天然頁(yè)巖氣的潛力
能夠從頁(yè)巖中經(jīng)濟地開(kāi)采油氣對于能源界可謂是一個(gè)驚喜。研究人員多年來(lái)早已知道在全球各地的頁(yè)巖中含有大量的油氣，實(shí)際上，美國東部地區有五處頁(yè)巖區域。但是，頁(yè)巖氣一直被認為是不可再生資源，直到20世紀90年代中期在美國德克薩斯州Fort Worth地區附近的Barnett頁(yè)巖開(kāi)采區（Barnett Shale play）成功地開(kāi)采出來(lái)。
采用一種被稱(chēng)為水力壓裂的工藝來(lái)從頁(yè)巖中開(kāi)采油氣。該工藝使地下巖層產(chǎn)生裂隙，使得天然氣可以在其中流動(dòng)。將水、砂礫以及其他添加劑一起通過(guò)高壓泵送到巖層中，從而使巖層形成裂縫。大多數油氣井在鉆到5000至9000英尺的深度時(shí)，依水平方向鉆井，在此深度處有厚約
德克薩斯州的Barnett頁(yè)巖礦床是第一個(gè)可以經(jīng)濟地開(kāi)采出油氣的資源。賓夕法尼亞州潛在的頁(yè)巖資源比前者大一個(gè)數量級，Marcellus頁(yè)巖開(kāi)采區被認為是世界上最大的——專(zhuān)業(yè)調研咨詢(xún)公司Advanced Resources International估計，Marcellus頁(yè)巖有近2100萬(wàn)億立方英尺可再生資源（如表1所示）。與之相比，Barnett頁(yè)巖迄今為止已經(jīng)生產(chǎn)出了4.8萬(wàn)億立方英尺油氣，并且已證實(shí)的預計油氣儲量還有40萬(wàn)億立方英尺。美國每年消耗略少于30萬(wàn)億立方英尺的油氣量，Marcellus頁(yè)巖可為美國提供多年的天然氣供應量，占美國潛在能源的半數以上。
為了探究油氣頁(yè)巖的潛在藏量，近期以來(lái)的鉆采活動(dòng)急劇增多。在Barnett頁(yè)巖開(kāi)采區現在已經(jīng)有超過(guò)12000架油氣井，賓夕法尼亞州的 Marcellus 頁(yè)巖在2008年時(shí)的油氣井數量還不到200，但是在2009年內就增加到了800架。截至2010年4月，Marcellus頁(yè)巖區又增多了263架鉆井，并且截至2010年3月，該地區已經(jīng)收到了逾3000份批準申請書(shū)。但是如果以Barnett頁(yè)巖作為比較對象，則在每年生產(chǎn)高峰期時(shí)的鉆井數量很可能達到1000架。這些油氣井可以生產(chǎn)30年。
鉆采壽命期
每架油氣井最初將被注入大約200萬(wàn)加侖水、砂石和添加劑。其中25%的物質(zhì)會(huì )在頭幾天內返回至地表，需要對其進(jìn)行處理。接著(zhù)，在油氣井的使用壽命期內，少量水（每天100桶）會(huì )隨著(zhù)油氣一起升至地表。定期對油氣井進(jìn)行壓裂以恢復氣流。這樣你又開(kāi)始新一輪的循環(huán)，最初將大量的水向下泵入油氣井內，接著(zhù)大量的水流回地表，最后少量水慢慢流回。
水被收集在敞開(kāi)的蓄水坑內，就地進(jìn)行水處理，或者將水再次泵送回油氣井內，又或者被運至當地的廢水處理廠(chǎng)。每架油氣井所在地周?chē)加性S多儲罐，用于存儲添加劑、回流水和鉆采用水。Marcellus頁(yè)巖區產(chǎn)生的廢水引起了一個(gè)獨特的問(wèn)題，即含鹽量非常高，因此該頁(yè)巖區的水處理問(wèn)題比Barnett頁(yè)巖復雜得多，因為后者的含鹽量低得多。
圖1. 鹽水濃縮機和結晶器的技術(shù)工藝
頁(yè)巖礦床
美國擁有全世界目前已發(fā)現的頁(yè)巖氣中25%的資源，其他國家和地區的頁(yè)巖氣儲量待定。隨著(zhù)投入勘探的人力物力的增多，預計潛在的資源還會(huì )持續上升。表2是關(guān)于潛在頁(yè)巖氣儲量的最新預測數據。
目前，頁(yè)巖氣只占中國天然氣產(chǎn)量中微不足道的比例。但是，我們相信中國擁有巨大的頁(yè)巖礦床，不過(guò)由于對它的勘探工作還處于起步階段，所以現在還不能確定估測數據。中國發(fā)改委正在評閱一份計劃草案，該計劃設定的目標是截至2020年時(shí)達到34萬(wàn)億立方英尺的可再生頁(yè)巖氣儲量。
在歐洲，頁(yè)巖氣開(kāi)采尚處于早期階段，預計在2015年以前僅能開(kāi)采出極少量的頁(yè)巖氣。據估計，瑞士有60萬(wàn)億立方英尺，波蘭有240萬(wàn)億立方英尺，波蘭有710萬(wàn)億立方英尺頁(yè)巖氣資源。
對泵的需求
在頁(yè)巖氣開(kāi)采的應用領(lǐng)域，泵有多種用途：從當地的河流中抽吸水源，使油罐卡車(chē)中裝滿(mǎn)水以便將水運至井口處的壓裂罐中，從廢水池中抽走廢水以便進(jìn)行水處理，將水通過(guò)PVC管道運送至四周的井口。粗略的看，對泵的需求主要分為以下兩類(lèi)：
◆壓裂注入液的泵送；
◆壓裂回流液的泵送。
泵送壓裂注入液還可以進(jìn)一步細分為兩類(lèi)，分別是將混合液注入到油氣井中所需的泵，以及與添加劑的使用有關(guān)的泵。
圖2.使用National Oilwell Varco 公司生產(chǎn)的Mission W-2250三缸柱塞泵將壓裂液泵送至油氣井下，直達目標區。
用于油氣井下輸送的泵
三缸/五缸往復式活塞和柱塞泵用于輸送水、砂礫和添加劑的混合液。Gardner Denver、Weir SPM、Schlumberger、Quinn Pumps、CAT、Ruhrpumpen 和 National Oilwell Varco公司是生產(chǎn)這些泵的主要供應商，泵的工作壓力范圍高達45,000 psi。Weir SPM公司稱(chēng)，它為Barnett頁(yè)巖提供的油氣井工作泵比任何其他泵生產(chǎn)商都多。這些泵安裝在卡車(chē)上，每個(gè)井口處都有很多泵。
添加泵
壓裂過(guò)程所用的水（壓裂水）中要用到一些添加劑。這些添加劑存儲在井場(chǎng)的壓裂罐中，需要使用計量泵將它們添加到注入水中。每種添加劑都有其特殊的用途，添加的量也各不相同。聚合物用于減小注入水內部的摩擦，生物殺滅劑用于殺滅壓裂水中那些會(huì )導致管道腐蝕及H2S滋生的細菌。一家供應商報告稱(chēng)，每1000加侖的壓裂水需要8-25加侖生物殺滅劑，大約相當于總流量的1%到2%。但是，關(guān)于壓裂液添加劑的估算數據差別相當大，造成這種差異的部分原因是鉆井公司將他們所用的添加劑以及每種添加劑的用量視為商業(yè)機密。表3列出了大部分添加劑類(lèi)型以及它們各自的用途。
圖3.Integrity Ag Systems 公司供應的泥漿泵。
壓裂回流液
油氣井水力壓裂所用水量的30%到70%會(huì )返回表面成為回流。除了油氣鉆探公司添加的壓裂液之外，該回流水還攜帶了來(lái)自地球深處的其他污染物，其中最值得注意的是鹽。這些液體含有鈉鹽和鈣鹽、鋇、石油、鍶、鐵、許多重金屬，以及其他成分。在Marcellus頁(yè)巖的部分壓裂回流液中還發(fā)現了自然放射物。
有些鉆探公司使用100%的回流液，將它們與新鮮水混合在一起，再次利用它們進(jìn)行壓裂操作。根據水的不同特性，混合比例可能是3-5份回流液兌1份新鮮水。這些回流水被收集起來(lái)，在它們與新鮮水混合之前，先由專(zhuān)業(yè)公司對其進(jìn)行水處理。
壓裂回流液可以通過(guò)幾種方法來(lái)處理。在Barnett頁(yè)巖開(kāi)采區，最普遍的處理方法是用卡車(chē)將它們運往遠處的油氣井，然后再次將其注入地下。目前在Marcellus頁(yè)巖開(kāi)采區，最普遍的處理方式是由一家城市污水處理廠(chǎng)來(lái)處理回流水。由于Marcellus頁(yè)巖的含鹽量很高，而城市污水處理廠(chǎng)并不是按照處理回流液的要求來(lái)設計建造的，所以最好采用其他的方式來(lái)處理Marcellus頁(yè)巖的廢水。賓夕法尼亞州目前正在建設一座集中式廢水處理站，它采用反滲透膜技術(shù)或者其他先進(jìn)的處理技術(shù)，最終得到可再次使用的水，并將濃縮物分離或者出售。
廢水零排放（ZLD）系統提供了另一種可選的廢水處理方法。ZLD工藝應用兩種設備——蒸發(fā)器和結晶器，生成固體廢物。蒸發(fā)器可以將鹽水濃縮至250,000ppm TDS（溶解總固體）的濃度，其設計采用了機械式蒸汽再壓縮（VPR）技術(shù)，因此非常節能。
當鹽水濃度超過(guò)250,000 ppm TDS時(shí)，在高壓下將鹽水從蒸發(fā)器泵送到一臺強制循環(huán)蒸發(fā)器內。鹽水被釋放到一個(gè)容器內，在此處它所受的壓力減小了，剩余的水汽化了，鹽分結晶了。這時(shí)的鹽仍然稍有一點(diǎn)兒潮濕，但是已經(jīng)符合EPA固體處置標準。接著(zhù)在垃圾填埋場(chǎng)處理由此得到的鹽餅，它們只占原始廢液的一小部分。有些蒸發(fā)工藝設備安裝在卡車(chē)上，并被運至油井處進(jìn)行工作。然后，使用離心泵來(lái)抽走土制收集池或者存儲罐內的回流液，送至蒸發(fā)器。
在Aquapure/Alfa Laval蒸發(fā)器系統中，當蒸汽升至汽水分離器頂端時(shí)，鹽水沉降在底部，從該處被抽走并泵送至排污換熱器，以便與進(jìn)入的水交換熱量。
結論
泵在美國所有天然氣頁(yè)巖開(kāi)采區的油氣鉆探與廢水回收工作中發(fā)揮著(zhù)重大的作用。頁(yè)巖氣的新興發(fā)展僅僅是該行業(yè)在全球的起步，在努力實(shí)現低成本開(kāi)發(fā)更多頁(yè)巖氣的過(guò)程中可能會(huì )促成一些重大的發(fā)明。Marcellus頁(yè)巖氣開(kāi)采區可能會(huì )成為最大的油氣生產(chǎn)地。
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