—储层岩性—载气类型” 4层次要素方式命名（表4），在日常工作及交流中可简化，阐明主要类型及特色即可，如东部裂谷盆地非烃气富氦区、鄂尔多斯盆地东缘煤层气富氦区等，无特别说明的载体气一般指烃类气。据此梳理划分了我国4类盆地8种富氦区带及其典型气田实例（表4）。

表4 我国氦气赋存的“原盆—构造—岩性—载气”4层次要素组合区带类型及其划分方案
Table 4 The 4-level elements types and classification schemes of the “original basin-configuration-lithology-carrier gas” combination zone for helium gas occurrence in China

图6 氦气聚集区带“原盆—构造—岩性—载气”4层次要素组合划分示意Fig.6 Schematic diagram of the four element combination division of “original basin-configuration-lithology-carrier gas” in the helium accumulation zone

4.2　典型区带氦气富集（勘探）模式与主控因素

上述氦气赋存的“原盆—构造—岩性—载气” 组合区带4层次要素，可以构成多种组合类型（区带类型），只要具备氦气有利的“源—运—聚”条件，即可形成有利氦气富集区。选择上述8大类区带中的8种已知富氦气田，建立如下典型氦气富集模式暨勘探模式（图7），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方向参考。

图7 我国典型区带氦气富集（勘探）模式Fig.7 Enrichment patterns of typical rich-helium gas fields in China

(a)克拉通古隆起碳酸盐岩气田富氦型（和田河气田）；(b)克拉通断隆带致密砂岩气富氦型（东胜气田，据文献[58]改）；(c)前陆盆地坡凸带致密砂岩气富氦型（金秋气田）；(d)盆地富铀钍基岩气藏富氦型（东坪气田）；(e)克拉通边缘断隆带页岩气富氦型（威远寒武系页岩气）；(f)克拉通平缓断褶带煤层气富氦型（三交北区块）；(g)裂谷盆地断凸带非烃气富氦型（万金塔气田）；(h)中小断陷地热伴生气富氦型（渭河气田，据文献[93]修改)

4.2.1　克拉通—古隆起—碳酸盐岩气田富氦型

该种含氦系统以和田河气田作为典型代表［图7（a）］，位于塔里木盆地巴楚隆起南缘玛扎塔格构造带，发现于1997年，是塔里木盆地已探明最大的古生界海相碳酸盐岩气田。氦气富集主要来源于台盆区基底新元古代花岗岩提供充足壳源氦源；玛扎塔格深大断裂及浅部构造缝提供优势氦气运移通道，喜马拉雅期构造活动重新调整并发育裂缝，使得含氦流体聚集于构造高部位，且储层横向连通性较好，有利于大型富氦气田形成。

4.2.2　克拉通—断隆带—致密砂岩气富氦型

该种含氦系统以东胜气田作为典型代表［图7（b）］，氦气富集主要来源于基底的太古宇—元古宇的变质岩—花岗岩系壳源氦，并且上古生界气藏氦气含量普遍高于下古生界，上古生界富U、Th烃源岩（煤岩、暗色泥岩、铝土岩^［92］等，且U、Th含量远高于下古生界腐泥型烃源岩）氦源存在有效供氦；构造活动导致泊尔江海子和乌兰吉林庙二级大断裂与四级断裂提供从基底氦源岩和烃源岩氦源到储集层的优势聚氦运移通道；成规模但丰度低的烷烃类载体气运移使得地区水溶氦脱气，氦气富集于合适的储盖组合中。

4.2.3　前陆盆地—斜坡/隆起带—致密砂岩气富氦型

该种含氦系统以金秋气田作为典型代表［图7（c）］，我国前陆盆地目前较少发现富氦气田，主要是塔里木阿克莫木气田和四川金秋气田，阿克莫木富氦气田发育于前陆冲断作用下凹陷边缘隆起区，基底以古元古代花岗岩为主，少量幔源氦，输导体系主体为喜马拉雅期前陆冲断作用形成的前展式断裂。金秋气田基底断裂不发育^［41］，因此推测氦气富集主要来源于须家河组和沙溪庙组富U、Th泥岩、砂岩壳源氦，且远离川中生烃中心烷烃稀释效应弱，且气田处于前陆斜坡带相对合适构造成藏部位；盆地内中生代内部的纵向断裂提供氦气富集主要运移通道，天然气侧向长距离运移聚集使得水溶氦可以被不断萃取脱溶富集成藏，且推断气田成藏后仍有气藏所在地层沙二段富U、Th泥岩、砂岩补充供氦。

4.2.4　基岩/基底—隆起区—富铀钍基岩气藏富氦型

该种含氦系统以东坪气田作为典型代表［图7（d）］，气田位于阿尔金山前挤压冲断构造带基岩隆起区，氦气富集主要来源于元古代、加里东期、华力西期和印支期花岗岩和花岗闪长岩及变质岩基底提供壳源氦，南北向深大断裂以及斜坡带区域不整合面形成高效供氦通道，且东坪斜坡带基岩位于多个生烃凹陷之间，烷烃气载体长距离运移“萃取”脱溶基岩中的水溶氦，在浮力作用下运移到高部位圈闭中聚集成藏。

4.2.5　克拉通—断隆带—页岩气富氦型

该种含氦系统以威远气田寒武系页岩气作为典型代表［图7（e）］，四川盆地及周缘地区页岩气中氦气存在页岩本身和盆地基底2种来源，不同地区页岩气与基底断裂发育及其连通气层的情况不同，氦源也存在差异性，涪陵、长宁等五峰组—龙马溪组主要来自页岩自身氦源，为自生自储型氦气资源。威远寒武系页岩气氦气富集主要来源于前震旦系花岗岩基底与寒武系筇竹寺组富U、Th页岩同时提供壳源氦，首先是寒武系页岩既生烃类气又生氦，同层自生自储。同时，可能存在下部基底供氦，含氦地层水沿基底断裂进入盆地盖层中喜马拉雅期构造活动形成的断层和裂缝通道进入页岩气层，并沿层理缝在层内进行适度的横向运移聚集，形成富氦页岩气。

4.2.6　克拉通—盆缘平缓断褶带—煤层气富氦型

该种含氦系统以三交北—紫金山区块作为典型代表［图7（f）］，氦气富集主要来源于紫金山杂岩体与富U、Th石炭系—二叠系含煤地层自身双源供氦，环紫金山断裂发育提供良好的氦气运移通道，由于氦源的持续充注，使得氦气在煤层气中有效聚集。笔者在2022年所采三交北—紫金山区块8个煤层气样品中，有4个为富氦煤层气，氦气含量体积百分比为0.10%~0.16%。

4.2.7　断陷盆地—断凸带—烃类/非烃气富氦型

该种含氦系统烃类气含氦型以松辽盆地庆深气田为代表，非烃气以万金塔气田作为典型代表［图7（g）］，氦气富集主要为基底壳源⁴He和幔源少量³He混合来源（总体以⁴He为主）；东部地区多为地质构造背景复杂，万金塔气田发育2套深部断陷期基底断裂及浅部反转期断裂提供了幔源无机成因CO₂载体气/氦气优势运移通道；平面上富氦CO₂气藏主要由沟通深部和浅部的深大断裂控制，幔源无机成因CO₂携带幔源氦共同成藏并在长距离二次运移途中脱溶萃取基底壳源氦，同时基底水溶壳源氦也可沿多套断裂向有利储盖组合运聚。

4.2.8　中小断陷—基底凸起区—地热伴生气富氦型

该种含氦系统以渭河盆地水溶气作为典型代表［图7（h）］，氦气富集主要由盆地基底太古宇、元古宇花岗岩、片麻岩和周缘燕山期、印支期形成的花岗岩提供充足的壳源氦，切割花岗岩基底的渭河断裂和秦岭断裂体系为水溶氦提供高效运移通道，水溶氦有利富集于渭河盆地基底隆起上的继承性背斜及穹丘状圈闭。地热伴生气、水溶氦、水溶气伴生氦富集受深部断裂及热流控制，不局限于盆地，如郯城—庐江深大走滑断裂带两侧及大别—胶南造山带等温泉地热伴生气中氦气聚集等。

5 结论

基于氦气来源、赋存载体及典型富氦气田解剖，分析梳理了中国氦气资源及区带分类体系、控藏要素有效性及主要富集暨勘探模式，得出如下认识：

（1）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，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。

（2）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。东部伸展动力学背景下载体气具有有机—无机复合成因特征，氦气具有壳幔混源特征；西部总体处于挤压构造动力学背景下，载体气以有机成因为主，氦气以壳源为主；中部过渡性地区构造稳定，氦气资源为典型有机成因载体气中的壳源氦。

（3）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。地球不同圈层氦源的广泛性和氦气的高扩散渗透性，决定了氦气生成、运移、聚集、分布的多样性和广泛性。

（4）从原型盆地构造背景、控氦富集机制及勘探思路方向角度，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方向思路及分类方案，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、基岩/基底富铀钍基岩型等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和参考。