有效處理油田廢水--AlfaVap換熱器在油田廢水處理中的應用

　　將原有技術應用于新領域，可保持純凈水源源不斷地流入德克薩斯州巴涅特頁巖(Barnett Shale)地區(qū)的天然氣井中，并可回收多達80%的回流廢水供未來使用。這既保護了寶貴的天然資源，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，凈化德克薩斯州北部地區(qū)天然氣井中的廢水

　　巴涅特頁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發(fā)的最大單一葉巖氣資源。預計該區(qū)域含7000億~10000億m3的天然氣，足以滿足未來十幾年或更長時間美國家用天然氣的需求。

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

　　開采巴涅特頁巖經(jīng)濟可行的關鍵是水力壓裂技術。這種工藝是使大量的淡水在極大壓力下進入到天然氣井中，迫使頁巖產(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才能到達德克薩斯大草原。這是一個水資源極其有限，而且會周期性地發(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

　　巴涅特頁巖地區(qū)鉆探的每個天然氣井都需要400萬~1900萬L的水才能進行水力壓裂作業(yè)。所供應的水大部分都來自于當?shù)厮畮欤姓┧到y(tǒng)，以及鉆入特里尼蒂河（Trinity River）的水井和位于巴涅特頁巖和地表之間的伍德拜因（Woodbine）地下蓄水層。

　　進行水力壓裂作業(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）通常都會向下輸送到巴涅特頁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)千輛卡車成群結隊地在該地區(qū)塵土飛揚的鄉(xiāng)間道路上蜿蜒爬行，將廢水從天然氣井拖運到廢水處置場。

　　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，將共同開發(fā)一種特別建造的循環(huán)處理系統(tǒng)，回收利用整個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)新技術方面具有幾十年的豐富經(jīng)驗。

　　這種“回流水”通常會占水力壓裂工藝中所用總水量的20%~30%。剩余的水會在氣井的開采期限內(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%。在水資源成本和對環(huán)境的影響方面，這都是一項重大的節(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)來進行循環(huán)使用的

　　“通過機械式蒸汽壓縮機（MVR）來凈化水資源的工藝技術，可追溯到一百年以前或更久遠，”Aqua-Pure公司的首席運營官和德克薩斯Fountain Quail 團隊的監(jiān)管人布倫特•哈爾多森說，“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，將機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)法改進成了一種新技術，從而可高效率、低成本地處理天然氣開采區(qū)所使用的大量水資源。

　　最初該系統(tǒng)是設計用來清潔垃圾填埋場的滲濾污水。“融入了我們的工藝技術后，就可以順理成章地應用于處理油氣生產(chǎn)過程中的廢水，”哈爾多森說，“如果我們的系統(tǒng)變成可移動的，我們就可將機械式蒸汽壓縮機（MVR）技術帶入到一個新的應用領域——處理高變異的油田廢水。”

　　這個解決方案就是NOMAD 2000移動式蒸汽壓縮機——一個可以在各個油田之間移動的三級移動式工作平臺。它利用Aqua-Pure公司改進后的機械蒸汽再壓縮工藝在現(xiàn)場處理天然氣井排出的廢水。機械蒸汽再壓縮的基本工藝是先回收蒸發(fā)或濃縮過程中損失的熱量，然后再將回收的熱量用來為另外的蒸發(fā)過程提供燃料。這樣可以帶來極高的能源效率，但就需要有一臺緊湊式兩相換熱器，能夠持續(xù)地進行這種復雜且量大的處理工藝，每天將約230萬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，目前市場上大多數(shù)傳統(tǒng)的標準換熱器都不是設計用來處理兩相液體的，而且處理的液體通常太臟，拆卸和清洗設備需要耗費大量的時間。“它們根本無法滿足天然氣開采環(huán)境的苛刻要求，”哈爾多森說。

　　進入阿法拉伐公司，“我看到了我們AlfaVap蒸發(fā)器的應用效果，就禁不住考慮起它所具備的其他的可能用途，”阿法拉伐市場營銷經(jīng)理及工藝學專家托馬斯• 科瓦奇(Tomas Kovacs) 回憶說，“AlfaVap是NOMAD系統(tǒng)工作的重要核心”，從科瓦奇在給Aqua-Pure公司介紹采用新設計和新材料為NOMAD系統(tǒng)開發(fā)的一系列解決方案時開始，AlfaVap蒸發(fā)器與NOMAD系統(tǒng)就是一個完美的組合。

　　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)的設計中。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)境中也不會受到鹽水的強腐蝕。

　　“它不僅工作效率高，”哈爾多森說，“而且還幾乎無需進行日常維護和定期除垢。一旦啟動，就可直接利用現(xiàn)場提供的天然氣作為鍋爐起動的動力，基本上實現(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口天然氣井的開采，還包括了2009年及未來對另外7500個場址的勘探，因此采用NOMAD系統(tǒng)是一項偉大的長遠投資。與僅僅將回流水泵到地面相比，NOMAD解決方案的成本會要高出50%~75%，Devon公司負責該項目的關鍵人物杰伊•尤因介紹說，“但是，我們相信，從長遠來看將會是經(jīng)濟有效的，因為我們可以循環(huán)利用自己的水資源，且整個德克薩斯州北部都不需要再用卡車運水了，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，這樣做是絕對正確的。它不僅可為我們提供進行水力壓裂所需要的水，同時還將我們對環(huán)境的影響降低到了最小”。

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

　　在巴涅特頁巖地區(qū)進行水循環(huán)利用，給Aqua-Pure公司的未來擴建帶來了廣闊的空間，公司還希望在開采其他氣田時，也能采用NOMAD系統(tǒng)。馬塞盧斯（Marcellus）頁巖就是其中一個例子。它從紐約州北部開始，向南綿延數(shù)百英里一直穿過阿巴拉契亞（Appalachians）山脈。許多地質(zhì)學家預測，馬塞盧斯頁巖可能會成為北美地區(qū)最大的單一型頁巖氣田，但它同時也極易給環(huán)境帶來影響。

　　“當時機到來的時候，我們將會準備好盡我們所需來裝備更多的NOMAD系統(tǒng)，”哈爾多森說，“我們正在考慮未來幾十年里的無限機遇。自從我們發(fā)現(xiàn)了阿法拉伐的AlfaVap蒸發(fā)器技術，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，就再也不會躊躇不前了。而且，那對我們每一個人來說，都是好消息。”

　　阿法拉伐的AlfaVap型換熱器

　　阿法拉伐的AlfaVap工藝具有的獨特性，使其尤其適用于氣田和油田,例如板式設計可以產(chǎn)生紊流，大大提高熱傳遞效率，同時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解決方案結構更緊湊。降膜系統(tǒng)是將受污染的水泵送到一個垂直管殼式換熱器的頂部，然后讓液體在薄膜中沸騰，而重力會使液體通過一系列的內(nèi)管落下。AlfaVap的緊湊結構可確保減少安裝空間，降低運營成本。而且其設計具有潛在的擴展能力，通過增加換熱板數(shù)量就可輕松地擴大生產(chǎn)規(guī)模，達到低成本。

　　“我們知道，我們擁有的是項可以滿足天然氣開采現(xiàn)場經(jīng)濟要求的工藝技術， 有助于創(chuàng)造出可持續(xù)利用的循環(huán)回水，來進行頁巖的水力壓裂作業(yè)，” Aqua-Pure的布倫特• 哈爾多森說，“我們成功的關鍵在于，有一個高效耐用的蒸發(fā)器換熱設備，適用于處理油田廢水的苛刻條件。阿法拉伐的AlfaVap設備為我們提供了所需的結構堅固、經(jīng)濟高效、便于保養(yǎng)的換熱器技術。從那時起，我們就成為了很好的合作伙伴。“