能夠從頁(yè)巖中經(jīng)濟(jì)地開(kāi)采油氣對(duì)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(guó)東部地區(qū)有五處頁(yè)巖區(qū)域。但是，頁(yè)巖氣一直被認(rèn)為是不可再生資源，直到20世紀(jì)90年代中期在美國(guó)德克薩斯州Fort Worth地區(qū)附近的Barnett頁(yè)巖開(kāi)采區(qū)（Barnett Shale play）成功地開(kāi)采出來(lái)。

采用一種被稱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(shù)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250英尺的頁(yè)巖層。

德克薩斯州的Barnett頁(yè)巖礦床是第一個(gè)可以經(jīng)濟(jì)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(shù)量級(jí)，Marcellus頁(yè)巖開(kāi)采區(qū)被認(rèn)為是世界上最大的——專業(yè)調(diào)研咨詢公司Advanced Resources International估計(jì)，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(yù)計(jì)油氣儲(chǔ)量還有40萬(wàn)億立方英尺。美國(guó)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(guó)提供多年的天然氣供應(yīng)量，占美國(guó)潛在能源的半數(shù)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(qū)現(xiàn)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?dāng)?shù)量還不到200，但是在2009年內(nèi)就增加到了800架。截至2010年4月，Marcellus頁(yè)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(jīng)收到了逾3000份批準(zhǔn)申請(qǐng)書(shū)。但是如果以Barnett頁(yè)巖作為比較對(duì)象，則在每年生產(chǎn)高峰期時(shí)的鉆井?dāng)?shù)量很可能達(dá)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(nèi)返回至地表，需要對(duì)其進(jìn)行處理。接著，在油氣井的使用壽命期內(nèi)，少量水（每天100桶）會(huì)隨著油氣一起升至地表。定期對(duì)油氣井進(jìn)行壓裂以恢復(fù)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(nèi)，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(kāi)的蓄水坑內(nèi)，就地進(jìn)行水處理，或者將水再次泵送回油氣井內(nèi)，又或者被運(yùn)至當(dāng)?shù)氐膹U水處理廠。每架油氣井所在地周圍都有許多儲(chǔ)罐，用于存儲(chǔ)添加劑、回流水和鉆采用水。Marcellus頁(yè)巖區(qū)產(chǎn)生的廢水引起了一個(gè)獨(dú)特的問(wèn)題，即含鹽量非常高，因此該頁(yè)巖區(qū)的水處理問(wèn)題比Barnett頁(yè)巖復(fù)雜得多，因?yàn)楹笳叩暮�鹽量低得多。

圖1. 鹽水濃縮機(jī)和結(jié)晶器的技術(shù)工藝

頁(yè)巖礦床

美國(guó)擁有全世界目前已發(fā)現(xiàn)的頁(yè)巖氣中25%的資源，其他國(guó)家和地區(qū)的頁(yè)巖氣儲(chǔ)量待定。隨著投入勘探的人力物力的增多，預(yù)計(jì)潛在的資源還會(huì)持續(xù)上升。表2是關(guān)于潛在頁(yè)巖氣儲(chǔ)量的最新預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

目前，頁(yè)巖氣只占中國(guó)天然氣產(chǎn)量中微不足道的比例。但是，我們相信中國(guó)擁有巨大的頁(yè)巖礦床，不過(guò)由于對(duì)它的勘探工作還處于起步階段，所以現(xiàn)在還不能確定估測(cè)數(shù)據(jù)。中國(guó)發(fā)改委正在評(píng)閱一份計(jì)劃草案，該計(jì)劃設(shè)定的目標(biāo)是截至2020年時(shí)達(dá)到34萬(wàn)億立方英尺的可再生頁(yè)巖氣儲(chǔ)量。

在歐洲，頁(yè)巖氣開(kāi)采尚處于早期階段，預(yù)計(jì)在2015年以前僅能開(kāi)采出極少量的頁(yè)巖氣。據(jù)估計(jì)，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(duì)泵的需求

在頁(yè)巖氣開(kāi)采的應(yīng)用領(lǐng)域，泵有多種用途：從當(dāng)?shù)氐暮恿髦谐槲�水源，使油罐卡車中裝滿水以便將水運(yùn)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(yùn)送至四周的井口。粗略的看，對(duì)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(jìn)一步細(xì)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(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(dá)目標(biāo)區(qū)。

用于油氣井下輸送的泵

三缸/五缸往復(fù)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(yīng)商，泵的工作壓力范圍高達(dá)45,000 psi。Weir SPM公司稱，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(chǔ)在井場(chǎng)的壓裂罐中，需要使用計(jì)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(nèi)部的摩擦，生物殺滅劑用于殺滅壓裂水中那些會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕及H2S滋生的細(xì)菌。一家供應(yīng)商報(bào)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(dāng)于總流量的1%到2%。但是，關(guān)于壓裂液添加劑的估算數(shù)據(jù)差別相當(dāng)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(jī)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(yīng)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(xiàn)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(jù)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，先由專業(yè)公司對(duì)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(qū)，最普遍的處理方法是用卡車將它們運(yùn)往遠(yuǎn)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(qū)，最普遍的處理方式是由一家城市污水處理廠來(lái)處理回流水。由于Marcellus頁(yè)巖的含鹽量很高，而城市污水處理廠并不是按照處理回流液的要求來(lái)設(shè)計(jì)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(shè)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(tǒng)提供了另一種可選的廢水處理方法。ZLD工藝應(yīng)用兩種設(shè)備——蒸發(fā)器和結(jié)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(shè)計(jì)采用了機(jī)械式蒸汽再壓縮（VPR）技術(shù)，因此非常節(jié)能。

當(dāng)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(tái)強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)。鹽水被釋放到一個(gè)容器內(nèi)，在此處它所受的壓力減小了，剩余的水汽化了，鹽分結(jié)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(biāo)準(zhǔn)。接著在垃圾填埋場(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(shè)備安裝在卡車上，并被運(yùn)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(chǔ)罐內(nèi)的回流液，送至蒸發(fā)器。

在Aquapure/Alfa Laval蒸發(fā)器系統(tǒng)中，當(dāng)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(jié)論

泵在美國(guó)所有天然氣頁(yè)巖開(kāi)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(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(xiàn)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(qū)可能會(huì)成為最大的油氣生產(chǎn)地。

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