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我国有望摘掉“贫氦国”帽子
时间:2018-04-25 22:30:00  浏览:0次  来源: 瞭望  作者:渭河能源公司
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《瞭望》新闻周刊记者最近从中石化华北石油局三普石油工程公司(以下简称“中石化华北三普公司”)了解到,经过我国科研人员多年联合攻关,从渭河盆地勘探出的含氦水溶气已成功完成氦气提取的试验技术。目前,我国首个“地热井水溶氦提取试验站”已在陕西咸阳三普2号地热井建成,这标志着水溶性氦资源试验提取技术取得了突破性进展。

相关人士表示,渭河盆地是一个大型地热和水溶氦盆地,深部热储蕴藏着丰富的地热水和水溶氦资源,这是在渭河盆地特定的地质条件下形成的。它的综合开发利用,或将改变我国资源性“贫氦”和涉氦产品主要依靠进口的现状。

战略稀缺资源

氦(He)气是一种无色惰性气体,在标准状况下,氦是熔点和沸点最低的已知元素;在正常压力下,氦是唯一不能低温固化的元素。由于特殊的物理性质,氦气化学性能稳定,一般不生成化合物,只有在特定条件下和某些金属可形成化合物。

氦气是一种稀缺的战略性矿产资源,因其稀少而珍贵,故有“黄金气”之说。它广泛应用于低温超导、激光技术、红外线探测、核电、医疗、深海潜水、高精度焊接、光电子产品生产等高科技领域。目前,国内外消费的氦主要来自含氦天然气。

作为元素周期表中排名仅次于氢的“二号”元素,空气中氦气含量只有百万分之五。一般认为,天然气中氦含量达到0.1%即可进行工业利用。美国是世界上氦资源最丰富的国家,虽然已大规模开采60多年,但氦气储藏量仍占世界总储量的40%以上。根据美国地质调查局的一份调查报告:美国、阿尔及利亚、卡塔尔和俄罗斯拥有世界89%的氦资源,其中美国约200亿立方米,卡塔尔100亿立方米,阿尔及利亚82亿立方米,俄罗斯68亿立方米,加拿大20亿立方米,波兰3亿立方米。

随着国内外经济社会的快速发展,各国对氦气的需求量逐年增加。氦需求的增长主要是受电子工业特别是平面液晶显示器行业的驱动。

氦气还是低温冷源的主要材料。据了解,利用液氦-268.9℃的低沸点,液氦可以用于超低温冷却。而超低温冷却技术在超导技术等领域有较为广泛的应用,超导技术在交通行业的磁悬浮列车、医疗领域的核磁共振成像设备方面都有较大应用。

此外,核电第四代气冷堆(发电效率可提高30%~50%)冷却气需求是另一重要原因。

我国氦气资源相当贫乏,含量很低,提取难度大、成本很高,大部分氦气依赖进口。渭河盆地发现的水溶性氦气(简称“水溶氦”)是一种新型氦气资源。

艰辛寻“氦”路

中石化华北三普公司项目负责人孙启邦向《瞭望》新闻周刊记者介绍,渭河盆地氦气发现于上世纪70年代,是我国科研人员在汾渭盆地开展石油天然气普查勘探时于渭深13井首次发现的。2004年以后,又在渭河盆地地热井伴生气中检测到高含量的氦气。“分析结果表明,渭河盆地地热水溶气中含有高含量氦气。多年来,我们坚持开展对渭河盆地水溶性氦资源的研究与评价。2012年中国石化华北分公司在渭河盆地部署了第一口氦气资源预探井——渭新1井,标志着渭河盆地水溶性氦资源的评价进入到一个新阶段。”他说。

据了解,我国科研人员于上世纪六、七十年代曾两次在汾渭盆地开展石油普查勘探工作,取得了丰富的油气地质资料,为盆地的基础地质研究奠定了基础,在渭深13井发现的含氦可燃天然气就是其成果之一。

渭深13井位于陕西省周至县,据中石化华北三普公司实验室原工程师张子培回忆:当年用我国自行研制的热导气相色谱仪分析渭深13井送检的试气层气体样品时,除了含有从甲烷到戊烷的可燃天然气外,永久性组分中还发现了一个奇特的组分,这是以往在鄂尔多斯盆地天然气样品分析结果中未曾见过的。“多次分析后,我们确定这种成分既不是氢和氧加氩,更不是氮,身边所有气体标准都已验证完,仍然定不了性。到底是仪器问题或污染干扰,还是未被确定的未知气体,大家心中都很困惑。”

张子培随后翻阅了大量天然气组分分析资料,了解到天然气中会含有一些稀有气体。在排除了仪器和污染因素后,他预感到应该是有未知气体存在,而且很可能是国家急需的“氦气”。激动的心情、求知的欲望、为国分忧的信念,使他坚持要分析定性到底。

要完成测试,首先要解决“标样”问题。但当时的条件有限,西安附近都没能找到,经过多方查找信息,终于在一家有氦气的军工单位找到了。拿回标样,分析结果很快得出:确认这个奇特的组分就是氦气(后送外检也得出同样结论),含量在2.08%~4.14%之间,平均为3.0%,其品位是相当高的(氦气工业标准为0.1%)。

渭深13井发现稀有氦气的喜讯,在当时的地质矿产部系统内曾引起不小的轰动。原地矿部第三石油普查勘探大队高级工程师姚志温认为,渭深13井含氦可燃天然气的形成条件与国内油、气田典型气体不同,属于一种特殊类型天然气。

从2006年10月至今,中石化华北三普公司项目组在三普小区对两口地热井进行了连续的动态监测,开展含氦水溶气稳定性的试验研究,氦气含量始终分别为2.1%和2.2%,并且不受季节、用水量和井口压力等诸多因素变化的影响。特别是2009年以后,氦含量有明显增高的趋势。

经过中石化华北三普公司和中国科学院大连化学物理研究所膜技术国家工程研究中心(以下简称“中科院大连化物所膜中心”)连续多年的联合攻关,科研人员认为,30多年前在渭河盆地渭深13井发现的含氦可燃性气体是水溶性含氦天然气,水溶氦不同于国内外含氦天然气中的氦,是一种新的氦气成藏类型和资源,而且具有品位高、规模大、分布范围广的特点。初步估算,氦气生成量达上千亿立方米,预测氦气资源量有300多亿立方米,具有很好的综合开发和利用前景。

2015年8月,双方科研人员在渭新1井,成功完成水溶氦气常温、膜法提取技术实验。2015年冬天,科研人员把渭新1井的试验设备搬到咸阳三普2号地热井进行地热井水溶氦气提取试验,在中石化绿源地热能开发有限公司的协助下,在咸阳三普2号井建成了国内首个“地热井水溶氦提取试验站”。经过双方近50天的现场试验,水溶氦浓度由井口的3%提高到50%~60%,回收率达到了80%以上,连续试验证明试验装备先进、性能可靠、运行稳定,各项指标均达到和超过设计要求。

孙启邦表示,渭河盆地首个地热井水溶氦提取试验站的建成,标志着我国水溶氦资源评价和提取技术取得了突破性进展,对于推动渭河盆地高位水溶氦气资源工业化、规模化提取开发,解决国家氦气资源贫乏与战略保障问题,具有重要战略和现实意义。

有望摘掉“贫氦国”帽子

由于氦的特殊成因,地球上的氦资源极为有限且分布极不均匀。我国属于贫氦国家,进口依赖度非常高,已对我国一些尖端科学技术领域的发展造成严重制约。20世纪70年代,西方国家曾经把氦气列入对华禁运物资之一,当前,美国仍要求在对华出口合同上注明氦气必须用于非军事目的。

据专家预测,在未来10多年内,全球对氦气的需求量将以每年4%~6%的速度增长,预计国内氦气需求量将保持8%~10%的增速。

到目前为止,我国获得探明储量的天然气藏中含氦量很少,多数无回收利用价值,只有四川威远气田灯影组储层的天然气中氦含量达0.18%,略高于天然气储量规范中氦浓度0.1%的工业标准,年产量很低。目前我国对氦资源的需求量越来越大,其储量直接关系到国家的安全。因此寻找新的氦资源,解决我国氦气自供能力的问题迫在眉睫。

孙启邦告诉本刊记者,目前相关单位在前期取得的成果基础上,已开展水溶氦气提纯技术研究工作。通过采用变压吸附技术,完成水溶氦从提浓到提纯过程,从而达到工业级氦气标准,全面打通地热井水溶氦气提取、提浓、提纯工艺技术路线。未来几年内,通过企业与地方政府有效结合,依托现有条件,力争在咸阳市建成“年产万方级水溶氦先导性开发试验区”,为渭河盆地氦气田的开发提供新思路,为地热资源的综合利用开发提供新模式,为解决国家氦气资源贫乏与战略保障问题作出贡献。

受访人士表示,渭河盆地是一个大型地热和水溶氦盆地,深部热储蕴藏着丰富的地热水和水溶氦资源,是在渭河盆地特定的地质条件下形成的。这是大自然馈赠给我们的宝贵资源,它的综合开发利用将改变我国的“贫氦”现状,对我国国防安全和经济建设具有重要意义。

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