周 军，陈玉麟，王璿清，梁光川

（西南石油大学 石油与天然气工程学院，四川 成都 610500）

氦气作为特种且稀有的工业、电子气体，广泛应用于半导体制造，是一种关系高科技产业发展的重要战略稀缺资源。氦气密度（0.1786 kg/m3）和沸点（-268.85 °C）都极低，化学性质不活泼，是所有气体中最难液化的。随着科技的发展，氦气在低温超导、医学成像、半导体、设备检漏以及焊接等领域被广泛使用。目前，全球氦气资源主要集中在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大等国家。中国拥有一定量的氦气资源，但氦含量（体积分数，下同）偏低，产量少，无法满足需求，目前主要依赖进口。

空气中的氦气稀少，绝大部分氦气来源于富氦天然气藏中，一般认为天然气藏中氦含量低于0.05%称为贫氦气藏，大于0.10%称为富氦气藏[1]。天然气提氦始于20世纪20年代，当时美国为了处理Petrolia油田的含氦天然气，在沃斯堡建造了第一个商业氦气厂[2]。中国天然气提氦工业起步较晚，20世纪70年代建成第一套天然气提氦工业装置，但氦气产量仅 3 × 104m3/a[3]。随着提氦技术的不断发展，全球相关天然气提氦项目陆续建成投产，氦气产量持续增加，但目前尚未有关于全球氦气资源分布、产量和市场规模等方面的系统分析，对于中国天然气提氦和相关行业缺乏参考。本文基于广泛文献调研和数据整理分析，综述国内外氦气资源分布、产量和市场现状，以期为相关产业发展提供借鉴。

1 氦气资源分布

1.1 全球氦气资源分布

全球氦气资源分布极不均匀，美国作为氦资源丰富的国家，产量和消费量均居全球之首。美国地质调查局（USGS）发布的调查报告数据显示[4-5]，2006 年全球氦气资源总量约为 519 × 108m3，其中，美国 206 × 108m3、卡塔尔 101 × 108m3、阿尔及利亚82 × 108m3、俄罗斯 68 × 108m3以及加拿大 20 × 108m3，该5国的资源总量约占全球总量的92%。此外，中国氦气资源量约为 11 × 108m3，波兰和澳大利亚也有一定的氦气资源。USGS和美国内政部土地管理局（BLM）正在进行全球氦气资源评估，截至2021年BLM已对包括美国在内的26个国家的22720个气体样本进行了分析，此为目前可用的最新评估。

美国氦气资源主要分布于怀俄明州、犹他州、亚利桑那州、科罗拉多州、新墨西哥州、堪萨斯州、俄克拉何马州和得克萨斯州，拥有包括Riley Rigde、Harley、Panhandle-Hugoton和Cliffside等含氦气田，如表1所示。

表1 美国主要含氦天然气田[6]Table 1 Major helium gas fields in the United States[6]

卡塔尔的氦气资源主要来自北部气田[7-9]，氦含量相对较低，仅为0.04%，为贫氦气藏，因此其氦气主要从氦富集程度较高的LNG尾气中提取。阿尔及利亚的氦气资源主要来自东部三叠盆地的哈西鲁迈勒天然气田[1]。俄罗斯氦气资源潜力较大，但开发程度低，目前发现主要分布在西伯利亚的天然气藏中，包括奥伦堡、科维克塔和恰扬达河等气田[10]。据俄罗斯联邦能源部测算，东西伯利亚和雅库特地区可工业开采的氦气资源量可占全球的三分之一[11]。

目前的勘探结果表明，全球富氦天然气田主要分布于西伯利亚、北美中部、非洲北部和欧洲东部等区域。此外，在部分地区的地热水气中也发现了氦气资源[12]，如印度发现氦含量达1.37%的温泉气；中国汾渭盆地发现地热田伴生天然气的氦含量在0.80%～1.20%之间，平均为 0.94%[13-14]。

1.2 中国氦气资源分布

中国氦气资源匮乏，仅占全球的2%～3%，氦气产量远不能满足需求，氦气资源大部分依靠进口。统计发现，中国氦气资源主要分布在东、西及中部盆地的多个油气田，如渤海湾盆地的花501井气田、塔里木盆地的解放渠油气田和鄂尔多斯盆地的东胜气田等，其氦气含量均满足工业开采要求。

20世纪60年代，中国在四川威远进行了第一座生产氦气的气田开发，其探明的氦气储量约为 0.8 × 108m3[15]。20 世纪 80 年代，在东部郯庐断裂带附近的多个盆地发现了含氦气田[16-17]。2000年以来在塔里木盆地多个油气田的天然气组分中发现了含量较高的氦气[18]。2004年，在渭河盆地地热井伴生气中检测到高含量氦气。2012年，在渭河盆地开展了水溶性氦气资源评价，资源量可达14.78 × 108m3[19]。2017 年，在柴达木盆地发现了东坪氦工业气田[20]。同年，陶小晚等[21]进行和田河气田样品采集分析，结果表明，该气田为中国第一个特大型富氦气田，可探明储量约为 1.9591 × 108m3。2018年，陕西省在渭河盆地设立了中国第一个氦气探矿权[22]。

据不完全统计，中国部分含氦盆地主要含氦油气田及氦含量情况如表2所示。整体而言，四川盆地、塔里木盆地、渭河盆地及部分郯庐断裂带附近盆地是我国氦气资源的主要分布区域，具有良好的资源潜力。

表2 中国部分盆地氦含量Table 2 Helium content in some basins of China

2 氦气产量分析

2.1 全球氦气产量分析

氦气来源主要通过提氦装置从富氦天然气中提取，该技术始于20世纪20年代。1921年，美国在沃斯堡建造了全球第一个商业氦气厂用于处理Petrolia油田的含氦天然气[2]；1929年，美国在德克萨斯州阿马里诺市的Cliffside油田建造了一座更大的天然气提氦厂[30]。后来，天然气提氦工业快速发展，其主要分布在俄罗斯、阿尔及利亚、加拿大、卡塔尔和美国等氦气资源较多的国家[3]。

随着提氦技术的发展，全球陆续有新装置投入建设或计划投产[31]。2003年卡塔尔建成氦气产量为 2000 × 104m3/a的一期项目，2013 年建成氦气产量为 3800 × 104m3/a的二期项目；2006 年阿尔及利亚建成氦气产量为 1960 × 104m3/a的Skikda提氦装置；2009年俄罗斯建成5套采用低温工艺的天然气提氦装置，均在奥伦堡[32]；2010年澳大利亚建成氦气产量为 430 × 104m3/a的氦气生产装置；2014年美国有22套天然气提氦装置，其中13套装置直接从天然气提取氦、19套装置在运行[33]。

USGS的统计结果显示，2020年全球氦气产量约 14400 × 104m3，主要产氦国氦气产量占比如图1所示。近年来全球主要产氦国氦气产量趋势如图2所示，美国产量呈下降趋势，而卡塔尔产量明显增加。与 2019 年全球氦气产量（约 15900 × 104m3）相比，2020年有所下降，主要受美国氦气产量下降的影响。据俄罗斯相关机构预测，如果没有新区块开发，预计到2030年世界氦气产量将下降到 13400 × 104m3，世界氦气供应缺口将达16600 × 104m3[34]。

图1 2020年主要产氦国氦气产量占比[4]Fig.1 Proportion of helium production by major helium producing helium producing countries in 2020[4]

图2 主要产氦国氦气产量趋势[5]Fig.2 Helium production trends in major helium producing countries[5]

全球目前主要提氦项目情况如表3所示。其中卡塔尔三期氦气提纯项目产量约为 1200 × 104m3/a，已于2021年部分投产，此外，卡塔尔石油公司宣布将增加第四家氦工厂，到2028年氦气产量或再增加3400 × 104m3/a。坦桑尼亚的氦气生产商Helium One公司也在2018年进行了融资及钻井勘探，预计产量约 2800 × 104m3/a，或将于 2022 年前后投产。俄罗斯阿穆尔天然气加工厂也已于2021年部分投产，计划 2025 年全面投产后可生产氦气约 6000 × 104m3/a。若进展顺利，预计未来几年全球氦气产量增长将超10000 × 104m3/a，或可缓解氦气供不应求的局面，但短时间内全球氦气市场货源紧张局势或将延续。

表3 全球目前主要提氦项目Table 3 Major helium extraction projects at present in the world

2.2 中国氦气产量分析

中国天然气提氦工业起步较晚。20世纪70年代，成都天然气化工总厂以四川盆地富氦的威远气田为气源，建立了中国第一套天然气提氦装置[3]，但氦气产量仅 3 × 104m3/a，1989 年又在原厂址建成了第二套提氦装置，氦气产量 4 × 104m3/a，目前两套装置均已关闭。随着提氦技术的发展，1994年有学者发明了聚砜-硅橡胶中空纤维膜提氦法， 氦回收率63%～75%[37]。1995年膜分离+低温分离联合提氦法被提出，但由于存在技术问题未实现工业化[38]。2011年，西南油气田蜀南气矿与成都天然气化工总厂共同投资约1.1亿元在四川荣县建立天然气提氦装置，可处理天然气 40 × 104m3/d，氦回收率大于96.5%，生产出纯度约80%的粗氦后再由气瓶拖车运输至成都天然气化工总厂进行提纯，可产纯氦约 20 × 104m3/a，但由于气源等因素影响难以达产[33]。

中国目前主要提氦项目统计如表4所示，总产量约 320.7 × 104m3/a。2013 年至 2020 年，中国氦气产量及增长率如表5所示，虽然新增提氦项目产量相对较低，但随着提氦技术的发展，特别是蒸发气（BOG）低温提氦装置的顺利投产，中国未来氦气产量将维持增长趋势[39]。

表4 中国目前主要提氦项目[39]Table 4 Major helium extraction projects at present in China[39]

表5 2013年至2020年中国氦气产量及增长率[39]Table 5 Helium production and growth rate in China from 2013 to 2020[39]

3 氦气市场分析

3.1 全球氦气市场分析

随着科技和经济的快速发展，全球氦气消费量逐年增加，从2005年到2015年，全球氦气消费量增长130%，特别是低温超导和半导体等领域的需求出现较大增长，导致供需矛盾不断扩大[40]。据USGS的数据统计[41]，2016年美国氦气消费总量为5040 × 104m3，其主要领域历年氦气用气量情况如图3所示。

图3 美国各应用领域的氦气用气量[41]Fig.3 Helium consumption by application in the United States[41]

印度目前氦气需求量约为 330 × 104m3/a，主要用于核磁共振和光纤业务。新加坡氦气需求量约为 180 × 104m3/a，主要用于半导体产业；此外新加坡常作为液化空气和普莱克斯等公司的氦气配送中心，将氦气等气体供应到邻近的马来西亚和印度尼西亚。泰国、印度尼西亚和越南等东盟成员国的氦需求较少，主要用于泄漏测试。韩国在2010年左右与日本的氦气市场规模相当，到2017年超过日本，全年氦气消费量达到 1210 × 104m3，比 2016 年增加了 100 × 104m3，主要应用于半导体制造[10]。

2011 年全球氦气市场需求约 17500 × 104m3，其中亚洲（27%）超越欧洲（21%）成为第二大市场[40]。2017 年，全球氦气市场需求约 16800 × 104m3，其中亚洲需求约为 5208 × 104m3，接近需求最大的美国市场（5400 × 104m3）。2020 年，全球氦气市场需求约为 22660 × 104m3，但氦气供应整体呈逐渐减少趋势。据俄罗斯相关机构报道[10]，亚太地区氦气需求旺盛，每年增长为5%～6%，美国约55%的氦气出口到亚洲，预计到2030年全球氦气需求或将达到30000 × 104m3，其中欧洲市场和美国市场占比将继续降低，亚太市场占比将继续增长。

3.2 中国氦气市场分析

近年来亚太地区国家尤其是中国的氦气需求不断增加，氦气市场正处于快速发展阶段。中国年均氦资源使用量占全球年产量的14%左右，主要用于核磁共振、制冷、磁悬浮列车、焊接、检漏和科研等领域。2020年中国各领域氦气用气量占比如图4所示。2013年至2020年中国氦气需求量及增长率如图5所示，其中2020年中国氦气需求量为2500 × 104m3，同比增长 11.1%，整体呈上升趋势。

图4 中国各应用领域氦气用气量占比[31]Fig.4 Proportion of helium consumption in different fields in China[31]

图5 中国氦气需求量及增长率[42]Fig.5 Helium demand and growth rate in China[42]

中国目前氦气销售区域主要在东北、华南、西北、华北、华中、西南和华东等地区，拥有包括辽宁、广东和陕西等14个主要氦气市场，2020年市场规模总值达20.44亿元，如表6所示。2015年至2020年中国与全球氦气市场规模对比情况如图6所示。可以看出，中国氦气市场规模和全球氦气市场规模呈同步增长趋势，中国市场规模占比逐年增长。从经济发展趋势来看，预计未来几年，中国氦气市场规模仍将保持增长态势，至2026年市场规模或将达到42.36亿元。

图6 中国与全球氦气市场规模对比[39]Fig.6 Comparison of helium market scale between China and the global[39]

表6 中国氦气区域市场Table 6 Regional helium market in China

3.3 中国氦气进出口情况分析

近年来中国氦气需求量逐年递增，大部分依靠进口，暂无出口。氦气进口渠道主要以普莱克斯、空气产品、林德和法国液化空气等跨国公司为主，中国供应商所占份额很少[43]。据USGS统计，全球主要产氦国出口量及出口地如表7所示。

表7 全球主要产氦国出口量[31]Table 7 Exports of major helium producing countries in the world[31]

近几年中国氦气进口量呈先增后降走势。2015年至2020年中国氦气进口量及增长率如图7所示。2020年中国氦气进口来源国占比如图8所示。可以看出，中国氦气进口主要来源国为卡塔尔、美国和澳大利亚，部分中间贸易商从其他国家也有少量进口，如俄罗斯、新加坡和乌克兰等。

图7 中国氦气进口量及增长率[39]Fig.7 Helium imports and growth rate in China[39]

图8 2020年中国氦气进口来源国占比[39]Fig.8 Proportion of China’s helium import source countries in 2020[39]

4 结语与展望

氦气作为一种重要的稀缺资源，对发展低温超导与医学成像等高新技术产业起着重要的作用。本文从氦气资源分布、产量和市场规模等方面综述了全球氦气产业发展现状。分析认为：目前全球的氦气资源主要集中在美国、卡塔尔、阿尔及利亚、俄罗斯和加拿大等少数国家，中国氦资源匮乏，仅占世界氦资源量的2%～3%，而年均氦资源使用量却占全球年产量的14%左右，进口依赖度高；氦气绝大部分存在于富氦天然气藏中，其获取途径主要通过提氦装置从富氦天然气中提取，随着提氦技术的发展，全球陆续有提氦项目投产或计划投产；中国的提氦工业起步晚、产量低，但需求的增长促进了提氦技术的发展，近年来产量逐年增加。尽管如此，由于氦气需求持续增长，致使全球氦气供应缺口依然很大。

未来随着全球越来越多天然气提氦项目的投产，或将改变目前氦气供不应求的局面。中国氦气资源少、产量低，应加强富氦天然气藏和地热水气资源的保护、勘探和开发，继续推进高效提氦技术研发和BOG低温提氦装置的投产。