《瞭望》新聞周刊記者最近從中石化華北石油局三普石油工程公司（以下簡稱“中石化華北三普公司”）了解到，經(jīng)過我國科研人員多年聯(lián)合攻關，從渭河盆地勘探出的含氦水溶氣已成功完成氦氣提取的試驗技術。目前，我國首個“地熱井水溶氦提取試驗站”已在陜西咸陽三普２號地熱井建成，這標志著水溶性氦資源試驗提取技術取得了突破性進展。
相關人士表示，渭河盆地是一個大型地熱和水溶氦盆地，深部熱儲蘊藏著豐富的地熱水和水溶氦資源，這是在渭河盆地特定的地質條件下形成的。它的綜合開發(fā)利用，或將改變我國資源性“貧氦”和涉氦產(chǎn)品主要依靠進口的現(xiàn)狀。
戰(zhàn)略稀缺資源
氦（He）氣是一種無色惰性氣體，在標準狀況下，氦是熔點和沸點最低的已知元素；在正常壓力下，氦是唯一不能低溫固化的元素。由于特殊的物理性質，氦氣化學性能穩(wěn)定，一般不生成化合物，只有在特定條件下和某些金屬可形成化合物。
氦氣是一種稀缺的戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源，因其稀少而珍貴，故有“黃金氣”之說。它廣泛應用于低溫超導、激光技術、紅外線探測、核電、醫(yī)療、深海潛水、高精度焊接、光電子產(chǎn)品生產(chǎn)等高科技領域。目前，國內(nèi)外消費的氦主要來自含氦天然氣。
作為元素周期表中排名僅次于氫的“二號”元素，空氣中氦氣含量只有百萬分之五。一般認為，天然氣中氦含量達到0.1%即可進行工業(yè)利用。美國是世界上氦資源最豐富的國家，雖然已大規(guī)模開采60多年，但氦氣儲藏量仍占世界總儲量的40%以上。根據(jù)美國地質調(diào)查局的一份調(diào)查報告：美國、阿爾及利亞、卡塔爾和俄羅斯擁有世界89%的氦資源，其中美國約200億立方米，卡塔爾100億立方米，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，波蘭３億立方米。
隨著國內(nèi)外經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，各國對氦氣的需求量逐年增加。氦需求的增長主要是受電子工業(yè)特別是平面液晶顯示器行業(yè)的驅動。
氦氣還是低溫冷源的主要材料。據(jù)了解，利用液氦-268.9℃的低沸點，液氦可以用于超低溫冷卻。而超低溫冷卻技術在超導技術等領域有較為廣泛的應用，超導技術在交通行業(yè)的磁懸浮列車、醫(yī)療領域的核磁共振成像設備方面都有較大應用。
此外，核電第四代氣冷堆（發(fā)電效率可提高30%～50%）冷卻氣需求是另一重要原因。
我國氦氣資源相當貧乏，含量很低，提取難度大、成本很高，大部分氦氣依賴進口。渭河盆地發(fā)現(xiàn)的水溶性氦氣（簡稱“水溶氦”）是一種新型氦氣資源。
艱辛尋“氦”路
中石化華北三普公司項目負責人孫啟邦向《瞭望》新聞周刊記者介紹，渭河盆地氦氣發(fā)現(xiàn)于上世紀70年代，是我國科研人員在汾渭盆地開展石油天然氣普查勘探時于渭深13井首次發(fā)現(xiàn)的。2004年以后，又在渭河盆地地熱井伴生氣中檢測到高含量的氦氣。“分析結果表明，渭河盆地地熱水溶氣中含有高含量氦氣。多年來，我們堅持開展對渭河盆地水溶性氦資源的研究與評價。2012年中國石化華北分公司在渭河盆地部署了第一口氦氣資源預探井——渭新１井，標志著渭河盆地水溶性氦資源的評價進入到一個新階段。”他說。
據(jù)了解，我國科研人員于上世紀六、七十年代曾兩次在汾渭盆地開展石油普查勘探工作，取得了豐富的油氣地質資料，為盆地的基礎地質研究奠定了基礎，在渭深13井發(fā)現(xiàn)的含氦可燃天然氣就是其成果之一。
渭深13井位于陜西省周至縣，據(jù)中石化華北三普公司實驗室原工程師張子培回憶：當年用我國自行研制的熱導氣相色譜儀分析渭深13井送檢的試氣層氣體樣品時，除了含有從甲烷到戊烷的可燃天然氣外，永久性組分中還發(fā)現(xiàn)了一個奇特的組分，這是以往在鄂爾多斯盆地天然氣樣品分析結果中未曾見過的。“多次分析后，我們確定這種成分既不是氫和氧加氬，更不是氮，身邊所有氣體標準都已驗證完，仍然定不了性。到底是儀器問題或污染干擾，還是未被確定的未知氣體，大家心中都很困惑。”
張子培隨后翻閱了大量天然氣組分分析資料，了解到天然氣中會含有一些稀有氣體。在排除了儀器和污染因素后，他預感到應該是有未知氣體存在，而且很可能是國家急需的“氦氣”。激動的心情、求知的欲望、為國分憂的信念，使他堅持要分析定性到底。
要完成測試，首先要解決“標樣”問題。但當時的條件有限，西安附近都沒能找到，經(jīng)過多方查找信息，終于在一家有氦氣的軍工單位找到了。拿回標樣，分析結果很快得出：確認這個奇特的組分就是氦氣（后送外檢也得出同樣結論），含量在2.08%～4.14%之間，平均為3.0%，其品位是相當高的（氦氣工業(yè)標準為0.1%）。
渭深13井發(fā)現(xiàn)稀有氦氣的喜訊，在當時的地質礦產(chǎn)部系統(tǒng)內(nèi)曾引起不小的轟動。原地礦部第三石油普查勘探大隊高級工程師姚志溫認為，渭深13井含氦可燃天然氣的形成條件與國內(nèi)油、氣田典型氣體不同，屬于一種特殊類型天然氣。
從2006年10月至今，中石化華北三普公司項目組在三普小區(qū)對兩口地熱井進行了連續(xù)的動態(tài)監(jiān)測，開展含氦水溶氣穩(wěn)定性的試驗研究，氦氣含量始終分別為2.1%和2.2%，并且不受季節(jié)、用水量和井口壓力等諸多因素變化的影響。特別是2009年以后，氦含量有明顯增高的趨勢。
經(jīng)過中石化華北三普公司和中國科學院大連化學物理研究所膜技術國家工程研究中心（以下簡稱“中科院大連化物所膜中心”）連續(xù)多年的聯(lián)合攻關，科研人員認為，30多年前在渭河盆地渭深13井發(fā)現(xiàn)的含氦可燃性氣體是水溶性含氦天然氣，水溶氦不同于國內(nèi)外含氦天然氣中的氦，是一種新的氦氣成藏類型和資源，而且具有品位高、規(guī)模大、分布范圍廣的特點。初步估算，氦氣生成量達上千億立方米，預測氦氣資源量有300多億立方米，具有很好的綜合開發(fā)和利用前景。
2015年8月，雙方科研人員在渭新1井，成功完成水溶氦氣常溫、膜法提取技術實驗。2015年冬天，科研人員把渭新１井的試驗設備搬到咸陽三普２號地熱井進行地熱井水溶氦氣提取試驗，在中石化綠源地熱能開發(fā)有限公司的協(xié)助下，在咸陽三普２號井建成了國內(nèi)首個“地熱井水溶氦提取試驗站”。經(jīng)過雙方近50天的現(xiàn)場試驗，水溶氦濃度由井口的３%提高到50%～60%，回收率達到了80%以上，連續(xù)試驗證明試驗裝備先進、性能可靠、運行穩(wěn)定，各項指標均達到和超過設計要求。
孫啟邦表示，渭河盆地首個地熱井水溶氦提取試驗站的建成，標志著我國水溶氦資源評價和提取技術取得了突破性進展，對于推動渭河盆地高位水溶氦氣資源工業(yè)化、規(guī)模化提取開發(fā)，解決國家氦氣資源貧乏與戰(zhàn)略保障問題，具有重要戰(zhàn)略和現(xiàn)實意義。
有望摘掉“貧氦國”帽子
由于氦的特殊成因，地球上的氦資源極為有限且分布極不均勻。我國屬于貧氦國家，進口依賴度非常高，已對我國一些尖端科學技術領域的發(fā)展造成嚴重制約。20世紀70年代，西方國家曾經(jīng)把氦氣列入對華禁運物資之一，當前，美國仍要求在對華出口合同上注明氦氣必須用于非軍事目的。
據(jù)專家預測，在未來10多年內(nèi)，全球對氦氣的需求量將以每年4%～6%的速度增長，預計國內(nèi)氦氣需求量將保持8%～10%的增速。
到目前為止，我國獲得探明儲量的天然氣藏中含氦量很少，多數(shù)無回收利用價值，只有四川威遠氣田燈影組儲層的天然氣中氦含量達0.18%，略高于天然氣儲量規(guī)范中氦濃度0.1%的工業(yè)標準，年產(chǎn)量很低。目前我國對氦資源的需求量越來越大，其儲量直接關系到國家的安全。因此尋找新的氦資源，解決我國氦氣自供能力的問題迫在眉睫。
孫啟邦告訴本刊記者，目前相關單位在前期取得的成果基礎上，已開展水溶氦氣提純技術研究工作。通過采用變壓吸附技術，完成水溶氦從提濃到提純過程，從而達到工業(yè)級氦氣標準，全面打通地熱井水溶氦氣提取、提濃、提純工藝技術路線。未來幾年內(nèi)，通過企業(yè)與地方政府有效結合，依托現(xiàn)有條件，力爭在咸陽市建成“年產(chǎn)萬方級水溶氦先導性開發(fā)試驗區(qū)”，為渭河盆地氦氣田的開發(fā)提供新思路，為地熱資源的綜合利用開發(fā)提供新模式，為解決國家氦氣資源貧乏與戰(zhàn)略保障問題作出貢獻。
受訪人士表示，渭河盆地是一個大型地熱和水溶氦盆地，深部熱儲蘊藏著豐富的地熱水和水溶氦資源，是在渭河盆地特定的地質條件下形成的。這是大自然饋贈給我們的寶貴資源，它的綜合開發(fā)利用將改變我國的“貧氦”現(xiàn)狀，對我國國防安全和經(jīng)濟建設具有重要意義。
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