天然頁巖氣的潛力
能夠從頁巖中經濟地開采油氣對于能源界可謂是一個驚喜。研究人員多年來早已知道在全球各地的頁巖中含有大量的油氣，實際上，美國東部地區(qū)有五處頁巖區(qū)域。但是，頁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(qū)附近的Barnett頁巖開采區(qū)（Barnett Shale play）成功地開采出來。
采用一種被稱為水力壓裂的工藝來從頁巖中開采油氣。該工藝使地下巖層產生裂隙，使得天然氣可以在其中流動。將水、砂礫以及其他添加劑一起通過高壓泵送到巖層中，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，依水平方向鉆井，在此深度處有厚約
德克薩斯州的Barnett頁巖礦床是第一個可以經濟地開采出油氣的資源。賓夕法尼亞州潛在的頁巖資源比前者大一個數量級，Marcellus頁巖開采區(qū)被認為是世界上最大的——專業(yè)調研咨詢公司Advanced Resources International估計，Marcellus頁巖有近2100萬億立方英尺可再生資源（如表1所示）。與之相比，Barnett頁巖迄今為止已經生產出了4.8萬億立方英尺油氣，并且已證實的預計油氣儲量還有40萬億立方英尺。美國每年消耗略少于30萬億立方英尺的油氣量，Marcellus頁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。
為了探究油氣頁巖的潛在藏量，近期以來的鉆采活動急劇增多。在Barnett頁巖開采區(qū)現在已經有超過12000架油氣井，賓夕法尼亞州的 Marcellus 頁巖在2008年時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頁巖區(qū)又增多了263架鉆井，并且截至2010年3月，該地區(qū)已經收到了逾3000份批準申請書。但是如果以Barnett頁巖作為比較對象，則在每年生產高峰期時的鉆井數量很可能達到1000架。這些油氣井可以生產30年。
鉆采壽命期
每架油氣井最初將被注入大約200萬加侖水、砂石和添加劑。其中25%的物質會在頭幾天內返回至地表，需要對其進行處理。接著，在油氣井的使用壽命期內，少量水（每天100桶）會隨著油氣一起升至地表。定期對油氣井進行壓裂以恢復氣流。這樣你又開始新一輪的循環(huán)，最初將大量的水向下泵入油氣井內，接著大量的水流回地表，最后少量水慢慢流回。
水被收集在敞開的蓄水坑內，就地進行水處理，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。每架油氣井所在地周圍都有許多儲罐，用于存儲添加劑、回流水和鉆采用水。Marcellus頁巖區(qū)產生的廢水引起了一個獨特的問題，即含鹽量非常高，因此該頁巖區(qū)的水處理問題比Barnett頁巖復雜得多，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工藝
頁巖礦床
美國擁有全世界目前已發(fā)現的頁巖氣中25%的資源，其他國家和地區(qū)的頁巖氣儲量待定。隨著投入勘探的人力物力的增多，預計潛在的資源還會持續(xù)上升。表2是關于潛在頁巖氣儲量的最新預測數據。
目前，頁巖氣只占中國天然氣產量中微不足道的比例。但是，我們相信中國擁有巨大的頁巖礦床，不過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年時達到34萬億立方英尺的可再生頁巖氣儲量。
在歐洲，頁巖氣開采尚處于早期階段，預計在2015年以前僅能開采出極少量的頁巖氣。據估計，瑞士有60萬億立方英尺，波蘭有240萬億立方英尺，波蘭有710萬億立方英尺頁巖氣資源。
對泵的需求
在頁巖氣開采的應用領域，泵有多種用途：從當地的河流中抽吸水源，使油罐卡車中裝滿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行水處理，將水通過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：
◆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一步細分為兩類，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的泵。
圖2.使用National Oilwell Varco 公司生產的Mission W-2250三缸柱塞泵將壓裂液泵送至油氣井下，直達目標區(qū)。
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，它為Barnett頁巖提供的油氣井工作泵比任何其他泵生產商都多。這些泵安裝在卡車上，每個井口處都有很多泵。
添加泵
壓裂過程所用的水（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導致管道腐蝕及H2S滋生的細菌。一家供應商報告稱，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，在它們與新鮮水混合之前，先由專業(yè)公司對其進行水處理。
壓裂回流液可以通過幾種方法來處理。在Barnett頁巖開采區(qū)，最普遍的處理方法是用卡車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頁巖開采區(qū)，最普遍的處理方式是由一家城市污水處理廠來處理回流水。由于Marcellus頁巖的含鹽量很高，而城市污水處理廠并不是按照處理回流液的要求來設計建造的，所以最好采用其他的方式來處理Marcellus頁巖的廢水。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或者其他先進的處理技術，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(tǒng)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，因此非常節(jié)能。
當鹽水濃度超過250,000 ppm TDS時，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。這時的鹽仍然稍有一點兒潮濕，但是已經符合EPA固體處置標準。接著在垃圾填埋場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上，并被運至油井處進行工作。然后，使用離心泵來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(tǒng)中，當蒸汽升至汽水分離器頂端時，鹽水沉降在底部，從該處被抽走并泵送至排污換熱器，以便與進入的水交換熱量。
結論
泵在美國所有天然氣頁巖開采區(qū)的油氣鉆探與廢水回收工作中發(fā)揮著重大的作用。頁巖氣的新興發(fā)展僅僅是該行業(yè)在全球的起步，在努力實現低成本開發(fā)更多頁巖氣的過程中可能會促成一些重大的發(fā)明。Marcellus頁巖氣開采區(qū)可能會成為最大的油氣生產地。
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Robert McIlvaine，總裁, McIlvaine Company
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