氦气成因及制造

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1、氦气是一种使用面广，高导热性不燃惰性气体，同时也是已知沸点最低的气体。因为氦气的这些特性，人们在多方面使用它。氦气的用途多种多样下氦气的用途。氦气是一种惰性气体，很少与其他化学元素化合，由于其特殊的物理化学性质，尤其是其在低温下成为液体的特性和化学性质惰性，使氦气在国防工业、航天工业、核工业、临床医学、化学工业等高科技领域都有广泛应用。目前，世界氦气的产地主要分布在美国、阿尔及利亚、卡塔尔、俄罗斯、波兰等国，其中美国占据了世界氦气产量和储量的大部分，拥有绝对的话语权。与此同时，世界各国对氦气的需求量在以每年4%～6%的速率增加。目前，我国的氦气主要靠进口，只有四川自贡威远气田中的氦气

2、得到提取利用(氦含量只有0.2%)，并且曾经一度停产，目前提取出的氦气基本用于潜艇。由于美国将氦气资源列为战略储备资源而限制粗氦产量，液氦价格直线飙升；同时，由于俄罗斯正在推动的联邦规划《俄罗斯的氦》和联邦法律《氦法》，氦气成为中俄天然气合作的一大障碍，预计未来中国氦气将会更加受制于人。1氦气的成因及来源1.1地壳中氦气的来源(放射性来源)地壳中氦气的来源氦有3He和4He两种稳定同位素。Ballentine等(2000)提出氦的同位素主要有三个来源，即大气源，壳源(放射性来源)和幔源(见图1)。大气源的氦气主要通过地下水的循环进入盆地流体系统。在盆地地下水的补给区，大气中的氦气会溶

3、解到补给水中，随着地下水从补给区向排泄区运移，最终运移到油气藏中，发生油―气―水的交换，造成氦气在油气藏中的聚集。壳源(放射性来源)的氦气是由矿物、岩石中含有的铀、钍元素发生放射性衰变产生的，主要是4He。幔源氦气是地幔中的氦气通过岩浆活动发生脱气作用释放的，主要为3He。图1天然气气藏中氦气的来源(据Ballentine，2002，修改)1.1.1大气源He大气中的He主要是由大洋中脊的火山喷发、岩浆脱气和岩石风化作用释放出来的。大气中He的含量非常少，含量为5.24L/km3，所以在地下水补给区溶解到水中，随着地下水循环进入盆地流体系统的He是非常少的，通常是忽略不计的，因此地下

4、流体中的He主要是壳源(放射性来源)和幔源的。1.1.2壳源（放射性源）4He4He自然放射性元素238U、235U和232Th衰变会产生4He，主要放射衰变反应为(1)238U→84He+6β+206Pb;(2)235U→74He+4β+207Pb;(3)232Th→64He+4β+208Pb。壳源氦气的的产率主要取决于岩石中的的铀、钍的含量，含量越多，放射衰变产生的氦气越多。盆地中和油气藏中发现相当数量的幔源的3He。地幔中包含3He、CO2、N2、CH4等挥发物，通过岩浆活动脱气，进入盆地流体系统中。幔源3He的存在意味着盆地底部有构造活动的存在，因为只有地幔熔融和岩浆活动才能

5、源源不断地把3He和其他挥发物运移输送到盆地流体系统中。1.2氦气来源背景的确定3He、4He成因的差异为不同来源的氦提供了判识标志。可以根据3He/4He的比值来确定氦的来源背景，通常大气源的3He/4He值为1.4×10－6;壳源的3He/4He值为2×10－8;幔源的3He/4He值为1.1×10－5。也常用样品氦的3He/4He值(Ｒ)比大气氦的3He/4He值(Ｒa)来表示气样的氦同位素特征，即Ｒ/Ｒa=(3He/4He)样品/(3He/4He)大气。在天然气藏中大气氦的组分少到可忽略，因而可不考虑大气氦的来源，从而可以用二元复合模式计算天然气样品中壳源和幔源所占份额，其计

6、算公式为:在用Ｒ/Ｒa表示气样氦同位素分布特征时，当(Ｒ/Ｒa)＞1，表示气样中幔源氦份额大于12%;当(Ｒ/Ｒa)＞0.1时，幔源氦份额大于1.2%;当(Ｒ/Ｒa)＜0.1时，可以认为天然气中氦基本来自壳源。2氦气聚集与地层的关系天然气中氦气的含量与储层的时代有关系。氦气在任何时代的储层中都有聚集，但是根据美国矿务局对美国天然气储层的调查发现，在所有的含氦天然气藏的气样中，66%都是古生代的，17%是中生代的，以及17%是新生代的，储层年龄越老，氦气含量越高，而这个年龄更可能是氦气开始向储层运移时的年龄而不是储层形成的年龄，即氦气向储层中运移时的年龄越老，氦气含量越多。同时代的储层

7、中，天然气中氦气的含量与储层的深度有关系。对苏联贝加尔褶皱区在古生代沉积的游离气中氦气含量与沉积盖层厚度关系发现，含氦量与沉积盖层厚度呈相反的相关关系，盖层厚度越薄，含氦量越高;对美国天然气储层中含氦量研究也发现，含氦量随着储层深度的增加而减小，氦气主要聚集在500～5000m深度的储层中。总的来说，氦气向储层中运移时的年龄与氦气含量呈正相关;同时代的储层中，储层埋深与氦气含量呈负相关。3氦气的成藏3.1氦气从地壳中的释放4He是由矿物、岩石中含有的铀、钍