破局中國“氦”荒，測井技術打開地下寶庫

原文發表于《科技導報》2025 年第15 期 《 地球物理測井在稀缺資源勘探中的應用——以氦氣為例 》

針對巖石的生氦潛量是一個關于放射性元素鈾、釷濃度和時間的函數，本文提出了一套基于自然伽馬能譜測井的氦氣資源潛力評估方法。利用伽馬探測器測量地層自然放射性產生的伽馬能譜，根據不同放射性核素產生伽馬能譜的差異，通過譜解析可連續獲取地層各層位的鈾、釷含量，進而計算巖石礦物的釋氦含量，識別優勢氦源巖，對于地層中的氦氣資源潛力進行評估。該方法目前被應用于塔里木盆地古城、雅克拉、托甫臺、和田河區塊及全盆地氦氣資源分布的預測及戰略選區評價中。未來需要進一步加強使用該方法過程中對于結晶基底氦氣生成量、巖石礦物釋氦絕對年齡、氣藏氦氣逸散過程的精確厘定。

氦（He）是一種稀有惰性不可再生氣體，憑借其獨特的物理?化學性質，在地質研究、工業、國防及許多尖端科學領域有著重要的用途，是一種關系到國家安全的戰略性資源。由于氦氣在空氣中含量低，分離成本高，目前從含氦天然氣藏中分離提純仍是工業制氦的唯一經濟途徑。據2024年美國地質調查局（USGS）公布數據，氦氣資源在全球分布極不均勻，中國總體上氦氣資源量仍較小、品位較差，遠無法滿足國內市場對于氦氣的需求，氦氣市場資源短缺甚至斷供的風險在短期內仍然存在。

據此，近年來學者們對于國內氦氣資源的成藏及富集機理、資源潛力評價方法、有利富集區優選方法、全產業鏈一體化評價技術進行了大量的探索。目前氦氣資源評價方法主要有百分含量法、統計法、類比法及成因法4種類型，各方法在實際應用過程中相輔相成。氦氣成因資源評價方法即考慮到氦氣由巖石礦物中放射性元素（鈾、釷等）衰變而來，基于放射性衰變機理，估算氦氣的生成量及聚集成藏量，該方法常被應用于氦氣資源遠景區預測及戰略選區評價中，是氦氣資源評價的第一步。前人在應用成因法對氦氣資源潛力進行評估時，常根據巖心或野外樣品的測試結果，其普遍依賴于實物樣品。鑒于上述問題，何衍鑫等提出了一種基于自然伽馬能譜測井的氦氣資源潛力評估方法，實現了對于一套地層開展連續整體的氦氣資源潛力評價，并應用于塔里木盆地的氦氣資源勘探中。

1 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法原理

1.1 氦氣資源潛力評估機理

圖1 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法原理示意

氦具有2種同位素（3He與4He），其中自然界中的氦以4He為主，主要為巖石中富鈾、釷礦物（如鋯石、獨居石、磷灰石）中238U、235U、232Th通過ɑ衰變產生（圖1（a））。其中238U與235U分別占鈾總量的99.275%與0.72%，232Th占釷總量的99.995%。其衰變方程為

盡管地殼中其他各種核反應也會產生ɑ粒子，（a，n）反應會消耗一些ɑ粒子，但其數量級皆遠小于上述3個衰變方程產生的4He。因而，地質歷史中一定時間內巖石中礦物的釋氦原子量，可用放射性衰變定律式（1）描述：

式中，Nt為t時刻體系內的放射性核數，N0為初始狀態下體系內的放射性核數，λ為放射性核素的衰變常數（a?1）；t為衰變時間（a）。根據放射性衰變定律，可以建立一套放射性元素濃度的函數，描述每一種放射性核素R所產生的He如式（2）：

式中，XR[R]為R同位素的相對豐度；NA為阿伏伽德羅常數，取值為6.02×1023；AR為核素R的摩爾質量（g/mol）；λ為核素R的衰變常數（a?1）；t為衰變時間（a）；yieldR為每個核素R衰變產生4He的數量。氣體摩爾體積計算公式為

式中，V（STPcm3）為標準狀態STP（0℃，101.33 kPa）下的氣體體積（L）；N為放射性核素的原子量。

考慮到標準狀態下，1 mol任何理想氣體所占的體積均為22.4L，推導出巖石的生氦速率（cm3·g?1·Ma?1）函數為

式（4）中，238U的同位素相對豐度為99.28%，235U的同位素相對豐度為0.72%，232Th的同位素相對豐度為99.995%；238U的衰變常數為1.55×10?10，235U的衰變常數為9.85×10?10，232Th的衰變常數為4.95×10?11；238U的摩爾質量為238 g/mol，235U的摩爾質量為235 g/mol，232Th的摩爾質量為232 g/mol；每個核素238U產生的4He數量為8個，每個核素235U產生的4He數量為7個，每個核素232Th產生的4He數量為6個。考慮到鈾和釷的半衰期較長，氦氣生成量主要取決于巖石中鈾和釷的含量以及經歷的衰變時間，不受溫度的影響。

代入式（4）中相關系數的數值，乘以巖石的衰變時間t，得到單位質量巖石的生氦體積，即生氦潛量（cm3/g）：

式中，[U]和[Th]為巖石中鈾、釷含量，單位為10?6。考慮到巖石內礦物衰變釋氦時間普遍較長，此處衰變時間t單位為百萬年（Ma）。根據式（5）可得單位巖石體積中氦氣的生成量與時間和放射性元素（U、Th）濃度的函數。

1.2 氦氣資源潛力評估方法

考慮到氦氣由巖石礦物中放射性元素（鈾、釷等）衰變而來，根據放射性核素衰變方程，可利用成因法估算氦氣的生成量及聚集成藏量，其涉及的參數包括巖石分布面積、厚度、密度、放射性元素（鈾、釷）含量以及巖石的絕對年齡等。計算公式為

式中，NHe為氦氣生成總量，m3；A為巖石分布面積，m2；H為巖石平均厚度，m；ρ為巖石密度，kg/m3；Φ為巖石孔隙度，無量綱；RHe為巖石生氦潛量，cm3/g，由式（5）計算得到。

由式（5）與式（6）可知，氦氣勘探開發潛力較高的區塊需具有鈾、釷含量較高及體積較大的古老氦源巖。

1.3 自然伽馬能譜測井應用于資源潛力評估

自1927年首次被提出以來，測井方法在地球科學及工程學的多個領域得到了廣泛的應用，該方法具有可連續采集數據、高垂直分辨率、低成本甚至可定向的明顯優勢。

自然伽馬能譜測井為9條傳統測井曲線中巖性測井的一種，其為核探測在地球物理勘探中的應用。前人應用自然伽馬能譜測井于石油勘探開發的多個領域（如黏土礦物識別、沉積環境恢復、古水深反演、儲層評價、油層識別），其同樣也可應用于氦氣資源潛力的評估。

地層中鈾系、釷系核素衰變釋氦的過程中同樣會產生自然伽馬射線，表現為鈾、釷元素的伽馬能譜（圖1（b）），利用伽馬探測器測量地層自然放射性產生的伽馬能譜，通過譜解析方法可獲取地層中鈾、釷元素的含量（圖1（c）），進而代入式（5），可對于一定區域不同巖性、層位及總體的生氦潛量進行定量評估。

考慮到巖石的生氦潛量是關于放射性元素鈾、釷濃度和時間的函數，因此利用自然伽馬能譜測井資料進行氦氣資源評價具有科學性和普遍應用意義。之后，將計算得到的區域內各井位生氦潛量代入式（6）中，可對于一定區塊的氦氣資源勘探前景進行初步評估，指導后期生產開發。

2 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法應用

2.1 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法流程

圖2 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法流程

氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法流程如圖2（據文獻修改），包含4個步驟：

1）測井資料的評價、核驗與校正。

首先，對于相應井位采集自然伽馬能譜測井資料。利用LogToTxt軟件將獲得的測井資料轉換為Las或者Txt格式文件，對資料進行譜解析。

之后，使用ResForm及LogDataHelper等軟件，對測井曲線進行質量評價，分析伽馬能譜數據中的異常點，剔除人為因素對于后期分析結果產生的影響。

最后，根據巖心放射性室內測試結果，對鈾、釷能譜測井曲線進行校正，如果校正曲線一致性（R2）較高，則證明所選取的自然伽馬能譜測井數據能夠準確反映巖石中的鈾和釷含量，因此基于這些能譜測井數據進行的氦氣資源評價具有科學性和極高的參考價值（圖3）。

圖3 自然伽馬能譜測井資料評價、核驗與校正流程

2）富U?Th礦物衰變時間厘定。

本方法假設研究樣品為封閉體系，其中礦物內的同位素衰變是自然進行的，不會有任何物質的丟失或增加。因而，巖石礦物中放射性同位素的衰變時間即巖石形成的絕對年齡。對于可以進行同位素測年的巖漿巖、變質巖等巖石，應首先考慮利用U?Th同位素測年法來獲取絕對年齡。然而，對于占據沉積盆地大部分的無法進行精細測年的沉積巖來說，可以使用通過生物年代學或地層層序律來確定相對地層年齡。

3）氦氣生產力評價。

在完成對于測井資料的核驗校正并確定巖石礦物的衰變釋氦時間之后，基于式（5）的生氦潛量計算公式，利用何衍鑫等基于ResForm 3.5平臺編輯的宏程序，在自然伽馬能譜測井的U、Th含量測井曲線上獲得單井的生氦潛量曲線。

4）氦氣資源總量評估。

利用式（6），根據研究區塊氦源巖的分布面積、巖石平均厚度、巖石密度及巖石孔隙度，確定一定區域的氦氣資源總量。

2.2 氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法進展

氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法目前被應用于塔里木盆地多個區塊及全盆地的氦氣資源評估中。何衍鑫等利用氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法對于古城區塊奧陶系層位的氦氣資源潛力進行了評估，分析結果表明：

• 古城地區奧陶系層位泥巖、泥質灰巖和高鈾白云巖生氦潛量較高（泥巖>泥質灰巖>高鈾白云巖>白云巖>灰巖），具備成為主力氦源巖的潛力；

• 卻爾卻克組巖石生氦潛量最高，吐木休克組和鷹山組下段次之，蓬萊壩組、一間房組和鷹山組上段最低；

• 研究區奧陶系巖石的平均生氦潛量為1.7×10?10 cm3/g，氦氣生成總量為13.91×109 m3，生氦潛量最高最廣的區域位于古城14井區域，其次為古城12井區域，而古城6井到古城8井的狹長地帶則是一個明顯的低生氦潛量區域（圖4（a））。

張朝鯤等利用氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法對于雅克拉區塊古生界層位的氦氣資源潛力進行了評估，評估得到雅克拉地區古生界沉積巖系平均生氦潛量為2.37×10?10cm3/g，氦氣生成總量為3.22×109m3，生氦潛量高值區呈帶狀展布，分布在沙5井至沙49井的狹長地帶，以沙15井和沙49井為高生氦潛量中心，向周緣區域呈輻射狀遞減（圖4（b））。

圖4 生氦潛量預測平面分布

本文利用氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法對托甫臺區塊和和田河區塊進行了評估（圖4，圖5）。結果表明：

• 托甫臺區塊古生界層位泥巖、泥質灰巖和花崗巖生氦潛量較高（泥巖>泥質灰巖>花崗巖>白云巖>中性巖>灰巖>砂巖>基性巖），具備成為主力氦源巖的潛力（圖5（b））；

• 研究區奧陶系層位良里塔格組巖石生氦潛量最高，鷹山組和恰爾巴克組下段次之，一間房組、桑塔木組和蓬萊壩組最低（圖5（c））；

• 研究區古生界沉積巖系平均生氦潛量為1.14×10?10cm3/g，氦氣生成總量為1.04×109m3，生氦潛量高值區主要位于托805井、托607井、托737井周圍（圖4（c））。

和田河區塊石炭系層位生氦潛量最高，沉積層系平均生氦潛量為3.45×10?10 cm3/g，氦氣生成總量為31.2×109 m3，生氦潛量高值區呈帶狀展布，分布在瑪5井至瑪4?B2H井的狹長地帶及瑪3?1H井的高生氦潛量中心周圍（圖4（d））。總體上，和田河區塊的氦源供給充足，其次為雅克拉區塊與古城區塊，托甫臺區塊的氦源供給較低。

圖5 基于自然伽馬能譜測井資料分析各井位、巖性、地層層位氦生產力

此外，何衍鑫等還利用氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法對于塔里木盆地的氦氣總生成量進行了估算，模擬得出塔里木盆地累計氦氣生成量達19.18×1014 m3。其中震旦系地層因其衰變時間長、生氦潛量高而具有最大的氦氣生成量，為5.8×1014 m3，占整個塔里木盆地氦氣生成量的30%，寒武系、奧陶系、泥盆系、石炭系的氦氣生成量次之，均在2.0×1014 m3以上。

3 問題與展望

氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法的研究雖然取得了一定的進展，但仍有一些問題，需要進一步的優化，其主要集中于3個方面。

1）目前利用自然伽馬能譜測井資料對一定區域基底的氦氣資源潛力進行評估時，常選取結晶基底厚度進行計算，考慮到大陸地殼由硅鋁質巖石組成，其中廣泛分布的花崗巖中不乏富鈾、釷礦物可衰變釋氦，因而今后估算基底生氦潛力時，可考慮選取地殼厚度進行計算。但同時也需要注意的是，優勢的輸導體系、高效的輸導通道及有利的載體氣是氦氣從源到成藏的必要條件，因而，對一定區域基底的氦氣運移條件評估也是不容忽視的，其評估準確性對于基底產氦量預測的準確性影響顯著。

2）氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法的應用對象常為盆地內的沉積層系，此時，常常無法獲得每一套層系的絕對年齡，而采用相對地層年齡，這會造成地層中礦物釋氦總量的估算存在誤差。考慮到天文年代學可恢復出各沉積層系的高精度地質年代，今后的氦氣資源量預測過程可綜合天文旋回分析結果開展。

圖6 基于分子動力學模擬氦氣亨利常數在

H

3）目前的氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法僅可對于一定區域的氦氣生成總量進行評價，無法對于生成氦氣在氣藏中的富集程度進行厘定，這需要進一步對于氣藏內生成氦氣的逸散量進行評估。對此問題，后期可基于不同層位樣品氦氣含量測試結果與氣體動力學擴散方程利用Tough 3等軟件開展一維天然氣藏中氦氣富集動力學模擬，討論氦源巖生成氦氣的逸散程度。

分子動力學模擬（MD）是一種模擬分子系統運動的計算方法，利用Gromacs軟件開展，假設每個分子與原子為受經典力學控制的單個實體，其根據勢函數描述原子間的相互作用，獲得原子和分子的運動與位置信息，為多相體系下氦氣的逸散過程反演及定量分析提供了一種新的可能。

該方法也可應用于氦氣的工業提取，特別是天然氣聯產提氦工藝中，通過模擬氦氣分子在不同體系下亨利常數的變化（圖6），探討在氦氣分子完成高效富集與分離的同時，生產液化天然氣及其他副產品，達到降低成本、提高經濟效益的目的。

4 結論

自然伽馬能譜測井是核探測在地球物理勘探中的應用，利用伽馬探測器測量地層放射性核素產生的伽馬能譜，通過譜解析方法可獲取地層放射性元素含量。基于巖石的生氦潛量是一個關于放射性元素鈾、釷濃度和時間的函數，可對相應層位的氦氣資源潛力進行預測并建立一套氦氣資源潛力自然伽馬能譜測井評估方法。其具體步驟分為4步：數據評價、核驗和校正，確定U、Th衰變時間，氦氣生產力評價，區域氦氣生成量評估。

該方法被應用于塔里木盆地多區塊內的生氦主力層位、生氦潛力高值區、氦氣生成總量預測中。基于本套方法，本文對托甫臺與和田河區塊的氦氣資源潛力進行了評估，是對塔里木盆地氦氣資源分布的一個補充，有利于對該區域氦氣勘探、開發前景的進一步認識。未來需要加強在使用該方法時對結晶基底氦氣生成量、巖石礦物釋放氦氣的絕對年齡以及氣藏中氦氣逸散過程的精確厘定，優化該方法評估的科學性與準確性。

本文作者：弓明月，何衍鑫，張朝鯤，王筱煜，任嘉豪，李宏佳，史澤輝，田偉

作者簡介：弓明月，中國石油化工股份有限公司石油勘探開發研究院，副研究員，研究方向為巖石學與油氣地質；田偉（通信作者），北京大學地球與空間科學學院，研究員，研究方向為巖漿巖與火山學。

文章來 源 ： 弓明月, 何衍鑫, 張朝鯤, 等. 地球物理測井在稀缺資源勘探中的應用——以氦氣為例[J]. 科技導報, 2025, 43(15): 102?109 .

本文轉載自《科技導報》微信公眾號

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