综述：对煤层中商业氦气积聚的控制：从基础原理到盆地地质学与气体地球化学的结合

《Earth-Science Reviews》：Controls on commercial helium accumulation in coal seams: From fundamentals to an integration of basin geology and gas geochemistry

本文挑战煤 seams 氦积累的传统观点，通过整合盆地地质与气体地球化学分析，揭示氦富集需外部补给系统、储层条件及地质模式，提出100–1250m深度窗口及基底抬升、断层与背斜三种地质模式。

　　

Jianzhou Tang|Jinzhuang Xue|Shuangming Wang

西安科技大学地质与环境学院，中国西安710054

摘要

煤层是由于陆地植物物质的煤化作用形成的，此前被认为不利于经济上有意义的氦气积累。然而，随着在这些环境中发现越来越多的富氦气藏，这一观点受到了挑战。本文通过综合分析盆地地质和气体地球化学特征，探讨了煤层中商业氦气积累的主要控制因素。总结出六个主要发现如下：(1) 自然存在的氦气会积聚在氮气、二氧化碳、甲烷和混合气体储层中，其中氮气和甲烷储层最有利于氦气的商业积累；(2) 煤层中的商业氦气积累主要（>70%）来自外部；尽管这些煤层通常富含钍和铀；(3) 氦气在煤层中的积累在很大程度上依赖于一个外部补给系统，包括源岩、运载流体、迁移路径和开放系统；(4) 两个关键的地质因素有助于形成有利于氦气积累的圈闭条件：一是具有高水饱和度、有效孔隙连通性和足够天然气的煤层；二是上覆盖岩具有细小孔隙、高气体压力、低温和高伴生流体含量；(5) 建议煤层中氦气的积累深度范围约为100–1250米；(6) 提出了三种主要的地质模式，即基底抬升、基底断层和背斜顶部模式，这些模式可以通过氦/氮比以及氮气、二氧化碳和甲烷含量的变化来区分。本文的研究结果有望为煤层中的氦气勘探提供指导。

引言

氦是一种不可再生资源，全球供应短缺，广泛应用于医学诊断、工程和科学研究（Berganza和Zhang，2013；Chen等人，2024；Danabalan，2017；Grynia和Griffin，2016；Halford等人，2022；Li等人，2017；Provornaya等人，2022；Qin等人，2024a）。尽管氦气很重要，但由于地缘政治限制和缺乏成本效益高的替代品，其全球供应存在显著不确定性（Anderson，2018；Danabalan，2017；Liu等人，2023b；Liu等人，2024a）。其有限的储备和不稳定的供应链导致了2006–2007年和2013年的全球氦气短缺（Bare等人，2016；Danabalan等人，2022；Weh等人，2022；Zhang等人，2019b）。

历史上，氦气积累是作为烃类气体勘探的副产品被发现的，而天然气提取是商业氦气的主要来源（Lv等人，2025；Nuttall等人，2012；Wang等人，2023；Weh等人，2022）。目前对地质系统中氦气的研究主要集中在常规气体储层上，并发现氦气与烃类气体在起源、迁移和积累方面存在根本差异（Barry等人，2016；Liu等人，2024a；Lv等人，2025；Peng等人，2025d；Wei等人，2025；Wu等人，2025）。

煤层中通常较高的烃类气体含量使其长期被归类为不利于经济上有意义的氦气积累的环境（Li等人，2025c；Liu等人，2024b；Qin等人，2024b）。然而，最近的研究在中国、美国、澳大利亚和英国的煤层中发现了商业氦气积累（平均氦含量>500 ppm）（Chen等人，2024；Gy?re等人，2018；Kotarba，2001；Kotarba和Rice，2001；Liu等人，2021；Liu等人，2024b）。这些发现挑战了之前的假设，强调了重新评估煤层中商业氦气积累关键控制因素的必要性。

目前仍缺乏对含氦煤层的盆地地质和气体地球化学数据的综合分析。这种分析对于理解氦气积累机制和探索煤层中的商业氦气资源至关重要。本文首先概述了氦气的生成和追踪原理、宿主储层以及天然气系统中的相关特征。然后，基于新数据库的编制，分析了全球煤层气样的盆地地质和地球化学特征。最后，探讨了煤层中商业氦气的起源、补给（迁移）、有利圈闭条件和积累模式。

章节片段

氦气的生成

氦是宇宙中第二轻和第二丰富的元素，但由于其原子质量低且不活泼，在地球上的含量相对较少，并且容易在地质时间尺度上逃逸到大气中（Danabalan，2017；Grynia和Griffin，2016）。

地球上自然存在的氦有两种同位素：³He（稀有）和⁴He（丰富）。大部分³He来自宇宙诞生之初，被锁定在地球内部（Ballentine等人，2002；Bouhifd等人

在煤层中发现的氦气积累

煤层是通过特定的热压条件下的连续生物化学和地球化学过程逐渐形成的（Rice，1993）。全球共有16个沉积盆地在其煤层气藏中发现了氦气积累（图2和表S2）。本节回顾了每个盆地的平均氦含量和地质环境，并概述了控制中国商业氦气积累的关键因素。

数据汇编

本节分析了全球含氦煤层的主要和稀有气体地球化学数据。该数据集涵盖了1991–2025年的全部记录时间范围，包括来自16个产煤盆地的289个天然气样本（表S3）。先前研究主要未关注煤层中的稀有气体，仅有128个含有氦同位素的气样，100个样本含有氩和氖同位素（表S4）。

主要气体成分和同位素

基于

煤层中氦气的来源分析

煤层中积累的氦气表现出不同的³He/⁴He比值，但所有观察到的比值都低于大气中的（R_m/R_a = 1.0）和地幔来源的（R_m/R_a > 1.0）氦气（图6），表明其来源主要是地壳。在⁴⁰Ar/³⁶Ar和³He/⁴He的二元图中，柳潘水盆地和秦水盆地的样本位于地壳来源范围内，而伊利诺伊盆地和圣胡安盆地的样本则与地壳来源范围重叠（图7A）。地球化学

结论与展望

本研究表明，煤层中的⁴He含量低于商业开采阈值，因此需要外部氦气来源。因此，包括外部源岩、连接断层带、运载流体和适合的开放系统在内的补给系统是煤层中形成商业氦气积累的关键地质前提。商业氦气积累通常发生在较浅的煤层中。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFF0800200）、陕西石油聚集地质重点实验室开放基金（PAG202407）和陕西博士后科学基金（2024BSHSDZZ191）的支持。