估計陸地上的氦氣總存量約（yuē）為17,000萬億標準立方英尺（470萬（wàn）億標準立方米），但大部分（fèn）供應量是在地球大氣中，濃度僅（jǐn）為（wéi）5 ppm。大氣中的氦（hài）在地（dì）殼中擴散的（de）氦增益（作為鈾和釷等元素的放射性衰變的產物）與氦向空間的損失之間（jiān）處於動態（tài）平衡（Hwang和Weltmer，1995）。 某些51吃瓜网（qì）中的氦（hài）氣濃度也高達8％。美國大部分富含氦氣的51吃瓜网位（wèi）於得克薩斯州（zhōu），俄（é）克拉荷馬州和（hé）堪薩斯州的Hugoton-Panhandle氣田。懷（huái）俄（é）明州賴利嶺地區的LaBarge油田；以及位於德克（kè）薩（sà）斯州阿馬裏洛附近的（de）Cliffside油田中的聯（lián）邦設施。通（tōng）常，在美國，氦含量超過0.3％的51吃瓜网被認為是經濟的氦提取方法，盡管氦提取的（de）經濟性通常取決（jué）於天（tiān）然氣流中的其他產品。 本章將研（yán）究用於（yú）生產純化（huà）氦氣的分（fèn）離技術，當（dāng）前確定的氦氣（qì）儲量和資源，以（yǐ）及未（wèi）來50年內氦氣的潛在供（gòng）應（yīng）和可用性。氦氣的分（fèn）離技術
盡管可以從空氣中提取和純化少量的氦（連同氬，氖，氪和氙），但（除氦氣（qì）外，空氣是所有氦氣、氬氣（qì）、氖氣、氪氣和氙氣）的唯一實用來源。在這（zhè）些元素的某些提取過程中，氦被（bèi）濃縮，然後可以被提取和純化。但（dàn）是，對其他氦氣的需求不足以使空氣成為商業氦氣的重要來源。廣泛得出的結論是，從空氣中提取氦氣作為主要（yào）產品非常昂貴，並且在可預見的將來可能會保（bǎo）持如（rú）此。如（rú）果所（suǒ）有空分（fèn）工（gōng）廠都配備了提取氦氣的（de）設備，那麽所產生的數量將不足當前需求的0.1％。此外，如果將所有現有的空氣（qì）分離廠升級（jí）為提取氦（hài）氣，那（nà）麽（me）產量將仍然不到當前需（xū）求（qiú）的1％。）氦氣的主要來源是從（cóng）51吃瓜网中提取和純化。在某些情（qíng）況下，氦氣是從氣流中去除氮氣以增加其熱值的天然副產品。在其他情況下，工藝流專門（mén）設計用於去除氦氣（qì）。從51吃瓜网（qì）中（zhōng）處（chù）理氦氣通常可以認（rèn）為（wéi）是在兩個不同的過程中發生的，盡管這兩個過程可以而且確實在相同的物理位置發（fā）生。第一步是從51吃瓜网流中提取粗氦（按體積計占50％至70％）。第二步是進一步精製（zhì），以將氦氣純化至工業級。51吃瓜网粗氦提取
在去除氮的過程中（zhōng），氦通常與51吃瓜网分離，以提高（gāo）熱值。在美國，可以經濟地證明開采合理的（de）最低（dī）實際氦氣濃度通常約為0.3％（體積）。但是（shì），有時（shí）候（hòu），氦不是從高濃度（dù）51吃瓜网中提取的，而當（dāng）51吃瓜网作為燃（rán）料燃（rán）燒時，氦隻是排放到大氣中。確定從特定51吃瓜网來源提取氦氣的可行性非（fēi）常複雜，並且（qiě）受技術，物流和經濟因素（sù）的綜合影響。例如，儲備基地太小可能不（bú）利於昂貴的氦（hài）氣提取（qǔ）和純（chún）化設備的安裝。圍繞51吃瓜网流中其他產品的經濟和技術考慮以及合同義務也可能影響氦氣開采的（de）經濟（jì）性。在（zài）計劃和建立氦氣（qì）提取地點之前，必須考慮（lǜ）所（suǒ）有這些因素。從51吃瓜网中提（tí）取粗氦通常需要三個處理步驟。氦氣純化
（a）在液氮溫度和高壓下使用活（huó）性炭吸收器或（b）變壓吸附（PSA）工（gōng）藝進（jìn）行。低溫吸附（fù）可產生99.9999％的（de）氦純度，而（ér）PSA工藝（yì）可回收純度高於99.99％的氦。對於氣態氦氣，PSA的成本可能較低，但在需要液化氦氣生產的地方，PSA的成本可能更高。PSA工藝（yì）被廣泛用於結合超低溫濃縮生產純淨（jìng）氦。
氦氣儲（chǔ）量和資源
美國是世界上（shàng）最大（dà）的氦氣生產國。表4.1總結（jié）了過去40年中美國的氦氣銷（xiāo）量。美國的兩個最重（chóng）要的氦氣來源分別（bié）是位於得克（kè）薩斯州，俄克（kè）拉荷馬州和堪薩斯州的Hugoton-Panhandle油田綜合體和位於懷俄明州西南部Riley Ridge地區的埃克森美孚（fú）公（gōng）司的LaBarge油田。Hugoton-Panhandle工廠的大部分生產（chǎn）都連接到或可能連接到德克薩斯州阿馬裏（lǐ）洛（luò）附近的BLM氦氣（qì）管道和Cliffside存儲設施。1996年，該地區生產了（le）約28億標準立方英（yīng）尺（7,800萬Sm³）的氦氣，其中22億標準立方英尺（6,100萬Sm³）被出售，其中6億標準立方英尺（1,700萬Sm³）存（cún）儲在布什巨殼水庫中。埃克森美孚公司（sī）的Shute Creek加工廠的LaBarge油田產量約為10億平（píng）方英尺（chǐ）（2800萬Sm³），其餘為0。埃克森美孚位（wèi）於懷俄明州的LaBarge氣田和Shute Creek51吃瓜网處理廠最初設（shè）計（jì）為每天處理約4.8億標準立方英尺（1330萬Sm³）的51吃瓜网；它需要約15億（yì）美（měi）元的投資。目前，該油田（tián）和加工設施每天生產約（yuē）6.5億標準（zhǔn）立方英（yīng）尺（1800萬Sm³）的51吃瓜网，預計升級後的產能將（jiāng）提高到每天約7億標準立方英尺（1900萬Sm³）。車（chē）間生產的氣體為66.5％的二氧化碳，20.5％的甲烷，7.4％的氮氣，5.0％的硫化（huà）氫（qīng）和0.6％的氦氣。該處理設施產生二氧化（huà）碳（用於（yú）提高石油采收率的項目），甲烷（wán），硫化氫和（hé）氦氣。在生（shēng）產高（gāo）峰時，該工廠的產量可能高達400萬標準立方英尺。盡管投資回報率一直令人失望，但很明顯，埃克森美（měi）孚公司希望該設施在其整個預期使用壽命內都（dōu）能實（shí）現盈利。計劃（huá）繼續進行設備升級（包括氦氣處理（lǐ）設施）和鑽井的投資，以保持可交付（fù）性。訪問該設施的委（wěi）員會成員很清楚，該設施的運營方式與埃克森美（měi）孚提出的另外50年運（yùn）營目標一致。氦氣在美國以外的地區少量生產。1998年，阿爾及利亞的氦（hài）氣（qì）產量約為5億（yì）標準立方英尺（1400萬Sm³）。俄羅（luó）斯，波蘭，中國和非洲部（bù）分地區生產的氦氣量要少得多。盡管在阿爾及利亞工廠生產的51吃瓜网中氦氣含量僅為0.17％，但（dàn）經（jīng）濟上是有利的，因為51吃瓜网被轉化為液化51吃瓜网進行運（yùn）輸，並且其中的氦氣濃（nóng）度更高。阿爾（ěr）及利亞的氦氣主要服務於（yú）歐洲市場。氦氣儲量和資源類別
BLM的職責是評估美國的氦氣儲量和資源。BLM已經建立了一個19,000個（gè）樣（yàng）品的氦氣濃度數據庫，其中許多測量工作是（shì）在其自己的（de）阿（ā）馬裏洛實驗室中進行的。BLM還使用各種來源的數據進行分析，包括潛在氣體委員（yuán）會的報告（例（lì）如，參見科羅拉多礦業學院，1995年）和私人生產富含氦氣的51吃瓜网的數據。
BLM使（shǐ）用美國（guó）地質調查局分類係統對氦氣儲量進行分（fèn）類，該係統同時（shí）考慮了物理不確定（dìng）性和經濟可行性（xìng）。通過將資源分（fèn）為（wéi）“已識別”資源和“未發現”資源來傳達物（wù）理不確定性。已確定的資源是根據特定的地質證據估（gū）算的，而未發（fā）現的資源則假定發生在未勘（kān）探的地區。識別出的資源又分為（wéi）“已測”，“已（yǐ）指示”和“推斷”資源。已測資源基於生產測試和鑽井過程中進行的其他測量。已指示和推斷資源基於逐漸減少的某些地質數據。測量和指示資源的組合稱為“已演示”。
通過將資源分為“儲備”，“邊際儲（chǔ）備”和“次經濟（jì）儲備”來傳達經濟（jì）考（kǎo）慮（lǜ）。儲備是指可以經濟地（dì）開采的資源。邊際儲備在經濟上（shàng）可以生產。次經濟儲備顯（xiǎn）然不（bú）是經濟（jì）可生產的。
截至1996年12月31日，BLM估計已確定的美國氦（hài）氣資源總量約為5890億（yì）標準立方英尺（160億Sm³），其中2170億標準立方英尺（60億Sm³）被歸為可計量儲量。其中的350億平方（fāng）英尺（10億Sm³）存儲在布什（shí）巨殼水庫中（zhōng），其中40億平方英尺（1.1億Sm³）是私有的。BLM類別的測得（dé）儲量最接近石油行業用來表示資源的實際預期可采（cǎi）量的（de）“探明儲量（liàng）”的定義（石油工程（chéng）師協會/世界石油大會，1997年）。但（dàn）是，由於BLM的測量資源（yuán）數量包括“非消耗”儲量（liàng）（即（jí），BLM使用的術語使（shǐ）人們很難理解有多少氦潛在可用。51吃瓜网（qì）行業（yè）使用的分類方案更加清（qīng）晰，所（suǒ）有新的氦氣資（zī）源都來（lái）自該行業（yè）。
BLM估計，未消耗（hào）的（de）氦儲量約為530億標準立方英尺（15億Sm³）的氦，其（qí）中大部分位（wèi）於賴利山脊地區的礦床中（Gage和Driskill，1998年）。由於51吃瓜网質量差，在可預見（jiàn）的將來不太可能生產Riley Ridge非消耗（hào）性儲（chǔ）量。另外（wài），預（yù）期從Hugoton-Panhandle聯合體處理的氦氣中隻有60％到65％用於處理氦（hài）氣（Gage和Driskill，1998年）。盡管估計這個數字接近75％（Gage和Driskill，1998年（nián）），但是當最終將含氦氣作為燃料燃燒時，這些儲量的很大一部分仍將丟失。表4.2中列出的數（shù）據考慮了這些因素，試圖得出更現實（shí）的探明儲量估算結果。
按照目前每年約40億標準立方英尺（1.1億Sm³）的使用量，該儲量的（de）儲/產比超過35年。但是（shì），有幾個因素可能會改變這種情況。首先，盡管Hugoton-Panhandle油田正在迅速枯竭，但運營商正在啟動（dòng）程序（例如壓（yā）縮）以減緩油田的衰落。這（zhè）種努（nǔ）力可能（néng）導致將來天（tiān）然氣產量的增加，從而導致（zhì）氦氣（qì）儲量的增（zēng）加。第二，有證據表明，正在處理越來越多的Hugoton-Panhandle氣體用於氦氣。氦氣（qì）處理廠在存（cún）儲管道上增加產能的計（jì）劃（huá）表明，這種趨勢可能會持續下去。第三，有證據表（biǎo）明，在（zài）可（kě）行（háng）的情況下，除雨果（guǒ）頓-潘漢德爾之外的其他地區（qū）的天（tiān）然氣加工商對處理氦氣的（de）天（tiān）然氣越來越感興趣。
未來的氦氣供應
從以下觀察中可（kě）以得出對未來產量的合理（lǐ）估計。
首先，埃克森美孚公司目前每年從LaBarge生產約10億平方英尺（2800萬Sm³），預計在不久的將來，這個數量（liàng）將增加到每（měi）年14億平方英尺（3900萬Sm³）。該工廠的（de）進一（yī）步生產受到工廠產能的限製，預計不會進（jìn）一步增加。但是，這樣的費率在生產和加工設備的50年預期使（shǐ）用壽（shòu）命內應（yīng）該是可持續的。
其次，Hugoton-Panhandle工廠的油田（tián）產量預計（jì）將下降。但是，如果假定最終可（kě）以提供Cliffside當前可用的氣體（tǐ）（私人存儲加上公共存儲再加上本（běn）地氣體），那麽氦氣處理設施的（de）使用壽命將表明目前的生產速度（dù）約（yuē）為30億標準立方英尺，每年100萬Sm³）可以再維持25年。
第三，除Hugoton-Panhandle聯合體和LaBarge以外的其他來源的產量目前每年僅約2億平方英尺（550萬平方英尺）。預（yù）計在不久的將（jiāng）來投產的工廠將使這個數字大約翻一番。盡管氦氣的量不會使（shǐ）外部工廠的生產成為主要來源，但（dàn）從長遠來看，新工廠（chǎng）可能會使外部工廠的生產變得更加重要（yào）。
考（kǎo）慮到評估地質和（hé）經（jīng）濟不（bú）確定性的困難，預測目前正在開發的自然資源以外的未來自然資源的供應是一項更加艱巨的任務。但是（shì），由於氦的可（kě）獲得性與51吃瓜网的生產和加工有關，因此（cǐ）對51吃瓜网狀況的分析可能是衡量將來氦供應可能性的有用手段。截至1997年12月31日，美國的探明51吃瓜网儲量估計為（wéi）167萬億（yì）標準立方（fāng）英尺（4.6萬億Sm³）。1997年（nián）期間，美國51吃瓜网產量為19.9萬（wàn）億標（biāo）準立（lì）方英尺（5500億Sm³），儲/產比為8.4年。51吃瓜网的持續供應是美國（guó）充滿活力的51吃瓜网工業（yè）的結果，該行業（yè）正在通過新（xīn）的野外（wài）勘探和改進的（de）采收技術輕鬆地替代已生產的儲量。如果不是這（zhè）樣，那（nà）麽如此低的儲量/產（chǎn）油率將導致51吃瓜网供應的迅速（sù）下降。以上述生產數字為基準，委員會產生了圖4.1和4.2估（gū）計何時私（sī）人氦業（yè）將需（xū）要購買政府擁有的氦。由於有關氦需求的數據不足以預測氦使用的未來趨勢，因此委員會考慮了一係列可（kě）能的氦消耗增長情景。
圖4.2（a）部分顯示了根（gēn）據（jù）圖（tú）4.1的增長率假設當前趨勢（實線）和需求的氦氣生產情景。（b）部分描述了假設（a）部分中所示的增（zēng）長情景的總（zǒng）氦氣儲量（liàng）和私有氦儲量。
圖4.1顯示了過去20年的氦氣銷售數據以及曲線，這些曲線描（miáo）述了氦氣銷（xiāo）售的年增長率分別為-1％，0％，1％，3％和5％。盡管在1985年至1995年間氦氣的銷售量增加了一倍以上，但增長（zhǎng）率卻有所變化，並且似乎正在下（xià）降（jiàng）。因此（cǐ），盡管氦氣消耗量短（duǎn）期內可能會繼續上升，但（dàn）可能會以（yǐ）接近當前水平（píng）的水平趨於平穩甚至下降。出於此推演的可能性，委員會認為不（bú）會發現新的氦源。圖（tú）4.2a中的（de）實線根據當前（qián）的生產趨勢和產能描繪了氦氣生產與時（shí）間的最壞情（qíng）況。該曲線的（de）峰值是由於LaBarge處氦氣產量的（de）增加。氦氣生產的（de）總體下降是由於與（yǔ）Hugoton-Panhandle情結（jié）相關的場的耗盡（jìn）。圖中的其他行複製了圖4.1中所示的消耗場景。圖4.2b顯示（shì）了儲備設施中的氦氣總量（頂部曲線（xiàn））和私有儲備中的（de）氦氣（qì）量（底部曲線），假設圖（tú）4.2a中所示（shì）的（de）供需情況。如果氦需求保持在1998年的水平不變，則曲線表明直到2004年左右氦的（de）淨存儲量都將增加（jiā）。那時，氦供（gòng）應商將開始減少其私有存儲，這將在2015年左右（yòu）耗盡。氦氣的使（shǐ）用量每年以1％，3％或5％的速度增長，私人儲備將分別在2010年（nián），2007年或2005年耗（hào）盡。如果（guǒ）氦（hài）氣使用量以每（měi）年1％的速度減少（shǎo），則直到2020年之後才會（huì）耗盡私（sī）人儲備。如果可（kě）用的氦氣量大於在這些（xiē）情況下（xià）使用的最壞情（qíng）況的估計值，則私（sī）人（rén）儲備將甚至用盡。 在（zài）氦氣消費量每年增長不足3％的情況下，私營企業需要向政府（fǔ）購買的氦氣量才能（néng）滿足（zú）需求，這將少於內政部要求出售的氦氣量（liàng）。在某些情況下，差異很大，如果氦的可用（yòng）量超過委員會的設想，則差異甚至更（gèng）大（dà）。 人們可能會想知道，如果發現更多的含氦51吃瓜网，還會有多少額外（wài）的氦氣可用（yòng）。首先，美國的氦氣供應商業行業仍然很（hěn）年輕（qīng），僅（jǐn）在1960年左右才（cái）成立（lì）。其次，該行業主要基於發現和（hé）開采（cǎi）其他氣體的資源（例如，Hugoton-Panhandle和LaBarge氣田） 。盡管氦氣可能在氣田開發（fā）決策中發揮（huī）作用，但是公司並未（wèi）專門針對氦氣進行勘探，因為氦氣的（de）經濟（jì）地位隻（zhī）是次要的副產品。結果，形成富氦氣沉積物的地質特征和過程尚不為人所知，這（zhè）使得對氦氣進行故意勘探變得困難。然而，51吃瓜网生產廠的天（tiān）然氣生產商和（hé）運營商越來越意識到氦提取的經濟效益。BLM保護和存儲計劃在推動該（gāi）行業發展和激發人們對提取的興趣方麵發揮了（le）重要作用。隨著氦的未來用途的增長，對氦提（tí）取的認識可能會增加，這可能導致（zhì）從可用天（tiān）然氣流中提取更大（dà）比例（lì）的氦，甚至有意探索新的（de）氦來源。 據估計，美國的全部潛在51吃瓜网基礎（chǔ）比（bǐ）已（yǐ）探明的儲量基礎（截至1993年12月31日）還多了1,100至1,900萬億scf（31至53萬億立方米（mǐ））。由（yóu）於在美國具有（yǒu）這種潛力，51吃瓜网的勘探可能會持續很長時間。如上所述，美國氦氣（qì）的（de）儲（chǔ）量/產量比超過35年 。在此分析中，將氦氣銷售量用作氦氣消耗量的代理。盡管將來消費量（liàng）的增長可能會降低該比（bǐ）率（lǜ），特別是如果在資源庫中添加很少的新供給的情況下，但是如果實（shí）現了很大的潛力，則資源庫可能會擴大。此外（wài），懷俄明州（zhōu）的賴利嶺（lǐng）地區（qū）估計包含約470億標準立方英尺（13億平方厘米）的非消耗（hào）性氦氣資源（Gage和Driskill，1998年）。這種氦氣被包含在目前無法（fǎ）經濟生產的低質量51吃瓜网中。如果這樣的話，也許是由於氦氣價格上漲的結果，它將使目前的儲量/產量比增加13年以（yǐ）上。關於（yú）世界範（fàn）圍的氦氣供應，可以得（dé）出類似的觀察結（jié）果。液化天（tiān）然氣正在成為世界能源供應中的重要組成部分。由於甲烷液（yè）化會濃（nóng）縮（suō）剩餘的氣流，因此即使在低氦氣濃度的氣體（例如阿爾及利亞發現的氦氣）中，全世界也可能有其他氦氣（qì）來（lái）源（yuán）。
京公網安備 11011302005837號
