氦气作为关键战略性资源,储量十分有限,但其在气藏中的富集与稀释机制尚未明确。稀有气体同位素在表征气相与地下水相互作用方面发挥着重要作用。对沁水盆地南部3号煤煤层气中稀有气体组分含量和同位素进行测试分析,明确该区域煤层气中稀有气体同位素组成特征,建立氦气成藏模式。采集13口煤层气生产井的气体样品,结果显示:煤层气中氦含量普遍比空气中高一个数量级,氦同位素³He/⁴He值为0.002 9~0.021 8 R_a,幔源贡献极低(0~0.31%);²⁰Ne/²²Ne值为10.09~10.43,²¹Ne/²²Ne值为0.029 6~0.031 9,均略高于空气值,²¹Ne相对空气过剩;⁴⁰Ar/³⁶Ar值为295.23~779.44,整体大于空气值,受壳源⁴⁰Ar年代累积效应显著影响;氪和氙的同位素特征与空气类似。氦产量定量计算揭示,自生自储煤层气系统中存在来自煤层外部的⁴He通量。⁴He与²⁰Ne的线性关系表明,氦在脱气进入气藏前溶解于地下水中,从煤层解吸的甲烷稀释了地下水伴生气中的氦(氖、氩),因此,品位较低的气藏反而更容易富集氦气。氦气主要分布在具有有效氦源岩、古老地下水系统、高效运移通道和适当生烃强度的地区,这为在煤层气中寻找氦气资源提供了理论基础。瑞利分馏和稀释模型以及采气量量化显示,每口井采气过程中的水量为8.03×10~3~1.63×10~6 m³,煤层气开采仅影响每口井周围的局部水,以此为依据可以优化井距设计。