天然页岩气的潜力
能够从页岩中经济地开采油气对于能源界可谓是一个惊喜。研究人员多年来早已知道在全球各地的页岩中含有大量的油气，实际上，美国东部地区有五处页岩区域。但是，页岩气一直被认为是不可再生资源，直到20世纪90年代中期在美国德克萨斯州Fort Worth地区附近的Barnett页岩开采区（Barnett Shale play）成功地开采出来。
采用一种被称为水力压裂的工艺来从页岩中开采油气。该工艺使地下岩层产生裂隙，使得天然气可以在其中流动。将水、砂砾以及其他添加剂一起通过高压泵送到岩层中，从而使岩层形成裂缝。大多数油气井在钻到5000至9000英尺的深度时，依水平方向钻井，在此深度处有厚约
德克萨斯州的Barnett页岩矿床是第一个可以经济地开采出油气的资源。宾夕法尼亚州潜在的页岩资源比前者大一个数量级，Marcellus页岩开采区被认为是世界上最大的——专业调研咨询公司Advanced Resources International估计，Marcellus页岩有近2100万亿立方英尺可再生资源（如表1所示）。与之相比，Barnett页岩迄今为止已经生产出了4.8万亿立方英尺油气，并且已证实的预计油气储量还有40万亿立方英尺。美国每年消耗略少于30万亿立方英尺的油气量，Marcellus页岩可为美国提供多年的天然气供应量，占美国潜在能源的半数以上。
为了探究油气页岩的潜在藏量，近期以来的钻采活动急剧增多。在Barnett页岩开采区现在已经有超过12000架油气井，宾夕法尼亚州的 Marcellus 页岩在2008年时的油气井数量还不到200，但是在2009年内就增加到了800架。截至2010年4月，Marcellus页岩区又增多了263架钻井，并且截至2010年3月，该地区已经收到了逾3000份批准申请书。但是如果以Barnett页岩作为比较对象，则在每年生产高峰期时的钻井数量很可能达到1000架。这些油气井可以生产30年。
钻采寿命期
每架油气井最初将被注入大约200万加仑水、砂石和添加剂。其中25%的物质会在头几天内返回至地表，需要对其进行处理。接着，在油气井的使用寿命期内，少量水（每天100桶）会随着油气一起升至地表。定期对油气井进行压裂以恢复气流。这样你又开始新一轮的循环，最初将大量的水向下泵入油气井内，接着大量的水流回地表，最后少量水慢慢流回。
水被收集在敞开的蓄水坑内，就地进行水处理，或者将水再次泵送回油气井内，又或者被运至当地的废水处理厂。每架油气井所在地周围都有许多储罐，用于存储添加剂、回流水和钻采用水。Marcellus页岩区产生的废水引起了一个独特的问题，即含盐量非常高，因此该页岩区的水处理问题比Barnett页岩复杂得多，因为后者的含盐量低得多。
图1. 盐水浓缩机和结晶器的技术工艺
页岩矿床
美国拥有全世界目前已发现的页岩气中25%的资源，其他国家和地区的页岩气储量待定。随着投入勘探的人力物力的增多，预计潜在的资源还会持续上升。表2是关于潜在页岩气储量的最新预测数据。
目前，页岩气只占中国天然气产量中微不足道的比例。但是，我们相信中国拥有巨大的页岩矿床，不过由于对它的勘探工作还处于起步阶段，所以现在还不能确定估测数据。中国发改委正在评阅一份计划草案，该计划设定的目标是截至2020年时达到34万亿立方英尺的可再生页岩气储量。
在欧洲，页岩气开采尚处于早期阶段，预计在2015年以前仅能开采出极少量的页岩气。据估计，瑞士有60万亿立方英尺，波兰有240万亿立方英尺，波兰有710万亿立方英尺页岩气资源。
对泵的需求
在页岩气开采的应用领域，泵有多种用途：从当地的河流中抽吸水源，使油罐卡车中装满水以便将水运至井口处的压裂罐中，从废水池中抽走废水以便进行水处理，将水通过PVC管道运送至四周的井口。粗略的看，对泵的需求主要分为以下两类：
◆压裂注入液的泵送；
◆压裂回流液的泵送。
泵送压裂注入液还可以进一步细分为两类，分别是将混合液注入到油气井中所需的泵，以及与添加剂的使用有关的泵。
图2.使用National Oilwell Varco 公司生产的Mission W-2250三缸柱塞泵将压裂液泵送至油气井下，直达目标区。
用于油气井下输送的泵
三缸/五缸往复式活塞和柱塞泵用于输送水、砂砾和添加剂的混合液。Gardner Denver、Weir SPM、Schlumberger、Quinn Pumps、CAT、Ruhrpumpen 和 National Oilwell Varco公司是生产这些泵的主要供应商，泵的工作压力范围高达45,000 psi。Weir SPM公司称，它为Barnett页岩提供的油气井工作泵比任何其他泵生产商都多。这些泵安装在卡车上，每个井口处都有很多泵。
添加泵
压裂过程所用的水（压裂水）中要用到一些添加剂。这些添加剂存储在井场的压裂罐中，需要使用计量泵将它们添加到注入水中。每种添加剂都有其特殊的用途，添加的量也各不相同。聚合物用于减小注入水内部的摩擦，生物杀灭剂用于杀灭压裂水中那些会导致管道腐蚀及H2S滋生的细菌。一家供应商报告称，每1000加仑的压裂水需要8-25加仑生物杀灭剂，大约相当于总流量的1%到2%。但是，关于压裂液添加剂的估算数据差别相当大，造成这种差异的部分原因是钻井公司将他们所用的添加剂以及每种添加剂的用量视为商业机密。表3列出了大部分添加剂类型以及它们各自的用途。
图3.Integrity Ag Systems 公司供应的泥浆泵。
压裂回流液
油气井水力压裂所用水量的30%到70%会返回表面成为回流。除了油气钻探公司添加的压裂液之外，该回流水还携带了来自地球深处的其他污染物，其中最值得注意的是盐。这些液体含有钠盐和钙盐、钡、石油、锶、铁、许多重金属，以及其他成分。在Marcellus页岩的部分压裂回流液中还发现了自然放射物。
有些钻探公司使用100%的回流液，将它们与新鲜水混合在一起，再次利用它们进行压裂操作。根据水的不同特性，混合比例可能是3-5份回流液兑1份新鲜水。这些回流水被收集起来，在它们与新鲜水混合之前，先由专业公司对其进行水处理。
压裂回流液可以通过几种方法来处理。在Barnett页岩开采区，最普遍的处理方法是用卡车将它们运往远处的油气井，然后再次将其注入地下。目前在Marcellus页岩开采区，最普遍的处理方式是由一家城市污水处理厂来处理回流水。由于Marcellus页岩的含盐量很高，而城市污水处理厂并不是按照处理回流液的要求来设计建造的，所以最好采用其他的方式来处理Marcellus页岩的废水。宾夕法尼亚州目前正在建设一座集中式废水处理站，它采用反渗透膜技术或者其他先进的处理技术，最终得到可再次使用的水，并将浓缩物分离或者出售。
废水零排放（ZLD）系统提供了另一种可选的废水处理方法。ZLD工艺应用两种设备——蒸发器和结晶器，生成固体废物。蒸发器可以将盐水浓缩至250,000ppm TDS（溶解总固体）的浓度，其设计采用了机械式蒸汽再压缩（VPR）技术，因此非常节能。
当盐水浓度超过250,000 ppm TDS时，在高压下将盐水从蒸发器泵送到一台强制循环蒸发器内。盐水被释放到一个容器内，在此处它所受的压力减小了，剩余的水汽化了，盐分结晶了。这时的盐仍然稍有一点儿潮湿，但是已经符合EPA固体处置标准。接着在垃圾填埋场处理由此得到的盐饼，它们只占原始废液的一小部分。有些蒸发工艺设备安装在卡车上，并被运至油井处进行工作。然后，使用离心泵来抽走土制收集池或者存储罐内的回流液，送至蒸发器。
在Aquapure/Alfa Laval蒸发器系统中，当蒸汽升至汽水分离器顶端时，盐水沉降在底部，从该处被抽走并泵送至排污换热器，以便与进入的水交换热量。
结论
泵在美国所有天然气页岩开采区的油气钻探与废水回收工作中发挥着重大的作用。页岩气的新兴发展仅仅是该行业在全球的起步，在努力实现低成本开发更多页岩气的过程中可能会促成一些重大的发明。Marcellus页岩气开采区可能会成为最大的油气生产地。
联系方式
Robert McIlvaine，总裁, McIlvaine Company
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