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仪表和测量

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在寻找氦气

01 Aug 2017
本文首先出现在2017年 物理世界专注于真空和仪器

氦气是一种令人难以置信的有用物质,但到目前为止,大多数来源都是通过意外发现的。 Diveena Danabalan. 描述了她和她的同事如何努力改变这一点

有希望的结果:作者在美国的竞技矿工期间收集气体样品。 (礼貌:Chris Ballentine)

氦气是宇宙中最常见的元素,但地球上它被归类为稀缺和不可再生的资源。需求也有很大的需求,应用包括医疗低温(截至2016年,美国在美国消耗的氦气约有30%的氦气等机器,如MRI扫描仪),电弧焊接,泄漏检测和超导性。稀缺和高需求的结合推动了Skyward:级别的价格(精致〜99.997%纯度)在过去10年中升至约175%,达到7.21美元/平方米,甚至粗氦现在值得大约3.75 / m 3 - 超过粗甲烷的相当体积的30倍。

在许多市场中,像这些市场一样使投资者拯救。然而,到目前为止,公司搜索石油的公司已经意外地发现了所有氦的领域。这种缺乏意图有助于大量的浪费:我们知道许多天然气生产公司都不知不觉地通风氦气,要么是因为它们未能认识到这个小组件的价值,或者因为它们不知道其存在。事实上,我们发现一个这样的案件为我们目前的研究项目产生了想法。

一个氦气勘探行业,由那些了解这一稀有物质的经济价值以及如何探索它的人。但是,当石油和天然气公司的展望石油展望时,它们受益于发达的勘探策略,帮助他们以系统的方式评估新的盆地或地区。不幸的是,目前没有对氦的等效方法。

我的同事和我正在寻求在我们的知识中解决这个差距。在达勒姆大学与英国牛津大学之间的联合研究风险中,通过挪威国家石油公司的财政支持,我们使用完善的烃勘查方案作为模板,以制定类似的氦策略。这项工作使我们能够开始回答有关如何以及氦气产生的问题;如何从潜在的源岩释放;然后,它将如何从源岩层到潜在的陷阱行进。以及如何在浅地壳中积聚氦气的积累,以及如何通过自然过程摧毁这些积累。该项目仍处于早期阶段,但我们认为我们的研究是朝着氦气供应多样化的重要一步,以便在另一个供应危机发生时,我们最好准备。

知道你的氦气

氦气有两种稳定的同位素:普遍存在的氦气-4,其构成99.999%的氦气和稀有氦-3。 Helium-3用于中子探测器,也是核聚变的发电候选燃料。它通常被称为“原始氦气”,因为它的大部分在地球的形成期间被困在地球的地幔中。更常见的同位素,氦-4主要由铀-335,铀-238和钍-232中的α衰减产生的地壳,这导致其被称为“辐射氦”。

不同的岩石类型产生不同量的氦4,由原始浓度的铀和钍和岩石的年龄控制。氦的一些最高累积是在早期预先印普里亚语(高达42.8亿年前)的克拉托斯的大型稳定的大陆块中,例如加拿大盾牌。在许多其他地质系统中发现了氦,包括地下水,古代盐水,矿石沉积物,水热流体,火烧入侵和岩石,油田盐水,湖泊,冰盖,海洋沉积物和煤炭措施。然而,迄今为止,只有少数天然的烃类气体块含有足够浓度的氦,以便被认为是商业上可行的。

1903年在德克斯特,堪萨斯州德克斯州的1903年发现了第一种经济数量。这种气体的分析 - 最初被称为“风气”,因为它是不易燃的 - 发现它含有约82.7%的氮和体积高达1.84%的氦。这种氦浓度异常高,因为大多数天然气场仅含有痕量的氦(≤0.05%)。在其他八个美国各州的重要发现很快,其中一些领域含有高达10%的氦体积 - 显着高于氦气被认为经济可萃取的阈值(0.3%)。也发现了氦气储备在阿尔及利亚,加拿大,中国,德国,匈牙利,印度,哈萨克斯坦,巴基斯坦,波兰,卡塔尔,罗马尼亚,俄罗斯和帝汶海。但是,这些新的氦气储备均未匹配与旧美国领域相关的浓度,出现数量或估计储备卷。

寻找新来源

从简单的采购角度来看,老岩石通常有更多的时间来生产和积累氦氦。因此,氦气勘探方案中的逻辑第一步骤是在长时间保持相对细胞稳定的区域中识别可行的前南老年的结晶区域。但是,年龄不是可行源岩的唯一决定因素。氦也需要从岩石中释放 - 一种称为主要迁移的过程。

初级迁移过程从铀和钍矿物质中的颗粒进行放射性腐烂,释放α颗粒(氦-4核)。与该过程相关的能量通过矿物产生“裂变轨道”,氦原子可以沿着这些轨道易于扩散。虽然尚未知道这种逃生过程的效率如何,一旦氦气散开矿物质,它将积聚在源岩内的流体包裹物和骨折中。对于氦气然后将低渗透率源岩石迁移到覆盖层中,需要另一个能量输入。这通常是来自构造事件的热量和压力的形式,例如河流,山地建筑物或火山活性。

我们不完全理解主要发布过程;然而,我们确实知道通过存在载体流体或气体来增强氦的体积迁移。在天然气层中,高氦浓度总是与高浓度的氮气相关。交谈不是真的,因为许多富含氮的天然气来源仅含有痕量的氦气;解释是外壳中存在多个被困氮的源。分析表明,辐射氦始终与具有结晶地下室中的源极的同位素分布特性的氮,表明氮气可能携带源极岩体的氦气。

在我们的研究中,我们从美国中西部和加拿大南部的现有氦气生产地区采样了井气。最近,我们与氦勘探公司合作, 氦1,在东非裂谷的坦桑尼亚剖面中阐明富含氦的煤气渗透。有关气体组合物和分离的氦,其他惰性气体和氮的同位素组成的信息,严格分析所有样品。这给了我们一个概念氦气与其相关的氮载体之间的相互作用,以及它们如何迁移出源岩。然而,我们仍然需要考虑氦气和氮气移动(有时数百公里)并收集到地质“陷阱”的方式 - 一种称为二级迁移的过程。

我们的研究表明,一旦从源岩释放氦气和氮气,它们与覆盖层中的地下水相互作用(见上图)。一旦将足够的氦气和氮溶解在地下水中,它们能够形成单独的氮气和氦气的气相,因为地下水上升到表面并变得减压。我们认为这是北美近纯氮氦气田的机制。

其他氦气的田地具有更复杂的气体妆容。已知一些(如沙里/莱利山脊和美国的DOE峡谷)主要是含有二氧化碳,其他人(如卡塔尔的北圆顶,阿尔及利亚的Hassi R'mel和美国的Hugoton-Panhandle)是丰富的在甲烷中。这些富含氦的天然气捕获结构中显着浓度的二氧化碳或甲烷的存在使我们成为氦捕获后面可能的机制的另一个线索。如果含有溶解氦和氮的地水与预先存在的天然气盖接触,则氦气和氮气将优先从地下水移动到气体帽中。

但是存在并发症。因为二氧化碳和甲烷在地下普遍存在,所以存在高风险,在氦气和氮气积聚的位置,氦浓度可以通过大量这些其他气体稀释 - 可能对不值得商业提取的水平。在我们依赖甲烷和二氧化碳的地层中,我们需要建立稀释度“恰到好处”的区域。作为一个例子,火山活性是已知的高二氧化碳气体源。因此,在正确的地质凝固中,与岩浆施加相关的热葵气可以提供从其源释放氦所需的加热。但是,如果陷阱太靠近火山中心,你可能发现有二氧化碳的唯一气体 - 而进一步从火山的来源,你更有可能看到富含氮的氦气,如那些发生的氮氦气坦桑尼亚渗透我们采样。

一旦氦气迁移到气体捕获结构中,就在该捕集器中的保存取决于氦的储量和密封或疏水阀的效率达到含有气体的速率。陷阱破坏(由耐候,侵蚀或构造事件引起)或泄漏密封(通常由储存器中的压力引起超过超过覆盖脚轮中的压力),将导致氦气从陷阱中丢失。

氦勘探的后续步骤

基于这一初步氦气勘探方法,我们确定了东非裂谷的坦桑尼亚地区作为富氦的系统。该地区含有一场古老的CRATON,它受到了更年轻的溃疡事件,并且作为奖励,该地区的一些气体渗入已知是富含氮氦的渗透。

但我们的数据库和地球化学分析缺乏氦的领域,特别是与多年的石油勘探数据相比。继续进行样本和分析天然氦,以便更好地理解并分类迁移和累积过程至关重要。尽管如此,我们相信我们对确保我们的氦气供应的未来进行了重要一步。

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