氦气成藏研究进展

张明升，张金功，张建坤，戚林河

(1.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西 西安710018)

氦气是一种惰性气体，很少与其他化学元素化合，由于其特殊的物理化学性质，尤其是其在低温下成为液体的特性和化学性质惰性，使氦气在国防工业、航天工业、核工业、临床医学、化学工业等高科技领域都有广泛应用。目前，世界氦气的产地主要分布在美国、阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯、波兰等国，其中美国占据了世界氦气产量和储量的大部分，拥有绝对的话语权。与此同时，世界各国对氦气的需求量在以每年4%～6%的速率增加［1－3］。目前，我国的氦气主要靠进口，只有四川自贡威远气田中的氦气得到提取利用(氦含量只有0.2%)，并且曾经一度停产，目前提取出的氦气基本用于潜艇。由于美国将氦气资源列为战略储备资源而限制粗氦产量，液氦价格直线飙升［3］;同时，由于俄罗斯正在推动的联邦规划《俄罗斯的氦》和联邦法律《氦法》，氦气成为中俄天然气合作的一大障碍［4］，预计未来中国氦气将会更加受制于人。

1 氦气的成因及来源

1.1 地壳中氦气的来源

氦有3He和4He两种稳定同位素。Ballentine等(2000)提出氦的同位素主要有三个来源，即大气源，壳源(放射性来源)和幔源(见图1)［5－6］。大气源的氦气主要通过地下水的循环进入盆地流体系统。在盆地地下水的补给区，大气中的氦气会溶解到补给水中，随着地下水从补给区向排泄区运移，最终运移到油气藏中，发生油―气―水的交换，造成氦气在油气藏中的聚集。壳源(放射性来源)的氦气是由矿物、岩石中含有的铀、钍元素发生放射性衰变产生的，主要是4He。幔源氦气是地幔中的氦气通过岩浆活动发生脱气作用释放的，主要为3He。

图1 天然气气藏中氦气的来源(据Ballentine，2002，修改)

1.1.1 大气源 He

大气中的He主要是由大洋中脊的火山喷发、岩浆脱气和岩石风化作用释放出来的。大气中He的含量非常少，含量为5.24 L/km3［7］，所以在地下水补给区溶解到水中，随着地下水循环进入盆地流体系统的He是非常少的，通常是忽略不计的，因此地下流体中的He主要是壳源(放射性来源)和幔源的。

1.1.2 壳源(放射性来源)4He

自然放射性元素238U、235U和232Th衰变会产生4He，主要放射衰变反应为(1)238U→84He+6β +206Pb;(2)235U→74He+4β +207Pb;(3)232Th→64He+4β +208Pb(见表 1)［7－9］。

壳源氦气的的产率主要取决于岩石中的的铀、钍的含量，含量越多，放射衰变产生的氦气越多。

表1 产4 He主要衰变反应和产率

1.1.3 幔源3He

盆地中和油气藏中发现相当数量的幔源的3He。地幔中包含3He、CO2、N2、CH4等挥发物，通过岩浆活动脱气，进入盆地流体系统中。幔源3He的存在意味着盆地底部有构造活动的存在，因为只有地幔熔融和岩浆活动才能源源不断地把3He和其他挥发物运移输送到盆地流体系统中［10］。

1.2 氦气来源背景的确定

3He、4He成因的差异为不同来源的氦提供了判识标志。可以根据3He/4He的比值来确定氦的来源背景，通常大气源的3He/4He值为1.4×10－6;壳源的3He/4He值为 2 ×10－8;幔源的3He/4He值为 1.1 × 10－5［11］。也常用样品氦的3He/4He 值(R)比大气氦的3He/4He值(Ra)来表示气样的氦同位素特征，即R/Ra=(3He/4He)样品/(3He/4He)大气。在天然气藏中大气氦的组分少到可忽略，因而可不考虑大气氦的来源，从而可以用二元复合模式计算天然气样品中壳源和幔源所占份额，其计算公式为:

在用R/Ra表示气样氦同位素分布特征时，当(R/Ra)＞1，表示气样中幔源氦份额大于12%;当(R/Ra)＞0.1时，幔源氦份额大于1.2%;当(R/Ra)＜0.1时，可以认为天然气中氦基本来自壳源［12－16］。

2 氦气聚集与地层的关系

天然气中氦气的含量与储层的时代有关系。氦气在任何时代的储层中都有聚集，但是根据美国矿务局对美国天然气储层的调查发现，在所有的含氦天然气藏的气样中，66%都是古生代的，17%是中生代的，以及17%是新生代的，储层年龄越老，氦气含量越高［17］，而这个年龄更可能是氦气开始向储层运移时的年龄而不是储层形成的年龄，即氦气向储层中运移时的年龄越老，氦气含量越多［18］。

同时代的储层中，天然气中氦气的含量与储层的深度有关系。对苏联贝加尔褶皱区在古生代沉积的游离气中氦气含量与沉积盖层厚度关系发现，含氦量与沉积盖层厚度呈相反的相关关系，盖层厚度越薄，含氦量越高［19］;对美国天然气储层中含氦量研究也发现，含氦量随着储层深度的增加而减小，氦气主要聚集在 500 ～5 000 m 深度的储层中［17－18］。

总的来说，氦气向储层中运移时的年龄与氦气含量呈正相关;同时代的储层中，储层埋深与氦气含量呈负相关。

3 氦气的成藏

3.1 氦气从地壳中的释放

4He是由矿物、岩石中含有的铀、钍元素发生放射性衰变产生的，所以，氦气首先需要从地壳矿物中释放出来。氦气从地壳矿物中的释放主要有四种方式:衰变反冲释放、扩散释放、破裂释放和矿物转变释放［5］。

(1)衰变反冲释放。矿物中的铀元素衰变产生的高能α粒子会喷射反冲一定的距离，称为“停止距离”，主要由矿物的密度决定。当含铀元素的矿物晶粒尺寸接近“停止距离”时，有相当量的氦会从矿物晶粒中释放出来。

(2)扩散释放。扩散是氦气从地壳矿物中释放最直接的方式，往往伴随着其他释放机制同时进行的。矿物中氦气的扩散受到矿物颗粒大小和时间的控制，矿物颗粒越小，扩散系数越大，氦气从矿物中释放所需要的时间越短。

(3)破裂释放。脆性岩石在上伏载荷的压力下破裂形成裂隙。矿物出现裂缝后，聚集在晶粒内的氦会沿着裂隙快速的释放出来，氦气释放量与裂隙体积成正比，并且沿裂隙以扩散的方式进行释放。

(4)矿物转变释放。矿物在成岩作用、变质作用的变化会导致其晶格中的氦释放出来，最典型的就是矿物的重结晶作用。虽然这种机制是微观意义上的，但是可以导致地壳中氦的大规模释放。

3.2 氦气的成藏机理

迄今为止世界上还没有发现任何单一的纯氦气藏，氦气大多与天然气(包括烃类气、二氧化碳气等)伴生在同一气藏中形成伴生气或溶解在水中形成水溶气，其中，在天然气气藏中，氦气量只要占到0.05～1%以上，即可达到工业开采价值。

氦气从矿物中释放出来以后，会进入邻近的流体系统中。释放出来的氦气数量较少，不能使它以单一氦气的形式运移，而只能和其他流体一起运移。这些流体可以是油、气、水或岩浆等［5］。

断裂和裂缝是氦气运移的有效通道。断裂可将任何深度围岩中的氦捕集起来，并可作为氦流向地表的通道。在深处，断层可插入岩浆刺穿构造中，并将氦和其他脱出的气体运送到储层中聚集成藏［20］。幔源或深地壳氦气通过深大断裂和裂隙进行垂向运移，再通过断裂或裂隙向油气圈闭中运移并聚集［21］。

3.2.1 氦气―岩浆―富氦天然气气藏成藏模式

地幔中He、CO2、N2、CH4等天然气混入岩浆后，随着岩浆向地壳浅部运移，随着温度和压力的降低，岩浆脱气将He等天然气等脱出，脱出的He等天然气充注到临近的储集层中可直接形成气藏，也可沿其他断裂继续上运再聚集成藏［22－24］。岩浆活动的存在，是形成这种聚集的首要条件。

3.2.2 氦气―地下水―富氦天然气气藏成藏模式

氦气从矿物中释放出来后，首先溶解到孔隙水中，并随着孔隙水一起运移。在此期间，如果有另一种气体(烃类气体、二氧化碳气等)进入水中，氦气会被抽吸到该气体中，并随该气体运移，若该气体运移到圈闭中，则聚集起来形成气藏，主要有三种聚集模式:(1)烃类气体在富集了氦气的孔隙水中运移，气体会抽吸溶于孔隙水中的氦气。氦气随气体运移进入圈闭，聚集成藏;(2)含氦的孔隙水流过天然气气藏底部或过渡带时，气体会抽吸孔隙水中的氦进入气藏中直接成藏;(3)无论是有机成因的幔源CO2，还是有机脱碳形成的CO2，在富集了氦气、氮气和甲烷的孔隙水中运移，CO2会抽吸溶于孔隙水中的氦气，CO2会溶于水中，使氦气在剩余的气体中富集［18］。

3.2.3 地热田中氦气成藏

国内外地热田进行研究时，发现地热田土壤气和地热水存在氦异常，例如美国的罗斯福温泉地区以及我国的渭河盆地。

地表氦气分布与地热有对应关系。根据对美国犹他州罗斯福温泉地区地热田地表土壤氦气的研究发现:土壤气中氦气的浓度在生产热水的地热田区较高;高地表氦异常和地热井的深度不一定相关［25］。

地热系统中的热与氦存在独特的一致性，因为地球上75%的地热和几乎所有4He都是由铀、钍等的放射产生的［26］，热和氦气地下水中的运移也具有耦合性［27］。所以，可以用氦气来指导地热的勘探［28］。

氦可以从地热田下面的正在冷却的岩浆体中释放出来，并直接通过上覆地层进行扩散，或与热水、水汽和从冷却岩浆体中释放出来的蒸汽相混合，然后通过可渗透岩石或沿断裂带运移出来。这种气体缓慢渗入地表的地下水中，并使土壤气体中富含氦气。这种上升的气体和热水系统也可将原先存于围岩中的氦运送到地表，可形成含氦的温泉、蒸汽喷口或间歇喷泉［24］。

4 结语

在中国，九十年对氦气成藏方面的研究较多，如徐永昌、陶明信等对中国氦同位素分布和幔源氦气成藏进行了较多的研究［12－16］，之后研究较少。现在，中国在氦气成藏理论方面的研究相对滞后与国外。同时，中国氦气主要依赖进口，而主要产氦国都开始限制粗氦的生产和出口，需要把氦气需求转向国内。因此，这就需要借鉴国外氦气成藏的研究方法和成果，结合中国实际地质条件，加紧对氦气成藏理论方面的研究;在理论指导下，加强对国内氦气的勘探.

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