循环再生系统采用阿法拉伐的AlfaVap工艺技术，净化德克萨斯州北部地区天然气井中的废水

将原有技术应用于新领域，可保持纯净水源源不断地流入德克萨斯州巴涅特页岩(Barnett Shale)地区的天然气井中，并可回收多达80%的回流废水供未来使用。这既保护了宝贵的天然资源，又优化了天然气生产。

巴涅特页岩处于德克萨斯洲中北部一块13?000km2区域的下方，是目前北美洲正在开发的最大单一叶岩气资源。预计该区域含7000亿~10000亿m3的天然气，足以满足未来十几年或更长时间美国家用天然气的需求。

由于巴涅特地区的第一口钻井已有25年以上的历史，所以许多勘探和开采公司开发出了各种工艺技术，包括可从高密度页岩层经济高效地提取天然气的水平钻井。目前，开发商每天从8000个生产井中提取大约7100万m3的天然气。

开采巴涅特页岩经济可行的关键是水力压裂技术。这种工艺是使大量的淡水在极大压力下进入到天然气井中，迫使页岩产生裂缝。这些裂缝可以让井内的天然气流入所钻的气井里，然后上升到地表，大约要向上攀升2.5km才能到达德克萨斯大草原。这是一个水资源极其有限，而且会周期性地发生干旱的地方。

图1 Devon公司的杰伊·尤因（Jay Ewing）和Aque-Pure公司的布伦特·哈尔多森（Brent Halldorson）共同审核了NOMAD 2000系统净化水的效果

巴涅特页岩地区钻探的每个天然气井都需要400万~1900万L的水才能进行水力压裂作业。所供应的水大部分都来自于当地水库，市政供水系统，以及钻入特里尼蒂河（Trinity River）的水井和位于巴涅特页岩和地表之间的伍德拜因（Woodbine）地下蓄水层。

进行水力压裂作业后，剩余的废水（往往含有高浓度的盐、聚合物、减阻剂和表面活性剂）通常都会向下输送到巴涅特页岩下方很深处的废水处置井里，不再使用。这种方式使得数千辆卡车成群结队地在该地区尘土飞扬的乡间道路上蜿蜒爬行，将废水从天然气井拖运到废水处置场。

高效的解决方案

拥有约30%巴涅特天然气井的Devon能源公司与总部位于加拿大的Aqua-Pure公司合作，将共同开发一种特别建造的循环处理系统，回收利用整个水力压裂工艺中所使用的80%或更多的原始回流水。Aqua-Pure公司下属的位于德克萨斯的经营公司—Fountain Quail水资源管理公司，在工业和市政废水处理的创新技术方面具有几十年的丰富经验。

这种“回流水”通常会占水力压裂工艺中所用总水量的20%~30%。剩余的水会在气井的开采期限内随天然气一起回收。能够循环利用4/5的回流水，就意味着Devon公司能够将总需水量减少16%~24%。在水资源成本和对环境的影响方面，这都是一项重大的节省。

图2 Devon公司80%以上的回流水都是采用Aqua-Pure公司的系统来进行循环使用的

“通过机械式蒸汽压缩机（MVR）来净化水资源的工艺技术，可追溯到一百年以前或更久远，”Aqua-Pure公司的首席运营官和德克萨斯Fountain Quail 团队的监管人布伦特·哈尔多森说，“将废水加热至沸腾，就能得到纯净的蒸馏水；留下的是少量浓缩的盐浓液，也就是水力压裂过程中所使用的所有表面污染物和残留物。”

Aqua-Pure公司发现了一种方法，将机械蒸汽再压缩蒸发法改进成了一种新技术，从而可高效率、低成本地处理天然气开采区所使用的大量水资源。

最初该系统是设计用来清洁垃圾填埋场的渗滤污水。“融入了我们的工艺技术后，就可以顺理成章地应用于处理油气生产过程中的废水，”哈尔多森说，“如果我们的系统变成可移动的，我们就可将机械式蒸汽压缩机（MVR）技术带入到一个新的应用领域——处理高变异的油田废水。”

这个解决方案就是NOMAD 2000移动式蒸汽压缩机——一个可以在各个油田之间移动的三级移动式工作平台。它利用Aqua-Pure公司改进后的机械蒸汽再压缩工艺在现场处理天然气井排出的废水。机械蒸汽再压缩的基本工艺是先回收蒸发或浓缩过程中损失的热量，然后再将回收的热量用来为另外的蒸发过程提供燃料。这样可以带来极高的能源效率，但就需要有一台紧凑式两相换热器，能够持续地进行这种复杂且量大的处理工艺，每天将约230万L废水转换成高度纯净的蒸馏水。

图3 Fountain Quail公司的朱莉亚·霍尔顿（Julia Holden）正在操作NOMAD 2000系统的控制面板

Aqua-Pure公司面临的挑战是，目前市场上大多数传统的标准换热器都不是设计用来处理两相液体的，而且处理的液体通常太脏，拆卸和清洗设备需要耗费大量的时间。“它们根本无法满足天然气开采环境的苛刻要求，”哈尔多森说。

进入阿法拉伐公司，“我看到了我们AlfaVap蒸发器的应用效果，就禁不住考虑起它所具备的其他的可能用途，”阿法拉伐市场营销经理及工艺学专家托马斯· 科瓦奇(Tomas Kovacs) 回忆说，“AlfaVap是NOMAD系统工作的重要核心”，从科瓦奇在给Aqua-Pure公司介绍采用新设计和新材料为NOMAD系统开发的一系列解决方案时开始，AlfaVap蒸发器与NOMAD系统就是一个完美的组合。

与阿法拉伐合作

与阿法拉伐合作，Aqua-Pure公司能够将AlfaVap换热器融合到NOMAD系统的设计中。其中使用的钛金属，即使在气田这种苛刻的循环利用环境中也不会受到盐水的强腐蚀。

“它不仅工作效率高，”哈尔多森说，“而且还几乎无需进行日常维护和定期除垢。一旦启动，就可直接利用现场提供的天然气作为锅炉起动的动力，基本上实现了能耗均衡。”

在Devon公司的生产规划里，不仅包括了2008年的600口天然气井的开采，还包括了2009年及未来对另外7500个场址的勘探，因此采用NOMAD系统是一项伟大的长远投资。与仅仅将回流水泵到地面相比，NOMAD解决方案的成本会要高出50%~75%，Devon公司负责该项目的关键人物杰伊·尤因介绍说，“但是，我们相信，从长远来看将会是经济有效的，因为我们可以循环利用自己的水资源，且整个德克萨斯州北部都不需要再用卡车运水了，这样我们就能够节省大笔资金。水在这里是有限的资源。更重要的是，这样做是绝对正确的。它不仅可为我们提供进行水力压裂所需要的水，同时还将我们对环境的影响降低到了最小”。

第一套NOMAD系统于2005年开始全面投入运行。现在，共有9套NOMAD系统正在运行，每套都包括三个40英尺大小的模块。Aqua-Pure Devon和阿法拉伐三家公司密切合作，对系统进行了精确的调整，使其能发挥最佳性能。

在巴涅特页岩地区进行水循环利用，给Aqua-Pure公司的未来扩建带来了广阔的空间，公司还希望在开采其他气田时，也能采用NOMAD系统。马塞卢斯（Marcellus）页岩就是其中一个例子。它从纽约州北部开始，向南绵延数百英里一直穿过阿巴拉契亚（Appalachians）山脉。许多地质学家预测，马塞卢斯页岩可能会成为北美地区最大的单一型页岩气田，但它同时也极易给环境带来影响。

“当时机到来的时候，我们将会准备好尽我们所需来装备更多的NOMAD系统，”哈尔多森说，“我们正在考虑未来几十年里的无限机遇。自从我们发现了阿法拉伐的AlfaVap蒸发器技术，并且目睹了它在我们获得专利的加工工艺中所起到的效果后，就再也不会踌躇不前了。而且，那对我们每一个人来说，都是好消息。”

阿法拉伐的AlfaVap型换热器

阿法拉伐的AlfaVap工艺具有的独特性，使其尤其适用于气田和油田,例如板式设计可以产生紊流，大大提高热传递效率，同时还可减少除垢和除锈的处理工序。

与传统的“降膜”系统相比，AlfaVap解决方案结构更紧凑。降膜系统是将受污染的水泵送到一个垂直管壳式换热器的顶部，然后让液体在薄膜中沸腾，而重力会使液体通过一系列的内管落下。AlfaVap的紧凑结构可确保减少安装空间，降低运营成本。而且其设计具有潜在的扩展能力，通过增加换热板数量就可轻松地扩大生产规模，达到低成本。

“我们知道，我们拥有的是项可以满足天然气开采现场经济要求的工艺技术， 有助于创造出可持续利用的循环回水，来进行页岩的水力压裂作业，” Aqua-Pure的布伦特· 哈尔多森说，“我们成功的关键在于，有一个高效耐用的蒸发器换热设备，适用于处理油田废水的苛刻条件。阿法拉伐的AlfaVap设备为我们提供了所需的结构坚固、经济高效、便于保养的换热器技术。从那时起，我们就成为了很好的合作伙伴。“