含氦气系统静态地质要素和动态作用过程

doi:10.13745/j.esf.sf.2025.6.14

摘要/Abstract

摘要：

本文运用系统论的思路方法,洞察和剖析含氦气系统静态地质要素和动态作用过程,理清氦气与天然气两个系统耦合关系,以提高富氦资源探寻和评价预测的系统性、综合性和可靠性,降低氦气资源勘探风险。含氦气系统与含油气系统有融合相通之处,也有本质区别。含氦气系统包括有效氦源、输导体系和聚集载体组成的静态地质要素和氦气生成过程、运移过程和聚集过程组成的动态作用过程,涵盖了多方面的复杂因素和作用过程。氦气沸点极低,通常认为难以与其他元素/分子发生物理化学反应或以离子键/共价键形成化合物,氦气主要由铀钍元素衰变产生,不同于有机质热演化生成油气的成因机制,氦气特殊的性质导致氦气有着不同于油气的“生—运—聚”过程。通过对含氦气系统“生—运—聚”要素的描述,对富铀钍元素的壳源氦源岩与由此生成的具有经济效益的富氦气藏之间的氦气系统因果关系研究,可以对氦气生成、运移和聚集过程进行综合逻辑分析和过程追踪。含氦气系统静态地质要素与动态作用过程在合适时间和空间下有效匹配才有可能形成富/含氦气藏,对其系统研究可应用于查明氦气富集机制、开展资源富集区优选及目标评价,提高勘探成功率。

关键词: 氦气, 含氦气系统, “生—运—聚”要素, 静态地质要素, 动态作用过程, 氦气系统描述评价

Abstract:

Helium-bearing systems share similarities with petroleum systems but are fundamentally distinct. A helium-bearing system comprises static geologic elements—including effective helium source rocks, migration conduits, and reservoirs/traps—and dynamic geologic processes: generation, migration, and accumulation. These processes encompass a wide range of complex factors and mechanisms. Helium has an extremely low boiling point, is chemically inert, and is not subject to biodegradation. These properties result in a generation-migration-accumulation (GMA) process differing significantly from that of hydrocarbon gases. Describing the GMA process of helium-bearing systems and examining the origin of uranium- and thorium-rich crustal helium source rocks and the resulting commercial helium accumulations enables a comprehensive and logical explanation and process tracing of helium generation, migration, and accumulation. The spatiotemporal coupling of the static geologic elements and dynamic geologic processes within such a system creates the probability of forming helium-rich or helium-bearing accumulations. A systematic approach to helium-bearing systems provides a foundation for helium exploration and resource assessment.

Key words: helium, helium-bearing systems, “generation-migration-accumulation” system, static geological elements, dynamic processes, descriptive evaluation

中图分类号:

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YANG Yiqing, TAO Shizhen, LI Jian, YANG Wei, CHEN Yue, GAO Jianrong, WANG Xiaobo, CHEN Yanyan, LIU Xiangbai. The static geological elements and dynamic processes of the helium-bearing systems[J]. Earth Science Frontiers, 2025, 32(5): 230-243.

图/表 13

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系统要素与评价思路差异性				天然气系统	氦气系统
成藏要素差异	气源	气源		有机质	²³⁵U、²³⁸U、²³²T于地壳中衰变产生α粒子。
		成熟演化		烃源岩埋藏热演化,有机质生气。	富U、Th源岩长时间衰变释放氦气的积累。
		分子特征		分子相对较大、渗透性较强、浓度相对较高。	分子小、渗透性极强、浓度很低。
	运移	初次运移		生烃增压(从固态干酪根到流体油气的相变导致体积增加)	矿物受热至闭合温度以上,伴随岩石和矿物的压裂和矿物溶解而释放运移。
		二次运移	动力	浮力驱动(常规气)、生气增压活塞式驱动或扩散(非常规致密气等)。	地下水动力、浮力驱动、亨利效应。
		二次运移	分异分馏	分子结构相对复杂、化学性质各异,经历的组分分异和同位素分馏效应相对复杂。	分子结构简单、化学性质稳定,经历的组分分异和同位素分馏效应相对简单或较弱。
	聚集	聚集 (储层+圈闭)		天然气聚集于有效圈闭或甜点中	依附于圈闭中载体气,含氦过饱和水脱气或存在气相时脱溶进入天然气藏。
	聚集	保存		盖层及侧向致密层毛细管压力封闭	上覆盖层及侧向致密层有效封闭
勘探评价思路差异	资源丰度的耦合/ 互补性	“气-氦”含量的相对性		区域氦源供氦通量相近的情况下,特定井区氦气含量与天然气充注强度和聚集规模呈反相关,或具有不确定性,由于氦气聚集的特殊性,因此找到天然气不一定找到氦气。
		资源分布的互补性		氦气勘探需遵循“气-氦”兼探/并探,以氦气普查勘探为先导,联动、促动天然气互补性勘探;考虑氦气与天然气的互补性,有可能在富氦层系之下之上、之外,能找到天然气规模聚集有利区。
		勘探目标		“高”(丰度、生烃强度)、“大”(资源/储量规模)、“强”(充注强度、含气饱和度)目标区。	“生”(古老基底)、“运”(多级次断裂沟通氦源形成输导体系)、“聚”(汇入与天然气伴生于有效密封的圈闭内)匹配区。
	勘探评价	成藏条件研究		根据天然气成藏条件及其时空匹配综合评价	氦气“生—运—聚”系统综合评价,包括静态地质因素和动态作用过程评价。
	勘探评价	评价预测思路		根据天然气藏形成条件与富集规律,通过已知典型气藏解剖,发现和揭示特定气区分布和富集主控因素,评价和预测未知领域有利区带和目标。	不能“以气找氦”“以气评氦”、不能以“氦气含量类比”类推,需要依据氦气系统自身规律及其与天然气系统耦合关系,评价预测未知区资源潜力和规模。

系统要素与评价思路差异性				天然气系统	氦气系统
成藏要素差异	气源	气源		有机质	²³⁵U、²³⁸U、²³²T于地壳中衰变产生α粒子。
		成熟演化		烃源岩埋藏热演化,有机质生气。	富U、Th源岩长时间衰变释放氦气的积累。
		分子特征		分子相对较大、渗透性较强、浓度相对较高。	分子小、渗透性极强、浓度很低。
	运移	初次运移		生烃增压(从固态干酪根到流体油气的相变导致体积增加)	矿物受热至闭合温度以上,伴随岩石和矿物的压裂和矿物溶解而释放运移。
		二次运移	动力	浮力驱动(常规气)、生气增压活塞式驱动或扩散(非常规致密气等)。	地下水动力、浮力驱动、亨利效应。
		二次运移	分异分馏	分子结构相对复杂、化学性质各异,经历的组分分异和同位素分馏效应相对复杂。	分子结构简单、化学性质稳定,经历的组分分异和同位素分馏效应相对简单或较弱。
	聚集	聚集 (储层+圈闭)		天然气聚集于有效圈闭或甜点中	依附于圈闭中载体气,含氦过饱和水脱气或存在气相时脱溶进入天然气藏。
	聚集	保存		盖层及侧向致密层毛细管压力封闭	上覆盖层及侧向致密层有效封闭
勘探评价思路差异	资源丰度的耦合/ 互补性	“气-氦”含量的相对性		区域氦源供氦通量相近的情况下,特定井区氦气含量与天然气充注强度和聚集规模呈反相关,或具有不确定性,由于氦气聚集的特殊性,因此找到天然气不一定找到氦气。
		资源分布的互补性		氦气勘探需遵循“气-氦”兼探/并探,以氦气普查勘探为先导,联动、促动天然气互补性勘探;考虑氦气与天然气的互补性,有可能在富氦层系之下之上、之外,能找到天然气规模聚集有利区。
		勘探目标		“高”(丰度、生烃强度)、“大”(资源/储量规模)、“强”(充注强度、含气饱和度)目标区。	“生”(古老基底)、“运”(多级次断裂沟通氦源形成输导体系)、“聚”(汇入与天然气伴生于有效密封的圈闭内)匹配区。
	勘探评价	成藏条件研究		根据天然气成藏条件及其时空匹配综合评价	氦气“生—运—聚”系统综合评价,包括静态地质因素和动态作用过程评价。
	勘探评价	评价预测思路		根据天然气藏形成条件与富集规律,通过已知典型气藏解剖,发现和揭示特定气区分布和富集主控因素,评价和预测未知领域有利区带和目标。	不能“以气找氦”“以气评氦”、不能以“氦气含量类比”类推,需要依据氦气系统自身规律及其与天然气系统耦合关系,评价预测未知区资源潜力和规模。

划分方案	类型	亚类/特征
地球圈层	幔源	R/Ra>0.5
	壳源	R/Ra<0.1
	大气源	³He/⁴He=1.4×10^-6
岩石类型	岩浆岩	花岗岩、伟晶岩等
	沉积岩	黑色页岩、铝土岩、煤等
	变质岩	片麻岩、花岗片麻岩、板岩等
含气系统	天然气系统	生、储、盖岩石
	基底	古老基底富U、Th各类岩石
	地幔	地球形成时的原始氦

划分方案	类型	亚类/特征
地球圈层	幔源	R/Ra>0.5
	壳源	R/Ra<0.1
	大气源	³He/⁴He=1.4×10^-6
岩石类型	岩浆岩	花岗岩、伟晶岩等
	沉积岩	黑色页岩、铝土岩、煤等
	变质岩	片麻岩、花岗片麻岩、板岩等
含气系统	天然气系统	生、储、盖岩石
	基底	古老基底富U、Th各类岩石
	地幔	地球形成时的原始氦

运移方式	运移相态	运移特征	地质背景	理聚集方式和机	实例
分子扩散	离散相	离散分子相态扩散	存在氦浓度差的时空区域	离散氦分子直接汇入气相(藏),或依附气/水载体运移进入气藏	深层页岩气田、基底花岗质岩类气田
溶氦水流	水溶相	水动力强, 水流动	经历构造抬升,温压和流体势场改变	构造抬升,温压降低,溶解度下降,富(含)氦地层水脱溶聚集成藏	Hugoton-Panhandle气田、威远气田
游离气相	气容相	气流动, 水相对不动	古老地层水中富氦,气相规模适中	游离气“萃取”或“置换”运移进入气藏	东坪气田