The static geological elements and dynamic processes of the helium-bearing systems

doi:10.13745/j.esf.sf.2025.6.14

Abstract

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

CLC Number:

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.

Figures/Tables 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