氦气是一种重要的战略性稀有气体资源，在维护国防安全和促进国民经济发展等方面的不可替代性愈加凸显^[1-3]。目前，全球氦气总资源量约484×10⁸ m³，其中，美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯氦气资源量占全球总储量的87.19%，而中国氦气资源相对贫乏，资源量仅占全球总量的2.27%，全球氦气资源主要产出国为美国(7 900×10⁴ m³，46.2%) 和卡塔尔(6 600×10⁴ m³，38.6%)^[4]。近年来，中国已建成多个液化天然气(LNG)-闪蒸气(BOG)及膜渗透方法提氦工业基地，实现了部分氦气供应自足，但受LNG、含氦天然气产能限制以及含氦量低等因素的影响，可提取经济可行的氦气产量远低于需求量^[5]。据统计，至2024年底，中国年产氦气量大约400×10⁴ m³，约占年需求量的15%，对外依存度仍将长期处于较高水平。现有资料显示，虽然中国主要含油气盆地含氦天然气分布较为广泛，多个盆地不同气田均发现了具工业品位的富氦天然气藏^[6-7]，如塔里木盆地和田河气田^[8-9]、柴达木盆地东坪气田^[10-11]、鄂尔多斯盆地东胜气田^[12]及四川盆地威远气田(现已枯竭)^[13]等，氦气的平均体积分数约为0.037%~0.582%，但针对氦气资源的专属勘探程度整体偏低，中国氦气资源仍面临严峻的安全形势。

渭河盆地内多口油气探井与地热井中均有氦气显示，氦气体积分数主要为1.00%~1.50%，最高可达9.23%，位居中国现有报道的各含氦盆地前列。经计算，该盆地内氦源岩有效排氦量约33.8×10⁸ m³，其中，4 000 m以浅水溶氦气资源量约21.3×10⁸ m³，成因法测算的游离态氦气资源量约9.33×10⁸ m³，这表明渭河盆地具有良好的氦气找矿前景^[14-15]。随着渭河盆地氦气资源勘探开发相关研究的不断深入，现已初步建立了氦气找矿模型与成藏理论^{[14, 16-17]}、探讨了勘探方法与技术^{[14, 18]}、评估了远景资源量^{[15, 19]}等，圈定了氦气远景区^[14]，并于2018年设立中国首个氦气探矿权——陕西省渭南市华州—华阴地区地热水及氦气普查探矿权。随后，中国地质调查局西安地质调查中心、陕西燃气集团有限公司(以下简称陕西燃气集团)及相关科研院所等先后在渭河盆地开展了物、化、探、二维地震、钻井等大量工作，开启了氦气找矿新纪元。然而，中国氦气资源勘探仍处于起步阶段，面临着地热井成井工艺、盆地氦气主要赋存层段(蓝田—灞河组和高陵群)气液混合开采、水溶氦气资源利用难度大及关键勘探开发技术尚不成熟^[20-21]等问题，严重制约了氦气资源的高效勘探开发与利用^{[14, 22-23]}。

在对渭河盆地氦气资源现状与勘探历程、相关研究进展系统总结与梳理的基础上，对氦气勘探开发的关键技术及现存问题进行剖析，指明需要开展的配套技术研究及攻关方向，以期为渭河盆地氦气资源勘探开发的发展方向提供参考，为推动中国氦气战略资源的开发利用奠定基础。

渭河盆地是新生代断陷盆地，夹持于秦岭造山带与鄂尔多斯盆地之间，西接宝鸡、东达三门峡，走向近东西向，整体成北东东向展布。新生代以来，盆地内沉积地层厚度可达6 km以上，发育古近系红河组(E₂h)和白鹿塬组(E₃b)，新近系高陵群(N₁g)、蓝田—灞河组(N₂l+b)、张家坡组(N₂z)及第四系^[24-25]，以太古宇和元古宇片岩、花岗岩及下古生界灰岩等不同的岩相组合为基底^[26]，且断裂发育控制着盆地的形成与演化，对其构造、地层及地热流体资源的发育具有重要影响。基于已有的钻井及地震资料等，渭河盆地可划分为西部隆起、咸礼凸起、蒲城凸起、临蓝凸起、西安凹陷及固市凹陷等构造单元^[27-28](图 1)。整体上，盆地演化过程表现为自东向西、自南向北逐步扩展，沉积沉降中心主体偏南，为南深北浅的不对称箕状断陷结构^[25]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 渭河盆地构造单元划分(a)、地层剖面(b)及氦气探井岩性地层综合柱状图(c)(据文献[25, 27]修改) Fig. 1 Division of structural units(a), stratigraphic profile (b), and stratigraphic column of helium exploration well (c) of Weihe Basin

固市凹陷作为渭河盆地一重要沉积中心，区内古近系—第四系均有沉积，新生界地层沉积厚度可达6 km以上^[29]。先期物探资料成果显示，该区域断裂发育，以秦岭北缘断裂为主的多条断裂控制着沉积演化过程，整体表现为一个东深西浅、西窄东宽的簸箕状凹陷^[30]，发育有盆地内最典型的一套湖相沉积。

20世纪60至70年代，渭河盆地开展了油气资源普查工作，在西安凹陷渭深13井新近系部分层段钻遇良好的天然气显示，天然气中氦气的体积分数为2.13%~4.16%，为后期开展氦气资源勘探开发相关研究奠定了基础。自20世纪90年代起，渭河盆地掀起了地热开发热潮，西安、咸阳等地区多口地热井中提取的地热水溶气样品中氦气体积分数为0.21%~1.74%^[19]。2004—2011年，渭河盆地氦气资源勘查评价及综合利用等攻关项目陆续实施，中国地质调查局西安地质调查中心在西安凹陷地区内所采集的30口井气体样品中15口井的氦气体积分数大于1.00%^[31]; 固市凹陷等地33口井地热水溶气样品中氦气体积分数主要为1.00%~1.50%，最高可达9.23%^[14]。同时，盆地内发现了石油、烃类气体等资源线索，分析认为可能存在游离态的氦气及伴生气资源，即具有富氦天然气层(藏)，为氦气成藏模式及赋存状态等相关研究提供了重要依据^{[14, 17]}。此后，多家单位对渭河盆地实施了大地电磁测深、重力测量、地球化学勘探、二维地震、钻井等大量工作(表 1)，致力于开展盆地氦气资源评价与综合利用、成藏研究、氦气提纯、提浓等方面工作及相关研究，并取得较好的勘探成果^{[5, 14, 16, 18, 31-32]}，在盆地内不同区带多层段发现了水溶氦气资源，但主要集中于新近系。基于上述研究成果与认识，在诸多专家学者深入评估与论证的基础上，陕西省国土资源厅于2018年7月在华州—潼关氦气远景区设立中国首个氦气探矿权，即陕西省渭南市华州—华阴地区地热水及氦气普查探矿权，标志着渭河盆地氦气勘探进入了全新时代。自该氦气探矿权设立以来，完成了矿权区二维地震勘探，落实了多个有利构造圈闭，并部署了包括中国首个氦气专属探井在内的5口探井，总进尺约21 000 m，为盆地氦气资源勘探开发相关研究提供有力支撑。

表 1(Table 1)

表 1 渭河盆地近年来地质勘探工作量统计 Table 1 Statistics of geological exploration workload in Weihe Basin in recent years 年份 实施单位 项目名称 工作方式 工作量 2016—2018 中国地质调查局 鄂尔多斯及周缘盆地油气基础地质调查 大地电磁测深 310 km 重力测量 250 km 油气(氦气)地球化学勘探 2 000 km2 2018 中石油 荔参1井 钻井 6 535 m 2019—2021 中国地质调查局 关中地区氦气资源调查 大地电磁测深 99.2 km 油气(氦气)地球化学勘探 500 km2 2020 中国地质调查局 关中地区氦气资源调查二维地震测量 二维地震 3条/30.1 km 2020 中石化 油气勘探 华1井 2 290 m 2021 中石化 豫西—渭河测线 二维地震 — 2021 陕西燃气集团 地热水及氦气普查 二维地震 8条/95.0 km 2022 1口氦气探井 4 015 m 2022 中国地质调查局 渭河盆地(武功—兴平)地区二维地震测量项目 二维地震 3条/68.8 km 2022 中石油 GJ—06A渭南段 二维地震 区域格架线 2024—2025 陕西燃气集团 地热水及氦气普查 二维地震 12条/120.0 km 4口氦气探井 约16 000 m

下载CSV 表 1 渭河盆地近年来地质勘探工作量统计 Table 1 Statistics of geological exploration workload in Weihe Basin in recent years

综合美国得克萨斯州cliffside(克利夫赛德)、美国中部Panhandle-Hugoton(潘汉德—胡果顿)、俄克拉何马州的Keyes(凯斯)及阿尔及利亚Hassi R'Mel(哈西梅尔)等世界各大富氦气田以及中国四川威远气田的富氦天然气成藏系统认识成果发现，不同地区富氦气藏的大地构造背景具有较大差异，但氦源岩整体上均与古老的克拉通及花岗岩密切相关，且氦气以壳源氦贡献为主^{[6, 33-36]}。就渭河盆地而言，与氦气生成有关的源岩主要与盆地基底及南缘所分布的花岗岩体有关^{[14, 16, 31-32, 37]}，盆地南缘及深部所分布的大量印支—燕山期富铀花岗岩体自西向东依次为宝鸡岩体、太白岩体、翠华山岩体、张家坪岩体、牧护关岩体、蓝田岩体、老牛山岩体及华山岩体^{[14, 16]}。通过重、磁、电、震等资料综合研究结果显示，盆地深部分布有多个磁性异常体且具有分区性，进一步证实了花岗岩与氦气资源的分布密切相关^[38]。此外，地表及浅部的花岗岩所释放出的氦同样会溶解到地表水或地层水中，随水循环系统最终形成富氦流体^[14]。

固市凹陷华县2井于2 609 m深度钻遇花岗岩基底^[38]; 氦气探井的岩屑录井、测井及钻井取心资料显示3 751~4 015 m深度钻遇太华群变质岩(下段)和燕山期花岗岩侵入体(上段)(图 2); 氦源岩分布面积广、侵入体规模大、放射性元素Th、U含量高，条件优越^{[14, 39]}。此外，盆地内各类沉积岩也是氦源的重要补充^{[5-6, 14]}，部分层段的泥岩、砂岩以及砾岩中Th、U含量较高，最高分别可达23.1×10^-6和13.8×10^-6。综上分析，渭河盆地氦源岩分布广，具有巨大的生氦潜力，其有效性与放射性元素Th、U含量，源岩时代及地质构造特征等复合因素密切相关^[14]。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 渭河盆地氦气探井钻遇变质岩、花岗岩岩心及显微照片 (a)太古界太华群片麻岩，4 010 m; (b)太古界太华群变晶结构片麻岩，4 010 m; (c)燕山期花岗岩，3 767 m; (d)燕山期花岗结构花岗岩，3 767 m。 Fig. 2 Cores and micrographs of metamorphic and igneous rocks drilled in helium exploration well in Weihe Basin

综合渭河盆地构造演化背景，二维地震反射特征，地热井伴生气及油气化探的CH₄、CO₂碳同位素特征等多因素分析^{[25, 40-42]}，认为深部可能残留晚古生代煤系地层为深部氦气向上运移提供载体气源。证据主要有: ①盆地前新生界地震剖面具有明显的强反射特征，尤其是存在2个平行的强振幅和连续的同相轴，其波谱特征与鄂尔多斯盆地T₉反射特征相似，推测可能残留有较大厚度的古生界地层^[41]。②固市凹陷三原地区的渭参3井发育二叠系石盒子组。③地热井蓝田—灞河组和高陵群的井口气样品测试结果显示，CH₄碳同位素为-40.2‰~-24.5‰，重烃含量低，表现出煤型气特征^{[25, 42]}; 同时，固市凹陷华州探区氦气探井勘探资料表明，蓝田—灞河组CH₄碳同位素为-33.9‰~ -24.5‰，进一步验证了深部载体气来源于煤系地层^{[14, 39]}。

地下水系统及载体气直接控制着氦气的富集、运移方向及保存条件，是氦气成藏的基础^[36]。通常，相对静止的地下水会使生氦矿物、岩石中释放出来的氦及时保存在氦源岩附近的孔隙水中并不断富集，进而使得孔隙水中的氦气含量不断增加^[36]。对渭河盆地多口地热井井口气样品开展稀有气体同位素分析发现，富氦天然气样品的 ²⁰Ne与⁴He值呈良好的线性正相关关系，与潘汉德—胡果顿气田天然气样品中 ⁴He与 ²⁰Ne值变化趋势存在明显差异^[34](图 3)，指示渭河盆地富氦天然气与地下水关系密切，即空气饱和地表水运移到地下，氦气等空气来源的稀有气体溶解于地下水中，随地下水系统循环迁移。当地下水与石油发生油-水瑞利分馏时，主要气体组分加入流体系统中，大量的CH₄气体呈饱和状态并溶于地下水后形成游离相，而持续的气-水交换使得大量的He在气相中富集，形成C组气(高氦游离气)，即富氦天然气藏^[32] (图 4)。华州探区深部⁴He通量具有高异常或地下水流速低的特点，这表明地层孔隙-孔隙水是氦气运移和富集的重要载体^[39]。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 渭河盆地地热井井口富氦天然气样品 4He与 20Ne交会图(据文献[39]修改) Fig. 3 Crossplot of 20Ne and 4He of helium-rich natural gas samples at wellhead of geothermal wells in Weihe Basin

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 渭河盆地氦气富集成藏过程示意图(引自文献[32]) 注: 图中百分数据均为体积分数。 Fig. 4 Schematic diagram of helium enrichment accumulation in Weihe Basin

目前，全球工业利用的氦气均为天然气(主要为甲烷)中的伴生氦气，CH₄在氦气的富集(强源)、脱溶及保存过程中都发挥着重要作用^{[3, 5, 27, 32, 43]}。相较于其他流体、气体矿产等资源^[44]，氦气成藏系统与天然气成藏模式类似，同样包括物质来源(气源)、运移、富集和保存等基础条件关键控矿因素，可总结为以源岩、储层特征或盖层封堵机制、运聚方式、动力介质、演化过程等为主线或多要素组合的多种成藏模式^{[4, 6, 14, 36, 43]}，而以基础条件为主线的成藏模式相关研究最为广泛。氦气富集成藏是生成、运聚、保存与散失的动态平衡，成藏需增加供给、减缓散失，气源的强度是根本，运聚与保存是关键。通过对氦气成藏基本地质条件的综合研究，目前已初步建立了渭河盆地氦气弱源成藏模式^{[14-15, 17]}，即以地下水(流体)循环为纽带，水-岩-藏关系与赋存状态转换为核心，铀-氦关联、源-聚-保为关键点的氦气成藏概念模型，有效氦源岩、高效运移通道(断裂带、不整合面)及载体气藏是氦气成藏的基本条件。基于渭河盆地已建立的氦气成藏理论模型，结合碳同位素和地热井稀有气体同位素测试、示踪及物探技术等分析结果^{[14-15, 32, 39]}，可初步得出华州北地区氦气富集的成藏模式，即深部变质岩与花岗岩氦源岩衰变所产生的⁴He从岩石、矿物晶格中逃逸、释放后，经扩散作用进入地层水或与煤型甲烷气呈伴生关系，通过断层及孔隙发生运移、汇聚，最终可能在封堵性强的盖层之下的储层中富集成藏^[39]。

现阶段，对渭河盆地氦气资源勘探开发地质条件的认识和成藏理论方面的研究仍存有不足: 一是氦气资源勘探程度仍然较低、成藏理论研究缺乏系统性分析工作的支撑，制约了氦气成藏理论更深层次的认识与提升。当前，盆地内勘探区已完成部署二维地震工作量约425 km，含多条横穿盆地的大区域测线，采集范围包括渭南、咸阳等地区，但无法满足以识别断陷盆地有利构造圈闭为主的勘探开发要求; 同时，盆地内所获得的钻井资料反映的地质信息非常有限，绝大多数勘探钻井的深度约3 000 m，并未钻穿高陵群，其中地热探井并未系统地开展地质录井工作，仅取得基础性测井曲线，获得的地质信息有限。二是氦气成藏理论是建立在盆地深部存在上古生界煤系烃源岩的基础上，而关于盆地深部是否存在有效煤系烃源岩，目前主要是通过地质构造、载体气地球化学特征、地震资料等间接证据验证，实证资料仅是固市凹陷三原地区钻遇二叠系石盒子组。因此，依据盆地内存在潜在的烃源岩推算出生烃能力存有偏差，无法有效验证现有的成藏理论。同时，根据渭河盆地现有资料(如盆地南缘地表花岗岩氦源岩取样、地热井氦气含量与特征及少量地热井随钻录井资料等)，无法准确地评估氦源岩生氦能力及识别氦气富集的具体层位。

基于上述问题，陕西燃气集团在华州—潼关氦气远景区采用油气井完井工艺，顺利完成了中国首口氦气专属探井的钻探工程，钻遇地层包括新生界蓝田—灞河组、张家坡组、三门组和秦川群及深部燕山期花岗岩和太古宙变质岩基底。勘探成果显示: ①华州探区发育较大规模圈闭，氦气探井的新生界地层深度明显大于邻近地热井及石油探井钻遇地层，且地层高差随深度的增加而增大; ②在山前中深层处钻遇巨厚砾岩层(厚度约1 600 m)，自下而上砾岩的粒度变大，整体呈逆粒序; ③钻穿新生界盖层，揭示基底上部为花岗岩侵入体，底部为太古宙片麻岩，为重要的氦源岩; ④测井和录井显示良好，氦气及全烃异常段发育超百米，氦气气测异常最高达45×10^-6，全烃气测异常值最高可达60 000×10^-6; 压裂试气过程中未达到稳定状态时，2 366~2 452 m深度甲烷气体积分数为1.03%~26.06%，氦气体积分数为(90~17 000)×10^-6，并含有氢气等其他原生气体; 测井资料显示存在多个可疑气水同层和含气水层。结合前人的研究成果及已获得的大量实物资料，认为华州探区的富氦天然气的成藏受控于多种基础地质因素(图 5)，主要表现为氦源岩基底、深大断裂、有效封盖条件等，与目前已建立的渭河盆地氦气成藏模式基本一致。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 华州探区富氦天然气成藏模式 Fig. 5 Reservoir formation model of helium-rich natural gas accumulation in Huazhou exploration area

资源量是评价矿产资源的重要内容^[45]，根据氦气不同的赋存状态，前人利用成因法与体积丰度法分别计算了渭河盆地氦气远景资源量，为后续研究提供了理论依据^{[14-15, 19]}。

成因法是依据放射性衰变原理对潜在氦源岩的U、Th含量，有效体积，岩石密度和放射性衰变时间进行测定及合理估算，从而得出氦气的生成量，再结合排氦、运聚系数，计算出盆地内氦气资源量。采用成因法计算得出渭河盆地最大氦气资源量和有效氦气资源量分别为170×10⁸ m³和33.8×10⁸ m³，盆地断陷以来的有效氦气资源量可作为氦气远景资源量^[14]。该结果与采用铀放射性衰变计算法得出的最大氦气资源量(1 141×10⁸ m³)^[19]相差大，分析认为主要与复杂地质条件下估算参数(氦源岩分布面积、厚度、同位素含量等)的不同有关。

体积丰度法是根据现存的地热流体资源量、气水比、氦气含量估算盆地内氦气资源量。采用该方法计算得出渭河盆地4 000 m以浅含氦地热水总静态储量达1.42×1012 m³，根据气水比为1∶10与氦气体积分数为1.5% 进行计算，可得出水溶氦气资源量达21.3×10⁸ m^3[14-15]。利用类比法，借鉴松辽、下辽河、柴达木等油田模拟实验及井下水溶气实测数据，采用2 500 m深度水溶气与地热水的比例为1∶5，对地热水资源、水溶气资源及水溶氦气资源进行定量评价，得出盆地水溶氦气的平均资源量为984×10⁸ m^3[19]。

氦气远景区的优选需要综合考虑氦气成藏的基本特征、有利地质条件及成藏潜力等因素^[14]。结合国内外已有的氦气成藏理论，基于野外地质调查、室内研究分析及井口伴生气资源显示特征等，初步建立了渭河盆地富氦区地层层序与构造格架，认为富氦气藏远景区分布于秦岭山前断裂带和紧邻渭河断裂的西安凹陷、固市凹陷及咸渭凸起的边缘地带，圈定了华州—潼关、武功—咸阳、鄠邑—蓝田3处氦气资源远景区，明确了该区氦气资源勘探开发工作部署方向^[14]。然而，由于地热水溶氦提取的工业利用前景并不乐观，且经济价值受限，准确评估盆地内富氦天然气藏(游离态氦)有利区是指导氦气勘探开发的关键。现有资料表明，渭河盆地除水溶气外，还存在游离态氦，常以伴生于甲烷气中的富氦天然气为特征^{[14, 39, 46]}。华州—潼关氦气远景区实施的大量实物工作量及部署的多口氦气专属探井的勘探成果显示局部可能存有富氦天然气藏，仍需继续部署探井提取实物资料进一步证实其工业价值。武功—咸阳地区已开展了大量物探、钻井等工作，将有助于进一步缩小并明确武功—咸阳氦气勘探的有利区带。

综合渭河盆地地热流体资源，新近系张家坡组烃源岩及花岗岩侵入体的分布范围，切割花岗岩体的深大断裂及储、盖层分布特征等，可大致明确地热能、生物气、氦气3类资源在纵向及平面上相互叠置，共同构成了较为复杂的资源赋存体系^[18]。根据不同区带的深度、层位及平面展布规律，可大致划定三大有利区带(图 6)，其中，华州—潼关地区可作为多资源综合勘探与开发的重要目标区域^[18]。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 渭河盆地氦气、地热能及生物气资源分布(据文献[18]修改) Fig. 6 Distribution of helium, geothermal energy, and biogenic gas resources in Weihe Basin

近年来，随着渭河盆地氦气资源勘探开发工程的实施，相关研究也不断深入，但仍面临着资源量无法准确评估、构造复杂区勘探难度大、关键工程技术有待改进、经济可持续性仍需进一步改善等多方面问题与挑战。在现有研究成果的基础上，有针对性地配套氦气资源勘探开发所需的关键工程技术，是支撑后续氦气资源勘探部署的有效途径。

渭河盆地地质条件复杂，地球物理勘探程度较低、解释难度大，主要表现: ①发育NE和SN向等多组断裂体系，至今未部署三维地震，仅开展了二维地震勘探，断点组合分析难度大、圈闭落实程度低，无法进行三维属性分析与立体储层预测，勘探风险较大; ②人口密度大、交通网络发达、背景噪音复杂、去噪技术难度大，地震资料的采集及后期处理难度大; ③深部基底与勘探的主要目的层(新近系)距离远，花岗岩、深部断层识别及精准偏移归位处理难度大，影响了氦源岩的有效评价、深部断层体系及构造圈闭的准确识别。以华州探区为例，从氦气探井的某条地震测线剖面，可初步识别深部发育的断层体系及地层展布，但难以区分氦源岩(花岗岩与变质岩)和呈不整合接触关系覆盖于基底之上的巨厚砾岩层(图 7); ④陆相断陷盆地新生界沉积地层非均质性强，特别是盆地边缘相带变化快，二维地震技术无法有效区分岩性岩相变化及精确小型构造，对井位部署造成困扰。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 华州探区近南北向地震剖面及氦气探井深部岩层与岩心照片 Fig. 7 Near S-N seismic section and photos of deep rock layers and cores of helium exploration well in Huazhou exploration area

针对上述问题，可从3个方面进行改进: ①基于已部署的地震测网，系统搜集不同期次、不同采集方式的地震数据，进行全区域二维地震资料的三维方法处理与解释，从提高地震资料信噪比、子波一致性、低频保护处理等方面入手，尝试多信息约束、高精度速度建模及高精度叠前偏移成像处理等关键技术攻关^[47-48]; ②综合已有的钻井、测井、地震资料，梳理、总结区内发育的构造-断裂体系，深入剖析构造单元分布特征，尤其是蓝田—灞河组、高陵群及深部基底; ③基于井-震结合技术，开展地震属性、叠前反演、大数据、人工智能储层预测等关键技术攻关，进一步提高花岗岩体、砾岩体及储层预测的识别度及有效性，探索渭河盆地构造圈闭有效识别技术。

渭河盆地新生界地层非均质性强，整体以砂泥岩互层为主，中浅层发育黄土层及疏松岩层，具有温度高、造浆严重、井壁易失稳的特点，影响了井下安全及地质实物的录取。主要表现: 第一，现阶段，尚未形成适用于渭河盆地钻探的成熟泥浆体系，特别是高温地层极易造成泥浆失效，导致井壁失稳(图 8)、缩颈卡钻等情况，制约着测井、下套管等完井作业的顺利实施。第二，盆地地层的沉积时间短，压实程度低、沙岩极为松散，而浅层泥岩相对较硬，会造成地层呈现软硬相间的“夹心饼干”，取心过程中容易造成堵心及岩心不成型等问题，导致取心收获率低，难以获得松散砂岩实物资料。第三，勘探过程中氦气相关测试分析仍存有问题，具体表现: ①地层中氦气浓度一般较低，钻探过程钻速快，录井过程中气相热导色谱方法存在灵敏度低、分析周期长等问题，无法满足钻探过程中连续精确分析的需求; ②氦气属于惰性气体，化学性质稳定，难以利用地球物理方法对其进行井下识别与分析，已有相关研究尝试建立氦气含量与钾长石含量相关性的识别标准^[49]，但仅可应用在自生自储氦源岩; ③新生界地层埋藏时间短，钻遇地层普遍含有较高的束缚水，具有低阻特征，感应测井序列识别效果较差，至今未建立适用于本区特点的测井序列与解释图版。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 华州探区氦气探井高陵群井壁失稳测井曲线示意图 Fig. 8 Diagram of wellbore instablity logging curves of Gaoling Group of helium exploration well in Huazhou exploration area

针对以上问题，应优化井身结构设计、完善泥浆体系与井控措施，形成安全钻井配套技术。可通过研发适应于区域特征的先进取心工具，改进工艺技术，提高取心收获率等; 探索针对性强的地球物理探测方法，测井系列和测井解释模型以及钻探(录井)、试气工艺等，特别是开展氦气特殊测井识别的理论研究与应用验证，对比测、录井数据与试气结果之间的耦合关系，优化测井解释模型，形成量化评价标准。

目前，在对渭河盆地区内进行地层含气性评价时，井下技术影响较大，主要表现: ①地热井均采用筛管完井方式，含水层段多且井段长，储层之间干扰严重，无法有效评价产出液体及气体; ②井下测试技术采用天然气试气工艺，而氦气气源较弱、气量小，缺少配套的井下工艺装备; ③新生界砾岩储层非均质性强、物性差，压裂破裂压力低，压裂缝受区域断层构造影响大，缝隙连通性较差，压裂改造效果不理想，难以获得地层的真实含气性资料。

为了实现有效的井下工程钻探作业，一方面，需充分借鉴油气完井方式便于求产的优势，开展有利层段的单层试气，取得准确的测试数据。另一方面，以技术方法、配套装备为主要研究方向，加强氦气井下工程技术攻关，开展水溶气、低品位含气层及富氦气层的试气实验，完善适合渭河盆地地层特点的井下技术方案措施。此外，优化压裂工程及压裂液参数，合理制定压裂液返排机制，也可进一步提升压裂和返排效果。

当前，从含氦、富氦天然气藏中提取氦气仍是工业化生产氦气的唯一途径^{[3, 5-6]}。在氦气勘探开发与利用项目实施过程中，综合经济成本与效益等关键要素前提下，应统筹考虑氦气的提取工艺技术方法。针对中国各盆地氦气含量普遍较低的现象，直接应用深冷技术提取氦气的经济性普遍较差，应利用LNG-BOG或膜渗透等提氦方法，此类方法已在鄂尔多斯、塔里木、四川盆地等油气区建立或筹建了数百万方氦气产能^[5]。然而，该类方法受到LNG产能及现有天然气含氦量的限制，无法从根本上达到氦气完全自给的目标与需求。目前，渭河盆地氦气资源仅停留在远景资源量的评估层面，无法进行有效的经济评价，随着氦气勘探开发相关工程实施的不断深入，后续应开展大范围的地质条件评价与研究。同时，基于氦气资源赋存特点及规律，未来还应尝试开展井口氦气提取及提浓相关工作，研发合适的氦气勘探开发与提取配套装备，为氦气资源经济性评价提供依据。

(1) 渭河盆地氦气资源丰富，现已实施重、磁、化、地震、钻井及最新部署的5口氦气专属探井等大量实物工作量，在氦气资源新领域取得了丰富成果，但仍需加强勘探开发相关工作。

(2) 渭河盆地基底及南缘广泛分布有氦源岩，载体气及地层孔隙-孔隙水是氦气运移和富集的重要载体，初步估算有效氦气资源量为33.8×10⁸ m³; 华州—潼关地区可作为多资源综合勘探与开发的重要目标区域。

(3) 华州探区氦气探井钻遇太古宙变质岩基底与印支—燕山期花岗岩，在压裂试气过程中未达到稳定状态时氦气体积分数最高可达17 000×10^-6，可为该区氦气资源的有效评价提供支撑。

(4) 渭河盆地氦气资源勘探开发关键技术仍面临多方面问题与挑战，需综合钻、录、测井成果资料，针对性地加强井下技术攻关与理论创新，进一步明确氦气勘探开发的发展方向。