估计陆地上的氦气总存量约为17,000万亿标准立方英尺（470万亿标准立方米），但大部分供应量是在地球大气中，浓度仅为5 ppm。大气中的氦在地壳中扩散的氦增益（作为铀和钍等元素的放射性衰变的产物）与氦向空间的损失之间处于动态平衡（Hwang和Weltmer，1995）。
某些天然气中的氦气浓度也高达8％。美国大部分富含氦气的天然气位于得克萨斯州，俄克拉荷马州和堪萨斯州的Hugoton-Panhandle气田。怀俄明州赖利岭地区的LaBarge油田；以及位于德克萨斯州阿马里洛附近的Cliffside油田中的联邦设施。通常，在美国，氦含量超过0.3％的天然气被认为是经济的氦提取方法，尽管氦提取的经济性通常取决于天然气流中的其他产品。
本章将研究用于生产纯化氦气的分离技术，当前确定的氦气储量和资源，以及未来50年内氦气的潜在供应和可用性。
氦气的分离技术
尽管可以从空气中提取和纯化少量的氦（连同氩，氖，氪和氙），但（除氦气外，空气是所有氦气、氩气、氖气、氪气和氙气）的唯一实用来源。在这些元素的某些提取过程中，氦被浓缩，然后可以被提取和纯化。但是，对其他氦气的需求不足以使空气成为商业氦气的重要来源。广泛得出的结论是，从空气中提取氦气作为主要产品非常昂贵，并且在可预见的将来可能会保持如此。如果所有空分工厂都配备了提取氦气的设备，那么所产生的数量将不足当前需求的0.1％。此外，如果将所有现有的空气分离厂升级为提取氦气，那么产量将仍然不到当前需求的1％。）氦气的主要来源是从天然气中提取和纯化。在某些情况下，氦气是从气流中去除氮气以增加其热值的天然副产品。在其他情况下，工艺流专门设计用于去除氦气。从天然气中处理氦气通常可以认为是在两个不同的过程中发生的，尽管这两个过程可以而且确实在相同的物理位置发生。第一步是从天然气流中提取粗氦（按体积计占50％至70％）。第二步是进一步精制，以将氦气纯化至工业级。
天然气粗氦提取
在去除氮的过程中，氦通常与天然气分离，以提高热值。在美国，可以经济地证明开采合理的最低实际氦气浓度通常约为0.3％（体积）。但是，有时候，氦不是从高浓度天然气中提取的，而当天然气作为燃料燃烧时，氦只是排放到大气中。
确定从特定天然气来源提取氦气的可行性非常复杂，并且受技术，物流和经济因素的综合影响。例如，储备基地太小可能不利于昂贵的氦气提取和纯化设备的安装。围绕天然气流中其他产品的经济和技术考虑以及合同义务也可能影响氦气开采的经济性。在计划和建立氦气提取地点之前，必须考虑所有这些因素。
从天然气中提取粗氦通常需要三个处理步骤。
第一步是去除杂质。胺和乙二醇的吸收，干燥剂的吸附和其他萃取过程通常会从气体中除去水，二氧化碳和硫化氢。
第二步是提取高分子量烃。
第三步是低温处理，该处理除去了大部分剩余的甲烷气体。产物是粗氦，通常含50％至70％的氦，其余主要是氮以及少量的氩，氖和氢。
氦气纯化
液化之前，氦的最终纯化通常使用
（a）在液氮温度和高压下使用活性炭吸收器或
（b）变压吸附（PSA）工艺进行。
低温吸附可产生99.9999％的氦纯度，而PSA工艺可回收纯度高于99.99％的氦。对于气态氦气，PSA的成本可能较低，但在需要液化氦气生产的地方，PSA的成本可能更高。PSA工艺被广泛用于结合超低温浓缩生产纯净氦。
氦气储量和资源
美国是世界上最大的氦气生产国。表4.1总结了过去40年中美国的氦气销量。美国的两个最重要的氦气来源分别是位于得克萨斯州，俄克拉荷马州和堪萨斯州的Hugoton-Panhandle油田综合体和位于怀俄明州西南部Riley Ridge地区的埃克森美孚公司的LaBarge油田。Hugoton-Panhandle工厂的大部分生产都连接到或可能连接到德克萨斯州阿马里洛附近的BLM氦气管道和Cliffside存储设施。1996年，该地区生产了约28亿标准立方英尺（7,800万Sm³）的氦气，其中22亿标准立方英尺（6,100万Sm³）被出售，其中6亿标准立方英尺（1,700万Sm³）存储在布什巨壳水库中。埃克森美孚公司的Shute Creek加工厂的LaBarge油田产量约为10亿平方英尺（2800万Sm³），其余为0。
埃克森美孚位于怀俄明州的LaBarge气田和Shute Creek天然气处理厂最初设计为每天处理约4.8亿标准立方英尺（1330万Sm³）的天然气；它需要约15亿美元的投资。目前，该油田和加工设施每天生产约6.5亿标准立方英尺（1800万Sm³）的天然气，预计升级后的产能将提高到每天约7亿标准立方英尺（1900万Sm³）。车间生产的气体为66.5％的二氧化碳，20.5％的甲烷，7.4％的氮气，5.0％的硫化氢和0.6％的氦气。该处理设施产生二氧化碳（用于提高石油采收率的项目），甲烷，硫化氢和氦气。在生产高峰时，该工厂的产量可能高达400万标准立方英尺。
尽管投资回报率一直令人失望，但很明显，埃克森美孚公司希望该设施在其整个预期使用寿命内都能实现盈利。计划继续进行设备升级（包括氦气处理设施）和钻井的投资，以保持可交付性。访问该设施的委员会成员很清楚，该设施的运营方式与埃克森美孚提出的另外50年运营目标一致。
氦气在美国以外的地区少量生产。1998年，阿尔及利亚的氦气产量约为5亿标准立方英尺（1400万Sm³）。俄罗斯，波兰，中国和非洲部分地区生产的氦气量要少得多。尽管在阿尔及利亚工厂生产的天然气中氦气含量仅为0.17％，但经济上是有利的，因为天然气被转化为液化天然气进行运输，并且其中的氦气浓度更高。阿尔及利亚的氦气主要服务于欧洲市场。
氦气储量和资源类别
BLM的职责是评估美国的氦气储量和资源。BLM已经建立了一个19,000个样品的氦气浓度数据库，其中许多测量工作是在其自己的阿马里洛实验室中进行的。BLM还使用各种来源的数据进行分析，包括潜在气体委员会的报告（例如，参见科罗拉多矿业学院，1995年）和私人生产富含氦气的天然气的数据。
BLM使用美国地质调查局分类系统对氦气储量进行分类，该系统同时考虑了物理不确定性和经济可行性。通过将资源分为“已识别”资源和“未发现”资源来传达物理不确定性。已确定的资源是根据特定的地质证据估算的，而未发现的资源则假定发生在未勘探的地区。识别出的资源又分为“已测”，“已指示”和“推断”资源。已测资源基于生产测试和钻井过程中进行的其他测量。已指示和推断资源基于逐渐减少的某些地质数据。测量和指示资源的组合称为“已演示”。
通过将资源分为“储备”，“边际储备”和“次经济储备”来传达经济考虑。储备是指可以经济地开采的资源。边际储备在经济上可以生产。次经济储备显然不是经济可生产的。
截至1996年12月31日，BLM估计已确定的美国氦气资源总量约为5890亿标准立方英尺（160亿Sm³），其中2170亿标准立方英尺（60亿Sm³）被归为可计量储量。其中的350亿平方英尺（10亿Sm³）存储在布什巨壳水库中，其中40亿平方英尺（1.1亿Sm³）是私有的。BLM类别的测得储量最接近石油行业用来表示资源的实际预期可采量的“探明储量”的定义（石油工程师协会/世界石油大会，1997年）。但是，由于BLM的测量资源数量包括“非消耗”储量（即，BLM使用的术语使人们很难理解有多少氦潜在可用。天然气行业使用的分类方案更加清晰，所有新的氦气资源都来自该行业。
BLM估计，未消耗的氦储量约为530亿标准立方英尺（15亿Sm³）的氦，其中大部分位于赖利山脊地区的矿床中（Gage和Driskill，1998年）。由于天然气质量差，在可预见的将来不太可能生产Riley Ridge非消耗性储量。另外，预期从Hugoton-Panhandle联合体处理的氦气中只有60％到65％用于处理氦气（Gage和Driskill，1998年）。尽管估计这个数字接近75％（Gage和Driskill，1998年），但是当最终将含氦气作为燃料燃烧时，这些储量的很大一部分仍将丢失。表4.2中列出的数据考虑了这些因素，试图得出更现实的探明储量估算结果。
按照目前每年约40亿标准立方英尺（1.1亿Sm³）的使用量，该储量的储/产比超过35年。但是，有几个因素可能会改变这种情况。首先，尽管Hugoton-Panhandle油田正在迅速枯竭，但运营商正在启动程序（例如压缩）以减缓油田的衰落。这种努力可能导致将来天然气产量的增加，从而导致氦气储量的增加。第二，有证据表明，正在处理越来越多的Hugoton-Panhandle气体用于氦气。氦气处理厂在存储管道上增加产能的计划表明，这种趋势可能会持续下去。第三，有证据表明，在可行的情况下，除雨果顿-潘汉德尔之外的其他地区的天然气加工商对处理氦气的天然气越来越感兴趣。
未来的氦气供应
从以下观察中可以得出对未来产量的合理估计。
首先，埃克森美孚公司目前每年从LaBarge生产约10亿平方英尺（2800万Sm³），预计在不久的将来，这个数量将增加到每年14亿平方英尺（3900万Sm³）。该工厂的进一步生产受到工厂产能的限制，预计不会进一步增加。但是，这样的费率在生产和加工设备的50年预期使用寿命内应该是可持续的。
其次，Hugoton-Panhandle工厂的油田产量预计将下降。但是，如果假定最终可以提供Cliffside当前可用的气体（私人存储加上公共存储再加上本地气体），那么氦气处理设施的使用寿命将表明目前的生产速度约为30亿标准立方英尺，每年100万Sm³）可以再维持25年。
第三，除Hugoton-Panhandle联合体和LaBarge以外的其他来源的产量目前每年仅约2亿平方英尺（550万平方英尺）。预计在不久的将来投产的工厂将使这个数字大约翻一番。尽管氦气的量不会使外部工厂的生产成为主要来源，但从长远来看，新工厂可能会使外部工厂的生产变得更加重要。
考虑到评估地质和经济不确定性的困难，预测目前正在开发的自然资源以外的未来自然资源的供应是一项更加艰巨的任务。但是，由于氦的可获得性与天然气的生产和加工有关，因此对天然气状况的分析可能是衡量将来氦供应可能性的有用手段。
截至1997年12月31日，美国的探明天然气储量估计为167万亿标准立方英尺（4.6万亿Sm³）。1997年期间，美国天然气产量为19.9万亿标准立方英尺（5500亿Sm³），储/产比为8.4年。天然气的持续供应是美国充满活力的天然气工业的结果，该行业正在通过新的野外勘探和改进的采收技术轻松地替代已生产的储量。如果不是这样，那么如此低的储量/产油率将导致天然气供应的迅速下降。以上述生产数字为基准，委员会产生了图4.1和4.2估计何时私人氦业将需要购买政府拥有的氦。由于有关氦需求的数据不足以预测氦使用的未来趋势，因此委员会考虑了一系列可能的氦消耗增长情景。
图4.2（a）部分显示了根据图4.1的增长率假设当前趋势（实线）和需求的氦气生产情景。（b）部分描述了假设（a）部分中所示的增长情景的总氦气储量和私有氦储量。
图4.1显示了过去20年的氦气销售数据以及曲线，这些曲线描述了氦气销售的年增长率分别为-1％，0％，1％，3％和5％。尽管在1985年至1995年间氦气的销售量增加了一倍以上，但增长率却有所变化，并且似乎正在下降。因此，尽管氦气消耗量短期内可能会继续上升，但可能会以接近当前水平的水平趋于平稳甚至下降。
出于此推演的可能性，委员会认为不会发现新的氦源。图4.2a中的实线根据当前的生产趋势和产能描绘了氦气生产与时间的最坏情况。该曲线的峰值是由于LaBarge处氦气产量的增加。氦气生产的总体下降是由于与Hugoton-Panhandle情结相关的场的耗尽。图中的其他行复制了图4.1中所示的消耗场景。
图4.2b显示了储备设施中的氦气总量（顶部曲线）和私有储备中的氦气量（底部曲线），假设图4.2a中所示的供需情况。如果氦需求保持在1998年的水平不变，则曲线表明直到2004年左右氦的净存储量都将增加。那时，氦供应商将开始减少其私有存储，这将在2015年左右耗尽。氦气的使用量每年以1％，3％或5％的速度增长，私人储备将分别在2010年，2007年或2005年耗尽。如果氦气使用量以每年1％的速度减少，则直到2020年之后才会耗尽私人储备。如果可用的氦气量大于在这些情况下使用的最坏情况的估计值，则私人储备将甚至用尽。
在氦气消费量每年增长不足3％的情况下，私营企业需要向政府购买的氦气量才能满足需求，这将少于内政部要求出售的氦气量。在某些情况下，差异很大，如果氦的可用量超过委员会的设想，则差异甚至更大。
人们可能会想知道，如果发现更多的含氦天然气，还会有多少额外的氦气可用。
为了解决这个问题，需要考虑几件事。
首先，美国的氦气供应商业行业仍然很年轻，仅在1960年左右才成立。
其次，该行业主要基于发现和开采其他气体的资源（例如，Hugoton-Panhandle和LaBarge气田） 。尽管氦气可能在气田开发决策中发挥作用，但是公司并未专门针对氦气进行勘探，因为氦气的经济地位只是次要的副产品。结果，形成富氦气沉积物的地质特征和过程尚不为人所知，这使得对氦气进行故意勘探变得困难。然而，天然气生产厂的天然气生产商和运营商越来越意识到氦提取的经济效益。BLM保护和存储计划在推动该行业发展和激发人们对提取的兴趣方面发挥了重要作用。随着氦的未来用途的增长，对氦提取的认识可能会增加，这可能导致从可用天然气流中提取更大比例的氦，甚至有意探索新的氦来源。
据估计，美国的全部潜在天然气基础比已探明的储量基础（截至1993年12月31日）还多了1,100至1,900万亿scf（31至53万亿立方米）。由于在美国具有这种潜力，天然气的勘探可能会持续很长时间。如上所述，美国氦气的储量/产量比超过35年 。在此分析中，将氦气销售量用作氦气消耗量的代理。
尽管将来消费量的增长可能会降低该比率，特别是如果在资源库中添加很少的新供给的情况下，但是如果实现了很大的潜力，则资源库可能会扩大。
此外，怀俄明州的赖利岭地区估计包含约470亿标准立方英尺（13亿平方厘米）的非消耗性氦气资源（Gage和Driskill，1998年）。这种氦气被包含在目前无法经济生产的低质量天然气中。如果这样的话，也许是由于氦气价格上涨的结果，它将使目前的储量/产量比增加13年以上。
关于世界范围的氦气供应，可以得出类似的观察结果。液化天然气正在成为世界能源供应中的重要组成部分。由于甲烷液化会浓缩剩余的气流，因此即使在低氦气浓度的气体（例如阿尔及利亚发现的氦气）中，全世界也可能有其他氦气来源。
