國內(nèi)外氦氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀及其對中國的啟示

李玉宏，李濟遠，周俊林，呂鵬瑞，張強，張宇軒，賀政陽

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.北京中科富海低溫科技有限公司，北京 100086）

氦氣是重要的稀有戰(zhàn)略資源，根據(jù)中國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標(biāo)綱要，中國將在提升科技創(chuàng)新能力、深入實施制造強國戰(zhàn)略、發(fā)展壯大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、加強國家安全體系和能力建設(shè)、加快國防和軍隊現(xiàn)代化和實施能源資源安全戰(zhàn)略方面持續(xù)發(fā)力。這些領(lǐng)域目標(biāo)的實現(xiàn)離不開氦氣資源的保障和供應(yīng)。為保障國家氦氣資源安全，近年來，中國氦氣資源評價和利用工作加速展開。伴隨著氦氣利用領(lǐng)域的擴展和價格的堅挺，全球氦氣資源勘查利用也在不斷升溫。通過對目前國內(nèi)外氦氣資源評價與利用現(xiàn)狀進行調(diào)研、梳理和總結(jié)，針對中國氦氣資源調(diào)查提出幾點建議，供相關(guān)研究人員參考。

1 氦氣資源稟賦及其工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 世界氦氣資源量、儲量

世界氦氣資源儲量與產(chǎn)量短缺且分布相對集中，主要分布在美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯等國。截至2021年，世界氦氣資源量為48 400×106m3。其中，美國為17 100×106m3，占全世界氦資源量的35%；其他主要國家資源量依次為卡塔爾（10 100×106m3）、阿爾及利亞（8 200×106m3）、俄羅斯（6 800×106m3）、加拿大（2 000×106m3）、中國（1 100×106m3）、波蘭（300×106m3），其他國家（2 800×106m3）（表1）。世界氦氣儲量為12 100×106m3，其中美國為8 590×106m3，占全世界氦資源量的71%；其他主要國家資源量依次為阿爾及利亞（1 800×106m3）、俄羅斯（1 700×106m3）、波蘭（24×106m3）（Yakutseni，2014；USGS，2022）?？傮w來說，美國氦氣資源儲量和產(chǎn)量均占有絕對優(yōu)勢，資源量雖然較之前有所下降，但儲量有所增長。

1.2 國外氦氣勘探開發(fā)與提純利用現(xiàn)狀

近年來，由于國際氦氣市場反復(fù)出現(xiàn)供應(yīng)短缺，國外氦氣勘探開始升溫，多家公司在美國西南部、加拿大薩斯喀徹溫省和阿爾伯塔省、坦桑尼亞、澳大利亞和南非等地從事氦勘探，許多油氣公司也成立了氦勘探公司或開展氦勘探與提純業(yè)務(wù)（賈凌霄等，2022）。

第一氦氣公司（Helium One）在坦桑尼亞大裂谷地區(qū)發(fā)現(xiàn)的非伴生氦氣資源的甜點儲區(qū)，擁有26個氦氣勘探許可證，魯克瓦（Rukwa）盆地的預(yù)期（最大）可采氦氣資源量約為3 908×106m3，可以供應(yīng)目前世界14年的消費量。盆地內(nèi)2口勘探井（Tai 1和Tai 2）已于2021年8月完工，證實存在蓋層和儲層，儲層含有儲量可觀的氦氣資源（Danabalan et al.，2022）。

俄羅斯阿穆爾天然氣處理廠（GPP）氦氣生產(chǎn)能力也在逐漸提高，并與世界最大氦氣集裝箱服務(wù)物流樞紐同步啟用。計劃共分3期，至2025年建成60×106m3/a的世界第一大氦氣處理廠（表2）。一期裝置已投產(chǎn)，可年產(chǎn)99.9995%級別商品氦氣20×106m3（賈凌霄等，2022）。

卡塔爾天然氣公司（Qatar Gas）是卡塔爾氦氣生產(chǎn)、儲存和裝載設(shè)施的運營商?？ㄋ柼烊粴夤驹谠摰貐^(qū)經(jīng)營氦氣-1和氦氣-2工廠，這兩家工廠的年產(chǎn)能合計為62×106m3。隨著氦氣-3工廠的投產(chǎn)，卡塔爾天然氣公司的氦氣產(chǎn)量約占世界氦氣總產(chǎn)量的35%，年總產(chǎn)能為74×106m3（Quader，2020）。

表1 世界氦氣產(chǎn)量、儲量和資源量構(gòu)成數(shù)據(jù)表Tab.1 World helium production, reserves and resources composition

表2 全球2020～2025年部分計劃新建提氦廠統(tǒng)計表（據(jù)Quader，2020修改）Tab.2 New helium extraction factories scheduled for 2020～2025 worldwide

目前，富氦天然氣和液化天然氣（LNG）尾氣（BOG）提氦是工業(yè)氦氣生產(chǎn)的兩大主要來源。深冷法目前是氦氣主要提純途徑，天然氣中氦含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）達到0.1%即可進行工業(yè)利用，而BOG提氦所需天然氣氦品位更低。其中，美國氦氣生產(chǎn)原料主要為富氦天然氣，卡塔爾則為LNG-BOG提氦。卡塔爾天然氣含氦僅0.04%左右，遠低于氦氣工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但其氦資源量達10 100×106m3，且通過LNG-BOG提氦成為世界第二大產(chǎn)氦國（秦勝飛等，2021）。商業(yè)氦氣主要掌握在法國液空、德國林德及美國的空氣、普利森等國外氦氣產(chǎn)業(yè)公司手中。近年來研發(fā)了例如多級變壓吸附（PSA）、多級膜、膜法+PSA等提純工藝（張哲等，2022）。

30年來，世界實際氦氣產(chǎn)量總體穩(wěn)步增長，近10年呈震蕩下降狀態(tài)。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局不完全統(tǒng)計（USGS，2022），2020年全球氦氣供應(yīng)量為159×106m3，其中美國氦氣產(chǎn)量（含儲備投放）約83×106m3，占世界產(chǎn)量的52%；其他主要國家產(chǎn)量依次為卡塔爾（51×106m3），阿爾及利亞（14×106m3），俄羅斯（5×106m3），澳大利亞（4×106m3），波蘭（1×106m3），中國（1×106m3）（圖1）。

2 中國氦氣資源勘探開發(fā)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)氦氣資源調(diào)查現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)氦氣研究、調(diào)查工作迅速展開，形成了新一輪“氦氣熱”，多項國家氦氣研究項目啟動，地質(zhì)調(diào)查機構(gòu)、油氣公司、科研院所積極開展氦氣調(diào)查評價工作，山西省首口氦氣參數(shù)井正在鉆探。2012年以來，中國地質(zhì)調(diào)查局持續(xù)開展了氦氣資源調(diào)查探索，取得系列成果。

圖1 世界氦氣產(chǎn)量構(gòu)成圖Fig.1 World helium production composition

2.1.1 中國西部大型盆地和東部郯廬斷裂帶周緣具有氦氣成藏地質(zhì)條件

通過調(diào)研世界主要富氦天然氣藏形成的大地構(gòu)造背景、盆地沉積演化、氦源巖與載體氣源條件、氣體運移富集機理、保存及封閉機制、同位素地球化學(xué)特點等，認(rèn)識到殼源氦氣主要富集于克拉通內(nèi)隆起和克拉通邊緣活化帶，陸內(nèi)裂谷盆地是目前的勘探熱點。富氦氣藏形成的基礎(chǔ)是具備富鈾、釷礦物的花崗質(zhì)基底，穩(wěn)定的克拉通邊緣或內(nèi)部相對活躍的隆起帶和裂谷帶是富氦天然氣富集的有利構(gòu)造位置；斷層和孔隙是氦氣運移的主要通道，烴類氣、氮氣、二氧化碳等載體氣是形成富氦天然氣藏的必要條件，保存條件是天然氣中氦氣積累富集的重要控制因素（李玉宏等，2018，2022）。

中國西部地區(qū)發(fā)育多個大型克拉通盆地，這些盆地邊緣經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，發(fā)育不同規(guī)模的基底隆起，導(dǎo)致了深部巖漿活動頻繁，具備良好的源巖條件。這些相對穩(wěn)定的活動帶內(nèi)形成一系列深大斷裂，有利的溝通了深部源巖，同時構(gòu)造活動又不過于強烈，有利于形成圈閉構(gòu)造和保證良好的保存條件。通過梳理中國主要含油氣盆地構(gòu)造和演化特征，認(rèn)為四川盆地樂山龍女寺隆起、塔里木盆地沙雅隆起、巴楚隆起、塔中隆起、柴達木盆地馬海大紅溝隆起、大風(fēng)山隆起及鄂爾多斯盆地北部等具有良好氦氣成藏地質(zhì)條件（劉全有等，2009；余琪祥等，2013；何發(fā)岐等，2022；李玉宏等，2022；秦勝飛等，2022）。

陸內(nèi)裂谷型盆地是近年來氦氣勘探的熱點，特別是在坦桑尼亞東非大裂谷西南的魯夸盆地發(fā)現(xiàn)了巨大的氦氣儲量。中國汾渭盆地與坦桑尼亞裂谷盆地系具有相似地質(zhì)特征，氦氣成藏地質(zhì)條件優(yōu)越。中國東部郯廬斷裂帶周緣發(fā)育一系列含油氣盆地，由于深大斷裂帶溝通了深部地幔和地殼氦氣源巖，為氦氣向淺部運移和富集提供了良好通道，同時盆地內(nèi)有機烴類氣藏和無機非烴類氣藏為氦氣富集成藏提供了良好載氣條件。通過對東部斷陷盆地氦氣和油氣地質(zhì)條件梳理，認(rèn)為松遼盆地、渤海灣盆地、蘇北盆地等具有氦氣成藏條件（郭念發(fā)等，1999；李玉宏等，2018；張雪等，2018）。

2.1.2 調(diào)研顯示中國主要含油氣盆地具有氦氣資源前景

圍繞全國氦氣資源情況調(diào)研，綜合分析，認(rèn)為中國含氦天然氣分布廣泛，層位眾多，但研究程度低，家底不清。在塔里木盆地、田河氣田、阿克莫木氣田、柴達木盆地東坪氣田、馬北氣田、鄂爾多斯盆地東勝氣田均發(fā)現(xiàn)具有工業(yè)品位的富氦天然氣（余琪祥等，2013；韓偉等，2020；何發(fā)岐等，2022）。松遼盆地、渤海灣盆地和蘇北盆地也發(fā)現(xiàn)了多個含氦烴類氣藏和非烴氣藏（馮子輝等，2001；付曉飛等，2005）。以上成果顯示出中國西部大型疊合盆地和東部郯廬斷裂帶周緣盆地群具有良好氦氣找礦前景。

西部大型克拉通盆地是中國氦氣找礦實現(xiàn)突破的關(guān)鍵地區(qū)，也是未來開展氦氣資源調(diào)查評價的重點。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多處氦氣找礦線索，氦氣勘探前景廣闊。四川盆地威遠氣田是中國首個實現(xiàn)氦氣商業(yè)化利用的氣田，氦氣含量一般為0.2%左右，最高為0.36%（秦勝飛等，2022），但該氦氣田已開采60年，亟須尋找其他氦氣資源。塔里木盆地巴楚隆起和田河氣田，氦氣含量為0.26% ～ 0.53%，阿克莫木氣藏氦氣含量為0.17%～0.19%，顯示了良好前景（陶小晚等，2019）。柴達木盆地西緣東坪氣田和北緣馬北氣田發(fā)現(xiàn)高品位富氦天然氣藏。其中，東坪氣田氦含量為0.08%～0.48%，馬北氣田氦氣含量為0.06%～0.20%，均達到工業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)（韓偉等，2020；張曉寶等，2020）。

鄂爾多斯盆地是目前國內(nèi)最大的天然氣生產(chǎn)基地，氦氣含量穩(wěn)定，平均含量介于0.03%～0.05%，盆地北部少數(shù)氣田氦氣含量達到0.1%以上（何發(fā)岐等，2022），雖然整體上未發(fā)現(xiàn)高含氦天然氣田，但LNG尾氣提氦具有較好的遠景。目前，寧夏鹽池等地已經(jīng)建成了LNG尾氣提氦工廠，并進入試運營階段，可為進一步氦氣綜合利用提供指導(dǎo)。

在東部郯廬斷裂帶周緣含油氣盆地中發(fā)現(xiàn)了多個含有氦烴類氣藏和非烴氣藏，包括含氦氣的二氧化碳?xì)獠睾偷獨獠氐?。松遼盆地北部30多口油氣勘探井的分析顯示，其氦氣含量為0.102%～0.404%，個別井中氦氣含量較高，如汪9-12井氦氣含量達2.10%（馮子輝等，2001）。沈陽地質(zhì)調(diào)查中心發(fā)現(xiàn)多口白堊系姚家組氦氣顯示井，高地1井氦含量為0.84%，黑富地1井氦含量為0.5%，吉白地1井氦含量為0.5%，顯示了松遼盆地良好的氦氣勘探前景。在渤海灣盆地濟陽坳陷花溝地區(qū)發(fā)現(xiàn)富含氦氣的非烴氣藏，花501井氣藏氦氣含量為2.08%～3.08%，遠高于工業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)。在蘇北盆地黃橋發(fā)現(xiàn)深層含氦二氧化碳?xì)獠?，氦氣含量?.01%～0.23%；在淺層發(fā)現(xiàn)富氦氮氣藏，氦氣含量為0.48%～1.34%（張雪等，2018；陳踐發(fā)等，2021）。

綜上所述，中國部分油氣藏、非烴氣藏天然氣組分中氦氣含量較高，資源潛力較大，但未給予相應(yīng)的重視。因此，在開展油氣勘探開發(fā)的同時，應(yīng)重視和兼顧氦氣藏的勘探與研究；對已經(jīng)投入開發(fā)的天然氣田，應(yīng)開展采樣分析和資源評價；在新的油氣藏勘探開發(fā)過程中，應(yīng)重視對天然氣組分中氦氣的檢測分析，當(dāng)氦氣達到工業(yè)品位時，氣田儲量計算時應(yīng)同時計算伴生氦氣儲量；對具有商業(yè)利用價值的含氦氣藏，應(yīng)充分分離天然氣中的氦氣資源；對He含量未達到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但開展LNG的應(yīng)開展尾氣提氦，以提高資源的開發(fā)與綜合利用效率。

2.1.3 重點評價了渭河盆地氦氣資源潛力，圈定華州等3處氦氣成藏遠景區(qū)

渭河盆地（陜西關(guān)中地區(qū)）地?zé)峋邪樯鷼ぴ春怙@示十分普遍，統(tǒng)計從潼關(guān)到寶雞77口井的氣體樣品中氦含量大于1%的38口，最高達9.2%，居世界前列。理論研究與調(diào)查成果表明，渭河盆地水溶氦氣廣泛分布，游離態(tài)富氦天然氣局部富集（張文等，2018，2019），同時發(fā)現(xiàn)石油、烴類天然氣找礦線索。渭河盆地He含量之高，國內(nèi)外少見，初步選定了華陰-潼關(guān)、興平-咸陽、周至-藍田等3處氦氣遠景區(qū)（李玉宏等，2015，2018）。2016年以來，圍繞華州北地區(qū)實施了一系列物、化探和綜合研究工作，進一步圈定了該區(qū)有利目標(biāo)區(qū)帶，落實了圈閉構(gòu)造特征，進一步實施鉆探工程有望實現(xiàn)渭河盆地氦氣資源調(diào)查突破。

2.1.4 創(chuàng)新氦氣成藏理論，探索氦氣調(diào)查技術(shù)方法

提出了富氦天然氣弱源成藏理論，認(rèn)為富U、Th花崗巖是富氦天然氣藏的主要氣源，花崗質(zhì)碎屑巖和泥頁巖是氦源巖的有利補充；氦氣初次運移以擴散為主，受溫度控制（Zhang et al.，2020）；氦氣從深部運移到孔隙水和氣藏的主要通道有斷層和連通孔隙、裂隙；當(dāng)無游離氣作為載體時，氦氣主要隨著孔隙、裂隙水實現(xiàn)運移，當(dāng)游離氣體通過孔隙、裂隙水時，氣體優(yōu)先進入氣相運移（李玉宏等，2018；張文，2019；Zhang et al.，2019）。深部氦氣向地殼淺部運移的驅(qū)動力是深部構(gòu)造擠壓與熱作用，通道主要是斷層和裂隙。當(dāng)烴類氣體作為載體時，運移的驅(qū)動力主要為勢能驅(qū)動，通道主要為連通孔隙和斷層?？紫端械暮膺M入氣相遵循亨利定律，由氦氣在氣相和液相中的分壓決定氣液平衡（李玉宏等，2017）；富氦天然氣藏中氦氣積累受源巖的氦氣補給通量、蓋層的氦氣擴散通量和氦氣的積累時間共同約束。當(dāng)蓋層的氦擴散通量等于深部氦氣補給通量時，氣藏中氦氣就難以富集（Brown，2010；李玉宏等，2022）。

總結(jié)了渭河盆地找礦模型，探索了①成藏模式指引勘查方向。②重力-電法探測盆地結(jié)構(gòu)（高效運移通道）。③化探圈定氦氣富集區(qū)。④磁法識別基底磁性巖體（氦源巖）。⑤地震測量落實有利圈閉。⑥氣測錄井標(biāo)定富集層段的氦氣調(diào)查技術(shù)方法（李玉宏，2015，2018）。

2.2 中國工業(yè)氦氣生產(chǎn)現(xiàn)狀

近年來，中國LNG-BOG提氦技術(shù)與產(chǎn)能建設(shè)飛速發(fā)展，將成為中國氦氣戰(zhàn)略資源保障的重要力量。在北京中科富海低溫科技有限公司技術(shù)支撐下，內(nèi)蒙古興圣天然氣有限責(zé)任公司等已建成年提氦能力為2.25×106m3的工廠，還有多家公司在建年提氦能力約2.15×106m3（表3）。此外，國有油氣企業(yè)的“陜北5.00×106m3聯(lián)產(chǎn)提氦項目”、“東勝-烏審旗1.00×106m3膜法+變溫吸附提氦項目”正在推進，陜北多個新建LNG-BOG提氦裝置正在規(guī)劃。

表3 國內(nèi)主要BOG提氦企業(yè)情況表Tab.3 Major BOG purification helium companies in China

富氦天然氣提氦方面，2012年建成榮縣天然氣提氦裝置，設(shè)計處理天然氣0.40×106m3/d，氦含量為0.18%，氦生產(chǎn)能力約0.21×106m3/a，氦收率>96.5%，產(chǎn)品粗氦純度為90%～95%。由于產(chǎn)量較小、原料氦含量偏低，只生產(chǎn)高純度氣氦，不生產(chǎn)液氦。因氣田產(chǎn)能不斷遞減，原料天然氣量不足，實際進裝置原料天然氣小于0.10×106m3/d，單位產(chǎn)品能耗和運行費用不斷增加，生產(chǎn)成本較高。

據(jù)塔里木油田和成都天然氣化工總廠數(shù)據(jù)，和田河氣田目前天然氣產(chǎn)量約1.00×106m3/d，平均含氦量為0.32%，折合氦氣產(chǎn)能約1.10×106m3/a，提氦裝置設(shè)計每年可回收氦氣約0.90×106m3，氦產(chǎn)能和氦含量均高于威遠氣田。

3 中國氦氣資源保障需求目標(biāo)及相關(guān)建議

3.1 氦氣資源勘查評價利用的需求目標(biāo)

氦氣廣泛應(yīng)用于國防和高新技術(shù)領(lǐng)域，是重要的稀有戰(zhàn)略資源。近年來，全球氦氣年需求量約為220×106m3，但年產(chǎn)量不足170×106m3，供需矛盾突出，長期嚴(yán)重短缺。由于中國氦氣資源家底不清，對外依存度高，產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立。根據(jù)中國氦氣資源總體需求，“十四五”末需實現(xiàn)3個基本目標(biāo)：①建立氦氣勘探、開發(fā)、利用的理論和核心裝備，形成產(chǎn)業(yè)鏈。②開展分區(qū)、分類、分級評價，基本查清資源家底，為氦氣產(chǎn)能建設(shè)提供基礎(chǔ)。③著眼國內(nèi)和國際2個市場，開展資源戰(zhàn)略安全和產(chǎn)業(yè)政策研究，建立健全氦氣資源有序勘查、積極保護、有效開發(fā)和加強儲備的政策法規(guī)。

3.2 氦氣資源勘查利用的幾點建議

依據(jù)國家氦氣資源總體需求，按照“用舊、找新、合作、儲備”的思路，圍繞富氦天然氣（He>0.1%）提氦與貧氦天然氣有效利用（LNG-BOG提氦）2種資源，立足國內(nèi)基礎(chǔ)保障能力提升與國外多元化進口保障并舉，加強氦氣儲備庫建設(shè)，分階段實現(xiàn)氦資源保障安全（李玉宏等，2022）。

（1）用舊：以油氣企業(yè)為主體，開展現(xiàn)有大中型天然氣田含氦量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)富氦天然氣藏，直接提氦利用，快速建產(chǎn)形成產(chǎn)能；查明全國天然氣田（藏）普遍含氦情況，出臺富氦天然氣資源保護法規(guī)，形成低含氦天然氣綜合利用指導(dǎo)意見，服務(wù)LNG布局與提氦裝置建設(shè)，助推貧氦天然氣氦氣資源有效保護和利用。

（2）找新：依托汾渭盆地開展重點地區(qū)氦氣資源調(diào)查示范，力爭實現(xiàn)氦氣資源調(diào)查突破，引領(lǐng)商業(yè)勘查利用跟進，構(gòu)建中國氦氣資源基地。通過勘查實踐，建立和完善氦氣成藏理論、找礦模式，形成勘查技術(shù)、提取工藝等方法技術(shù)，培育核心技術(shù)隊伍。在氦氣成藏理論指導(dǎo)下，建立氦氣資源評價方法體系，加強國家公益性隊伍對氦氣資源調(diào)查工作的組織引領(lǐng)；開展全國氦氣資源潛力評價與戰(zhàn)略選區(qū)，獲取全國氦氣資源潛力評價參數(shù)，評價全國氦氣資源潛力；劃分遠景區(qū)，優(yōu)選有利區(qū)帶，實現(xiàn)氦氣調(diào)查突破，引導(dǎo)以尋找富氦天然氣為目標(biāo)的氣-氦兼探，拓展氦氣資源勘查路徑。

（3）合作：跟蹤國外氦氣資源勘探開發(fā)動態(tài)，了解國內(nèi)外供需狀況。圍繞“一帶一路”沿線國家開展氦氣貿(mào)易合作和戰(zhàn)略研究，拓展合作空間和供給渠道。開展俄烏沖突背景下全球地緣政治和國際貿(mào)易格局深刻變化的前瞻性研究，分析中國氦氣資源供給未來可能存在的風(fēng)險，提出氦氣供應(yīng)多元保障建議。

（4）儲備：參照國家石油資源戰(zhàn)略儲備體系，建立中國氦資源戰(zhàn)略儲備體系，圍繞氦氣保存條件，開展陸域氦氣儲備地下空間調(diào)查評價，進行氦氣儲備先導(dǎo)試驗，形成短、中、長期氦氣儲備戰(zhàn)略規(guī)劃，提高氦氣資源保障能力與水平。