氦氣珍稀 亟需發(fā)展

劉貴洲 竇立榮 李鵬宇 周天航 趙 勛

1. 中國石油國際勘探開發(fā)有限公司,北京 100034;2. 中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3. 中油國際管道有限公司,北京 102206

0 前言

氦氣是無色、無味、不燃燒的惰性氣體;是自然界沸點最低(-268.95 ℃)的物質(zhì),且是唯一一種在常壓下即使達到絕對零度也不會轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的物質(zhì)。由于物理和化學性質(zhì)特殊,氦氣用途十分廣泛,是關(guān)系國家安全和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不可替代的重要稀缺戰(zhàn)略資源,在國防、航天、醫(yī)療、半導體、科研、超導實驗、石化、制冷、管道檢漏、金屬制造、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)、高精度焊接、深海潛水等方面被廣泛利用。

氦氣的主要來源不是空氣,而是天然氣,主要從富氦天然氣中提取。氦氣在干燥空氣中含量極微,平均只有百萬分之五;而在天然氣中含量最高可達7.5%。一般認為,混合氣中氦含量達到0.05%～0.1%即具有工業(yè)提取價值[1]。

蘊藏在地層中的氦氣往往是礦物巖石中鈾、釷等放射性元素衰變的生成物,其蘊藏量主要決定于放射性元素含量及衰變發(fā)生時間的長短。只有在天然氣藏/氮氣藏附近有鈾礦時,氦氣才能生成且混合在天然氣/氮氣中。據(jù)美國礦務(wù)局資料,含氦天然氣藏有66%處于古生界[1]。

含氦天然氣田主要可分為殼源同源型、殼源異源型和殼幔復合型。氦氣主要來自天然氣儲集層或下伏的盆地基底,世界上已發(fā)現(xiàn)的富氦天然氣田多屬此類型[1]。

氦氣按應(yīng)用所需的純度不同可分為純氦氣(≥99.99%)、高純氦氣(≥99.999%)和超純氦氣(≥99.999 9%)。

1 氦氣是戰(zhàn)略資源,用途廣泛而產(chǎn)量有限

1.1 氦氣用途廣泛

1)利用氦氣的惰性,在衛(wèi)星和飛船發(fā)射中將其用作液氫燃料的推進材料。航天發(fā)射中,發(fā)動機輸送燃料和氧化劑的系統(tǒng)都離不開氦氣,增壓系統(tǒng)換熱器中氦氣升溫到400 ℃以上,大幅膨脹后為燃料和氧化劑增壓,使燃料和氧化劑進入渦輪泵,在1.2×104r/min的轉(zhuǎn)速下,泵入燃燒室,噴出完美的霧化液滴,進行充分燃燒,產(chǎn)生巨大推力。在儀器分析中,氦氣被用作氣相色譜的載體;在光纖生產(chǎn)中,氦氣被用作保護和冷卻氣體;在核電設(shè)施中,氦氣被用作傳熱介質(zhì);在液晶顯示器制造中也往往使用氦氣。高純氦氣還可跟高純氬氣一起被用作單晶硅生產(chǎn)和特殊焊接的保護氣體等。

2)利用氦氣的低溫冷卻特性,將其用于冷卻低溫超導體。醫(yī)院的核磁共振成像儀所用超導磁體需要很大電流,以產(chǎn)生強磁場,但電流越大,發(fā)熱也越嚴重,所用超導磁體需要液氦來降溫,以保持掃描儀成像的穩(wěn)定性。同理,在磁懸浮列車超導體應(yīng)用中,液氦也是不可或缺的。很多高精尖設(shè)備需要極大的電流,比如對撞機部分組件需要的電流高達1.2×104A(220 V下,一匹空調(diào)的工作電流一般是3～4 A)。如此高電流下電線發(fā)熱會很嚴重,必須使用超導體,必須用液氦保持其超導性。

3)用于高端加工。芯片所用的單晶硅在制作時有1 400 ℃高溫,容易發(fā)生各種化學反應(yīng),需要氦氣來保護。

4)高純氦氣與醫(yī)用氧氣混合用作深海作業(yè)的呼吸氣體。深海作業(yè)時,深潛人員所背的氧氣瓶里不是純氧,因為當氧氣含量超過40%,就會造成人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)氧中毒;壓縮空氣也不行,因為水下氣壓可使空氣中的氮氣大量融入血液,造成氮麻醉。氦氣在血液中的溶解度極低,很快就達到飽和,只要壓力不變或變化不大,時間再久,血液里的氣體含量也不會改變,能夠保護深潛人員長時間作業(yè)。

5)用作氣冷式核反應(yīng)堆的工作流體。

6)利用氦氣的擴散性,可將其用于容器檢漏,如用作空調(diào)領(lǐng)域氦氣檢漏儀的檢漏氣體。

7)高純氦氣可被用作氣質(zhì)聯(lián)用儀等儀器的載氣。

8)高純氦氣與高純二氧化碳和高純氮氣一起可被用作二氧化碳激光切割機的激光氣體。

9)氦氣還可用于充裝氣球和飛艇[2-3]。

1.2 氦氣儲量不高,分布集中

據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)統(tǒng)計,全球氦氣資源量519×108m3[1],集中分布在美國、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯、加拿大、中國和波蘭等國。且氦氣的分布極其不均,其中美國是全球氦氣資源頭號大國,資源量約206×108m3,占全球的近40%;卡塔爾氦氣資源量約101×108m3,阿爾及利亞氦氣資源量82×108m3,俄羅斯氦氣資源量68×108m3,前四家占比高達88.1%。加拿大氦氣資源量 20×108m3,中國氦氣資源量11×108m3,波蘭氦氣資源量3×108m3[2,4]。世界氦氣資源分布見圖1。

圖1 世界氦氣資源分布圖Fig.1 Pie chart of global distribution of helium resources

全球氦氣剩余探明儲量也很有限,且分布極度不均。美國最多,達39×108m3，阿爾及利亞、俄羅斯分屬第二、第三,分別為18×108m3、17×108m3,波蘭有0.23×108m3[4]。

天然氣田中的氦含量各異。美國氣田的氦含量最高,平均約為 0.8%(摩爾百分數(shù)),個別氣田的氦含量高達7.5%[4]。中國氦含量最高的是威遠氣田,氦含量只有0.18%～0.20%。不同國家天然氣田氦濃度見表1[2,5]。

表1 不同國家天然氣田氦濃度表Tab.1 Helium concentration of natural gas field in different countries

近年來新發(fā)現(xiàn)了一些氦氣資源,如2016年在東非大裂谷坦桑尼亞境內(nèi)發(fā)現(xiàn)有世界級富氦氣田[6]。

1.3 氦氣產(chǎn)能產(chǎn)量有限,為少數(shù)國家壟斷

全球氦氣生產(chǎn)幾乎集中在美國、卡塔爾、俄羅斯、加拿大、阿爾及利亞、澳大利亞和波蘭等國。美國是全球氦產(chǎn)能和產(chǎn)量的頭號大國,氦產(chǎn)能占全球氦產(chǎn)能的70%以上,共建成22套天然氣提氦裝置,其中19套在運行[6]。美國擁有兩大主力在產(chǎn)氣田,南部有從堪薩斯西南到奧克拉荷馬、德克薩斯的Hugoton氣田,北部有懷俄明西南的Riley Ridge氣田,另外還有諸多進入開采中后期的富氦氣田。

俄羅斯共建成5套天然氣提氦裝置,其中3套在產(chǎn),均在奧倫堡。目前正在阿穆爾州為中俄天然氣東線輸送的天然氣建設(shè)新的提氦裝置,該天然氣為科維克金氣田氣源,氦含量0.22%～0.26%。

阿爾及利亞2006年由林德公司建成1 960×104m3/a的Skikda提氦裝置。

卡塔爾由法國液化空氣公司和德國林德公司建成一期2 000×104m3/a提氦裝置(2003年)、二期3 800×104m3/a提氦裝置(2013年)。

澳大利亞2010年由德國林德公司建成430×104m3/a提氦裝置[2,4]。

全球生產(chǎn)的氦氣,2016年為1.54×108m3,2017—2019年為1.6×108m3,2020年為1.4×108m3。2020年氦氣產(chǎn)量占比中,美國占52.8%,卡塔爾占32.1%,阿爾及利亞占10%,俄羅斯和澳大利亞分別占3.6%和2.9%,見表2。

表2 全球部分國家氦氣生產(chǎn)情況表Tab.2 Helium production of some countries 106 m3

近年來全球氦氣產(chǎn)量呈下降趨勢,2011、2012年產(chǎn)量均在1.7×108m3/a以上,近年已經(jīng)降到1.6×108～1.4×108m3/a。

2 氦氣供應(yīng)形勢嚴峻

2.1 全球氦氣供需基本由美國主控

2020年全球氦氣需求量約為2.266×108m3。在為數(shù)不多的氦氣生產(chǎn)國中,最大生產(chǎn)國美國也是最大的氦出口國,在國際氦氣市場上擁有絕對的話語權(quán)。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計,除2020年因新冠肺炎疫情原因稍有下降外,近年來美國的氦氣出口量連年累增,近五年出口量分別為6 200×104m3、7 400×104m3、8 400×104m3、10 600×104m3、10 000×104m3,占全球需求量的45%左右。美國的氦氣主要出口到歐洲、美洲和亞洲市場。而美國國內(nèi)的氦氣消費量卻下降不少。

目前,卡塔爾在氦氣產(chǎn)能、產(chǎn)量和出口量方面均已超過阿爾及利亞,躍居世界第二,出口能力一度達到5 000×104m3,近年來有所下降,但其經(jīng)營主動權(quán)操控在美國公司手中。卡塔爾氦氣主要出口到亞太市場。

阿爾及利亞1995年開始出口氦,出口能力一度達到2 000×104m3,近年來有所下降,其經(jīng)營主動權(quán)同樣操控在美國公司手中。阿爾及利亞的氦氣主要出口到歐洲市場。

俄羅斯氦氣產(chǎn)量曾達到600×104m3以上,出口能力曾達到400×104～500×104m3,近年來出口維持在400×104m3左右,主要出口到西歐市場,近年也少量出口到亞洲市場。

澳大利亞是新興氦氣生產(chǎn)國和出口國,其產(chǎn)量維持在400×104m3,大部分供出口,主要出口到亞太市場。

波蘭是老牌氦供應(yīng)國,曾經(jīng)每年出口氦氣約300×104m3,近年來大幅下降到不足100×104m3,主要出口到歐洲市場[4]。

2.2 我國貧氦且進口單一

2.2.1 資源少,品質(zhì)差

我國貧氦主要體現(xiàn)在兩方面:一是氦氣資源量少,約11×108m3,占全球的2.1%[4],僅在四川盆地、渭河盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、柴達木盆地及郯廬斷裂帶的含油氣盆地中有氦氣發(fā)現(xiàn),但儲量有限[1];二是品質(zhì)差,天然氣田貧氦,普遍氦含量低,四川威遠天然氣田的氦含量最高,也僅為0.18%～0.20%[4]。

近年來,汾渭盆地有新發(fā)現(xiàn),從地熱井采集的氣體中氦含量較高,最高達3.43%,不少樣品氦含量大于1%。西安地熱田的天然氣中氦含量也多處于0.8%～1.2%,最高1.51%,平均0.94%[2,4]。當然,這些僅僅是少量的初步發(fā)現(xiàn),尚未證實是否有可觀的經(jīng)濟可采儲量。2018年陜西省在渭河盆地設(shè)立了我國第一個氦氣探礦權(quán)[6]。

2.2.2 裝置少,產(chǎn)量微

長期以來,我國僅有一套天然氣提氦裝置在產(chǎn)。1970年由四川石油管理局在威遠建成六〇八二化工廠,為國內(nèi)首套且唯一一套天然氣提氦裝置。1989年,在原廠址建成第二套提氦裝置,設(shè)計規(guī)模10×104m3/d,年產(chǎn)氦4×104m3?，F(xiàn)兩套裝置均已關(guān)閉。2011年,中國石油西南油氣田公司在四川榮縣東興場鎮(zhèn)建成新的天然氣提氦裝置,日處理天然氣40×104m3,氦收率>96.5%,產(chǎn)品粗氦純度80%左右。粗氦由氣瓶拖車運輸?shù)匠啥继烊粴饣た倧S進一步提純,生產(chǎn)出純度99.999%～99.999 9%的產(chǎn)品,可年產(chǎn)純氦約20×104m3[4],但由于氣源等原因,往往難以達產(chǎn)。如此低的產(chǎn)量只能少量滿足航天發(fā)射、國防軍工氦氣需求,保障戰(zhàn)略需要。

2020年,我國自產(chǎn)氦氣約95 t,而市場需求量高達3 803 t[7],自產(chǎn)率僅為2.3%。我國氦氣主要用于核磁共振、制冷、磁懸浮列車、焊接、檢漏、科研等領(lǐng)域,各領(lǐng)域用量占比見圖2。

最近幾年,我國也陸續(xù)有幾家企業(yè)加入到氦氣生產(chǎn)領(lǐng)域,采用不同提氦方式和技術(shù),建成了幾套提氦裝置。目前共有7家企業(yè),其中3家自天然氣中提取,4家通過空分提取,產(chǎn)能約140.7×104m3(250 t),見表3[7]。這些裝置縱使?jié)M負荷生產(chǎn),也只能滿足國內(nèi)市場需求量的5.9%。

圖2 我國各領(lǐng)域氦氣用量占比圖Fig.2 Helium dosage ratio of different fields in China

表3 我國氦氣產(chǎn)能情況表Tab.3 Helium production capacity in China

2.2.3 進口集中,渠道受控

2019年在全球氦氣資源緊張的情況下,我國進口氦氣3 974.9 t,同比下降3.7%;2020年進口3 707.6 t,同比下降6.7%,但進口占需求的比例高達97.7%;近五年我國氦氣進口呈先增后降走勢。進口來源地主要集中在卡塔爾(2 764.6 t,74%)、美國(584.6 t,16%)、澳大利亞(320.2 t,9%)三國,見圖3[7]。另外,自俄羅斯、新加坡、烏克蘭等地有少量進口。

圖3 2020年我國氦氣進口來源國分布圖Fig.3 Pie chart of China’s helium import source countries in 2020

由于國際形勢變化大、卡塔爾氦氣產(chǎn)量上升快,我國氦氣進口結(jié)構(gòu)有所調(diào)整,近五年自卡塔爾進口的氦氣量連年攀升,自美國進口的氦氣量則在遞減,見圖4[7]。

我國氦氣基本從普萊克斯公司、空氣產(chǎn)品公司、法國液化空氣公司、林德公司、巖谷氣體公司[4]等跨國公司進口,國內(nèi)產(chǎn)量極少,進口氦氣分銷渠道以合資企業(yè)和外資企業(yè)為主。

圖4 我國自卡塔爾、美國、澳大利亞進口氦氣量變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of China’s helium imported from Qatar, United States and Australia

2.3 未來供應(yīng)形勢更加嚴峻

氦氣屬世界性稀缺資源,本身就存在供需缺口,在我國更顯珍貴。氦氣資源不排除成為大國戰(zhàn)略競逐中一張有力的“牌”,顯然我國在這方面更易受制于人,更易被“卡脖子”。

全球氦氣生產(chǎn)國和出口國屈指可數(shù),一些出口國的出口能力已開始下降。最大出口國美國的氦資源也逐步枯竭,氦氣產(chǎn)量每年遞減5%～6%[4]。阿爾及利亞盡管氦資源量和探明儲量都很高,但實際生產(chǎn)量不足2 500×104m3/a,氦氣供應(yīng)能力有限。還有一些國家氦裝置的生產(chǎn)因季節(jié)性停工、故障檢修或工人罷工等因素而受到影響,例如卡塔爾北方氣田提氦、阿爾及利亞Skikda都曾因二氧化碳堵塞或廠內(nèi)爆炸而出現(xiàn)大規(guī)模減產(chǎn),引起相關(guān)區(qū)域氦氣供應(yīng)大幅波動。據(jù)俄羅斯相關(guān)機構(gòu)預測,到2030年,如果沒有新區(qū)塊開發(fā),預計世界氦產(chǎn)量將降至1.34×108m3[2]。而氦氣需求將達到2.2×108～3×108m3[4],其中歐洲市場占比將從20%降至15%,美國市場占比將從50%降至45%,而亞太市場占比將有所增長,從25%增至30%[4]。世界氦氣供應(yīng)缺口達1.66×108m3,其中亞太市場短缺6 000×104m3[4]。

我國氦氣產(chǎn)需結(jié)構(gòu)更不樂觀,2021年國內(nèi)市場需求或?qū)⑦_到4 100 t,之后仍將延續(xù)上漲走勢,2025年可能達到5 800 t,增速由7%逐步增長至11%[7]。未來五年,氦氣需求增幅較大的可能在半導體、光纖、低溫應(yīng)用等領(lǐng)域。而國內(nèi)氦氣自產(chǎn)仍非常有限,除表3列舉的產(chǎn)能外,2021年克拉瑪依恒通能源、重慶瑞信(森泰、環(huán)達)項目有望投產(chǎn)[7],使國產(chǎn)氦氣產(chǎn)能達到367.5 t,但仍不足市場需求的9%。

未來我國氦氣進口可能更受制于人。美國已將氦氣列為戰(zhàn)略資源,限制粗氦生產(chǎn),加之國內(nèi)提氦設(shè)施停產(chǎn)不少,未來供應(yīng)將相應(yīng)減少?？ㄋ柡桶拇罄麃喌奶岷ぱb置也基本由美歐公司主導。我國氦氣進口基本壟斷在普萊克斯公司、空氣產(chǎn)品公司、法國液化空氣公司、林德公司、巖谷氣體公司這五家跨國公司手中,它們之間又存在權(quán)益結(jié)構(gòu)和控制關(guān)系,因此,我國的氦氣供應(yīng)嚴重缺乏安全保障。

3 結(jié)論與建議

3.1 掌握氦氣資源,保障供應(yīng)安全

在我國,除四川盆地外,鄂爾多斯盆地、渭河盆地、柴達木盆地、塔里木盆地等,以及郯廬斷裂帶上,有個別天然氣藏或地熱田的氦含量可觀,達到工業(yè)經(jīng)濟可采標準。為國家戰(zhàn)略考量,應(yīng)選擇性予以開采和提氦。從經(jīng)濟效益評估,在目前全球氦氣自由貿(mào)易背景下,由于儲量和品質(zhì)原因,加之不是與天然氣液化生產(chǎn)配套,提氦生產(chǎn)成本無法與美國、卡塔爾等國的提氦生產(chǎn)成本相提并論,但一旦國際市場供應(yīng)緊張,則經(jīng)濟性不言而喻。提氦裝置投資量不大,正常情況下如采取以豐補歉、以肥補瘦等措施,基本可處于微利和微虧之間。

另外,鄰國哈薩克斯坦擁有一些氦氣資源,我國可尋求合作意向。鑒于資源離我國西部邊境不遠,與塔里木處于同一方向,同樣值得進一步論證。近年來東非大裂谷發(fā)現(xiàn)有巨型富氦天然氣藏,其氦氣資源應(yīng)該成為促進我國更積極開展合作的重要因素。在全球其他氦氣資源豐富的地區(qū),我國也都應(yīng)該積極尋求合作開發(fā)機會。

3.2 重視氦氣供應(yīng),確保渠道安全

目前氦氣資源掌握在少數(shù)幾個國家手里,生產(chǎn)掌握在少數(shù)幾家西方公司手里,均無法改變。但供應(yīng)操控在少數(shù)幾家西方公司手里,而坐等幾大巨頭行銷,這樣的局面就需要改變了。一要由被動坐等轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉で筘浽?爭取產(chǎn)地直供,盡量減少中間環(huán)節(jié);二要進一步改變貿(mào)易結(jié)構(gòu),努力降低地緣政治風險;三要尋求合資合作,與貿(mào)易供應(yīng)商成立合資企業(yè),避免關(guān)鍵時候被“卡脖子”。