【论文】秦胜飞等：中国含油气盆地富氦天然气藏氦气富集模式

秦胜飞 ¹ 　李济远 ^1,2 　王佳美 ^1,2

陶   刚 ^1,2 　王晓锋 ³

1. 中国石油勘探开发研究院

2. 中国矿业大学（北京）

3. 西北大学地质系

0 　引言

自然界中氦是迄今发现的熔点和沸点最低的元素，加上其特有的“惰性、强穿透性、强导热性”等特点，广泛用于航天、军工、医疗以及民用高科技等领域且不可替代。工业生产氦气主要来自深冷法，液化天然气闪蒸气（ BOG ）等技术从地下天然气中提氦 ^[1] 。国内氦气严重短缺，寻找富氦天然气藏是解决氦气短缺的重要手段。中国含油气盆地类型多样，每种类型的盆地都发育富氦天然气藏，但氦气仅在少数气藏中富集，绝大多数天然气为贫氦气藏。氦气为什么仅在少数气藏中富集？富集模式是什么？这些问题国内外研究得都比较少，也一直困扰着研究人员。

天然气中的氦气来源有大气来源、壳源（亦称为放射性来源）和幔源 ^[2-3] 。大气中的氦气含量很低，仅 5.24 ppm （ 1 ppm=10 ^{－ 6} ） ^[4] ，通过水循环带入到气藏中的大气氦极少，往往忽略不计，研究天然气中氦气来源只考虑壳源和幔源氦。壳源氦来自岩石中的铀（ ²³⁵ U 、 ²³⁸ U ）和钍（ ²³² Th ）的放射性衰变，生成 ⁴ He ；幔源氦是岩浆活动发生脱气作用释出，以 ⁴ He 为主，伴随少量 ³ He 。地壳中几乎所有的岩石中都含有 U 和 Th ，但含量都很低，且 U 和 Th 的半衰期都极其漫长， ²³⁵ U 半衰期为 7.048 亿年， ²³⁸ U 为 44.68 亿年， ²³² Th 为 140.1 亿年 ^[5] ，生氦速率极其缓慢，生成的氦气一部分散失到大气中，其余部分弥散在岩石圈中，很难聚集形成独立的氦气藏。

关于富氦气藏中氦气富集方面的研究观点各异。首先，关于氦源的问题，有认为来自花岗岩和微晶岩中 U 、 Th 的衰变 ^[6] ，也有认为来自沉积岩 ^[7] ，还有认为来自烃源岩 ^[8] ，以及基底 ^[9-10] 。

关于运移通道和运移方式，一些专家认为，氦气通过基底断层和裂隙发生运移并聚集 ^[11-12] ；有些专家认为氦气通过扩散的方式运移，也可随地壳流体一起向上运移，在氦通量高的地方且具备有效封盖条件（尤其是蒸发盐）下聚集 ^[3] ；有学者认为氦气是通过地下水运移 ^[13-14] ，放射性矿物产生的氦气首先溶解于水，当有载体气通过时，载体气中氦气分压低，水中氦气分压较高，水中的氦气便会溶入载体气并随载体气运移至气藏 ^[15-16] ；笔者对威远气田研究认为，四川盆地威远气田中氦气是前震旦系花岗岩中溶解了氦气的地层水沿断层往上运移发生脱气，释放出的氦气在气藏中富集 ^[17] 。

到目前为止，国内外针对氦气富集模式研究开展得较少，中国含油气盆地类型较多，不同类型盆地形成的富氦气藏地质背景不同，因而氦气富集模式也会有差异。本文对全国主要富氦气藏氦源和富集过程进行全面剖析，建立不同地质背景下氦气富集模式，为氦气富集规律、有利富集区优选及勘探目标的确定提供依据。

1 　富氦气藏概况

1.1 　富氦气藏划分标准

关于富氦天然气的划分，国内外目前都没有统一的标准，美国业内把氦气含量超过 0.3% 的天然气称富氦天然气； Bowersox ^[18] 对美国中肯塔基氦气资源进行研究时认为氦气含量超过 0.4% 才有经济价值； Ballentine 等 ^[13] 认为氦气含量大于 0.1% 称之为富氦气田；徐永昌等 ^[19] 认为气藏中氦气含量为 0.05% ～ 0.1% 则具备商业价值。笔者通过对全国主要气田中氦气含量进行初步统计发现，氦气含量超过 0.3% 的气田很少，中西部地区仅和田河气田氦气平均含量刚超过 0.3% ，东部地区苏北盆地黄桥气田以氮气为主的气藏、渤海湾盆地的花沟气田氦气平均含量超过 0.3% ，其他气田氦气平均含量一般都小于 0.3% ；氦气平均含量超过 0.1% 的气田虽然有一些但数量也不是很多（表 1 ）。笔者从我国实际情况出发，认为富氦气藏的划分标准定为氦气含量大于 0.1% 比较合适，因此本文以 0.1% 的标准来划定和研究富氦气藏。

1.2 　成因类型

天然气中氦气主要有壳源和幔源两种来源，常用氦同位素比值 ( ³ He/ ⁴ He) 来研判氦气的成因。大气中的 ³ He/ ⁴ He 值为 1.4 × 10 ^{－ 6} ，壳源氦 ³ He/ ⁴ He 值为 2 × 10 ^{－ 8[28]} , 幔源为 1.1 × 10 ^{－ 5[29]} 。样品的 ³ He/ ⁴ He 值（ R ）除以大气的 ³ He/ ⁴ He 值（ R _a ）也通常用来表示样品中氦同位素特征，即 R / R _a = ( ³ He/ ⁴ He) _样品 /( ³ He/ ⁴ He) _大气 。因样品中大气氦可以忽略，因此常用二元法计算天然气中幔源氦所占份额，计算公式为 ^[30] ：

也可以用 R / R _a 比值来反映幔源氦的比例， R / R _a 比值越大，幔源氦的份额越大。通过计算，当 R / R _a ＞ 3.94 时，天然气中幔源氦的份额大于 50% ；当 R / R _a ＞ 1 时，幔源氦份额大于 12% ；当 R / R _a ＞ 0.1 时，幔源氦份额大于 1.1% 。因此，当 R / R _a ＜ 0.1 时，认为天然气中的氦基本上都来自壳源。

中国富氦气田中的氦同位素差异很大，其分布具有很强的规律性。所有气田中的氦气都以 ⁴ He 为主，但东部地区 ³ He 含量相对于中、西部地区较高，表现在 ³ He/ ⁴ He （或 R / R _a ），东部地区明显偏高。东部地区，诸如松辽、渤海湾、三水和苏北盆地等， ³ He/ ⁴ He 和 R / R _a 最高，样品有明显的幔源氦的混入，氦气成因类型为壳—幔混合型；中部地区，例如四川盆地最低， ³ He/ ⁴ He 比值与壳源氦的端源值接近，可认为没幔源氦混入，全为壳源氦；西部地区的塔里木盆地等介于东部和中部地区之间，部分样品显示出有微量的幔源氦混入，总体上氦气也为壳源成因（表 1 ）。可见，中国氦气成因类型具有明显的东西分带特性，与大地构造格局有关。东部含油气盆地为拉张型盆地，其成因与上地幔的隆升有关，因而混有较多的幔源氦；中部的含油气盆地为板内多旋回坳陷盆地，是构造最为稳定的克拉通盆地；西部是挤压型含油气盆地，构造活动略强于中部盆地而远弱于东部盆地 ^[31] 。

构造背景不同造成氦气来源和富集模式的差异，东部地区氦气为壳幔混合；中部地区氦气来自壳源；尽管西部地区氦气混有微量的幔源氦，但在氦气富集过程中的作用很小，本文在研究西部盆地氦气富集模式的时候以壳源氦为主，幔源氦忽略不计。

2 　模式划分理论依据

氦气在正常的天然气成藏系统中聚集很难形成富氦气藏，尽管烃源岩中 U 和 Th 的含量虽然相对其他岩石较高，因烃源岩生气强度较大从而稀释了烃源岩生成的氦气，储集层（一般为砂岩或碳酸岩）虽然 U 和 Th 含量比烃源岩低，但也会产生微量的氦气，除了一部分可能散失，剩余部分被来自烃源岩并混有微量氦气的烃类气体捕获，两种来源的氦气叠加后只能形成低氦气藏，这也说明了为何世界上大部分气藏中氦的丰度普遍较低。富氦气藏的形成，必须有其他氦源作更多的补充，称之为主力氦源，富氦气藏的形成需要经过“多源聚氦，主源富氦”的过程 ^[32] ，主力氦源可以是有较高 U 和 Th 含量的古老基底（如花岗岩、变质岩等），也可以是来自地幔流体中的幔源氦。

2.1 　壳源富氦气藏主力氦源

该类型气藏中的氦气少部分来自烃源岩和储集层，大部分来自深部基底岩石。通过计算，以有效生烃潜量下限2 mg/g 的富有机质页岩生成的天然气大约是其在10 亿年内产生氦气的3 000 倍 ^[15] 。中国已探明气田中最古老的是威远气田，其主力烃源岩是距今5 亿年的寒武系烃源岩 ^[33] ，烃源岩生氦的时间不会超过5 亿年，U 和Th 的衰变时间相比10 亿年大大缩短，而烃源岩原始生烃潜量都远大于2 mg/g， 如此推断生成的天然气至少是氦气的万倍以上，氦气含量应该是0.01% 的量级，即使捕获储集层中的氦气也很难达到0.1% 的富氦标准，国内多数气田烃源岩地质年代晚于寒武纪，相同成熟度情况下烃源岩生成的氦气在天然气中的比例更小，需要主力氦源的加入，才可形成富氦气藏。这个主力氦源是古老基底岩石，因为这种岩石规模大，经历的衰变时间长，累计生成的氦气多，以地层水作为载体保存， 在适当的地质条件下可以向上运移，遇到气藏后释放氦气使贫氦气藏富氦。

2.2 　壳幔混合富氦气藏的主力氦源

壳幔混合来源的富氦气藏都分布在中国东部含油气盆地，这些盆地烃源岩年代总体年轻于中、西部油气盆地，生氦时间更短，外来的主力氦源显得尤为重要。根据东部盆地氦气含量与幔源氦比例关系 （图1），可以看出幔源氦的比例与氦气含量并没有呈明显的正相关关系，这也说明东部盆地尽管存在深大断裂，但幔源氦在富氦气藏中并不占主导地位，但也有少量气藏中幔源氦的成分大于或接近50%，例如宝月气田和黄桥气田等（表1）。根据天然气组分、幔源氦比例不同，富氦气藏的主力氦源可分为3 种情况。

这类气藏以烃类气体为主，气藏中的氦气虽有 明显的幔源氦贡献，但比例不高，远小于 50% ，主力氦源应该是来自气藏下部古老地层或基岩中的壳源氦，这些氦在没有进入上覆气藏之前，多保存在基岩地层水中，例如松辽盆地五站和太平庄气田。但不排除少数以烃类气体为主的富氦气藏，幔源氦的比例大于 50% ，此时主力氦源为幔源氦，例如三水盆地宝月气田水深 3 井等（表 1 ）。

这类气藏以二氧化碳为主，含有一些氮气和烃类气体，幔源氦气的比例一般超过 50% ，主氦源来自地幔流体，二氧化碳和氦气的来源与火山活动有关，例如三水盆地的宝月气田（表 1 ）。

气藏以氮气为主，含少量的烃类气体和二氧化碳，幔源氦的比例小于 50% ，例如黄桥气田（表 1 ）。主氦源视幔源氦的比例可以是幔源氦，也能是基底岩石，如果幔源氦所占比例接近 50% ，主力氦源为幔源氦；如果远低于 50% ，主力氦源则来自深部古老地层。

3 　壳源富氦气藏氦气富集模式

3.1 　古老地层水上移释氦富集模式

烃源岩沉积后，矿物中含有的 U 和 Th 持续缓慢生氦，烃源岩埋深加大温度升高进入生烃门限开始生烃、排烃，烃源岩中矿物也陆续达到破裂温度释放氦气，氦气随油气一起运移到储集层，温度如果进一步升高，原油和干酪根可裂解成气。此时气藏中捕获了来自烃源岩和储集层 U 和 Th 衰变产生的氦气，形成低氦气藏。深部基底岩石矿物中的 U 和 Th 经过更长时间的衰变产生的氦随温度增加突破各种矿物对氦的封闭温度释放出氦，释放出的氦溶解于水中保存下来。基岩一般分布面积较广，厚度大，地质年代较老， 生氦时间较长，累计生成的氦气较多。氦气虽然分子量小，极易扩散，但溶解在地层水中的氦气比较容易保存下来，地层水的年代越久，溶解的氦气则越多。随喜山期构造运动，地层发生了抬升，同时产生沟通深部地层水与上覆气藏的深大断裂，在构造运动的驱使下，溶解氦气的深部地层水沿断裂往上运移， 随温度和压力降低沿途可能会释放出部分游离态氦气，氦气继续向上运移到气藏中，其余的氦气随地层水与气藏底、边水混合，与气藏发生气体交换作用， 在亨利定律作用下，水中的氦气几乎可以全部释放到气藏中，气藏中的其他气体一部分会进入到水中。

地下水中溶解的氦气符合亨利定律适用范围，当溶解有氦气的地下水遇到气藏时，因水中的氦气分压较高，气藏中氦气含量很低导致氦气分压很低，氦气会从分压高的地方向分压低的地方运移。为了达到分压平衡，水中的氦气几乎完全脱溶释放至气藏，而气藏中的其他气体因分压较高，部分游离气会溶解到水中，貌似气藏中的天然气把氦气“萃取”出来。随地层水不断上涌，氦气不断释放到气藏，使气藏富氦（图 2 ）。

古老地层水脱气富氦是中西部氦气富集重要机理 ^[32] ，这种氦气富集模式的气田有四川盆地威远气田、塔里木盆地和田河气田、鄂尔多斯盆地杭锦旗气田等。以威远气田为例，该气田天然气主要来自水溶气脱气 ^[34] ，氦气主要来自基底花岗岩中 U 和 Th 的裂变，裂变产生的氦气溶解于水，由于喜山期构造大幅度抬升，同时产生断裂系统，溶解于水中的氦气沿断裂向上运移发生脱溶，在圈闭中与天然气一起聚集成藏，形成富氦天然气 ^[17] 。

3.2 　天然气沿古老储集层运移富氦模式

当天然气在沿储集层横向运移时，可以捕获沿途地层水中溶解的氦气（图3），类似的富氦模式Brown ^[15] 也曾提到。地层水中溶解的氦气多少取决于储集层年龄和U、Th含量，年龄越老、U和Th含量越高，生成的氦气就越多，因此，这种富集模式一般发生在古老储集层中，要求天然气沿古老储集层进行运移，储集层越老，这种富氦效果越明显，同时也说明为何氦气往往富集在构造高部位，除了深部地层水会向构造高部位运移释放出氦气，游离气沿储集层往上倾方向运移，氦气含量会出现逐渐增加的趋势。

柴达木盆地东坪气田氦气富集属该种模式，气田位于阿尔金山前东段，是喜山期构造运动作用下发育的大型盆缘鼻状古隆起，东坪气藏属基岩型气藏，天然气主要储集于古近系下伏基底结晶岩系的岩浆岩或变质岩中，基岩为多期花岗岩和古生界变质岩组成的复合基底，年龄为 4 亿年以上 ^[22] ，基岩不具生烃能力，但有较高的 U 、 Th 含量 ^[35] ，生成氦气离开封闭矿物后进入基岩裂隙水中，天然气自东南向西北进入基岩储集层，捕获水中的氦气。根据发表的数据 ^[22] ，随天然气运移距离增加，氦气含量呈增加的趋势。这是因为天然气运移过程中不断获取古老储集层中地层水溶解的氦气，运移距离越长，捕获的氦气越多。

3.3 　富氦页岩气藏氦气富集模式

页岩气藏因烃源岩生气量很大，对氦气有强烈的稀释作用，页岩气中很难发现富氦气藏，例如四川盆地焦石坝、昭通和威远志留系龙马溪组页岩气，氦气平均含量仅 0.03% 左右 ^[32] 。富有机质页岩在热演化过程中生成的天然气一部分运移到上覆圈闭中形成贫氦天然气藏，另一部分保留在页岩形成贫氦页岩气藏。但如果是古老页岩气藏，气藏下面或附近可能发育其他古老岩层，比如古老花岗岩之类，就有可能形成富氦的页岩气藏（图 4 ）。古老岩石中 U 和 Th 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，在亨利定律作用下与页岩气发生气体交换，水中的氦气几乎可以全部释放到页岩气藏中，可以使页岩气富氦。另外，页岩中含有微裂隙，地层水可以渗透到页岩中。这样的例子在寒武系页岩气中可以见到。

虽然威远地区龙马溪组页岩气藏氦气含量较低， 但在寒武系页岩气中却发现了高氦含量的页岩气藏。 W201-H3 井钻遇的寒武系页岩气，氦气含量 0.13% ， 达到了富氦气藏标准。另外，通过对 W201-H1 井 4 个不同时间的取样测试，其页岩气中氦气含量为 0.12% ～ 0.13% ，平均 0.12% ^[36] 。需要指出的是，文献中该井样品属于志留系页岩气，但 ⁴⁰ Ar/ ³⁶ Ar 值很高， 4 次测试平均为 7 721 ，远高于本区其他志留系页岩气的平均比值 1 096 ，判断该井可能沟通了深部气源， 可能以寒武系页岩气为主。不仅是四川盆地，其他地区寒武系页岩气也可以形成富氦气藏，例如宜昌地区针对下寒武统页岩钻探的宜页 1 井经压裂后获高产气流，在压裂段采集的 9 个天然气样品，氦气平均含量为 0.16% ^[37] ，该井位于黄陵花岗岩附近，主氦源应该是自花岗岩体中的水溶氦。

4 　壳幔混合富氦气藏氦气富集模式

目前发现的壳幔混合富氦气藏都分布在东部含油气盆地，这些盆地是在陆壳内部基底上发育起来的拉张型中新生代断陷—坳陷型含油气盆地。新生代以来，由于太平洋板块向欧亚板块的俯冲，使中国陆壳沿北北东方向产生地壳破裂带，上地幔沿着地壳减薄和地裂带隆升，局部地慢隆起区岩石圈减薄 , 上层地壳处于引张应力作用下 , 使原来古生界的基底断块破裂，形成一系列断陷盆地 , 并演化为大型坳陷盆地 ^[31] ，包括幔源氦在内的地幔流体不可避免地或多或少参与到油气成藏过程中，在一些气藏中形成壳幔混合成因的富氦气藏。根据氦气富集具体特点， 东部含油气盆地氦气的富集又可分为 3 种模式。

4.1 　以烃类为主的壳幔混合成因氦气富集模式

烃源岩在正常演化过程中生成的天然气，携带烃源岩中 U 和 Th 经放射性衰变形成的氦气运移到储集层，沿途可能会捕获运移路径上的少量氦气，最终把储集层溶解于水中的氦气捕获，这个过程只能形成贫氦气藏。构造活动产生了沟通上地幔的深大断裂， 同时也在地壳中产生一系列断裂，断裂把基底中溶解在水中的氦气和幔源氦气带入气藏，使气藏富氦（图 5 ）。这类气藏中的氦气幔源成分不高，主力氦源是基底岩石中溶解在水中的氦气。

松辽盆地双城—平川地区五站和太平庄气田中的氦气属于这类富集模式，气田以烷烃气为主，来自高—过成熟煤系烃源岩 ^[26] ，氦气含量平均 0.14% ， 幔源氦占比仅为 2.2% ～ 6.0% 。如果 把幔源氦的成分扣除，仅壳源氦也可达富氦气藏标准，故主力氦源为基岩中的水溶氦。

4.2 　以二氧化碳气为主的壳幔混合成因氦气富集模式

这类气藏以二氧化碳为主，含有少量氮气和烃类气体，氦气中幔源氦的比例超过50%，二氧化碳为无机成因，与岩浆活动有关，岩浆活动把深部流体带入气藏，同时形成的断裂把基底和其他岩层中的壳源氦气释放出来，一起带入气藏，这类气藏主力氦源来自地幔（图6）。例如三水盆地，形成于北西— 南东向挤压背景下，沿北西向张性断裂发育的断陷盆地，沉积了巨厚的第三系，火山活动频繁、强烈， 岩浆岩夹杂于沉积岩之中，属于深源岩浆 ^[38] ，盆地中隶属于宝月气田的水深22、水深44 等气藏，以二氧化碳为主，氦气主要来自地幔流体，少部分来自壳源氦；二氧化碳主要为岩浆—幔源成因，也不排除部分二氧化碳来自被岩浆烘烤的碳酸盐岩、或热液与碳酸盐岩接触产生二氧化碳，也可能来自酸性地层水溶解碳酸盐岩生成二氧化碳 ^[38] 。松辽盆地万金塔二氧化碳气田中氦气接近富氦气藏，氦气富集模式与此相似，为壳—幔混合型，以幔源氦气为主，气藏的形成与万金塔构造紧邻郯庐大断裂有关，也可能是万金塔气田正好处于古火山口上 ^[19] 。

4.3 　以氮气为主的壳幔混合成因氦气富集模式

气藏以氮气为主，含少量烃类和二氧化碳气体，氦气中幔源氦的比例往往小于 50% ，多以壳源氦为主，氦气主要来自深部地壳 U 和 Th 的放射性衰变，氮气来自地壳深部含氮化合物经过高温裂解生成，高温来自岩浆烘烤或热液。在岩浆和热液作用下，一方面地壳中含氮化合物裂解产生氮气，另一方面，温度升高会突破氦气在各种矿物中封闭温度，有利于氦从矿物中释放，释放出的微量氦与含氮化合物产生的氮气先溶解于孔隙水中，水中溶解的气体如果达到饱和可以形成游离气往上运移。岩浆活动在地壳产生断裂，在幔源流体上涌的同时，驱使深部地壳流体沿断层往上运移，在适当圈闭中形成以氮气为主的富氦气藏。如果区内有多个气藏叠加，下部气藏中二氧化碳含量往往较高，主要是因为下部气藏更靠近幔源流体，也可以接受水中释放的二氧化碳（图 7 ）。

典型的实例有苏北盆地黄桥气田中的溪桥气藏，该气藏为富氦的氮气藏，另外该气田还有以烃类气体为主和以二氧化碳为主的气藏，二氧化碳气藏位于氮气藏的下部。溪桥气藏中幔源氦的比例多介于 30% ～ 50% 之间，受岩浆活动影响，氦气来自壳—幔混合来源。幔源流体驱使深部地壳流体沿断层向上运移，氮气和氦气优先占据上部储集空间，形成以氮气为主的富氦气藏，氦气不仅有来自壳源的贡献，幔源流体中的部分挥发性气体也有少部分混入到氮气藏中；幔源流体中的二氧化碳只能占据下部储集空间形成二氧化碳气藏，因二氧化碳气藏中仅存有幔源氦，未能形成富氦气藏。

5 　结论

中国含油气盆地中氦气的来源复杂，富集模式多样，无论哪种富集模式，都离不开主氦源对气藏的贡献。中、西部盆地氦气以壳源为主，富氦气藏中的主氦源——来自古老地层中 U 和 Th 经过长时间衰变生成、溶解在地层水中的水溶氦，氦气富集分 3 种模式。东部盆地氦气成因比较复杂，富氦气藏中的氦气主要来源有 2 个：一是来自深部地壳的、溶解在水中的壳源氦；二是来自地幔流体。东部氦源的富集模式也可分为 3 种。氦气富集模式的建立，可为氦气富集理论研究提供基础，对氦气资源的评价和勘探选区都有重要的参考作用。