点亮新希望

说起氦气，人们对它的认识大多来源于中学的化学课。殊不知，氦，作为熔点和沸点最低的已知元素，在军工、航天、核工业、深海潜水及民用高科技等领域具有广泛用途，是关系国家安全和高新技术产业发展的一种重要战略性稀有气体资源。

据统计，全球的氦气资源长期供不应求，年需求量约为2亿立方米，但年产量仅有1.7亿立方米。我国目前氦气年需求量约为2200万立方米，但勘查开发程度极低，资源情况不明，仅四川自贡威远气田进行了小规模提氦利用。我国氦气供应长期依赖进口，资源安全形势十分严峻。

可喜的是，自然资源部中国地质调查局在渭河盆地组织开展的氦气资源调查工作发现，渭河盆地不仅有水溶氦，还存在便于利用的游离态富氦天然气藏，有望构建我国氦气资源基地。

我国对氦气资源的研究程度低，资源家底不清

氦气开始进入人们的视线，始于1868年。那一年，法国天文学家彼埃尔·让桑（Pierre Janssen）和英国天文学家约瑟夫·洛基尔（Joseph Lockyer）几乎同时分别独立发现太阳光谱里有一条陌生的明亮黄线，其后，洛基尔将其命名为氦。

氦是一种无色、无味、不燃烧也不助燃的稀有惰性气体。由于其特殊的物理、化学性质，尤其是其化学惰性和沸点极低的特征，使得氦气成为低温学领域的无价之宝。比如：氦的低溶解度、低沸点以及化学惰性，使其清洗和密封火箭和宇宙飞船的液体氢燃料系统十分有效。在电子工业中，氦气在半导体、液晶面板和光纤线制造中起着重要作用，可实现零部件的快速冷却，也可在电焊、硅晶片生产中用作保护气。在现代分析测试检测仪器中，氦气在气—液和气—固色谱分析中是最常用的载体气。在超低温冷却方面，氦广泛应用于核反应堆的冷却介质和清洗剂，在超导冷却方面，应用于核磁共振设备、超导量子干涉器、粒子加速器、磁悬浮列车、电能的存储等，其中最大的消费群体是医院的核磁共振设备。

地球上的氦气含量极为稀少，最主要的来源不是空气而是天然气。富氦烃类天然气中最高可含7.5%的氦，是空气中的1.5万倍。可是，这种含高氦的天然气矿藏并不多，这是因为天然气中的氦气是铀之类的放射元素衰变的产物。一般而言，只有在天然气矿附近有铀富集时，氦气才能在天然气中汇集。

根据美国地质调查局的数据，目前全球的氦气资源量估计达519×108立方米，储量仅74.25×108立方米。美国是世界上氦资源最丰富的国家，虽然已大规模开采60多年，但氦气资源量仍占世界总资源量的40%以上。根据美国地质调查局2016年的调查报告，美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯共计拥有世界88%的氦资源，中国的资源量仅为11×108立方米。中国西部大型叠合盆地及东部郯庐断裂带已发现广泛的含氦天然气显示，但研究程度低，资源家底不清。到目前为止，只有四川省自贡的威远气田曾提到氦利用，其中的氦含量为0.2%左右，而且现在已经基本枯竭。

提出氦气弱源成藏理念，论证了渭河盆地富氦天然气成藏条件

近年来，中国地质调查局组织开展了《渭河盆地氦气资源远景调查》项目，由中国地质调查局西安地调中心牵头，渭河能源公司（陕西金奥能源公司）、陕西省地质调查院、陕西地矿总公司第二综合物探大队、西北大学、长安大学、西安石油大学、中石油东方地球物理公司等单位参加完成。项目组在广泛调研国内外氦气资源研究进展的基础上，系统研究了渭河盆地基础地质、氦气成藏机理、成藏条件及资源前景，取得了一系列新进展、新成果。

渭河盆地位于秦岭造山带与鄂尔多斯盆地之间。在渭河地区广泛分布燕山期富铀花岗岩，其分布面积达近万平方千米。在现今渭河盆地基底的深部10千米~20千米，沿深大断裂带分布有10个隐伏（花岗岩）岩体。这些富铀花岗岩是盆地壳源氦气的主要源岩，通过铀、钍衰变源源不断地向盆地输送壳源氦气。

地壳中铀、钍元素的丰度低、半衰期长，因此壳源氦生气强度极低，为典型的弱源气。按照油气地质理论，壳源氦不存在集中的生气高峰，生气速率极低，难以发生突破“压力封存箱”的大规模集中排气。但现实是，确有富氦天然气藏存在，并被工业利用。而常规的油气理论难以解释氦气成藏机制。项目组通过在渭河盆地开展氦气调查工作，认为“有效氦源岩、高效运移通道（断裂、不整合）、载体气藏（适度，“载体气”又是“稀释气”）是氦气成藏的基本条件”；提出了“成岩温压与变质温压下氦行为差异与氦气成藏及古老克拉通基底蕴藏的巨量氦因克拉通破坏的构造作用而释放、运移到浅层聚集成藏”的理念”；初步建立了氦气成藏模式。

项目组认为，壳源氦气相对于常规油气为典型的弱源气，但由于地质体的巨大和地质时间的漫长，壳源氦气生成总量是巨大的。氦气常以甲烷或二氧化碳气藏中的伴生气产出，因其稀有性，工业品位0.1%即可成为矿藏，且成藏与地下水关系密切。综合分析认为，氦气在深部氦源岩处能溶解于水而运出，运移至浅部遇到天然气藏时脱溶成藏，并在气藏附近水体形成溶解氦低浓度漏斗，使水溶氦不断向气藏附近迁移而进入气藏，大大提高了氦气的运聚系数。而气藏在盖层处又因低分压难溶于水、不易扩散，而有利于保存。这一分析，从理论上认识了氦气弱源成藏机理，明确了氦气在氦源岩处“运得出”、遇到气藏“脱得出”，在气藏中“保得住”的高运聚系数富集机制，解答了氦气为何能克服溶解与消耗、提高运聚系数形成富氦天然气藏的疑惑，为氦气资源勘查提供了理论依据。

渭河盆地是否具有天然气前景一直是众多学者关注的问题之一，核心是是否存在烃源岩。前人认为，盆地深部不存在晚古生代煤系地层。但项目组根据区域地质背景、地热井气样分析及地球物质测量成果，特别是地震测量成果，论证了渭河盆地前新生代基底局部残留晚古生代煤系地层，为渭河盆地天然气勘探带来了希望。由于氦气不能单独成藏，只有在甲烷等载体气藏中聚集、积累，才能形成富氦天然气藏，从而为氦载体气成藏提供物质基础。

渭河盆地不仅存在水溶气资源，也存在富氦天然气藏

自然界气体赋存状态有游离态、溶解态、吸附态及水合态，不同赋存状态氦气资源的工业利用前景和经济性具有天壤之别。项目组对已有资料进行分析研究发现，渭河盆地不仅存在水溶气资源，也存在游离态氦及伴生气资源，即富氦天然气藏。

资料显示，渭河盆地地下水资源丰富，有渭北岩溶溶隙裂隙水、秦岭山前构造裂隙水和盆地中部新生界孔隙裂隙水。其中，渭北岩溶溶隙裂隙水中未见氦气显示，秦岭山前构造裂隙水和盆地中部新生界孔隙裂隙水均有氦气显示。除渭北岩溶溶隙裂隙水外，盆地4000米以浅地热水总静储量达14781.2×108立方米。剔除固市断凹（渭南生物气区）张家坡组的储量数据后的总静储量达14200.57×108立方米。根据气水比1∶10和氦气含量1.5%计算，盆地内4000米以浅的水溶氦气资源量达21.3×108立方米。若按供热季单井日产水1000立方米，年生产100天计，250口地热井每年就可提供2.5×104立方米伴生氦气资源综合利用，就量而言已经达到半个威远气田。但水溶气的性质决定了其处于量大却难用的处境。

众所周知，目前还没有发现独立的氦气藏，而工业利用的氦，是与载体气（烃类或二氧化碳、氮气）一起以游离态赋存于地层圈闭中，形成富氦天然气。那么，渭河盆地是否存在富氦天然气藏或游离态氦，成为目前氦气资源前景评价的关键。可喜的是，现有调查资料初步表明，渭河盆地氦源岩和高效运移通道（断裂）发育，具有载体气成藏形成条件，特别是伴生于甲烷气中的富氦天然气，是目前勘探工作的重点。

通过近年的研究，项目组探索提出了“地质指方向，地震、重力、电法探结构、识断裂（高效运移通道）、找圈闭，磁法识别磁性岩体（氦源岩），化探异常圈定目标区，气测录井标定富集层段”的氦气调查技术方法。应用这一调查方法，通过物探、化探工作，项目组基本查明了富氦气区地层层序和构造格架，重点刻画了隐伏花岗岩体（氦源岩）、断裂发育特征。渭河盆地（鄂尔多斯周缘盆地）与目前广受关注的坦桑尼亚富氦区具有相似的地质背景，均为古老克拉通上的新生代裂谷盆地。渭河盆地不仅有长期稳定的古老基底可作为氦源，同时具有大量富铀花岗岩作为氦源岩，较坦桑尼亚富氦区具有更好的氦源条件。同时，花岗岩即是重要的氦源岩，也可以成为储集岩。

根据调查成果，项目组初步圈定了华州—潼关、户县—蓝田和武功—咸阳等3处远景区。

我国具有氦气资源前景，亟需加大工作力度

研究认为，我国（特别是西北地区含油气盆地）氦气资源成藏基本条件良好，分布广泛，层位众多，具有资源潜力，但研究程度低（作为资源研究更少），家底不清。渭河、塔里木、柴达木、银额等盆地局部地区具有资源前景。在柴达木盆地北缘检测出壳源氦气含量为0.21%~0.72%；发现马北、东坪（花岗岩基岩气藏）等气田氦气资源前景良好。认识到塔里木盆地巴麦隆起及周缘具有良好氦气前景。

尽管渭河盆地地热井发现了氦气资源赋存的良好信息，但项目组指出，由于缺乏专门的氦气评价钻探工作，目前还无法评价其工业价值，无法对深部可能含气层进行验证和产能测试，急需在远景区开展网度地震勘探，寻找有利圈闭，为钻探提供目标；通过钻探工作发现或验证目标层段的含气性；开展地热井氦资源专项调查，探索现有地热井条件下伴生气资源的有效利用；针对氦气资源的勘查技术手段基本空白，探索有针对性的地球物理探测方法、有效的测井解释模型、钻探和气藏测试工艺等。此外，由于氦气多以伴生资源形式产出，氦气的提取、提浓、提纯工艺需要继续探索完善，急需形成多种资源综合开发利用技术，以提高多种低丰度伴生矿产的经济价值。

同时，加强国家公益性队伍对氦气资源调查工作的组织引领，联合油气企业开展主要天然气田氦气资源调查评价，是全国氦气资源调查尽快取得突破的快捷有效途径；建议修订石油天然气储量规范，在氦气成藏远景区开展的油气勘探中进行氦气兼探工作，具有综合利用价值时，氦气需与天然气同时提交储量。

氦的应用

①核潜艇气冷核反应堆与深潜呼吸气

②火箭及航天飞机燃料加压剂

③核电站气冷核反应堆

④航空合金弧焊保护气

⑤半导体硅晶片制造保护气

⑥光纤制造保护气

⑦核磁共振成像仪超导冷却剂

⑧潜水呼吸混合气