為什么說氦氣是天然氣體中被忽視的“黃金”
氦(He)占整個宇宙的23%,僅次于氫,但氦濃度較低,是一種稀有氣體。當前,氦(>0.1%)主要從天然氣中萃取,含量最高可達7.5%。近幾年,液化天然氣(LNG)行業興起,氦氣富集到LNG尾氣中,可以進一步降低氦氣的工業標準。
當前,針對氦氣形成的研究較少,一般認為,在長期的地質史中,富鈾釷的礦物和巖石能夠產生大量的氦氣,并且部分保存;在劇烈的地球活動中,氦氣會集中釋放并溶解于地下水;如果氦氣能夠運移到天然氣藏中,則可以形成富氦天然氣藏;在地球活動劇烈時,氦氣會集中釋放并溶解于地下水;
在2001-2016年,隨著科技的不斷進步,氦在低溫超導、核工業、航天、工業生產、科學研究等領域得到了越來越廣泛的應用。其中,液氦的最大消費群體是醫院的核磁共振(MRI)掃描儀,與人類健康息息相關。我們的國家是貧氦國家,國內氦氣消費主要依靠進口,受人控制。此外,氦氣的開采還能極大地提高其經濟價值。可獲得的資料表明,在我國8個盆地中,在渭河、四川、塔里木、柴達木、松遼、渤海灣、蘇北、海拉爾等8個盆地中發現了氦氣含量。
液態氦沸點非常低(4.25K),這使得它成為高科技領域的寵兒:一是低溫超導。由于液氦溫度非常低,因此可以為超導磁體提供低溫環境,其中應用最為廣泛的是磁共振成像(MRI)。而醫院MRI成像的核心大多是超導磁體,只有在低溫液氦的低溫下才能穩定地工作,以保證高分辨率成像。二是低溫冷卻。
在原子反應堆中,液氦被廣泛用于冷卻介質和清潔劑。三是測溫。由于氦氣的液化溫度很低,接近于絕對零度,故其測溫范圍很廣,多用于精密測量。
氦氣具有化學惰性,常被用做半導體工業的保護氣和科學實驗中的載體氣。氦氣可以隔絕氧氣,避免電焊工件、單質硅和氧氣發生化學反應。保護氣體是氦的第二大用途。用氦氣作載氣,無需反應,即可輸送測定氣體。
氦分子最小,使它的滲透能力最強、密度最小,用于管道檢漏,可以解決單純靠聲波探測技術不能解決的問題,鹽城氣體對于那些具有防腐層的深埋管道或具有保溫層的熱力管道、石油、天然氣管道,尤其是低壓運行的管道,有明顯的檢測效果。
此外,氦氣在高真空裝置、核反應堆、宇宙飛船中用作檢漏劑和掃氣。氦的密度比空氣小很多,通常用來充氣的氣球和飛船,載著人們在空中飛行。氦的化學性質不活潑,使得氦氣熱氣球和飛船比氫氣球和飛船更安全。
氦氣難溶于水,可以與氧氣混合制成“人造空氣”。空氣中的氮氣在高壓環境中溶解在血液中。當潛水員上升時,壓力降低,血液中的氮氣逃逸,形成氣泡堵塞血管,使潛水員患有極其不舒服的減壓。
氦氣在高壓下溶解度低,所以用它來代替氮氣就可以解決這一問題。
據美國地質勘探局統計,目前被發現的全球氦資源大約有519億立方米。美國是世界上氦資源最豐富的國家,盡管已經有60多年的大規模開采歷史,但氦氣資源仍然占據著世界總量的40%以上。據美國地質勘探局2016年的調查,美國、阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯占全球氦資源的88%。全球氦氣資源量分布如下:美國206億立方米,卡塔爾101億立方米,阿爾及利亞82億立方米,俄羅斯68億立方米,加拿大20億立方米,中國11億立方米,其他國家31億立方米。國內主要含油氣盆地的氦氣資料表明,氦氣分布廣,層位多,但研究程度較低。現已發現的8個盆地,如渭河、四川、塔里木、柴達木、松遼、渤海灣、蘇北、海拉爾等8個盆地。從總體上看,西部大的疊合盆地、東部的郯廬斷裂帶有氦資源。四川盆地威遠氣田是我國第一個商業化利用氦氣的氣田,也是目前國內唯一一塊可工業化開采的氣田。盡管我國部分儲層、非儲層和天然氣組分中氦含量較高,且具有較大的資源潛力,但長期以來未對其加以重視,因而未將氦作為分析對象,使氦氣家底不清。因此,在油氣藏勘探開發過程中,應重視對天然氣成分中氦氣的檢測和分析,開發先進的氦氣提取技術,充分分離天然氣中的氦氣資源,提高氦氣資源開發和綜合利用效率,重視和考慮氦氣藏勘探研究,理論指導氦氣藏勘探開發。