周 軍，陳玉麟，王璿清，梁光川

（西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500）

氦氣作為特種且稀有的工業(yè)、電子氣體，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造，是一種關(guān)系高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要戰(zhàn)略稀缺資源。氦氣密度（0.1786 kg/m3）和沸點(diǎn)（-268.85 °C）都極低，化學(xué)性質(zhì)不活潑，是所有氣體中最難液化的。隨著科技的發(fā)展，氦氣在低溫超導(dǎo)、醫(yī)學(xué)成像、半導(dǎo)體、設(shè)備檢漏以及焊接等領(lǐng)域被廣泛使用。目前，全球氦氣資源主要集中在美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯和加拿大等國(guó)家。中國(guó)擁有一定量的氦氣資源，但氦含量（體積分?jǐn)?shù)，下同）偏低，產(chǎn)量少，無(wú)法滿足需求，目前主要依賴進(jìn)口。

空氣中的氦氣稀少，絕大部分氦氣來(lái)源于富氦天然氣藏中，一般認(rèn)為天然氣藏中氦含量低于0.05%稱為貧氦氣藏，大于0.10%稱為富氦氣藏[1]。天然氣提氦始于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)為了處理Petrolia油田的含氦天然氣，在沃斯堡建造了第一個(gè)商業(yè)氦氣廠[2]。中國(guó)天然氣提氦工業(yè)起步較晚，20世紀(jì)70年代建成第一套天然氣提氦工業(yè)裝置，但氦氣產(chǎn)量?jī)H 3 × 104m3/a[3]。隨著提氦技術(shù)的不斷發(fā)展，全球相關(guān)天然氣提氦項(xiàng)目陸續(xù)建成投產(chǎn)，氦氣產(chǎn)量持續(xù)增加，但目前尚未有關(guān)于全球氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場(chǎng)規(guī)模等方面的系統(tǒng)分析，對(duì)于中國(guó)天然氣提氦和相關(guān)行業(yè)缺乏參考。本文基于廣泛文獻(xiàn)調(diào)研和數(shù)據(jù)整理分析，綜述國(guó)內(nèi)外氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場(chǎng)現(xiàn)狀，以期為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒。

1 氦氣資源分布

1.1 全球氦氣資源分布

全球氦氣資源分布極不均勻，美國(guó)作為氦資源豐富的國(guó)家，產(chǎn)量和消費(fèi)量均居全球之首。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）發(fā)布的調(diào)查報(bào)告數(shù)據(jù)顯示[4-5]，2006 年全球氦氣資源總量約為 519 × 108m3，其中，美國(guó) 206 × 108m3、卡塔爾 101 × 108m3、阿爾及利亞82 × 108m3、俄羅斯 68 × 108m3以及加拿大 20 × 108m3，該5國(guó)的資源總量約占全球總量的92%。此外，中國(guó)氦氣資源量約為 11 × 108m3，波蘭和澳大利亞也有一定的氦氣資源。USGS和美國(guó)內(nèi)政部土地管理局（BLM）正在進(jìn)行全球氦氣資源評(píng)估，截至2021年BLM已對(duì)包括美國(guó)在內(nèi)的26個(gè)國(guó)家的22720個(gè)氣體樣本進(jìn)行了分析，此為目前可用的最新評(píng)估。

美國(guó)氦氣資源主要分布于懷俄明州、猶他州、亞利桑那州、科羅拉多州、新墨西哥州、堪薩斯州、俄克拉何馬州和得克薩斯州，擁有包括Riley Rigde、Harley、Panhandle-Hugoton和Cliffside等含氦氣田，如表1所示。

表1 美國(guó)主要含氦天然氣田[6]Table 1 Major helium gas fields in the United States[6]

卡塔爾的氦氣資源主要來(lái)自北部氣田[7-9]，氦含量相對(duì)較低，僅為0.04%，為貧氦氣藏，因此其氦氣主要從氦富集程度較高的LNG尾氣中提取。阿爾及利亞的氦氣資源主要來(lái)自東部三疊盆地的哈西魯邁勒天然氣田[1]。俄羅斯氦氣資源潛力較大，但開發(fā)程度低，目前發(fā)現(xiàn)主要分布在西伯利亞的天然氣藏中，包括奧倫堡、科維克塔和恰揚(yáng)達(dá)河等氣田[10]。據(jù)俄羅斯聯(lián)邦能源部測(cè)算，東西伯利亞和雅庫(kù)特地區(qū)可工業(yè)開采的氦氣資源量可占全球的三分之一[11]。

目前的勘探結(jié)果表明，全球富氦天然氣田主要分布于西伯利亞、北美中部、非洲北部和歐洲東部等區(qū)域。此外，在部分地區(qū)的地?zé)崴畾庵幸舶l(fā)現(xiàn)了氦氣資源[12]，如印度發(fā)現(xiàn)氦含量達(dá)1.37%的溫泉?dú)?；中?guó)汾渭盆地發(fā)現(xiàn)地?zé)崽锇樯烊粴獾暮ず吭?.80%～1.20%之間，平均為 0.94%[13-14]。

1.2 中國(guó)氦氣資源分布

中國(guó)氦氣資源匱乏，僅占全球的2%～3%，氦氣產(chǎn)量遠(yuǎn)不能滿足需求，氦氣資源大部分依靠進(jìn)口。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)氦氣資源主要分布在東、西及中部盆地的多個(gè)油氣田，如渤海灣盆地的花501井氣田、塔里木盆地的解放渠油氣田和鄂爾多斯盆地的東勝氣田等，其氦氣含量均滿足工業(yè)開采要求。

20世紀(jì)60年代，中國(guó)在四川威遠(yuǎn)進(jìn)行了第一座生產(chǎn)氦氣的氣田開發(fā)，其探明的氦氣儲(chǔ)量約為 0.8 × 108m3[15]。20 世紀(jì) 80 年代，在東部郯廬斷裂帶附近的多個(gè)盆地發(fā)現(xiàn)了含氦氣田[16-17]。2000年以來(lái)在塔里木盆地多個(gè)油氣田的天然氣組分中發(fā)現(xiàn)了含量較高的氦氣[18]。2004年，在渭河盆地地?zé)峋樯鷼庵袡z測(cè)到高含量氦氣。2012年，在渭河盆地開展了水溶性氦氣資源評(píng)價(jià)，資源量可達(dá)14.78 × 108m3[19]。2017 年，在柴達(dá)木盆地發(fā)現(xiàn)了東坪氦工業(yè)氣田[20]。同年，陶小晚等[21]進(jìn)行和田河氣田樣品采集分析，結(jié)果表明，該氣田為中國(guó)第一個(gè)特大型富氦氣田，可探明儲(chǔ)量約為 1.9591 × 108m3。2018年，陜西省在渭河盆地設(shè)立了中國(guó)第一個(gè)氦氣探礦權(quán)[22]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)部分含氦盆地主要含氦油氣田及氦含量情況如表2所示。整體而言，四川盆地、塔里木盆地、渭河盆地及部分郯廬斷裂帶附近盆地是我國(guó)氦氣資源的主要分布區(qū)域，具有良好的資源潛力。

表2 中國(guó)部分盆地氦含量Table 2 Helium content in some basins of China

2 氦氣產(chǎn)量分析

2.1 全球氦氣產(chǎn)量分析

氦氣來(lái)源主要通過(guò)提氦裝置從富氦天然氣中提取，該技術(shù)始于20世紀(jì)20年代。1921年，美國(guó)在沃斯堡建造了全球第一個(gè)商業(yè)氦氣廠用于處理Petrolia油田的含氦天然氣[2]；1929年，美國(guó)在德克薩斯州阿馬里諾市的Cliffside油田建造了一座更大的天然氣提氦廠[30]。后來(lái)，天然氣提氦工業(yè)快速發(fā)展，其主要分布在俄羅斯、阿爾及利亞、加拿大、卡塔爾和美國(guó)等氦氣資源較多的國(guó)家[3]。

隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，全球陸續(xù)有新裝置投入建設(shè)或計(jì)劃投產(chǎn)[31]。2003年卡塔爾建成氦氣產(chǎn)量為 2000 × 104m3/a的一期項(xiàng)目，2013 年建成氦氣產(chǎn)量為 3800 × 104m3/a的二期項(xiàng)目；2006 年阿爾及利亞建成氦氣產(chǎn)量為 1960 × 104m3/a的Skikda提氦裝置；2009年俄羅斯建成5套采用低溫工藝的天然氣提氦裝置，均在奧倫堡[32]；2010年澳大利亞建成氦氣產(chǎn)量為 430 × 104m3/a的氦氣生產(chǎn)裝置；2014年美國(guó)有22套天然氣提氦裝置，其中13套裝置直接從天然氣提取氦、19套裝置在運(yùn)行[33]。

USGS的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2020年全球氦氣產(chǎn)量約 14400 × 104m3，主要產(chǎn)氦國(guó)氦氣產(chǎn)量占比如圖1所示。近年來(lái)全球主要產(chǎn)氦國(guó)氦氣產(chǎn)量趨勢(shì)如圖2所示，美國(guó)產(chǎn)量呈下降趨勢(shì)，而卡塔爾產(chǎn)量明顯增加。與 2019 年全球氦氣產(chǎn)量（約 15900 × 104m3）相比，2020年有所下降，主要受美國(guó)氦氣產(chǎn)量下降的影響。據(jù)俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，如果沒有新區(qū)塊開發(fā)，預(yù)計(jì)到2030年世界氦氣產(chǎn)量將下降到 13400 × 104m3，世界氦氣供應(yīng)缺口將達(dá)16600 × 104m3[34]。

圖1 2020年主要產(chǎn)氦國(guó)氦氣產(chǎn)量占比[4]Fig.1 Proportion of helium production by major helium producing helium producing countries in 2020[4]

圖2 主要產(chǎn)氦國(guó)氦氣產(chǎn)量趨勢(shì)[5]Fig.2 Helium production trends in major helium producing countries[5]

全球目前主要提氦項(xiàng)目情況如表3所示。其中卡塔爾三期氦氣提純項(xiàng)目產(chǎn)量約為 1200 × 104m3/a，已于2021年部分投產(chǎn)，此外，卡塔爾石油公司宣布將增加第四家氦工廠，到2028年氦氣產(chǎn)量或再增加3400 × 104m3/a。坦桑尼亞的氦氣生產(chǎn)商Helium One公司也在2018年進(jìn)行了融資及鉆井勘探，預(yù)計(jì)產(chǎn)量約 2800 × 104m3/a，或?qū)⒂?2022 年前后投產(chǎn)。俄羅斯阿穆爾天然氣加工廠也已于2021年部分投產(chǎn)，計(jì)劃 2025 年全面投產(chǎn)后可生產(chǎn)氦氣約 6000 × 104m3/a。若進(jìn)展順利，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年全球氦氣產(chǎn)量增長(zhǎng)將超10000 × 104m3/a，或可緩解氦氣供不應(yīng)求的局面，但短時(shí)間內(nèi)全球氦氣市場(chǎng)貨源緊張局勢(shì)或?qū)⒀永m(xù)。

表3 全球目前主要提氦項(xiàng)目Table 3 Major helium extraction projects at present in the world

2.2 中國(guó)氦氣產(chǎn)量分析

中國(guó)天然氣提氦工業(yè)起步較晚。20世紀(jì)70年代，成都天然氣化工總廠以四川盆地富氦的威遠(yuǎn)氣田為氣源，建立了中國(guó)第一套天然氣提氦裝置[3]，但氦氣產(chǎn)量?jī)H 3 × 104m3/a，1989 年又在原廠址建成了第二套提氦裝置，氦氣產(chǎn)量 4 × 104m3/a，目前兩套裝置均已關(guān)閉。隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，1994年有學(xué)者發(fā)明了聚砜-硅橡膠中空纖維膜提氦法， 氦回收率63%～75%[37]。1995年膜分離+低溫分離聯(lián)合提氦法被提出，但由于存在技術(shù)問(wèn)題未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[38]。2011年，西南油氣田蜀南氣礦與成都天然氣化工總廠共同投資約1.1億元在四川榮縣建立天然氣提氦裝置，可處理天然氣 40 × 104m3/d，氦回收率大于96.5%，生產(chǎn)出純度約80%的粗氦后再由氣瓶拖車運(yùn)輸至成都天然氣化工總廠進(jìn)行提純，可產(chǎn)純氦約 20 × 104m3/a，但由于氣源等因素影響難以達(dá)產(chǎn)[33]。

中國(guó)目前主要提氦項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)如表4所示，總產(chǎn)量約 320.7 × 104m3/a。2013 年至 2020 年，中國(guó)氦氣產(chǎn)量及增長(zhǎng)率如表5所示，雖然新增提氦項(xiàng)目產(chǎn)量相對(duì)較低，但隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，特別是蒸發(fā)氣（BOG）低溫提氦裝置的順利投產(chǎn)，中國(guó)未來(lái)氦氣產(chǎn)量將維持增長(zhǎng)趨勢(shì)[39]。

表4 中國(guó)目前主要提氦項(xiàng)目[39]Table 4 Major helium extraction projects at present in China[39]

表5 2013年至2020年中國(guó)氦氣產(chǎn)量及增長(zhǎng)率[39]Table 5 Helium production and growth rate in China from 2013 to 2020[39]

3 氦氣市場(chǎng)分析

3.1 全球氦氣市場(chǎng)分析

隨著科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球氦氣消費(fèi)量逐年增加，從2005年到2015年，全球氦氣消費(fèi)量增長(zhǎng)130%，特別是低溫超導(dǎo)和半導(dǎo)體等領(lǐng)域的需求出現(xiàn)較大增長(zhǎng)，導(dǎo)致供需矛盾不斷擴(kuò)大[40]。據(jù)USGS的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[41]，2016年美國(guó)氦氣消費(fèi)總量為5040 × 104m3，其主要領(lǐng)域歷年氦氣用氣量情況如圖3所示。

圖3 美國(guó)各應(yīng)用領(lǐng)域的氦氣用氣量[41]Fig.3 Helium consumption by application in the United States[41]

印度目前氦氣需求量約為 330 × 104m3/a，主要用于核磁共振和光纖業(yè)務(wù)。新加坡氦氣需求量約為 180 × 104m3/a，主要用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)；此外新加坡常作為液化空氣和普萊克斯等公司的氦氣配送中心，將氦氣等氣體供應(yīng)到鄰近的馬來(lái)西亞和印度尼西亞。泰國(guó)、印度尼西亞和越南等東盟成員國(guó)的氦需求較少，主要用于泄漏測(cè)試。韓國(guó)在2010年左右與日本的氦氣市場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)，到2017年超過(guò)日本，全年氦氣消費(fèi)量達(dá)到 1210 × 104m3，比 2016 年增加了 100 × 104m3，主要應(yīng)用于半導(dǎo)體制造[10]。

2011 年全球氦氣市場(chǎng)需求約 17500 × 104m3，其中亞洲（27%）超越歐洲（21%）成為第二大市場(chǎng)[40]。2017 年，全球氦氣市場(chǎng)需求約 16800 × 104m3，其中亞洲需求約為 5208 × 104m3，接近需求最大的美國(guó)市場(chǎng)（5400 × 104m3）。2020 年，全球氦氣市場(chǎng)需求約為 22660 × 104m3，但氦氣供應(yīng)整體呈逐漸減少趨勢(shì)。據(jù)俄羅斯相關(guān)機(jī)構(gòu)報(bào)道[10]，亞太地區(qū)氦氣需求旺盛，每年增長(zhǎng)為5%～6%，美國(guó)約55%的氦氣出口到亞洲，預(yù)計(jì)到2030年全球氦氣需求或?qū)⑦_(dá)到30000 × 104m3，其中歐洲市場(chǎng)和美國(guó)市場(chǎng)占比將繼續(xù)降低，亞太市場(chǎng)占比將繼續(xù)增長(zhǎng)。

3.2 中國(guó)氦氣市場(chǎng)分析

近年來(lái)亞太地區(qū)國(guó)家尤其是中國(guó)的氦氣需求不斷增加，氦氣市場(chǎng)正處于快速發(fā)展階段。中國(guó)年均氦資源使用量占全球年產(chǎn)量的14%左右，主要用于核磁共振、制冷、磁懸浮列車、焊接、檢漏和科研等領(lǐng)域。2020年中國(guó)各領(lǐng)域氦氣用氣量占比如圖4所示。2013年至2020年中國(guó)氦氣需求量及增長(zhǎng)率如圖5所示，其中2020年中國(guó)氦氣需求量為2500 × 104m3，同比增長(zhǎng) 11.1%，整體呈上升趨勢(shì)。

圖4 中國(guó)各應(yīng)用領(lǐng)域氦氣用氣量占比[31]Fig.4 Proportion of helium consumption in different fields in China[31]

圖5 中國(guó)氦氣需求量及增長(zhǎng)率[42]Fig.5 Helium demand and growth rate in China[42]

中國(guó)目前氦氣銷售區(qū)域主要在東北、華南、西北、華北、華中、西南和華東等地區(qū)，擁有包括遼寧、廣東和陜西等14個(gè)主要氦氣市場(chǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)?？傊颠_(dá)20.44億元，如表6所示。2015年至2020年中國(guó)與全球氦氣市場(chǎng)規(guī)模對(duì)比情況如圖6所示?？梢钥闯?，中國(guó)氦氣市場(chǎng)規(guī)模和全球氦氣市場(chǎng)規(guī)模呈同步增長(zhǎng)趨勢(shì)，中國(guó)市場(chǎng)規(guī)模占比逐年增長(zhǎng)。從經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，中國(guó)氦氣市場(chǎng)規(guī)模仍將保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，至2026年市場(chǎng)規(guī)?；?qū)⑦_(dá)到42.36億元。

圖6 中國(guó)與全球氦氣市場(chǎng)規(guī)模對(duì)比[39]Fig.6 Comparison of helium market scale between China and the global[39]

表6 中國(guó)氦氣區(qū)域市場(chǎng)Table 6 Regional helium market in China

3.3 中國(guó)氦氣進(jìn)出口情況分析

近年來(lái)中國(guó)氦氣需求量逐年遞增，大部分依靠進(jìn)口，暫無(wú)出口。氦氣進(jìn)口渠道主要以普萊克斯、空氣產(chǎn)品、林德和法國(guó)液化空氣等跨國(guó)公司為主，中國(guó)供應(yīng)商所占份額很少[43]。據(jù)USGS統(tǒng)計(jì)，全球主要產(chǎn)氦國(guó)出口量及出口地如表7所示。

表7 全球主要產(chǎn)氦國(guó)出口量[31]Table 7 Exports of major helium producing countries in the world[31]

近幾年中國(guó)氦氣進(jìn)口量呈先增后降走勢(shì)。2015年至2020年中國(guó)氦氣進(jìn)口量及增長(zhǎng)率如圖7所示。2020年中國(guó)氦氣進(jìn)口來(lái)源國(guó)占比如圖8所示。可以看出，中國(guó)氦氣進(jìn)口主要來(lái)源國(guó)為卡塔爾、美國(guó)和澳大利亞，部分中間貿(mào)易商從其他國(guó)家也有少量進(jìn)口，如俄羅斯、新加坡和烏克蘭等。

圖7 中國(guó)氦氣進(jìn)口量及增長(zhǎng)率[39]Fig.7 Helium imports and growth rate in China[39]

圖8 2020年中國(guó)氦氣進(jìn)口來(lái)源國(guó)占比[39]Fig.8 Proportion of China’s helium import source countries in 2020[39]

4 結(jié)語(yǔ)與展望

氦氣作為一種重要的稀缺資源，對(duì)發(fā)展低溫超導(dǎo)與醫(yī)學(xué)成像等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)起著重要的作用。本文從氦氣資源分布、產(chǎn)量和市場(chǎng)規(guī)模等方面綜述了全球氦氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。分析認(rèn)為：目前全球的氦氣資源主要集中在美國(guó)、卡塔爾、阿爾及利亞、俄羅斯和加拿大等少數(shù)國(guó)家，中國(guó)氦資源匱乏，僅占世界氦資源量的2%～3%，而年均氦資源使用量卻占全球年產(chǎn)量的14%左右，進(jìn)口依賴度高；氦氣絕大部分存在于富氦天然氣藏中，其獲取途徑主要通過(guò)提氦裝置從富氦天然氣中提取，隨著提氦技術(shù)的發(fā)展，全球陸續(xù)有提氦項(xiàng)目投產(chǎn)或計(jì)劃投產(chǎn)；中國(guó)的提氦工業(yè)起步晚、產(chǎn)量低，但需求的增長(zhǎng)促進(jìn)了提氦技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)產(chǎn)量逐年增加。盡管如此，由于氦氣需求持續(xù)增長(zhǎng)，致使全球氦氣供應(yīng)缺口依然很大。

未來(lái)隨著全球越來(lái)越多天然氣提氦項(xiàng)目的投產(chǎn)，或?qū)⒏淖兡壳昂夤┎粦?yīng)求的局面。中國(guó)氦氣資源少、產(chǎn)量低，應(yīng)加強(qiáng)富氦天然氣藏和地?zé)崴畾赓Y源的保護(hù)、勘探和開發(fā)，繼續(xù)推進(jìn)高效提氦技術(shù)研發(fā)和BOG低溫提氦裝置的投產(chǎn)。