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氣體知識

天然氣體中的“黃金”:氦氣

氦(Helium),不活潑的元素,元素符號He,在整個宇宙中占23%,含量僅次于氫,但氦氣濃度低,為一種稀有氣體。目前,具有工業(yè)價值的氦(>0.1%)主要提取自天然氣藏,含量高可達(dá)7.5%。近年來,液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)興起,氦氣可在LNG尾氣中富集,可進(jìn)一步降低氦氣的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前,針對氦氣藏形成的研究較為薄弱,一般認(rèn)為,在漫長的地質(zhì)歷史中,富鈾釷的礦物和巖石可生成大量氦氣并部分保存;在劇烈的地球活動中,氦氣會集中釋放并溶于地下水;如其能運移到天然氣藏中,便可以形成富氦天然氣藏;氦氣分子半徑小,需要封閉能力更強的蓋層,如膏巖層等。

2001年~2016年世界氦氣的年產(chǎn)量隨著科技的不斷進(jìn)步,氦氣因其沸點低、分子小、化學(xué)惰性等性質(zhì)越來越多地被應(yīng)用到低溫超導(dǎo)、核工業(yè)、航天、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等領(lǐng)域。

其中,液氦的消費群體是醫(yī)院的核磁共振(MRI)掃描儀,與人類健康息息相關(guān)。

我國為貧氦國家,國內(nèi)氦氣消費主要依賴于進(jìn)口,受制于人。另外,氦氣的開采可大大提高富氦天然氣的經(jīng)濟(jì)價值?,F(xiàn)有資料表明,我國的渭河、四川、塔里木、柴達(dá)木、松遼、渤海灣、蘇北、海拉爾等8個盆地發(fā)現(xiàn)有含氦天然氣顯示。

液氦的沸點低(4.25K),使其成為高科技領(lǐng)域的寵兒:一是低溫超導(dǎo)。液氦溫度低,可為超導(dǎo)磁體提供低溫環(huán)境,其中應(yīng)用在磁共振成像(MRI)。醫(yī)院核磁共振成像儀的核心大都是超導(dǎo)磁體,只有在液氦的低溫下才能穩(wěn)定運行,產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,保證高分辨率成像。二是低溫冷卻。

液氦廣泛用于原子反應(yīng)堆的冷卻介質(zhì)和清洗劑。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(xué)惰性,常被用做半導(dǎo)體工業(yè)的保護(hù)氣和科學(xué)實驗中的載體氣。氦氣可以隔絕氧氣,避免電焊工件、單質(zhì)硅和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目前,保護(hù)氣已成為氦氣的第二大應(yīng)用領(lǐng)域。在氣相色譜中,氦氣作為載體氣可運送被測氣體且不與其發(fā)生反應(yīng)。

此外,氦氣在高真空裝置、核反應(yīng)堆、宇宙飛船中用作檢漏劑和掃氣。氦氣密度比空氣小很多,常被充入氣球和飛艇,帶人們在空中飛翔。氦氣化學(xué)性質(zhì)不活潑,使氦氣熱氣球和飛艇比氫氣熱氣球和飛艇更為安全。

氦氣難溶于水,可以與氧氣混合制成“人造空氣”??諝庵械牡獨庠诟邏涵h(huán)境下會溶解在血液中,當(dāng)潛水員上浮的時候壓力減小,血中的氮氣便紛紛逸出,形成氣泡堵塞血管,使?jié)撍畣T患上極為難受的“減壓癥”。

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。

美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示,目前已探測的全球氦氣資源量約為519億立方米。美國是世界上氦資源豐富的國家,雖然已大規(guī)模開采60多年,但氦氣資源量仍占世界總資源量的40%以上。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2016年的調(diào)查報告,美國、阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯擁有世界88%的氦資源。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。 

我國主要含油氣盆地的含氦天然氣資料顯示,氦氣分布廣泛,層位眾多,但研究程度低。目前,已知渭河、四川、塔里木、柴達(dá)木、松遼、渤海灣、蘇北、海拉爾等8個盆地發(fā)現(xiàn)有含氦天然氣顯示。總體而言,西部大型疊合盆地、東部郯廬斷裂帶具有氦氣資源前景。四川盆地威遠(yuǎn)氣田是我國首ge實現(xiàn)氦氣商業(yè)化利用的氣田,也是目前我國惟一進(jìn)行工業(yè)開采的氦氣田。 

雖然我國部分油氣藏、非烴氣藏天然氣組分中氦氣含量較高,資源潛力較大,但長期以來并未給予重視,氦氣并沒有作為分析項目,以致氦氣家底不清。因此,在油氣藏勘探開發(fā)過程中,應(yīng)重視對天然氣組分中氦氣的檢測分析,開發(fā)先進(jìn)提氦技術(shù),充分分離天然氣中的氦氣資源,提高氦氣資源開發(fā)與綜合利用效率,重視和兼顧氦氣藏勘探與研究,從理論上指導(dǎo)氦氣藏勘探與開發(fā)。
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