有效處理油田廢水--AlfaVap換熱器在油田廢水處理中的應(yīng)用

　　將原有技術(shù)應(yīng)用于新領(lǐng)域，可保持純凈水源源不斷地流入德克薩斯州巴涅特頁(yè)巖(Barnett Shale)地區(qū)的天然氣井中，并可回收多達(dá)80%的回流廢水供未來(lái)使用。這既保護(hù)了寶貴的天然資源，又優(yōu)化了天然氣生產(chǎn)。

循環(huán)再生系統(tǒng)采用阿法拉伐的AlfaVap工藝技術(shù)，凈化德克薩斯州北部地區(qū)天然氣井中的廢水

　　巴涅特頁(yè)巖處于德克薩斯洲中北部一塊13?000km2區(qū)域的下方，是目前北美洲正在開(kāi)發(fā)的最大單一葉巖氣資源。預(yù)計(jì)該區(qū)域含7000億~10000億m3的天然氣，足以滿足未來(lái)十幾年或更長(zhǎng)時(shí)間美國(guó)家用天然氣的需求。

　　由于巴涅特地區(qū)的第一口鉆井已有25年以上的歷史，所以許多勘探和開(kāi)采公司開(kāi)發(fā)出了各種工藝技術(shù)，包括可從高密度頁(yè)巖層經(jīng)濟(jì)高效地提取天然氣的水平鉆井。目前，開(kāi)發(fā)商每天從8000個(gè)生產(chǎn)井中提取大約7100萬(wàn)m3的天然氣。

　　開(kāi)采巴涅特頁(yè)巖經(jīng)濟(jì)可行的關(guān)鍵是水力壓裂技術(shù)。這種工藝是使大量的淡水在極大壓力下進(jìn)入到天然氣井中，迫使頁(yè)巖產(chǎn)生裂縫。這些裂縫可以讓井內(nèi)的天然氣流入所鉆的氣井里，然后上升到地表，大約要向上攀升2.5km才能到達(dá)德克薩斯大草原。這是一個(gè)水資源極其有限，而且會(huì)周期性地發(fā)生干旱的地方。

　　圖1 Devon公司的杰伊•尤因（Jay Ewing）和Aque-Pure公司的布倫特•哈爾多森（Brent Halldorson）共同審核了NOMAD 2000系統(tǒng)凈化水的效果

　　巴涅特頁(yè)巖地區(qū)鉆探的每個(gè)天然氣井都需要400萬(wàn)~1900萬(wàn)L的水才能進(jìn)行水力壓裂作業(yè)。所供應(yīng)的水大部分都來(lái)自于當(dāng)?shù)厮畮?kù)，市政供水系統(tǒng)，以及鉆入特里尼蒂河（Trinity River）的水井和位于巴涅特頁(yè)巖和地表之間的伍德拜因（Woodbine）地下蓄水層。

　　進(jìn)行水力壓裂作業(yè)后，剩余的廢水（往往含有高濃度的鹽、聚合物、減阻劑和表面活性劑）通常都會(huì)向下輸送到巴涅特頁(yè)巖下方很深處的廢水處置井里，不再使用。這種方式使得數(shù)千輛卡車成群結(jié)隊(duì)地在該地區(qū)塵土飛揚(yáng)的鄉(xiāng)間道路上蜿蜒爬行，將廢水從天然氣井拖運(yùn)到廢水處置場(chǎng)。

　　高效的解決方案

　　擁有約30%巴涅特天然氣井的Devon能源公司與總部位于加拿大的Aqua-Pure公司合作，將共同開(kāi)發(fā)一種特別建造的循環(huán)處理系統(tǒng)，回收利用整個(gè)水力壓裂工藝中所使用的80%或更多的原始回流水。Aqua-Pure公司下屬的位于德克薩斯的經(jīng)營(yíng)公司—Fountain Quail水資源管理公司，在工業(yè)和市政廢水處理的創(chuàng)新技術(shù)方面具有幾十年的豐富經(jīng)驗(yàn)。

　　這種“回流水”通常會(huì)占水力壓裂工藝中所用總水量的20%~30%。剩余的水會(huì)在氣井的開(kāi)采期限內(nèi)隨天然氣一起回收。能夠循環(huán)利用4/5的回流水，就意味著Devon公司能夠?qū)⒖傂杷繙p少16%~24%。在水資源成本和對(duì)環(huán)境的影響方面，這都是一項(xiàng)重大的節(jié)省。

　　圖2 Devon公司80%以上的回流水都是采用Aqua-Pure公司的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行循環(huán)使用的

　　“通過(guò)機(jī)械式蒸汽壓縮機(jī)（MVR）來(lái)凈化水資源的工藝技術(shù)，可追溯到一百年以前或更久遠(yuǎn)，”Aqua-Pure公司的首席運(yùn)營(yíng)官和德克薩斯Fountain Quail 團(tuán)隊(duì)的監(jiān)管人布倫特•哈爾多森說(shuō)，“將廢水加熱至沸騰，就能得到純凈的蒸餾水；留下的是少量濃縮的鹽濃液，也就是水力壓裂過(guò)程中所使用的所有表面污染物和殘留物。”

　　Aqua-Pure公司發(fā)現(xiàn)了一種方法，將機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)法改進(jìn)成了一種新技術(shù)，從而可高效率、低成本地處理天然氣開(kāi)采區(qū)所使用的大量水資源。

　　最初該系統(tǒng)是設(shè)計(jì)用來(lái)清潔垃圾填埋場(chǎng)的滲濾污水。“融入了我們的工藝技術(shù)后，就可以順理成章地應(yīng)用于處理油氣生產(chǎn)過(guò)程中的廢水，”哈爾多森說(shuō)，“如果我們的系統(tǒng)變成可移動(dòng)的，我們就可將機(jī)械式蒸汽壓縮機(jī)（MVR）技術(shù)帶入到一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域——處理高變異的油田廢水。”

　　這個(gè)解決方案就是NOMAD 2000移動(dòng)式蒸汽壓縮機(jī)——一個(gè)可以在各個(gè)油田之間移動(dòng)的三級(jí)移動(dòng)式工作平臺(tái)。它利用Aqua-Pure公司改進(jìn)后的機(jī)械蒸汽再壓縮工藝在現(xiàn)場(chǎng)處理天然氣井排出的廢水。機(jī)械蒸汽再壓縮的基本工藝是先回收蒸發(fā)或濃縮過(guò)程中損失的熱量，然后再將回收的熱量用來(lái)為另外的蒸發(fā)過(guò)程提供燃料。這樣可以帶來(lái)極高的能源效率，但就需要有一臺(tái)緊湊式兩相換熱器，能夠持續(xù)地進(jìn)行這種復(fù)雜且量大的處理工藝，每天將約230萬(wàn)L廢水轉(zhuǎn)換成高度純凈的蒸餾水。

　　圖3 Fountain Quail公司的朱莉亞•霍爾頓（Julia Holden）正在操作NOMAD 2000系統(tǒng)的控制面板

　　Aqua-Pure公司面臨的挑戰(zhàn)是，目前市場(chǎng)上大多數(shù)傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)換熱器都不是設(shè)計(jì)用來(lái)處理兩相液體的，而且處理的液體通常太臟，拆卸和清洗設(shè)備需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。“它們根本無(wú)法滿足天然氣開(kāi)采環(huán)境的苛刻要求，”哈爾多森說(shuō)。

　　進(jìn)入阿法拉伐公司，“我看到了我們AlfaVap蒸發(fā)器的應(yīng)用效果，就禁不住考慮起它所具備的其他的可能用途，”阿法拉伐市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理及工藝學(xué)專家托馬斯• 科瓦奇(Tomas Kovacs) 回憶說(shuō)，“AlfaVap是NOMAD系統(tǒng)工作的重要核心”，從科瓦奇在給Aqua-Pure公司介紹采用新設(shè)計(jì)和新材料為NOMAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一系列解決方案時(shí)開(kāi)始，AlfaVap蒸發(fā)器與NOMAD系統(tǒng)就是一個(gè)完美的組合。

　　與阿法拉伐合作

　　與阿法拉伐合作，Aqua-Pure公司能夠?qū)lfaVap換熱器融合到NOMAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。其中使用的鈦金屬，即使在氣田這種苛刻的循環(huán)利用環(huán)境中也不會(huì)受到鹽水的強(qiáng)腐蝕。

　　“它不僅工作效率高，”哈爾多森說(shuō)，“而且還幾乎無(wú)需進(jìn)行日常維護(hù)和定期除垢。一旦啟動(dòng)，就可直接利用現(xiàn)場(chǎng)提供的天然氣作為鍋爐起動(dòng)的動(dòng)力，基本上實(shí)現(xiàn)了能耗均衡。”

　　在Devon公司的生產(chǎn)規(guī)劃里，不僅包括了2008年的600口天然氣井的開(kāi)采，還包括了2009年及未來(lái)對(duì)另外7500個(gè)場(chǎng)址的勘探，因此采用NOMAD系統(tǒng)是一項(xiàng)偉大的長(zhǎng)遠(yuǎn)投資。與僅僅將回流水泵到地面相比，NOMAD解決方案的成本會(huì)要高出50%~75%，Devon公司負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的關(guān)鍵人物杰伊•尤因介紹說(shuō)，“但是，我們相信，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看將會(huì)是經(jīng)濟(jì)有效的，因?yàn)槲覀兛梢匝h(huán)利用自己的水資源，且整個(gè)德克薩斯州北部都不需要再用卡車運(yùn)水了，這樣我們就能夠節(jié)省大筆資金。水在這里是有限的資源。更重要的是，這樣做是絕對(duì)正確的。它不僅可為我們提供進(jìn)行水力壓裂所需要的水，同時(shí)還將我們對(duì)環(huán)境的影響降低到了最小”。

　　第一套NOMAD系統(tǒng)于2005年開(kāi)始全面投入運(yùn)行。現(xiàn)在，共有9套NOMAD系統(tǒng)正在運(yùn)行，每套都包括三個(gè)40英尺大小的模塊。Aqua-Pure Devon和阿法拉伐三家公司密切合作，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精確的調(diào)整，使其能發(fā)揮最佳性能。

　　在巴涅特頁(yè)巖地區(qū)進(jìn)行水循環(huán)利用，給Aqua-Pure公司的未來(lái)擴(kuò)建帶來(lái)了廣闊的空間，公司還希望在開(kāi)采其他氣田時(shí)，也能采用NOMAD系統(tǒng)。馬塞盧斯（Marcellus）頁(yè)巖就是其中一個(gè)例子。它從紐約州北部開(kāi)始，向南綿延數(shù)百英里一直穿過(guò)阿巴拉契亞（Appalachians）山脈。許多地質(zhì)學(xué)家預(yù)測(cè)，馬塞盧斯頁(yè)巖可能會(huì)成為北美地區(qū)最大的單一型頁(yè)巖氣田，但它同時(shí)也極易給環(huán)境帶來(lái)影響。

　　“當(dāng)時(shí)機(jī)到來(lái)的時(shí)候，我們將會(huì)準(zhǔn)備好盡我們所需來(lái)裝備更多的NOMAD系統(tǒng)，”哈爾多森說(shuō)，“我們正在考慮未來(lái)幾十年里的無(wú)限機(jī)遇。自從我們發(fā)現(xiàn)了阿法拉伐的AlfaVap蒸發(fā)器技術(shù)，并且目睹了它在我們獲得專利的加工工藝中所起到的效果后，就再也不會(huì)躊躇不前了。而且，那對(duì)我們每一個(gè)人來(lái)說(shuō)，都是好消息。”

　　阿法拉伐的AlfaVap型換熱器

　　阿法拉伐的AlfaVap工藝具有的獨(dú)特性，使其尤其適用于氣田和油田,例如板式設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生紊流，大大提高熱傳遞效率，同時(shí)還可減少除垢和除銹的處理工序。

　　與傳統(tǒng)的“降膜”系統(tǒng)相比，AlfaVap解決方案結(jié)構(gòu)更緊湊。降膜系統(tǒng)是將受污染的水泵送到一個(gè)垂直管殼式換熱器的頂部，然后讓液體在薄膜中沸騰，而重力會(huì)使液體通過(guò)一系列的內(nèi)管落下。AlfaVap的緊湊結(jié)構(gòu)可確保減少安裝空間，降低運(yùn)營(yíng)成本。而且其設(shè)計(jì)具有潛在的擴(kuò)展能力，通過(guò)增加換熱板數(shù)量就可輕松地?cái)U(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，達(dá)到低成本。

　　“我們知道，我們擁有的是項(xiàng)可以滿足天然氣開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)要求的工藝技術(shù)， 有助于創(chuàng)造出可持續(xù)利用的循環(huán)回水，來(lái)進(jìn)行頁(yè)巖的水力壓裂作業(yè)，” Aqua-Pure的布倫特• 哈爾多森說(shuō)，“我們成功的關(guān)鍵在于，有一個(gè)高效耐用的蒸發(fā)器換熱設(shè)備，適用于處理油田廢水的苛刻條件。阿法拉伐的AlfaVap設(shè)備為我們提供了所需的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、經(jīng)濟(jì)高效、便于保養(yǎng)的換熱器技術(shù)。從那時(shí)起，我們就成為了很好的合作伙伴。“