Производство гелия в США - Helium production in the United States

Карта, показывающая газовые месторождения, богатые гелием и гелий перерабатывающие предприятия в США, 2012 г. Из USGS.

Производство гелия в США Всего в 2014 году составило 73 миллиона кубических метров. США были крупнейшим производителем гелия в мире, обеспечивая 40 процентов мировых поставок. Кроме того, федеральное правительство США продало 30 миллионов кубометров со склада. Другими крупными производителями гелия были Алжир и Катар.

Весь товарный гелий извлекается из натуральный газ. Гелий обычно составляет незначительную часть природного газа, но на некоторых месторождениях может составлять до 10 процентов природного газа. Считается, что содержание гелия 0,3% или более необходимо для промышленного извлечения гелия.[1] В 2012 году гелий был извлечен на 16 экстракционных заводах из газовых скважин в Колорадо, Канзасе, Оклахоме, Техасе и Вайоминге. Один экстракционный завод в Юте простаивал в 2012 году.

История

Производство и хранение гелия в США, 1940-2014 гг. (Данные USGS)

В 1903 г. была открыта нефтяная разведочная скважина на Декстер, Канзас, производит газ, который не горит. Государственный геолог Канзаса Эразмус Хаворт взяли пробы газа обратно в Канзасский университет в Лоуренсе, где химики Гамильтон Кэди и Дэвид Макфарланд обнаружил, что газ содержит 1,84 процента гелия.[2][3][4][5] Это привело к дальнейшим открытиям гелийсодержащего природного газа в Канзасе.

Военные интересовались гелием для воздушных шаров и дирижаблей. Армия США построила первый завод по экстракции гелия в 1915 году в Петролии, штат Техас, где на большом месторождении природного газа в среднем содержалось около 1% гелия.[6] В ВМС США во время Первой мировой войны основал три экспериментальных гелиевых завода, чтобы получить достаточно гелия для поставок аэростаты заграждения с негорючим газом легче воздуха. Два экспериментальных завода находились к северу от Форт-Уэрта, штат Техас, и получали гелий из природного газа, подаваемого по трубопроводу с нефтяного месторождения Петролия в округе Клей, штат Техас.[7]

В Закон о лизинге полезных ископаемых, который предусматривал аренду нефти и газа на федеральных землях, зарезервировал весь гелий, содержащийся в природном газе на федеральных землях, за правительством.[нужна цитата ]

Во время Второй мировой войны военный спрос на гелий вырос, поэтому федеральное правительство построило ряд новых заводов по извлечению гелия. Один из таких заводов находился в Шипроке, штат Нью-Мексико, для извлечения гелия из газа на месторождении Гремучая змея. Газ из месторождения Гремучая змея, как и из ряда других месторождений в районе Четырех Углов, содержал в основном азот и очень мало углеводороды, и производился исключительно для гелия.[8]

Поправки к Законам о гелии 1960 г. (публичный закон 86–777) наделили Горное бюро США организовать пять частных заводов по извлечению гелия из природного газа. Бюро также построило трубопровод протяженностью 425 миль (684 км) от г. Буштон, Канзас, чтобы соединить эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением Клиффсайд, недалеко от Амарилло, штат Техас. Неочищенный гелий (от 50 до 80 процентов гелия) закачивали и хранили на газовом месторождении Клиффсайд до тех пор, пока он не потребовался, а затем его подвергали дальнейшей очистке.[9]

К 1995 году хранилось миллиард кубометров газа, но резерв составлял 1,4 миллиарда долларов США в виде долга, что привело к Конгресс США в 1996 г. поэтапно ликвидировать заповедник.[10] В результате был принят «Закон о приватизации гелия 1996 года».[11] (Публичный закон 104–273) направил Министерство внутренних дел США чтобы очистить резерв.[12] Продажи государству и государственным подрядчикам начались в 1998 году. Продажи на открытом рынке начались в 2003 году. Программа продаж погасила задолженность, и гелий по-прежнему продается.

Геология

Все коммерческое производство гелия происходит из натуральный газ. Есть два основных типа промышленных месторождений гелия: природный газ, добываемый в основном из-за содержания углеводородов, обычно с содержанием гелия менее 3 процентов; и газ с небольшим содержанием углеводородов или без них, производимый исключительно для гелия, который обычно составляет от 5 до 10 процентов газа. Хотя природный газ, в котором гелий является лишь побочным продуктом, содержит гораздо меньший процент гелия, исторически он поставлял больше всего гелия.

Большинство геологов считают, что большая часть гелия в природном газе образуется в результате радиоактивного распада урана и тория либо из радиоактивных черных сланцев, либо из гранитоидных пород фундамента. Гранит и родственные ему породы содержат больше урана и тория, чем другие породы. Однако некоторые считают, что гелий в значительной степени первичен.

Необычные геологические условия считаются необходимыми для промышленных концентраций гелия в природном газе. Скопления гелия обычно находятся в закрытых конструкциях, перекрывающих выступы коренных пород. Разломы, трещины и вулканические интрузии рассматриваются некоторыми геологами как важные пути миграции гелия вверх в осадочный разрез. Атомный радиус гелия настолько мал, что сланец, который эффективно захватывает метан, позволяет гелию мигрировать вверх через поры сланца. Непористый покровный камень, такой как галит (каменная соль) или ангидрит, более эффективен для улавливания гелия. Месторождения гелия встречаются в основном в палеозойских породах.

Высокое содержание гелия в природном газе сопровождается высоким содержанием азота и диоксида углерода. Процентное содержание азота обычно в 10-20 раз больше, чем гелий, поэтому в природном газе с 5 или более процентами гелия может быть мало метана или вообще не быть его. Репрезентативный образец из купола Пинта в Округ Апач, Аризона например, он содержит 8,3% гелия, 89,9% азота, 1% диоксида углерода и только 0,1% метана. В таких случаях газ производится исключительно из-за содержания в нем гелия.[13]

В начале 20 века самая высокая добыча и самые большие известные запасы гелия приходились на газы, полученные из-за содержания в них углеводородов. Самыми важными из них были поля Хьюготон, Панхэндл, Гринвуд и Киз, расположенные в западном Канзасе, а также округа Оклахома и Техас. В Поля Hugoton и Panhandle особенно велики, охватывая тысячи квадратных миль. Содержание гелия в газе сильно варьируется в пределах некоторых месторождений. На месторождении Панхандл содержание гелия является самым высоким, до 1,3 процента и более, вдоль юго-западного края восходящего подъема, и самым низким, 0,1 процента, вдоль северо-восточного края.[14]

К 2003 году месторождения природного газа Великих равнин Колорадо, Канзаса, Оклахомы и Техаса все еще содержали важные запасы, но из 100 млрд кубометров общих измеренных запасов гелия в США 61 млрд кубометров содержалось в месторождении Райли-Ридж в Западный Вайоминг, месторождение газа, добываемое из-за содержания в нем углекислого газа.[15]

В районе Четыре угла на юго-западе США есть несколько газовых месторождений, содержащих от 5 до 10 процентов гелия и большое количество азота, с небольшим количеством углеводородов или без них. Поля связаны с магматическими вторжениями. На одном из месторождений, Динех-би-Кейях в Аризоне, добыча нефти происходила из трещиноватого порога. Остальные месторождения не имеют попутной нефти.

Газовые месторождения, богатые гелием в США

СостояниеПолеФормированиеВозрастПроцент гелия
АризонаДинех-би-КейяхМакКракен ПесчаникПенсильванский, девонский4,8–5,6[16]
АризонаPinta DomeКоконино ПесчаникПермский период5,6–9,8
КолорадоМодель куполаЛионский песчаникПермский периодОт 6,7 до 8,3
КанзасГринвудИзвестняк Топика, Группа Канзас-СитиПенсильванскийОт 0,4 до 0,7
КанзасОтис-АльбертРейган песчаникКембрийскийОт 1,2 до 2,3
КанзасRyerseeЧейз ГруппПермский период1.4[17]
Канзас, Оклахома, ТехасHugotonразныеПермский периодОт 0,3 до 1,9
Нью-МексикоХогбэкФормация ХермосаПенсильванскийОт 1,4 до 8,0
Нью-МексикоГремучая змеяИзвестняк Ледвилль, Известняк ОрейМиссисипи, ДевонОт 7,5 до 8,0
ОклахомаКизМорроу (Киз) ПесчаникПенсильванскийОт 0,3 до 2,7
ТехасCliffsideразныеПермский период1,7 до 1,8
ТехасPanhandleразныеПермский периодОт 0,1 до 2,2
ТехасPetroliaCisco SandstoneПенсильванскийОт 0,65 до 1,14
ЮтаХарлей ДоумЭнтрада ПесчаникЮрский7[18]
ВайомингРайли РиджМэдисон ЛаймстоунМиссисипец
Если не указано иное, источник:[19]

Обработка

Установка по обогащению сырого гелия на газовом месторождении Клиффсайд.

Гелий продается в двух спецификациях: сырой гелий, который обычно содержит от 75 до 80 процентов гелия, и гелий класса A с чистотой 99,995 процента.

Место хранения

Большой объем гелия хранился под землей на месторождении Клиффсайд в течение десятилетия после принятия поправок к Закону о гелии 1960 года. В последние годы запасы систематически продавали свой гелий. По состоянию на 2012 г. Национальный гелиевый заповедник США по-прежнему на долю гелия в мире приходилось 30 процентов.[20] Ожидалось, что в 2018 году в резерве закончится гелий.[20]

По состоянию на 1 октября 2019 года в хранилище было указано:[21]

  • Правительство = 2 809 679 тыс. Футов
  • Частный = 2 429 887 тыс. Футов

Торговля

США - крупный экспортер гелия.

В течение многих лет Соединенные Штаты производили более 90% коммерческого гелия в мире. В середине 1990-х годов новый завод в г. Арзев В Алжире, начала добывать 17 миллионов кубических метров (600 миллионов кубических футов), чего достаточно для удовлетворения всех потребностей Европы.[22] В 2004–2006 гг. Были созданы два дополнительных завода, один в г. Рас Лаффан, Катар, а другой в Скикда, Алжир, и Алжир стал вторым ведущим производителем гелия.[23][24]

В августе 2014 года Бюро землепользования выставило на аукцион сырой гелий из национального резерва по средней цене 104 доллара США за тысячу кубических футов гелия.[25] Гелий сорта А продавался по цене около 200 долларов за тысячу кубических футов, или 7,21 доллара за кубический метр в 2014 году.

Рекомендации

  1. ^ Гелий, Geology.Com.
  2. ^ Макфарланд, Д. Ф. (1903). "Состав газа из скважины в Декстере, Кан". Труды Канзасской академии наук. 19: 60–62. Дои:10.2307/3624173. JSTOR  3624173.
  3. ^ «Открытие гелия в природном газе в Канзасском университете». Национальные исторические химические достопримечательности. Американское химическое общество. Получено 2014-02-21.
  4. ^ Cady, H.P .; Макфарланд, Д. Ф. (1906). «Гелий в природном газе» (PDF). Наука. 24 (611): 344. Bibcode:1906 г., Наука .... 24..344Д. Дои:10.1126 / science.24.611.344. PMID  17772798.
  5. ^ Cady, H.P .; Макфарланд, Д. Ф. (1906). «Гелий в природном газе Канзаса». Труды Канзасской академии наук. 20: 80–81. Дои:10.2307/3624645. JSTOR  3624645.
  6. ^ Нефтяное месторождение Петролия, Историческая ассоциация штата Техас.
  7. ^ Адам Олсбрук, Легко относиться к сохранению, Историческая комиссия Техаса, 22 августа 2013 г.
  8. ^ «Гелий в Нью-Мексико», Геология Нью-Мексико, т.27 п.4.
  9. ^ "Консервационная распродажа гелия" (PDF). Федеральный регистр. 70 (193): 58464. 2005-10-06. Получено 2008-07-20.
  10. ^ Ствертка, Альберт (1998). Путеводитель по элементам: переработанное издание. Нью-Йорк; Oxford University Press, стр. 24. ISBN  0-19-512708-0
  11. ^ Закон о приватизации гелия 1996 г. Pub.L.  104–273 (текст) (pdf)
  12. ^ "Управляющее резюме". nap.edu. Получено 2008-07-20.
  13. ^ Дэниел С. Тернер, «Природный газ в бассейне Черной Мезы, северо-восток Аризоны», в Природные газы Северной Америки, т.2, Американская ассоциация геологов-нефтяников, Мемуар 9, стр.1357-1370.
  14. ^ А.П. Пирс и другие, «Уран и гелий в газовом месторождении Панхандл, штат Техас, и прилегающих районах», Геологическая служба США, Professional Paper 454-G, 1964.
  15. ^ B.D. Гейдж и Д. Дрискилл, Ресурсы гелия США - 2003 г., Бюро управления земельными ресурсами США, Техническая записка 415, июнь 2004 г.
  16. ^ Стивен Л. Раузи, «В Аризоне есть гелий», Аризона Геология, зима 2003 г., т.33 №4.
  17. ^ Газ с низким BTU в группе Permian Chase на месторождении Ryersee в Западном Канзасе, Геологическая служба Канзаса, Отчет в открытом доступе за 2003–57 гг., Ноябрь 2003 г.
  18. ^ «Запуск гелиевого завода Harley Dome», Нефтегазовый журнал, 17 октября 2013 г.
  19. ^ Дуайт Э. Уорд и Артур П. Пирс, «Гелий», в Минеральные ресурсы США, Геологическая служба США, Professional Paper 820, 1973, p.289.
  20. ^ а б @tdnewcomb (21.08.2012). «Сейчас нехватка гелия - и это влияет не только на время воздушных шаров, 21 августа 2012 года». Newsfeed.time.com. Получено 2013-09-16.
  21. ^ «Федеральный гелиевый завод». 1 октября 2019 г.. Получено 30 декабря 2019.
  22. ^ «Статистика конечного пользователя гелия» (PDF). Геологическая служба США. Получено 2008-07-20.
  23. ^ Smith, E.M .; Goodwin, T. W .; Шиллингер, Дж. (2003). «Проблемы, связанные с поставками гелия во всем мире в следующем десятилетии». Достижения в криогенной технике. 49. А (710): 119–138. Bibcode:2004AIPC..710..119S. Дои:10.1063/1.1774674.
  24. ^ Каплан, Карен Х. (июнь 2007 г.). «Нехватка гелия тормозит исследования и промышленность». Физика сегодня. Американский институт физики. 60 (6): 31–32. Bibcode:2007ФТ .... 60ф..31К. Дои:10.1063/1.2754594.
  25. ^ Аукцион по гелию в 2016 финансовом году принес 28,54 миллиона долларов. В архиве 2015-09-06 на Wayback Machine, Бюро управления земельными ресурсами США, 27 августа 2015 г.