氦气广泛用于航天、国防、医疗、科研、电子行业等领域，是重要的矿产资源。氦气与天然气运聚成藏机制与分布富集既具有共同点又有差异性，它们同样遵从源岩到圈闭的“含（油）气系统”共性规律，具备相同/相似的静态地质要素和动态地质过程，也同样存在“生、储、盖、圈、运、保”6大地质要素；同时两者之间又存在明显的差异性，特别是“生—运—聚”微观机理和分子动力学过程方面差异显著。天然气中氦气有几种来源？
天然气中氦气来源有三种：地壳放射性元素衰变、地幔来源、大气来源。工业上可开采的天然气田中的氦资源大多来自地壳或地幔，地壳中的氦来源于放射性元素铀、钍的衰变。幔源氦是地球深部的地幔挥发出来的氦气，可以通过深大断裂或岩浆活动上升到地壳中。而大气中氦含量很少，体积分数仅为5.24ppm，并且提氦成本极高。一般用氦同位素组成特征判断氦气来源，不同的氦气来源，其同位素组成不同，当3He/4He为1.4×10-6 时，表明为大气来源氦气；当3He/4He为n×10-8~ n×10-9时，表明为壳源氦；当3He/4He为1.1×10-5或更高时，为幔源氦。中国典型含油气盆地天然气及地热水气体和CO2/3He与R/Ra关系图
氦气运移相态主要有哪几种类型？
氦气在初次和二次运移过程中主要有“水溶相、气容相、游离相”3种主要赋存状态和运移相态。其中，“水溶相”是氦气运移的普遍方式，以地下流体（主要是水或水气油等混相）作为载体运移，运移通常发生于水动力活跃地区，如四川威远震旦系气田；“气容相”主要形成于天然气二次运移过程中，天然气不断从富氦地层水中“萃取”或“置换”氦，然后运移到圈闭中聚集成藏，如柴达木东坪气田；“游离相”主要形成于氦源岩内部初次运移过程中，U、Th元素衰变释放的氦气沿着晶间缝或微裂隙以游离相或扩散方式运移，以游离相运移通常发生在自由水缺乏的区域，或二次运移到达较浅部位，由于温度压力下降，溶解度降低，水中溶解氦因过饱和而被释放，特别是在孔缝中自由水缺乏的情况下，会存在一定时空范围内的小微气泡状游离相氦气运移。
地下流体中氦气运移3种相态示意图
氦气运移方式和主要型式有哪几种类型？
氦气运移方式主要有三种：集群搬运（地下流体中成群的氦气分子，以溶解态、混合气相或游离态等相态，在压力梯度作用下集群式移动）、微细渗流、分子扩散。
氦气运移的主要型式或地质模式，与氦气及载体气形成的构造动力学背景及输导体系的空间构型有关，可以概括位东部伸展裂陷背景下的“T”或“蘑菇状”运移型式（徐深、花沟富/含氦气田）、“垂向→横折”的“厂”字型运移型式（金秋、东胜等富氦气田）、西部挤压背景下的“顺层爬坡”式运移（东坪、和田河等富氦气田）。
壳源富氦天然气藏成藏机理示意图
氦气聚集和成藏对盖层封闭保存条件有何要求？
天然气及氦气的成藏和保存受“氦源—盖层”共同控制。富氦气藏犹如一个酒坛，上面必须有严实合缝的封盖物（盖子/被子），才能阻止“酒精挥发”散失。尽管含氦混合气体可以一定程度上阻止氦气运移和散失，盖层中水溶解度低，加大了氦的逃逸难度。但氦气分子小极易扩散散失，含氦混合气体在后期构造活动破坏作用下，氦气优先散失。目前全球发现的有规模的富氦气田主要是膏岩、盐岩、泥页岩等优质盖层，盖层是圈闭三大关键要素之一，特别是天然气—氦气兼探风险井部署时更不可忽视盖层条件，以确保钻探成功率。含氦天然气藏中盖层封闭与扩散
氦气成藏与富集受控于哪三大要素？
氦气富集受控于“优质氦源、高效输导、适宜载体”三大要素。岩石中的U、Th元素通过α衰变释放壳源4He，而幔源3He来自地球形成时获得的原始He，壳源He与幔源He被载体气稀释后按比例输入储层；东西部地区壳源He输导体系包括盆地基底断裂体系和天然气成藏系统输导体系（断裂、不整合面及输导层），经历垂向和横向不同运移组合方式，东部地区为壳幔混源，对于幔源He，深部运移与深大断裂-岩浆活动有关，浅部运移依附于基底断裂和天然气成藏系统输导体系；地下不同性质流体介质是氦气运移、中转和赋存的载体，除了地下水作为载体即水溶氦形式以外，少数存在游离态氦，地下多相流体如各种熔浆、熔融物质、热液挥发分、伴生气等，均可作为氦气的赋存运移载体或特定区域内的运载介质。氦气富集需要有适宜载体，如天然气相对低充注、低压或常压、适度规模等条件。
含氦气系统“生-运-聚”过程示意图
氦气分布的地质规律或控制要素有哪些？
氦气具有分布于“近氦源、邻断裂、低势区、高部位”的地质规律或控制要素。构造高点通常是氦气运移的有利低势区，可由构造抬升造成，也可以由非均匀沉降造成，如伸展裂陷导致非均匀沉降过程中形成的断凸和断隆（块）高点是氦气及天然气运聚有利区。
上述四要素是富氦气藏形成与分布有利条件（因素）或必要条件，但未必是充分条件，富氦气藏的形成与分布需要有利的“生—运—聚”系统要素时空耦合匹配。
氦气生运聚地质理论框架模型示意图
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供稿：中国石油勘探开发研究院 陶士振 教授级高级工程师
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