张瑾, 张凤奇, 邹彦荣, 任小庆, 陈红果, 王鹏涛, 茹荣, 张文

油气藏评价与开发 2025, 15 (3): 463-470. DOI:10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2025.03.013

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氦气是一种稀有惰性气体，在军工、航天、医学等多个领域发挥着不可替代的作用，但中国可供利用的氦气资源稀缺，目前尚未发现独立成藏的氦气资源，已知的氦气赋存形式主要包括天然气伴生型和地热水伴生型2种。鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区和渭河盆地作为2种类型氦气资源的典型盆地，以此为研究对象，通过开展两地氦气同位素质谱分析、岩石放射性元素分析等方法，对采集的研究区伴生气、岩心和周边潜在的氦气源岩样品进行化验分析。结果表明，鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区氦气为典型的壳源成因氦气，渭河盆地在宝鸡—咸阳断裂、秦岭山前断裂等沟通基底的深大断裂附近，幔源成因氦气体积分数占比较高（最高达到6.959%）。渭河盆地和鄂尔多斯盆地同属华北板块西南缘，盆地基底组成均包括太古界—元古界变质岩-花岗岩系，构成了地区氦气形成的主要源岩，而渭河盆地氦气的主要源岩还包括周缘燕山期富铀花岗岩和盆地深部同时期隐伏花岗岩体。两地基底沉积岩系因U、Th元素质量分数较低或脱附气氦气量低于基底变质岩系，均不能作为主要氦气源岩。两地氦气的形成、运移、聚集整个过程均受源岩和断裂控制，与深大断裂带的展布密切相关。依据以上结论，可为两地氦气资源下一步的勘探开发提供一定参考。

不同来源中，氦的两种同位素的比值3He/4He差异明显，故一般选用3He/4He值判别氦气来源（用R表示）。大气中的氦气体积分数甚微（仅为百万分之五），但稳定，是两种成因氦混合的结果，其3He/4He的值保持恒定，常用R_a表示，R_a的值为1.4×10-6。由于壳源氦和幔源氦的R值相差很多，因此，可以用R/R_a的值作为判断氦气来源的标准：当R/R_a=1.0时，为大气氦；R/R_a<0.1时，基本认为气藏中的氦来为壳源；当R/R_a>0.1时，表明气藏中幔源氦占比大于1.2%；R/R_a比值越大，气藏中氦组分幔源比例越高[15-20]。

通过鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区12口井天然气样品中伴生氦气组分同位素测定结果（表3），气田内氦气2种同位素数R值介于2.25×10-8~6.25×10-8。通过二元混合模式计算幔源氦占比为0.005%~0.369%，壳源氦占比为99.631%~99.995%，R/R_a值介于0.016~0.034，均远小于0.10（表1），说明气田天然气伴生氦气均为壳源成因，幔源成分甚微。

为进一步明确杭锦旗地区氦气来源，通过杭锦旗地区部分可能的氦源岩如太古界的石英岩、花岗片麻岩，中新元古界的石英砂岩、石英岩、泥岩、片麻岩，和石炭—二叠系煤和碳质泥岩进行脱附气分析，选择对比脱氦量与U、Th总含量关系。化验结果表明：即使杭锦旗地区基底变质岩的U、Th含量低于煤系地层U、Th元素含量，但基底变质岩系脱附气氦气量（平均3.97 μL/kg）高于煤系地层脱氦量。石炭—二叠系煤、泥岩中虽然U、Th元素丰度较高，但样品的脱附气氦气量（平均0.23 μL/kg）很低（图6），且与基底变质岩系对比，煤和泥岩体量微小，氦气生成量有限。