氦气成藏机制研究进展

氦气是一种稀有的惰性气体，即使在极端环境下也可保持稳定，是高科技领域不可或缺的重要元素之一。地球上的氦气赋存形态主要有3种：①作为油气伴生气聚集于油气藏中；②作为非烃伴生气聚集于非烃气藏中；③作为水溶气存在于地热田中。通常认为，氦气含量大于0.1%的天然气井，就具有商业开发价值，足可见其稀有程度。甚至有说法认为美国页岩气开发成本居高不下却仍能持续推动的原因之一，就在于与页岩气伴生的氦气价值很高。

全球主要的氦气资源分布区与美国中部、加拿大、阿尔及利亚、卡塔尔、伊朗、中欧、俄罗斯和澳大利亚的油气产区基本重合。但天然气含氦量普遍不高，有不少石油公司或因不了解氦气的价值或根本不知道其所开采的天然气中含有高价值的氦气而将之随意排放。在2011年以前，全球还没有一个专以氦气勘探为目的的项目立项。

近10年来，氦气的勘探研究取得了长足的进展，尤其是对其生、运、储、盖等要素的认识更加深入。作为天然气的伴生气，氦气勘探在很多方面与油气勘探相似，但又存在不同。

1）源岩。氦最常见的稳定同位素是4He，主要由地壳和地幔中的铀和钍同位素（238U，235U 和232Th）衰变产生。因此氦气源岩通常需有足够浓度的铀和钍同位素，同时地质年代也需足够长，238U，235U和232Th的半衰期分别为44.68，7.00和140.50亿年。从这一点上看，全球克拉通基岩在年代上符合，其花岗质成分中含有（20~30）×10-6的钍，但铀的浓度不高，仅4×10-6。

2）成熟。研究表明，陆相沉积体系中的浅层（深度<2 km）水和气体里的氦浓度都较低，这主要与浅层沉积体系及其相关流体的年代相对较晚有关，更与磷灰石、锆石、沥青铀矿、独居石等含氦矿物在低于其闭合温度的情况下保存氦气的能力较强有关。以闭合温度大约是70 ℃的磷辉石为例，以地表温度10 ℃、平均地温梯度30 ℃/km计，只有在埋深达到2 km或更深时才会释放氦气。而富含氦气的天然气藏通常埋藏较浅，这意味着氦气的成藏必须具备深层氦气的释放和向浅层运移及富集的相关机制。

3）运移。扩散作用和浮力驱动的流动都是氦气从地壳向沉积盖层初次运移的机制。前者主要发生于较稳定的构造环境，后者则在发生于晚近期构造活跃区。氦气通过流动从深处陆壳向浅层运移需具备两个前提条件：一是热事件使地温高于各种矿物的闭合温度；二是需要载体将氦气带出源岩。地下水、氮气、二氧化碳或甲烷都是很好的载体。二次运移的方式包括游离气、溶于地下水以及静态流体扩散，但后者非常缓慢。美国多地有确凿的证据表明地下水参与了氦气的运移。除了随地下水运移，区域构造抬升或其他一些机制引发的压降也可能触发气体从溶液中脱溶，以游离气的形态进行二次运移。

4）聚集。溶有4He和N2的地下水与二氧化碳或甲烷形成平衡时，不溶解的4He和N2将率先从地下水中出溶并进入游离气相，也即脱气过程。在这种机理作用下，烃（或二氧化碳）受浮力驱动以气相形式通过溶有氦气和氮气的地下水运移至圈闭并最终形成富氦的烃（二氧化碳）气藏，其氦气富集程度取决于地下水中原有的氦气含量和烃气/水之比。类似地，地质圈闭中先存的烃或二氧化碳也会促进含有4He和N2的地下水脱气。

5）封盖。氦气穿过盖层所需的毛管压力与二氧化碳接近，因此，能够阻止二氧化碳和烃气逸散的盖层，对氦气也有封盖作用。低渗盖层，如蒸发岩或性质类似的岩层可长时间封闭氦气（>100 Ma），也有研究显示，渗透率更高些的盖层也具备一定的氦气封闭能力。英国学者依据这些理论，以东非大裂谷坦桑尼亚Rukwa盆地为对象展开了勘探实践，2021年8月所钻的两口探井均有氦气显示。

中国氦气资源并不丰富，但在东部郯庐断裂带两侧的含油气盆地，中部的四川盆地、鄂尔多斯盆地，西部的塔里木盆地都发现了多个含氦气的油气藏和非烃气藏。在进行油气勘探开发的同时，氦气相关研究也应引起足够的重视。