【目的】全球富氦气藏以常规天然气为主,近年来在我国鄂尔多斯盆地及周缘石炭-二叠系煤系中发现含氦天然气,揭示煤系氦气具有一定的资源潜力。但目前针对煤系氦气扩散运移机制的研究几乎处于空白,严重制约煤系氦气富集规律的进一步研究。【方法】以沁水盆地北部太原组煤及其顶板泥岩为研究对象,开展不同含水饱和度及气体含量(体积分数)煤系氦气物理扩散实验,并结合区域沉积埋藏史及生烃演化史模拟计算煤与泥岩中氦气扩散通量,揭示煤系氦气富集机制。【结果和结论】(1)实验温压条件下(20℃,气体压力为1 MPa),在≤13.5 nm孔隙中氦气以Knudsen扩散为主,煤与泥岩中氦气的扩散速率相近;在>13.5 nm孔隙中氦气转为Fick扩散。煤系氦气扩散主要受孔隙结构、含水性和气体含量影响,孔隙连通性越差、含水饱和度越高、氦气含量越低,氦气扩散越慢,封闭能力越强。(2)煤中割理-裂缝系统发育,连通性较好,导致煤中氦气扩散系数(1.1×10^-8 m²/s)高于泥岩(5.8×10^-9 m²/s)。高含水性通过阻塞孔隙通道和改变气-液界面行为降低氦气扩散速率,而气体含量对扩散速率的影响主要与气体分压和氦气与甲烷物理性质差异有关。(3)结合物理模拟和数值模拟结果,建立了地质历史时期氦气扩散通量预测模型,标准状态下煤和泥岩中的氦气扩散通量分别为13.24、5.05 cm³/m²,氦气扩散主要发生在含量较高的烃类生成初期,后期逸散量可忽略不计。(4)煤系生氦能力较弱,煤系氦气的富集成藏是外源补给与保存动态平衡的结果,深部断裂促进深部氦气向上运移,而低含量梯度、高含水饱和度及低连通性通过抑制扩散速率而增强氦气的封存能力。煤系氦气勘探需重点关注深部断裂系统沟通能力及盖层封存有效性。