页岩气和煤层气中氦气富集机理与资源潜力:以川南页岩气和鄂东缘煤层气为例

doi:10.13745/j.esf.sf.2024.11.85

地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (5): 244-257.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2024.11.85

页岩气和煤层气中氦气富集机理与资源潜力:以川南页岩气和鄂东缘煤层气为例

陈燕燕¹(), 温志新¹, 陶士振¹^,^*(), 吴伟², 刘祥柏¹, 杨秀春³, 高建荣¹, 刘庆尧⁴, 李靖⁵, 杨怡青¹, 陈悦¹

1.中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
2.中国石油西南油气田分公司页岩气研究院, 四川成都 610041
3.中石油煤层气有限责任公司, 北京 100028
4.中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083
5.中国科学院西北生态环境资源研究院, 甘肃兰州 730000

收稿日期:2024-06-17 修回日期:2024-12-04 出版日期:2025-09-25 发布日期:2025-10-14
通信作者: 陶士振
作者简介:陈燕燕(1984—),女,博士研究生,高级工程师,主要从事油气地质、烃源岩地球化学及氦气地球化学研究。E-mail: yanychen@petrochina.com.cn
基金资助:
中国石油天然气集团有限公司关键核心技术攻关项目(2021ZG13)

Enrichment mechanism and resource potential of helium in shale gas and coalbed methane plays: A case study of shale gas in Southern Sichuan Basin and coalbed methane in Eastern Ordos Basin

CHEN Yanyan¹(), WEN Zhixin¹, TAO Shizhen¹^,^*(), WU Wei², LIU Xiangbai¹, YANG Xiuchun³, GAO Jianrong¹, LIU Qingyao⁴, LI Jing⁵, YANG Yiqing¹, CHEN Yue¹

1. The Research Institute of Petroleum Exploration and Development, PetroChina, Beijing 100083, China
2. Shale Gas Research Institute of PetroChina Southwest Oil&Gas Field Company, Chengdu 610041, China
3. PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028, China
4. The Department of Energies, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China
5. Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

Received:2024-06-17 Revised:2024-12-04 Online:2025-09-25 Published:2025-10-14
Contact: TAO Shizhen

摘要/Abstract

摘要：

近年来,国内外天然气藏中氦气相关研究日益增多,但研究对象多以常规天然气藏和致密气为主,页岩气和煤层气中氦气研究至今仍处于起步状态。本研究以四川盆地南部页岩气和鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)煤层气为研究对象,分析测试结果表明川南页岩气中氦气含量分布范围为0.020%~0.051%,鄂东缘煤层气中氦气含量分布范围为0.01%~0.16%。其中,三交北区块中煤层气氦气含量最高,为0.023%~0.16%,为富(含)氦煤层气。川南页岩气和鄂东缘煤层气中的³He/⁴He值较低,指示壳源放射性衰变氦为主要来源。典型富(含)氦气页岩气和煤层气精细解剖表明,在充足氦源补给、有效通源输导、良好保存条件和适宜天然气-氦气浓度匹配条件下能够形成自生自储型富(含)氦气藏。下伏古老克拉通基底、周边发育通源断层区域可作为氦气潜在有利勘探目标。经初步评价,三交北地区煤层气中氦气资源量为0.807×10⁸ m³,是潜在的大型氦气田,具有良好提氦潜力。本研究结果丰富了页岩气和煤层气氦气富集成藏理论,为探寻和发现页岩气和煤层气富氦气区提供了思路与方向。

关键词: 氦气, 煤层气, 页岩气, 富集机理, 资源潜力, 四川盆地, 鄂尔多斯盆地

Abstract:

Research on helium in natural gas reservoirs has been increasing in recent years. However,such research is mostly focused on conventional natural gas reservoirs and tight gas, while studies on helium in shale gas and coalbed methane are still in their infancy. This study takes the shale gas in the southern Sichuan Basin and the coalbed methane on the eastern edge of the Ordos Basin as the study subjects. Analytical results show that the helium content in the southern Sichuan shale gas ranges from 0.02% to 0.05%. While in the eastern Ordos coalbed methane, it ranges from 0.01% to 0.16%. Notably, the highest helium content in coalbed methane is found in the Sanjiao North block, ranging from 0.02% to 0.16%, rendering this block rich in helium. The ³He/⁴He ratios in both the southern Sichuan shale gas and eastern Ordos coalbed methane are relatively low, indicating that radiogenically produced (crustal) helium is the dominant source. Detailed dissection of typical helium-rich shale gas and coalbed methane reservoirs reveals that self-sourced and self-sealed helium enrichment can occur under the following conditions: sufficient helium source supply, effective migration pathways, good preservation conditions, and suitable natural gas-helium concentration matching. The underlying ancient cratonic basement and surrounding areas with well-developed faults (serving as conduits) are potential targets for helium exploration. Preliminary evaluation indicates that the helium resource volume in the Sanjiao North coalbed methane area is 80.7 million cubic meters (8.07×10⁷ m³), representing a potential large helium field with promising potential for helium extraction. The results of this study provide new insights into the enrichment mechanisms of helium in shale gas and coalbed methane, offering ideas and directions for exploring and discovering helium-rich reservoirs in these unconventional gas resources.

Key words: helium, coalbed methane, shale gas, enrichment, resource potential, Sichuan Basin, Ordos Basin

中图分类号:

P595
P632

陈燕燕, 温志新, 陶士振, 吴伟, 刘祥柏, 杨秀春, 高建荣, 刘庆尧, 李靖, 杨怡青, 陈悦. 页岩气和煤层气中氦气富集机理与资源潜力:以川南页岩气和鄂东缘煤层气为例[J]. 地学前缘, 2025, 32(5): 244-257.

CHEN Yanyan, WEN Zhixin, TAO Shizhen, WU Wei, LIU Xiangbai, YANG Xiuchun, GAO Jianrong, LIU Qingyao, LI Jing, YANG Yiqing, CHEN Yue. Enrichment mechanism and resource potential of helium in shale gas and coalbed methane plays: A case study of shale gas in Southern Sichuan Basin and coalbed methane in Eastern Ordos Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2025, 32(5): 244-257.

图/表 10

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盆地	区块	层位	CH₄ 含量/%	重烃含量/%	N₂ 含量/%	CO₂ 含量/%	He含量/ %	(³He/⁴He)/ 10^-8	⁴He/²⁰Ne	⁴⁰Ar/³⁶Ar	He含量>0.05% 井数/总样品数
四川页岩气	威远	五峰-龙马溪组	97.1~ 98.0 (97.7)	0.217~ 0.956 (0.502)	0.350~ 0.640 (0.460)	0.840~ 1.85 (1.30)	0.021~ 0.033 (0.026)	1.32~ 1.88 (1.65)	5 924~ 11 752 (9 113)	—	0/7
	长宁		97.2~ 99.0 (98.1)	0.166~ 0.517 (0.332)	0.260~ 0.610 (0.442)	0.250~ 1.70 (1.04)	0.018~ 0.051 (0.034)	0.86~ 1.55 (1.22)	23 346~ 32 686 (28 596)	—	1/6
	泸州		97.6~ 98.2 (97.9)	0.133~ 0.328 (0.250)	0.360~ 0.750 (0.495)	0.980~ 1.58 (1.33)	0.020~ 0.031 (0.026)	0.711~ 2.40 (1.42)	13 742~ 38 133 (29 929)	—	0/21
	大足		97.6~ 98.3 (98.0)	0.219~ 0.552 (0.398)	0.400~ 0.620 (0.505)	0.710~ 1.35 (1.07)	0.023~ 0.049 (0.035)	1.19~ 1.82 (1.40)	10 284~ 17 357 (12 438)	—	0/8
鄂尔多斯煤层气	保德	石炭—二叠系	89.1~ 94.0 (92.0)	0.010~ 0.120 (0.048)	1.36~ 3.90 (2.64)	1.82~ 8.94 (5.09)	0.010~ 0.030 (0.016)	—	—	—	0/11
	三交北		78.2~ 97.0 (87.3)	5.93~ 9.60 (7.92)	0.127~ 4.50 (1.63)	0~ 2.30 (0.834)	0.023~ 0.160 (0.078)	2.83~ 5.72 (3.59)	—	431~ 572 (504)	24/38
	大宁-吉县		84.4~ 96.8 (92.0)	0.044~ 1.19 (0.280)	0.11~ 3.96 (0.697)	0.542~ 6.271 (3.41)	0.017~ 0.087 (0.038)	1.92~ 4.59 (3.22)	—	299~ 339 (321)	1/26

盆地	区块	层位	CH₄ 含量/%	重烃含量/%	N₂ 含量/%	CO₂ 含量/%	He含量/ %	(³He/⁴He)/ 10^-8	⁴He/²⁰Ne	⁴⁰Ar/³⁶Ar	He含量>0.05% 井数/总样品数
四川页岩气	威远	五峰-龙马溪组	97.1~ 98.0 (97.7)	0.217~ 0.956 (0.502)	0.350~ 0.640 (0.460)	0.840~ 1.85 (1.30)	0.021~ 0.033 (0.026)	1.32~ 1.88 (1.65)	5 924~ 11 752 (9 113)	—	0/7
	长宁		97.2~ 99.0 (98.1)	0.166~ 0.517 (0.332)	0.260~ 0.610 (0.442)	0.250~ 1.70 (1.04)	0.018~ 0.051 (0.034)	0.86~ 1.55 (1.22)	23 346~ 32 686 (28 596)	—	1/6
	泸州		97.6~ 98.2 (97.9)	0.133~ 0.328 (0.250)	0.360~ 0.750 (0.495)	0.980~ 1.58 (1.33)	0.020~ 0.031 (0.026)	0.711~ 2.40 (1.42)	13 742~ 38 133 (29 929)	—	0/21
	大足		97.6~ 98.3 (98.0)	0.219~ 0.552 (0.398)	0.400~ 0.620 (0.505)	0.710~ 1.35 (1.07)	0.023~ 0.049 (0.035)	1.19~ 1.82 (1.40)	10 284~ 17 357 (12 438)	—	0/8
鄂尔多斯煤层气	保德	石炭—二叠系	89.1~ 94.0 (92.0)	0.010~ 0.120 (0.048)	1.36~ 3.90 (2.64)	1.82~ 8.94 (5.09)	0.010~ 0.030 (0.016)	—	—	—	0/11
	三交北		78.2~ 97.0 (87.3)	5.93~ 9.60 (7.92)	0.127~ 4.50 (1.63)	0~ 2.30 (0.834)	0.023~ 0.160 (0.078)	2.83~ 5.72 (3.59)	—	431~ 572 (504)	24/38
	大宁-吉县		84.4~ 96.8 (92.0)	0.044~ 1.19 (0.280)	0.11~ 3.96 (0.697)	0.542~ 6.271 (3.41)	0.017~ 0.087 (0.038)	1.92~ 4.59 (3.22)	—	299~ 339 (321)	1/26

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		威远	寒武系筇竹寺组		1 400	0.02	[16]
		彭水	五峰组-龙马溪组	2 313~2 341	986~1 000(993)	0.03	[3]
		焦石坝	五峰组-龙马溪组		340~620(450)	0.004~0.03	[34]
		宜昌	寒武系水井沱组	1 894.1~ 2 113.5	100~3 100 (1 600)	0.04~0.08 (0.066 7)	[29]
煤层气	六盘水		二叠系	899	41~1 136(336)		[35]
	鄂尔多斯	石西	二叠系太原组		500~2 300 (1 300)	0.01~0.03	[8]
	英国 Central Scotland	Airth	石炭系	892~1 059	1 110~2 980 (1 866)	0.172~0.187 (0.179)	[30]
	英国 Central England	South Yorkshire	石炭系	300	340~1 100 (672)	0.001 9~0.042 9 (0.180)	[30]
	波兰 Lublin		石炭系		4 400~19 000 (11 700)		[32]
	波兰 Upper Silesia		石炭系宾夕法尼亚亚系		300~3 500 (1 357)		[32]
	波兰 Lower Silesia		石炭系宾夕法尼亚亚系		60~3 600 (1 432)		[33]
	澳大利亚 Bowen	断裂附近	二叠系	176.6~332.9	4 200~16 500 (7 100)		[31]

类型	盆地	地区	层位	深度/m	He含量/10^-6	R/R_a	引用文献
页岩气	四川	威远	五峰组-龙马溪组	1 520~1 523	451.4~1 286.3(869)	0.03	[3]
		威远	寒武系筇竹寺组		1 400	0.02	[16]
		彭水	五峰组-龙马溪组	2 313~2 341	986~1 000(993)	0.03	[3]
		焦石坝	五峰组-龙马溪组		340~620(450)	0.004~0.03	[34]
		宜昌	寒武系水井沱组	1 894.1~ 2 113.5	100~3 100 (1 600)	0.04~0.08 (0.066 7)	[29]
煤层气	六盘水		二叠系	899	41~1 136(336)		[35]
	鄂尔多斯	石西	二叠系太原组		500~2 300 (1 300)	0.01~0.03	[8]
	英国 Central Scotland	Airth	石炭系	892~1 059	1 110~2 980 (1 866)	0.172~0.187 (0.179)	[30]
	英国 Central England	South Yorkshire	石炭系	300	340~1 100 (672)	0.001 9~0.042 9 (0.180)	[30]
	波兰 Lublin		石炭系		4 400~19 000 (11 700)		[32]
	波兰 Upper Silesia		石炭系宾夕法尼亚亚系		300~3 500 (1 357)		[32]
	波兰 Lower Silesia		石炭系宾夕法尼亚亚系		60~3 600 (1 432)		[33]
	澳大利亚 Bowen	断裂附近	二叠系	176.6~332.9	4 200~16 500 (7 100)		[31]

区块	埋深/m	页岩或煤厚度/m	含气量/ (m³·t^-1)	U含量/ (μg·g^-1)	Th含量/ (μg·g^-1)	产氦通量/ (cm³·g^-1·a^-1)	生氦时间/ Ma	产氦量/ (m³·t^-1)	氦气比例/ 10^-6
威远	2 000~3 500	200~400	4.2	9.71	16.5	1.645 71×10^-12	442	0.000 727	173
长宁	2 300~3 200	300~400	3.27	17.7	8.97	2.393 92×10^-12	442	0.001 058	324
泸州	3 540~4 625	300~650	6.8	17.4	11.8	2.438 96×10^-12	442	0.001 078	158
大足	3 500~4 500	200~530	4.8	15.9	15.3	2.358 39×10^-12	442	0.001 042	217
保德	300~800	18~32.1	8	7.11	25.6	1.139 59×10^-12	290	0.000 330	88.0
三交北	700~1 200	9~18	17	4.73	19.1	1.645 71×10^-12	290	0.000 727	19.1
大宁-吉县	1 000~2 600	6~15.8	22	5.16	18.0	2.393 92×10^-12	290	0.001 058	15.0

页岩气和煤层气中氦气富集机理与资源潜力:以川南页岩气和鄂东缘煤层气为例

Enrichment mechanism and resource potential of helium in shale gas and coalbed methane plays: A case study of shale gas in Southern Sichuan Basin and coalbed methane in Eastern Ordos Basin

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