本发明提供一种综合利用含氦天然气液化尾气的多级膜分离工艺，将氦气优先渗透膜和甲烷优先渗透膜分离单元梯级嵌套，首先将液化尾气通入两级氦气优先渗透膜分离单元生产粗氦气，然后将其渗余气通入甲烷优先渗透膜分离单元，分离出富甲烷气送往天然气液化装置，增产液化天然气，最终将甲烷优先渗透膜的渗余气通入第二段氦气优先渗透膜，回收氦气的同时降低分离规模，提升分离效率，高效率且高收率的实现含氦天然气液化尾气的综合利用。采用本发明的多级膜分离工艺，对于氦气浓度为1.06vol％的天然气液化尾气，氦气收率达到99.4％，纯度超过80.0vol％，甲烷收率超过88.7％。每标方液化尾气的分离单耗不超过0.41度电。