有效氦源岩及氦气资源富集成藏机理
王晓锋¹，刘全有²，刘文汇¹，张东东¹
1. 西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069；
2. 北京大学能源研究院，北京100871；
不同类型氦源岩特征各异、母体元素（U、Th）含量和赋存状态差异显著。沉积岩中的原生U、Th主要以有机质和黏土矿物吸附、络合的形式赋存。由于缺乏矿物晶体的束缚，沉积岩中生成He的初次运移比较容易。为气藏做出贡献的有效烃源岩和气藏的储集层是沉积岩中最主要的有效He源岩，除此之外的其他类型沉积岩，由于高的孔隙度造成He溶解饱和时间较长，氦的脱溶与二次运移受限。岩浆岩中U、Th主要以类质同象形式富集于硅酸盐和磷酸盐矿物中，温度是影响其初次运移的主要控制因素。花岗岩孔隙度小，溶氦能力低，体积巨大，地层抬升和异常高温可造成He的大规模释放，是壳源富氦天然气的重要源岩类型。变质岩中U、Th存在多种赋存形式，岩石孔隙度一般高于花岗岩，地层水溶He能力较强，He较难释放。虽然天然气藏的直接烃源岩和储集层是有效He源岩，但是由于烃类稀释作用的影响，很难形成富He天然气。充足的盆地基底或者地幔来源的He是天然气藏富He的关键条件。
He大多以微量组分与烃类等天然气共生，但是He与烃类气体的成因却存在本质的区别。按照He和烃类气体来源类型的差异，含He天然气田主要可以分为壳源同源型、壳源异源型和壳幔复合型。烃类气体是He赋存的重要载体，如果没有这种载体，He主要以分散溶解状态赋存与地层孔隙水中，很难独立成藏。然而烃类气体的规模过大，导致He浓度被稀释，使其很难达到工业利用的价值。因此，He资源与天然气的优质匹配关系是富He天然气藏复合成藏的关键。花岗岩成为主要的He源岩类型，除了具有相对较高的U、Th元素丰度外，较小的孔隙度和较高的岩石体量也至关重要。这些因素决定了花岗岩具有相对较小的He溶解饱和时间，形成的He容易发生二次运移。晚白垩世以来威远构造的大幅抬升使得下伏花岗岩体中溶解的He脱溶是威远气田富He的主要原因。柴达木盆地东坪富氦天然气藏的形成过程是另一种情况，构造低部位的烃源岩形成的天然气向构造高部位的花岗岩风化壳储层运移过程中，将花岗岩中溶解He脱溶出来与天然气一起运移成藏。
中国东部已发现富氦天然气均具有相对较高的³He/⁴He比值(0.88~4.91Ra，平均2.82Ra)。受古太平洋板块俯冲影响，中国东部幔源流体的³He/⁴He主要分布在3~5Ra，远低于洋中脊玄武岩(MORB)。根据该地区地幔岩包体和幔源CO₂气藏氦同位素比值计算显示，中国东部富氦天然气中的He以幔源为主(>70%)。原始地幔挥发份以CO₂为主，He含量较低(<200ppm)。幔源He的富集过程主要与CO₂的溶解与矿化有关，这个过程中CO₂/³He比值由2×10⁹降至2×10⁶左右。同时，保留在气相中的He、N₂浓度与CO₂浓度成反比例增加。中国东部CO₂储层中形成大量相对富集¹³C的片钠铝石等碳酸盐矿物，同时残余CO₂气体相对富集¹²C是CO₂的溶解与矿化重要证据。CO₂的溶解与矿化过程中，幔源He和N₂气体相对丰度增加了上千倍，是形成幔源岩浆成因富氦CO₂气藏和富氦N₂气藏的主要机制。这些幔源富氦非烃气体与有机成因天然气混合成藏是富氦烃气藏形成的主要原因。

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