热点述评中国氦气研究历程与展望

李华洋; 刘全有; 朱东亚; 吴小奇; 张驰; 刘丹童

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505925

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (8) :3111-3124 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505925

热点述评

热点述评中国氦气研究历程与展望

李华洋 ¹ ,
刘全有 ¹^,^* ,
朱东亚 ² ,
吴小奇 ² ,
张驰 ³ ,
刘丹童 ⁴

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Research History and Prospects of Helium in China

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摘要

氦气在众多现代产业体系中发挥着核心作用,而中国氦气自给率长期处于不足10%的被动局面,提升氦气勘探技术能力成为保障资源安全的重要课题。融合文献计量学与知识图谱技术,以2000—2025年中国知网数据库中氦气勘探开发相关文献为样本,开创性地系统完成了该领域知识单元的可视化重构与演进规律的量化解析。深度挖掘和分析年度发文量、核心作者聚类图谱及研究主题演化路径等多维数据,从时空分布格局和发展周期规律等多重角度全面揭示了21世纪以来中国氦气勘探开发领域的研究脉络和发展现状。结果表明:中国氦气研究经历了兴趣驱动探索期(2000—2011年)、需求驱动理论储备期(2012—2021年)和政策驱动生产实践爆发期(2022年至今)三大阶段,反映出政策、技术、国际环境与产业需求的协同推动。五大核心作者组群主导领域发展,形成了“政-产-学-研-用”相结合的良好局面。研究热点动态演变清晰。早期聚焦盆地基础调查与来源认知,中期转向资源潜力评估和成藏条件分析,近期深入富集机理、成藏模式、资源战略安全、高效提氦技术及全产业链一体化应用,呈现由现象描述向机理探究再向系统应用的演变路径。总结了氦气核心科学问题的最新进展,并为促进行业高质量发展提出一定的建议。通过定量化、可视化、多尺度的综合分析方法,系统梳理了中国氦气研究的完整发展轨迹,揭示了关键驱动因素、核心力量结构与热点演进规律,为优化科研布局、促进产学研融合、提升国家氦气资源安全保障能力提供了重要的科学依据和决策参考。

Abstract

Helium plays a pivotal role in numerous modern industries, yet China’s domestic supply has persistently covered less than 10% of demand. Enhancing exploration technologies for Helium is therefore critical to securing this strategic resource. Bibliometric analysis was combined with knowledge mapping, using literature on helium exploration and development published in the CNKI database from 2000 to 2025.For the first time, the field’s knowledge structure was reconstructed visually and its evolutionary patterns were quantified. By mining multi-dimensional data—including annual publication counts, author collaboration networks, and topic evolution—the development trajectory and current landscape of China’s Helium exploration research were unveiled from both spatial-temporal and life-cycle perspectives. The results show that China’s Helium research has progressed through three phases: an interest-driven exploratory period (2000—2011), a demand-driven theoretical development stage (2012—2021), and a policy-driven production and application surge (2022 present). These shifts reflect the combined influence of policy, technology, international dynamics, and market needs. Five core research teams lead the development of this field, forming a sound integration of “government-industry-academia-research-application”. The dynamic evolution of research hotspots is clear: in the early stage, the focus is on basic basin surveys and understanding of origins. In the middle stage, the focus shifts to resource potential evaluation and reservoir-forming condition analysis. In the recent stage, research delves into enrichment mechanisms, reservoir-forming models, strategic resource security, high-efficiency helium extraction technologies, and integrated application across the entire industrial chain. This shows an evolutionary path from phenomenon description to mechanism exploration, and further to systematic application. The latest progress was summarized in key scientific issues related to helium and recommendations were put forward to promote the high-quality development of the industry. Through quantitative, visual, and multi-scale comprehensive analysis methods, the complete development trajectory of helium research in China was systematically reviewed, revealed key driving factors, core strength structure, and hotspot evolution laws were revealed. This provides important scientific basis and strategic guidance for optimizing scientific research planning, enhancing industry-academia-research integration, and strengthening national helium resource security.

Graphical abstract

关键词

氦气 / 成藏条件 / 富氦气藏 / 氦源岩 / 富集机理 / 文献计量分析 / 研究展望

Key words

helium / accumulation condition / helium-rich gas reservoir / helium source rock / enrichment mechanism / bibliometric analysis / research prospects

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李华洋, 刘全有, 朱东亚, 吴小奇, 张驰, 刘丹童. 热点述评中国氦气研究历程与展望[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(8): 3111-3124 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505925

LI Hua-yang, LIU Quan-you, ZHU Dong-ya, WU Xiao-qi, ZHANG Chi, LIU Dan-tong. Research History and Prospects of Helium in China[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(8): 3111-3124 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505925

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氦气(He)作为一种重要的稀有战略资源,由于其低密度、低沸点、化学惰性等独特性质,在航空航天、医疗、科研、电子和军工等高科技领域有着广泛的应用和不可替代的地位。然而,氦气的全球储量相对较少且分布不均^[1-3],主要集中在美国和卡塔尔等少数国家。中国氦气资源相对匮乏,长期依赖进口,资源安全形势严峻^[4]。随着全球对氦气需求的不断增长以及氦气资源的日益稀缺,加强氦气资源勘探开发,提高氦气自给能力,对于保障国家资源安全和推动相关产业的发展具有重要战略意义^[5]。

虽然氦元素在宇宙中的丰度仅次于氢元素,但地球上的含量却极为稀少,大气中的体积分数仅为5.24×10^-6^[6]。因此,氦气的工业化生产主要依赖于从天然气伴生气中提取,这也是当前国际公认最经济有效的方式。天然气田中的氦气主要有三种来源:大气来源、地壳源和地幔来源^[7]。目前,全世界已探明的富氦气藏均为壳源,还没有发现独立的幔源氦气藏。壳源氦由地壳中富含铀(U)和钍(Th)元素的岩石或矿物经长期放射性衰变而成,生成速度极其缓慢^[8]。地壳中铀和钍的衰变每年生成的氦气量约为8.0×10¹² cm³,且氦气往往与其他气体(如CH₄、N₂、CO₂等)共同成藏^[9]。近年来,随着氦气成藏理论的完善和勘探技术的进步,中国在四川盆地、塔里木盆地、鄂尔多斯盆地等地区陆续发现了含氦天然气资源^[10]。不同地区的氦气成因有所差异,四川盆地和鄂尔多斯盆地以壳源氦为主,而中国东部地区,如松辽盆地等则有明显的幔源氦参与^[11]。目前,在四川盆地威远气田和塔里木盆地和田河气田已发现可以进行商业开发的富氦天然气藏,即氦气体积分数超过0.1%,展现出较好的资源潜力。

尽管取得了丰富的成果,但从整体来看,中国氦气资源前景依然不容乐观,氦气的资源评价标准、富集理论与成藏机制研究尚处于起步阶段,其输导通道、运移载体与封盖条件的作用机制也有待进一步厘清。现有研究对这些复杂要素的相互关系及其对氦气成藏影响的认识存在碎片化、局部化和孤立化的现象,难以揭示氦气资源勘探开发的深层次机理与规律。因此,迫切需要一种更加系统、直观和高效的分析方法,整合已有研究成果,深入探究中国氦气资源的空间分布规律和富集机理,进而为勘探开发提供理论与实践上的有效支撑。

知识图谱作为一种高效的定量分析方法,在理清复杂科学问题、解析多维数据关联、展示领域发展脉络方面展现出独特的优势^[12-13]。崔悦等^[14]采集了知网数据库中2010—2024年9月以“数字孪生”“地面工程”“油气田”等为主题的196篇文献,基于VOSviewer软件对设备、站库和系统三级研究热点进行了逐层分析,并对地面数字孪生系统的建设方向、思路以及具体实施路径进行了未来展望。朱彪彪等^[15]用CiteSpace软件统计并分析了2000—2024年发表在知网核心期刊和WOS(Web of Science)核心数据库的地质学、地球化学、地球物理学、地质灾害与防治等地学相关领域的5 403篇文献,详细总结了地质大数据与人工智能方向的研究现状、热点和前沿,为地质科技工作者提供了重要参考。赵汀等^[16]利用矿产资源国情调查数据库将地质大数据与国情调查项目相结合,开发了基于机器学习的矿床知识图谱可视化框架,为大规模矿产资源数据的整合提供了基础支撑。

目前,在氦气研究领域,前人已经取得了很大突破。Li等^[17]基于氦气地球化学特征剖析了氦气成藏要素和机理,并根据众多富氦气藏地质实例分析了中国含油气盆地氦气的分布特征与成藏机制。陶士振等^[18]通过对比氦气与天然气的成藏机理,归纳总结了氦气富集与分布的三大规律,即规模有效的氦源是富氦气田形成的资源基础、优势输导体系及有利运载介质是氦气从源到载体气圈闭高效运移的必要条件、有利的聚氦载体和保存条件是富氦气藏形成的关键。秦胜飞等^[11]采集并分析了来自四川、鄂尔多斯、塔里木等盆地的岩样和气样,梳理了中国富氦气藏的赋存特征,探讨了氦气富集的主控因素,提出了壳源氦气富集模式和壳-幔混合氦气富集模式,对中国氦气的勘探思路做了重要补充。罗胜元等^[19]利用聚类分析的方法,分析了四川盆地230口气井的气体组分,根据聚类结果总结了三类氦气藏的特征和评价标准。

然而,目前氦气勘探开发领域的论文以传统的文献综述和描述型研究为主,但还没有基于文献计量和知识图谱分析的研究,且已有研究对象多局限于单一学科或特定区域,缺乏跨学科、多区域的系统性整合分析。这些研究视角和方法的局限,使得学者们难以全面深入地了解中国氦气勘探开发的研究历程和现状,制约了基础理论与实践研究的进一步发展。为此,采用知识图谱和文献计量学相结合的方法,基于2000—2025年中国知网数据库中氦气勘探开发相关文献,通过构建更为精细、全面的知识图谱,系统梳理和分析中国氦气的研究进展、核心热点和趋势动态,并深入挖掘领域内关键人物、研究团队和学术机构之间的协作网络特征,系统梳理了前人的研究成果,以期为中国氦气勘探开发领域的战略决策提供理论依据和方法支持。

1 数据来源与分析方法

1.1 数据来源

依托中国知网,设定2000年1月—2025年2月的时间窗口,于2025年2月13日对主题词为“氦气”的期刊论文进行系统性检索,首轮获得2 742篇关联文献。为确保数据质量,设置二级筛选机制。首先过滤非研究性资料(含行业动态、产品推广及文献评述等),其次排除主题偏移文献(涉及会议通知、无署名论文等非规范学术产出),最终建立由228篇有效论文构成的精选专题数据库。

1.2 研究方法

文献计量学是以学术文献的各种外部特征(如作者、国家和关键词等)作为研究对象的一种重要的定量分析方法^[20],旨在通过数学与统计学方法研究学术成果的产出规模、结构特征及其发展规律,评价和预测科学技术现状与演变趋势,为科研战略规划与资源配置提供实证支持^[21-23]。

科学知识图谱是文献计量学的理论衍生和可视化延伸,通过统计和分析发文量、期刊分布和基金资助等多元指标^[24-25],能够直观展示文献数据(知识单元)之间的内在联系。相较于传统文献综述的线性叙述模式,科学知识图谱运用空间拓扑映射原理,将引证关联、共现网络等隐性知识关系转化为可交互的图像模型,显著提升了学术脉络的解析效率^[26],具备客观性、高效性与直观性三重优势。VOSviewer是一款基于JAVA的免费软件^[27],凭借其开源特性、界面友好性及多维分析功能,已成为目前具有影响力的文献数据可视化分析工具之一^[28],可视化展示文献数据的聚类视图、标签视图和密度视图,实现文献数据从宏观分布到微观关联的全尺度解析,帮助学者准确、直观地了解某一研究主题的现状和发展趋势^[29],已在多个学科领域成功验证了其对于复杂知识系统解构的独特价值^[30-31]。

2 研究结果与分析

2.1 年度发文趋势

中国该领域发展呈现明显的三阶段演化特征(图1),其阶段性特征与资源禀赋、国际形势及技术突破等因素密切相关。

2.1.1 兴趣驱动探索期(2000—2011年)

此阶段年均文献产出不足3篇,2002年甚至出现学术空窗期,这种学术沉寂与中国氦气资源极度匮乏的现状直接相关。据美国地质调查局报告显示中国氦气探明储量仅占全球总量0.1%(实际上近两年取得了勘探新突破,2024年中国氦气资源量评估可达47.92亿m³,约占全球氦气资源量(484亿m³)的9.9%^[32-34]),若干典型区块如鄂尔多斯盆地天然气中氦气浓度多数在0.05%以下,部分地区可达到约0.1%。而渭河盆地氦气丰度多数大于0.3%,1/2大于1%^[35]。全球氦气产业是以美国主导(占全球产量56%)、辅以卡塔尔和阿尔及利亚等资源国形成的供应链体系^[36],而中国自给率长期不足5%的困境直接制约了基础研究投入(2024年自给率提高到约15%^[37]),导致该阶段研究多停留在资源分布普查与基础理论探索层面。

2.1.2 需求驱动理论技术储备期(2012—2021年)

在2010年代全球氦气供应危机背景下,发文量呈现震荡上升态势(峰值2014年8篇)。关键转折源于2013年美国《氦气管理法案》实施后出口限制政策^[38-39],迫使中国加速供应链重构:进口来源转向卡塔尔(2022年占比达84%),同时启动本土勘探战略布局。值得关注的是,中国地质调查局2012年将氦气列为战略矿产,系统开展渭河盆地等区域勘探工程,在此之前氦气主要作为壳幔流体示踪剂进行研究,仅少量学者关注了其资源属性。但此阶段年发文量仍在3~8篇波动,暴露出技术转化效率低、政策持续性不足等发展瓶颈^[40]。

2.1.3 政策驱动生产实践爆发期(2022年至今)

近3年发文量呈爆发式增长(年均超50篇),2024年达54篇的峰值,这种成果井喷与多重因素相关:①半导体、航天等战略产业对高纯氦气需求激增;②提氦技术和装置突破,氦气提纯度达99.999%,产量可达 380万m³/年^[41-42];③国家资源安全战略推动下科研经费倍增,国家重点研发计划立项^[43],经费投入增加,生产实践热度大增,应用范围显著扩大,与油气行业密切相关的天然气老区低品位氦气资源发展迅速。特别是近年来在四川盆地(泸州、安岳)和鄂尔多斯盆地(东胜、苏里格)富氦气藏的勘探突破^[44],为理论研究提供了丰富的实践样本,形成“技术突破-产业应用-学术反哺”的良性循环,标志着中国在该领域进入自主创新阶段。需说明的是,2025年数据因统计时间限制存在偏差,但整体增长趋势已确立。该演化轨迹印证了战略资源研究“政策引导-技术突破-产业融合”的发展规律,其阶段特征为研判关键矿产研究周期提供了典型范例。

2.2 核心作者合作网络视图分析

普莱斯定律用于描述科研中少数关键人物对科研成果的贡献的经验性规律,由此得到判断核心作者的发文阈值M的计算公式为^[27,45]

(1)M=0.749

${X}_{max}^{1/2}$

式(1)中:M为成为核心作者的最低发文量,篇;X_max为所统计时间段内某一作者的最大发文量,篇。

由图2可知,本时间段内发文量最多的学者是李玉宏,数量为29篇,按照式(1)计算M保留三位小数得4.033,取M=4。228篇有效论文共计732名作者,按照最低发文阈值4篇筛选,共有57名作者符合(占比为7.787%)。

图2中尽管也存在个别相对孤立的节点,如陈新军、李青、谢菁等,但5大核心作者组群的地位较为突出,其中红色组群以陶士振、陈燕燕、陈悦、刘祥柏等为核心(主要单位:中国石油勘探开发研究院)。绿色组群以陈践发、范立勇、康锐、刘凯旋等为核心(主要单位:中国石油大学)。蓝色组群以刘全有、何衍鑫、吴小奇、朱东亚等为核心(主要单位:北京大学)。紫色组群以秦胜飞、李济远、赵姿卓、陶刚等为核心(主要单位:中国石油勘探开发研究院)。黄色组群以李玉宏、张宇轩、魏建设、张云鹏等为核心(主要单位:中国地质调查局西安地质调查中心)。这五大组群是中国氦气勘探开发研究领域最核心、最稳定的合作群体,五大组群内部节点连线密集表明群体内部作者之间存在长期稳定的合作关系。不同组群之间既存在着较为明显的界限又存在一定关联(部分节点处于不同群体的交界处),说明核心作者之间合作更为频繁和紧密,更倾向于形成稳定的研究团队开展工作,但又同时通过个别作者(节点)与外部组群有所联系,表明他们与其他群体的作者有过一定的合作,未来可成为促进不同群体之间合作交流的桥梁,进一步推动中国氦气勘探开发领域核心作者合作网络的融合与发展。例如,蓝色组群(刘全有、何衍鑫、吴小奇、朱东亚、刘文汇)分别通过王磊和王晓锋与红色组群和紫色组群相关联。

李玉宏、秦胜飞、刘全有、陈践发和陶士振等团队核心作者节点更大且连线更多,体现了他们在推动领域研究进展和促进合作交流中的引领和纽带作用。核心团队对中国氦气勘探开发研究具有重要影响,主要体现在以下三方面:一是知识创新与积累。核心作者及其合作群体通过大量紧密的研究合作,促进了该领域的知识创新和积累。二是人才培养与传承。人才培养是推动氦气勘探开发领域持续发展的关键驱动力,尤其在中国氦气资源稀缺、自给率低且技术能力亟待提升的背景下,专业人才的培养与储备对于保障资源安全和促进行业高质量发展至关重要。当前中国氦气研究人才主要依托地质学、石油工程、地球化学等传统学科培养,存在一定的跨学科能力短板。目前核心作者凭借自身的学术声誉和研究能力吸引其他研究人员加入其团队或合作项目,通过“项目驱动”模式培养了一批技术骨干。科研院校作为人才培养的重要基地,应充分发挥其在研究中的人才接力作用。建议高校开设若干针对稀贵气体的特色课程,与地质调查机构及企业共建“氦气资源与技术”硕/博士联合培养基地,通过“双导师制”(高校导师负责理论指导,企业导师负责工程实践)强化跨学科培训,定期开展短期集中培训和实地勘察实践,以加速青年人才对核心技术的掌握与应用能力的提升,为人才培养提供良好的平台,进一步完善人才梯队建设,形成相对稳定的研究团队,从而为该领域的持续创新提供坚实的人才保障。三是学科交叉与融合,氦气勘探开发领域的研究涉及地质学、地球化学和地球物理学等多个学科的知识和技术。不同学科背景学者间的合作促进了学科之间的交叉与融合,拓展了研究方法和技术手段,为解决复杂研究问题提供了新的途径和思路。

从时间维度看,不同颜色节点显示了研究力量的发展趋势。由图3可知,2000—2025 年,中国氦气勘探开发领域的核心作者合作网络呈现出逐渐发展和壮大的趋势,核心作者合作网络在规模、紧密程度和作者构成等方面发生了显著变化。核心作者组群最早是在2010年左右开始出现并且规模极小(图3中绿色组群,包括李荣西和王行运等),2000—2010年中国氦气勘探开发领域没有形成以若干领军人物为中心的核心作者组群,符合前文针对年度发文趋势分析得出的结论。受国际形式变化、国内政策导向、领域重要性的不断提升等多方面影响,近年来氦气研究热度持续上升,呈现出不断发展和繁荣的态势,越来越多的学者和机构参与到氦气勘探开发研究中来。例如,李玉宏、韩伟和张文等(图3中橘黄色节点)是在2015年以后成为核心作者,其余学者则是在2020年,甚至是2022年以后才成为核心作者并形成稳定的合作组群(图3中红色节点数量增多且分布更为集中)。作者合作网络不断扩展和复杂化,新的学术力量崛起,研究队伍在不断更新壮大,研究成果产出速度加快,形成了目前多个合作群体并存且相互联系的局面。这表明该领域的研究具有一定的开放性和动态性,不断有新的研究力量加入。核心作者应充分发挥关键引领作用,带动更多年轻学者参与到研究中,推动中国氦气勘探开发领域的持续创新发展。

2.3 研究热点分析

尽管全部关键词能展现整个研究领域的全貌,但由于数量众多(630 个),信息量大且繁杂,包含大量低频出现、仅在少数文献中涉及的关键词,低频关键词对整体研究趋势和核心问题的代表性有限。因此为突出研究重点、简化聚类网络的复杂度以及增强结论的可靠性,借鉴核心作者的思路提出了核心关键词。关键词“氦气”出现115次,根据式(1)计算得M为8.032,取M=8,仅有14个满足条件。考虑到关键词“氦气”出现次数与其他关键词间存在断层式的差距,导致由此筛选出来的核心关键词较少,可能会忽略一些重要的内容。因此采用出现次数第二多的关键词“渭河盆地”(出现23次),计算得M为3.592,取M=4,以此为阈值筛选出38个核心关键词,占比为6.032%。

由图4可知,“氦气” 处于网络的绝对中心位置,核心地位凸显。众多核心关键词与其紧密关联,表明其他关键词的研究都是围绕氦气展开的。如“天然气”“煤层气”“页岩气”“水溶气”和“煤系气”等表明,氦气与其他天然气体资源间是伴生关系。“渭河盆地”“鄂尔多斯盆地”“松辽盆地”“四川盆地”和“塔里木盆地”等盆地关键词表明这些地区是中国氦气开发的重点区域。不同盆地具有独特的地质构造、沉积环境和资源特征,因此针对各个盆地开展专门的研究对于深入了解不同区块氦气的富集情况和勘探潜力具有重要意义。“资源潜力”“富集机理”“成藏条件”“分布规律”和“成藏模式”等关键词的出现反映了学者们对氦气资源的分布规律、富集机制以及开发潜力的高度关注,这些是研究的关键科学问题。上述分析表明,学者们关注的热点呈现出多样化的特点,涵盖了从地质背景、资源分布、成藏机制到具体盆地的研究等多个方面,这种多元化的研究格局反映了氦气勘探开发的复杂性和综合性。

图4中,聚类网络中不同颜色的节点群组代表了不同的研究主题,不同颜色的聚类之间存在一定的联系,又各有侧重,如黄色聚类(包括“渭河盆地”“水溶气”“水溶氦气”“地热”和“煤系气”等关键词)中的 “渭河盆地”表明研究聚焦于特定区域,而 “水溶气”“水溶氦气” 说明在渭河盆地对氦气资源与地热水关系进行了深入研究。“地热”与“煤系气”的出现,意味着在该区域的研究中,考虑到了地热活动以及煤系气对氦气的来源、富集和运移等可能产生的影响,这些因素相互关联,使得相关关键词聚为一类。经调研发现,渭河盆地作为中国首个获得氦气勘探许可的沉积盆地,其地质热动力演化过程对氦气富集机理的研究具有典型示范价值。近年来,地热资源开发数据显示,该区域新生代地层的地热钻井普遍存在气液共存现象。经分析,这类伴生气体主要来源于煤系烃源岩的裂解产物。同时,地热水中的溶解气检测出高浓度氦气,虽然尚未探明可供规模化开采的天然气藏,但现有气样检测数据显示氦气平均浓度远高于工业品位标准(≥0.1%),其中氦气占全部水溶气的比例最大超过9%,1/2大于1%。这表明在常规油气资源相对匮乏的背景下,针对富氦资源的专门勘探或将成为该盆地商业开发的新突破口,成为中国氦气资源保障的新方向。红色聚类(包括“鄂尔多斯盆地”“塔里木盆地”“四川盆地”“氦源岩”“富集机理”“资源潜力”等关键词)中“鄂尔多斯盆地”“塔里木盆地”和“四川盆地” 均为中国重要的能源资源基地,这些区域具有丰富的油气资源,也是作为油气伴生资源的氦气的重点勘探区域。其中,塔里木盆地已记录到氦气浓度峰值可达0.53%^[46-47]。四川盆地中威远气田已开采氦气超60年,其周缘五峰组-龙马溪组页岩气系统内氦气平均丰度约0.04%,虽属低品位气藏,但基于整装气田规模核算,其氦气探明储量突破10亿m³,属于贫氦型特大型气藏^[48]。鄂尔多斯盆地作为中国天然气主产区,常规气藏氦气含量普遍处于0.03%~0.05%,但在少数气田氦气含量超过0.1%^[49]。实际上,在全球范围内具备经济价值的富氦天然气藏(以烃类气体为主)多是在常规油气开发过程中被意外发现的^[50],典型案例包括美国宾夕法尼亚州境内的Hugoton-Panhandle气田及中国四川威远气田等^[17]。这与黄色聚类中的“渭河盆地”的水溶性氦气存在明显差异,这也是“渭河盆地”没有被划归到红色聚类的原因。

图5展示了21世纪以来中国氦气勘探开发研究核心关键词的演变过程,着重体现研究领域的主流趋势和长期发展脉络,清晰呈现关键研究方向的演变。除个别核心关键词(如“松辽盆地”和“来源”,图5中绿色节点)始于研究早期(2000—2011年)外,其余核心关键词均处于研究中期(2012—2021年)和近期(2022—2025 年),其中“渭河盆地”、“水溶气”和“水溶氦气”等核心关键词(图5中黄色节点)出现相对较早(2015年左右)。绝大部分关键词如“鄂尔多斯盆地”“资源潜力”和“富集机理”等(图5中橘红色节点)是在2020年以后作为热门研究对象才成为核心关键词的,反映了研究主题的不断深化和拓展。核心关键词的发展呈现出从简单关联到复杂交织、从宏观到微观、从基础认知到深入探究的演变过程。各关键词聚类之间通过共现网络相互联系,共同构成了中国氦气勘探开发领域的完整研究体系。

实际上,在氦气研究中,核心科学问题通常围绕氦气的成因、分布、富集机理、勘探技术及应用展开。结合上文针对年度发文趋势以及核心关键词的聚类和演变过程的分析,深入挖掘了氦气科学问题的变化趋势。研究发现,氦气科学问题的关注点在不同阶段呈现出明显的变化。早期(2000—2011年,基础探索与来源认知):这一阶段为兴趣驱动的探索期,研究以基础勘探和理论研究为主,受限于中国氦气资源稀缺,更多的将其视为一种辅助其他地学问题研究的手段,仅少量用于军工、航天等产业,对于其资源属性的相关研究并未得到广泛的重视,此阶段科学问题具有“单一性”与“描述性”特征。中期 (2012—2021年,资源评估与技术储备):这一阶段研究转向资源潜力评估和成藏条件分析,核心科学问题包括:“中国哪些地区存在氦气资源?”“特定盆地(如松辽盆地)中氦气的来源是什么?”“各盆地的氦气资源潜力如何?”“影响氦气成藏的地质因素有哪些?”等,标志着研究从“现象描述”向“机理探究”升级,问题复杂度显著提升。近期 (2022年至今,机理深化与优化实践):近年来,随着技术的进步、需求的增长以及资源供应安全国家战略的要求,研究热点逐渐呈现“多目标耦合”特征,“氦气富集机理”“成藏模式”“资源潜力评价”等方向持续火热,“高效提氦与纯化技术”“低品位资源利用”“产业链安全”等成为新焦点,技术的进步和高科技产业需求的进一步反哺了机理研究和应用探索,同时对特殊地质区域氦气资源的勘探也受到了更多关注,表明研究已从“理论探索”转向“工程实践与资源安全”的复合问题。上述演化路径完整揭示了中国氦气研究从“现象认知”(“哪里有”)到“机理突破”(“为何有”)再到“系统解决方案”(“如何用”)的科学问题/思维演进规律,为科研立项、技术布局提供决策参考,呼应国家战略资源安全的需求。

3 中国氦气研究概述及未来发展方向

中国氦气研究始于20世纪60年代^[51],历经半个多世纪的发展,已从早期“顺带分析、局部应用”的附属角色跃升为服务国家稀有战略资源安全保障的独立研究方向。系统梳理其研究方法与标志性成果,并据此提出面向2035 年的研究议程,对推动中国氦气从“跟跑”到“并跑”甚至“领跑”具有决定性意义。

3.1 研究方法体系

中国氦气研究方法围绕“成因-分布-资源”三大核心科学问题构建,早期方法主要依赖于传统地质勘探,如钻井取样和气体组分分析。近年来,中国氦气研究普遍采用借鉴含油气系统“源-运-聚”框架,强调将氦源(基底/幔源)与输导体系、载体气(天然气、页岩气、地层水)及圈闭/保存条件耦合评价,融合地质调查、地球化学分析、遥感技术、构造地质学、地球物理勘查(地震、重力、磁法)、流体力学与资源评价理论,形成了多维度方法体系,以实现从区位到靶层的体系性找矿与资源评价。该方法论已成为近年中国富氦气田研究与区域勘查的主线。

氦气成因(壳源/幔源/大气源)的精准判识是资源评价的前提。20世纪七八十年代,中国引入同位素地球化学方法,用于区分氦气的来源^[52]。如今,中国学者成功建立了以稀有气体同位素比值(³He/⁴He)为核心,结合放射性元素丰度(U、Th含量)与载体气地球化学特征等辅助参数(⁴⁰Ar/³⁶Ar、CH₄/³He)的综合判识方法,并基于不同来源氦的³He/⁴He同位素分异特征,确立中国氦气成因判识标准:壳源氦³He/⁴He值为2×10^-8^[53],幔源氦³He/⁴He值>1.1×10^-5^[54],大气源氦³He/⁴He值固定为1.4×10^-6^[53]。相关成果已在鄂尔多斯盆地东胜气田^[49]、塔里木盆地和田河气田^[47]、四川盆地威远气田^[54]、东部郯庐断裂带周缘盆地(如苏北盆地)^[55]和渭河盆地^[56]等地得到了普遍应用。总体上,中西部盆地(克拉通与其边缘)如威远、和田河、东胜等气田以壳源氦占主导,而东部裂谷/裂陷带常如渤海湾、苏北黄桥、松辽万金塔等气田出现壳幔混源特征。

针对中国氦气品位偏低的特点,建立了以容积法为基础、成因法为补充的资源评价体系。其中,体积法是基于天然气地质储量与氦含量乘积计算资源量,适用于勘探程度高的气藏^[57]。何发岐等^[49]即采用该法,结合各区带天然气储量与氦平均含量,计算出东胜气田氦气探明储量2.444×10⁸ m³,三级储量8.304×10⁸ m³,确认其为中国第一大特大型富氦气田。成因法是基于氦源岩的U和Th的含量、体积和生氦速率等参数预测潜在资源量,适用于新区勘探。张雪^[58]、张文等^[59]和胡明卿等^[57]利用该法计算了渭河盆地氦气资源量,预测资源量介于6×10⁸~184×10⁸ m³。

3.2 研究核心成果

3.2.1 富集模式与主控三要素

研究归纳出氦气富集受三要素控制:优质氦源(富U-Th花岗岩/变质岩)、高效输导(深大断裂-基底断裂-有效输导层的复合体系)和适宜载体(与天然气或水相耦合的载体气-烃类/CO₂/N₂),并提出富氦气藏通常呈现“近氦源、邻断裂、低势区、高部位”的分布规律。例如,东胜气田氦气来自基底太古宇-元古宇变质岩-花岗岩系(有效氦源),通过泊尔江海子二级断裂与四级断裂输导(高效通道),在盒1-盒2段烃类气藏中富集(适宜载体),形成“源-运-聚”耦合的成藏模式^[49]。

3.2.2 氦运移与赋存形态

氦在地下存在三种赋存状态(溶于水、溶于气、游离气相),并据地层流体动力条件与相-势耦合关系,阐释氦的三种主要运移方式(集流/连通导流、孔隙/裂缝渗流、分子扩散),强调在无游离气条件下,氦的首要迁移方式为随孔隙水扩散(溶运),且氦易通过高孔隙、裂隙的通道沿断裂系统上移。此认识对圈定渗流-脱溶耦合的有利靶区,如含富U/Th基底且存在上行不整合与断裂通道的低势圈闭区,具有直接指导意义。

3.2.3 重要勘探开发成果

中国已在中西部克拉通盆地与东部裂谷盆地发现多个具有工业价值的富氦气藏,资源潜力显著。四川盆地威远气田是中国首个工业开发的富氦气田,震旦系气藏氦含量平均值为0.2%,最高0.342%,氦储量0.8×10⁸ m³,二叠系氦气含量则较低(0.1%)。该气田于1964年实现提氦,为中国氦气工业奠定基础^[51,54]。塔里木盆地和田河气田是中国首个特大型富氦气田,氦气体积含量0.30%~0.37%(均值0.32%),探明储量1.959 1×10⁸ m³,气源来自基底U-Th衰变,通过巴楚隆起断裂输导,在石炭系气藏富集^[47]。鄂尔多斯盆地东胜气田是2022年发现的特大型富氦气田,氦含量0.045%~0.487%(均值0.118%),探明氦储量2.444×10⁸ m³,是中国目前规模最大的富氦气田,且氦含量长期保持稳定,具备持续开发潜力^[49]。渭河盆地水溶氦气藏是中国最大的水溶氦资源区,地热水伴生气氦含量0.38%~3.23%(均值1.14%)^[60],其中华阴渭热76井水溶氦含量达9.226%^[18],为世界罕见。初步预测盆地水溶氦资源量达14.78×10⁸ m³^[61],具备规模化开发前景。

4 展望

(1)量化氦源产能与供氦通量研究。开展基底U/Th 含量与空间分布的高分辨率测定,结合岩石学、矿物学分析,建立不同岩性下的长期生氦速率模型,进而将其与区域断裂系统等氦气运移通道耦合,估算基底向上输送的氦通量。建议在塔里木、鄂尔多斯、松辽盆地等典型区开展反演实验。

(2)氦气-盖层相互作用与扩散/漏失动力学研究。开展物理实验与数值耦合研究,量化不同盖层岩性(泥岩、盐层、致密砂岩)对氦气扩散通量与穿透时间尺度的影响,建立盖层临界扩散通量阈值,当盖层扩散通量≥深部补给通量时,即为氦气难以富集的临界条件,以便在勘查中筛选能长期保存氦气的圈闭。

(3)构建可预测性的富氦评价指数与体系。基于现有“源-运-聚”要素,建立多要素赋权评价体系,如基底 U/Th 含量、运移通道密度、盖层扩散系数和载体气匹配度等,利用机器学习或贝叶斯框架进行历史富氦气田训练与靶区预测,从而把定性富集模式转成定量化、有排序的优选指标体系。

(4)国家层面的数据共享、标准与战略储备研究。建议建立国家级氦资源数据库与样本库,统一氦气资源分类与“富氦”或“有利勘查单元”的阈值标准;进一步完善氦气资源评价方法体系,摸清资源家底;开展地下战略储备空间与供给多元化研究,通过“常态开发+应急储备”模式,平衡市场供给与战略安全;加强与俄罗斯、卡塔尔等国的合作,建立多元化进口渠道,降低供应风险;配套政策、法规与安全指南,推动产-学-研-用一体化,以保障国家战略资源安全。

5 结论

以2000—2025年中国知网数据库中氦气勘探开发领域发表的228篇文献为基础,首次采用文献计量学与知识图谱分析相结合的方法,系统梳理并挖掘了21世纪以来中国氦气勘探开发研究的学术成果,深度挖掘和分析了年度发文量、核心作者聚类图谱及研究主题演化路径等多维数据,直观展示了中国氦气勘探开发领域的时空特征,深入揭示了21世纪以来中国在该领域的发展现状,为中国氦气研究提供了一种新的分析范式,全面展示了氦气资源研究领域的知识结构、研究热点演变规律,揭示了隐性的学术合作网络,同时也明确了中国氦气研究的薄弱环节与战略发展方向,为国家战略决策和产业发展提供了科学依据。得出如下主要结论和认识。

(1)21世纪以来中国氦气研究经历了三个显著阶段:兴趣驱动探索期(2000—2011年)、需求驱动理论技术储备期(2012—2021年)以及政策驱动生产实践爆发期(2022年至今)。各阶段的发展与资源禀赋、供需关系、国际形势及技术突破等因素紧密相连,呈现出阶段性演化的显著特征。这一演化路径不仅反映了国家资源战略与技术进步的协同效应,也揭示了科研活动对宏观政策与市场动因的敏感响应。

(2)李玉宏、陶士振等核心作者及其合作者通过大量紧密的研究合作形成稳定、高效的学术组群,促进了该领域的知识创新和积累。中国氦气勘探开发领域的持续发展提供了强大的动力。核心关键词分析表明研究热点聚焦四大核心主题:资源潜力、富集机理、成藏条件与技术创新:呈现从宏观分布到微观机理的演进轨迹。氦气富集机理与成藏模式不断深化认知,勘查评价方法进一步创新,提氦技术取得重大突破,渭河盆地等地氦气全产业链一体化应用成果显著,科学问题随研究阶段提升而逐步深化,研究焦点正从现象描述向机理解析和工程实践深度转换。

(3)中国氦气研究起步晚,发展快。纵观60年的探索之路,中国氦气研究从最初的研究边缘,到如今逐步构建起具有自主知识产权的方法技术体系,在多个关键环节实现“卡脖子”突破,发现东胜、和田河等特大型富氦气藏,构建产业雏形,使中国在全球氦气供给版图中打破了美国的贫氦论。面向国家重大需求与国际科技前沿,未来需以“资源评价精准化、提取技术低成本化、战略储备体系化、成藏机理深度化”为目标,贯通“资源-工程-储备-市场”全链条创新,方能在国际竞争格局中把丰富的地质潜力真正转化为产业优势,推动中国从氦气进口国向资源保障国转变,为高新技术产业与国家安全提供支撑。

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基金资助

国家自然科学基金(42141021)

国家自然科学基金(U2244209)

国家自然科学基金(42488101)

深地国家科技重大专项(2025ZD1010601)

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2025-08-13	2026-03-18	2025-12-25
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2026-06-26

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