頁巖氣地面集輸工藝設(shè)計研究

李研，吳剛

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

頁巖氣地面集輸工藝設(shè)計研究

李研，吳剛

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

國內(nèi)的頁巖氣地面工藝設(shè)計尚無可參考的先例，因此設(shè)計一套適合我國頁巖氣輸送的地面工藝技術(shù)是目前急需解決的問題。文章介紹了四川富順頁巖氣井口的設(shè)計工作，重點論述了頁巖氣的組成、井站集輸工藝設(shè)計、頁巖氣管材和閥門的選擇、頁巖氣集輸流程設(shè)計應(yīng)注意的問題、集輸工藝流程運行情況等，可為今后大規(guī)模開發(fā)頁巖氣提供良好的經(jīng)驗。

頁巖氣；集輸工藝；設(shè)計

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的非常規(guī)天然氣資源。頁巖氣資源與其他常規(guī)天然氣資源相比，它可開采壽命可達30～50年，具有開采壽命長和生產(chǎn)周期長的優(yōu)點。我國的頁巖氣儲量約為2.6萬億m3，目前主要集中在四川盆地。

頁巖氣在國內(nèi)的開發(fā)還處于勘探階段，地面工程設(shè)計尚無可參考的設(shè)計，也無相關(guān)標準規(guī)范可遵照執(zhí)行。頁巖氣還具有井口分布廣、單井產(chǎn)量低、井口節(jié)流后壓力高的特點，如何降低地面建設(shè)投資，減少運營成本，使頁巖氣地面建設(shè)實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化是地面設(shè)計研究工作的重點，也是最大的難點。

2013年8月，中油遼河工程有限公司承擔了四川富順區(qū)塊試采TPO FEDD&DDA 8口井項目設(shè)計任務(wù)。在項目的設(shè)計過程中，總結(jié)出了一系列適合頁巖氣田的地面集輸技術(shù)。

1 頁巖氣的組分和特性

1.1 頁巖氣的組成

頁巖氣的組分和天然氣、煤層氣十分相似，組成以C1為主，摩爾分數(shù)為97.88%，含有少量的C2（0.32%）、C3（0.02%）、CO2（1.08%）、He（0.05%）、N2（0.65%），煤層氣的高熱值為37.215 MJ/m3，低熱值為33.5 MJ/m3，烴露點為-77℃，與天然氣相當。

1.2 頁巖氣開采周期

頁巖氣開采主要分為開井期、反排期、正常生產(chǎn)期、生產(chǎn)后期四個時期。每個時期的井口壓力和產(chǎn)量都有變化，具體見下表1。

表1 頁巖氣開采周期

1.3 主要設(shè)計參數(shù)

單井站設(shè)計規(guī)?！?7萬m3/d；雙井站設(shè)計規(guī)模為34萬m3/d和17萬m3/d；一級節(jié)流閥后管道操作壓力為12 MPa/7 MPa；操作溫度為4～50℃；二級節(jié)流閥后管道操作壓力為3.18～5.36 MPa；操作溫度為2～41℃。

1.4 井站集輸工藝設(shè)計

頁巖氣井口工藝流程主要分為兩種方式：

（1）在井站完成脫水，再外輸至處理廠。

（2）井站不設(shè)脫水設(shè)施，外輸至其他井站或集氣站進行集中脫水。

1.4.1 單井井口不設(shè)脫水設(shè)施流程

（1）開井期及反排期。頁巖氣經(jīng)過井口的一級角式節(jié)流閥，壓力從開井期的70 MPa或反排期的42 MPa節(jié)流至12 MPa，同時通過井口注甲醇的方式控制節(jié)流后的溫度比水合物形成的溫度高3℃以上，再經(jīng)過水浴式電加熱器加熱以防止二級節(jié)流后續(xù)操作產(chǎn)生水合物，加熱后的溫度控制在60℃以下，然后經(jīng)過二級角式節(jié)流閥節(jié)流至3.18～5.36MPa，再通過兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后以0.3 MPa的壓力進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)過計量橇計量后壓力為3.12～5.30 MPa，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至壓力3.09～5.27 MPa溫度5～10℃進行外輸。見圖1~2。

圖1 單井開井期和反排期集輸工藝流程示意

（2）正常生產(chǎn)期和生產(chǎn)后期。頁巖氣井進入正常生產(chǎn)期和生產(chǎn)后期后，井口壓力衰減至7 MPa，井口無需一級節(jié)流和加熱，因此井口來的壓力7 MPa、溫度25～50℃的頁巖氣直接進入原二級角式節(jié)流閥，節(jié)流至3.18～5.36 MPa、18～45℃后進入兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后在0.3 MPa的壓力下進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)過計量橇計量后壓力為3.12～5.30 MPa，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至3.09～5.27MPa后進行外輸。

圖2 現(xiàn)場已建成的不設(shè)脫水設(shè)施單井井口

（3）安全泄放流程。為了防止站場超壓工況的發(fā)生，分別在一級角式節(jié)流閥和二級角式節(jié)流閥后各設(shè)置安全閥1個。一級角式節(jié)流閥后的安全閥定壓為14 MPa，安全閥入口管道通過電伴熱使流體溫度保持在25℃，閥后背壓力為0.28MPa、溫度-5～15℃；二級角式節(jié)流閥后的安全閥定壓為4.0～6.2MPa，安全閥入口管道通過電伴熱使流體溫度保持在25℃，閥后背壓力為0.28 MPa、溫度5～15℃。放空后的頁巖氣進入放空分離器橇，分離出游離水后進入放空火炬（DN150 mm、高20 m）進行焚燒，放空分離器分離出的污水經(jīng)過放空凝液泵增壓至0.4 MPa，輸送至氣田水罐儲存。

（4）污水外運流程。氣田水罐內(nèi)的污水可定期通過裝車鶴管裝車后外運。同時在反排期時，由于井口產(chǎn)出水較多，則在井口氣田水罐旁設(shè)置了兩臺60 m3臨時儲水罐，用于儲存井口產(chǎn)出的反排水。反排水可通過水泵輸至氣田水罐的裝車匯管后裝車外運。同時氣田水罐內(nèi)的污水也可以自流至氣田臨時儲水罐內(nèi)進行儲存。外運污水送至其他井口進行回注。

（5）甲醇加注和緩蝕劑加注流程。為了防止開井期和反排期井口形成水合物而凍堵，設(shè)置了移動式橇裝甲醇加注橇，用于井口的甲醇加注。同時在井口及出站處設(shè)置了加注口，必要時用于加注緩蝕劑以防止管道的腐蝕。

1.4.2 單井井口設(shè)脫水設(shè)施的流程

（1）開井期及反排期。頁巖氣經(jīng)過井口的一級角式節(jié)流閥，壓力從開井期的70 MPa或反排期的42 MPa節(jié)流至12 MPa，同時通過井口注甲醇的方式控制節(jié)流后的溫度比水合物形成溫度高3℃以上，然后經(jīng)過水浴式電加熱器加熱以防止二級節(jié)流后續(xù)操作產(chǎn)生水合物，加熱后的溫度控制在60℃以下，然后經(jīng)過二級角式節(jié)流閥節(jié)流至3.18～5.36 MPa，再通過兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后以0.3MPa的壓力進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)過計量橇計量后，在壓力為3.12～5.30MPa、溫度為2～10℃的情況下進入脫水橇進行低溫脫水，達到外輸水露點要求后在壓力為3.09～5.27MPa、溫度為20℃的情況下外輸。見圖3~4。

圖3 單井開井期和反排期集輸工藝流程示意

（2）正常生產(chǎn)期和生產(chǎn)后期。頁巖氣井進入正常生產(chǎn)期和生產(chǎn)后期后，井口壓力衰減至7 MPa，井口無需一級節(jié)流和加熱，因此井口來的壓力7 MPa、溫度25～50℃的頁巖氣直接進入原二級角式節(jié)流閥，節(jié)流至3.18～5.36 MPa、15～40℃后進入兩相分離器橇進行氣液分離，分離出來的液體經(jīng)過計量后在壓力為0.3 MPa的情況下進入氣田水罐儲存，分離出的氣體經(jīng)過計量橇計量后，在壓力3.12～5.30 MPa、溫度15～40℃的情況下進入脫水橇進行低溫脫水，達到外輸水露點要求后，在3.09～5.27 MPa、20℃的情況下外輸。

圖4 現(xiàn)場已建成的設(shè)脫水設(shè)施的單井井口

（3）脫水流程。進入脫水裝置的頁巖氣壓力為3.11～5.29 MPa、溫度為25℃，首先通過原料氣預冷器預冷至-3℃后，經(jīng)過J-T閥進行節(jié)流，節(jié)流至壓力3.18 MPa、溫度-8.8℃后的低溫流體進入低溫分離器進行氣液分離，分離出的低溫凝液進入井口水浴式電加熱器的另一套加熱盤管，加熱至溫度為5～10℃、壓力為0.3 MPa后進入氣田水罐。低溫分離器分離出的低溫氣體進入原料氣預冷器回收冷量后，在壓力為3.09～5.27 MPa、溫度為20℃的情況下外輸。

安全泄放、污水外運、甲醇加注、緩蝕劑加注、清管通球流程與單井井口不設(shè)脫水設(shè)施流程相同。

1.5 頁巖氣管材和閥門的選擇

（1）高壓管段。當開井操作溫度達到-40℃以上時，設(shè)計壓力為14 MPa的物流進入下游水浴式電加熱器等設(shè)備的管道，該部分管段、閥門及容器材料考慮到低溫影響采用了16 Mn材質(zhì)。

（2）中壓管段。中壓管段的常溫部分、設(shè)計壓力為7.74 MPa的管道材質(zhì)選用L245N，閥門的閥體、閥蓋可選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼，閥內(nèi)構(gòu)件選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼或者不銹鋼。

（3）放空管段。放空管段在實際運行中，溫度會出現(xiàn)驟降，亦按最低設(shè)計溫度-40℃、設(shè)計壓力1.8 MPa來考慮選用16Mn材質(zhì)。

（4）輸送氣田水管材。氣田水管材可選用L245N。閥門的閥體、閥蓋可選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼，閥內(nèi)構(gòu)件可選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼或不銹鋼。

（5）腐蝕裕量的選擇。當管道設(shè)備材料選用碳鋼材質(zhì)時，應(yīng)考慮合適的腐蝕裕量，考慮到富順氣田含砂，腐蝕裕量的選取應(yīng)適當增加，具體的腐蝕裕量選取如下：外輸管道選2 mm，站內(nèi)輸送頁巖氣、氣田水、凝析油和抑制劑的管道輸送選3 mm，輸送低溫天然氣/醇烴液的管道選1.5 mm，放空管道選1 mm。

2 頁巖氣集輸流程設(shè)計應(yīng)注意的問題

2.1 高壓部分彎頭及低溫防護與其他工程設(shè)計的區(qū)別

頁巖氣從采氣樹到分離器，高壓部分含有雜質(zhì)，為解決雜質(zhì)對彎頭的沖蝕，設(shè)計中采用三通加盲板的形式替代90°彎頭（見圖5）。為防止更大的沖擊也可在封頭部分堆積一些硬質(zhì)合金以增加厚度，這樣氣體撞擊封頭后改變流速和方向，避免了對三通的損害。

圖5 現(xiàn)場頁巖氣高壓部分盲端三通和高壓管道防護網(wǎng)

從井口采出的頁巖氣經(jīng)過一級節(jié)流閥后，溫度急速下降，為防止人員凍傷，在管道外邊采用加裝防護網(wǎng)（見圖5）的形式進行安全保護，防護網(wǎng)還有增大管道表面積的作用，有利于和外界進行熱交換。

2.2 采用橇裝設(shè)備以減少投資

開井期和停產(chǎn)期為避免水合物的產(chǎn)生，采用橇裝水合物抑制劑加注設(shè)備（見圖6），在一級節(jié)流閥前加注甲醇，在井口正常期不需要時再把橇裝水合物抑制劑加注設(shè)備運到其他需要的井口。其他橇裝設(shè)備還包括水浴式電加熱器橇、脫水橇、氣田水罐橇等。橇裝設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊占地面積小，減少管道連接等優(yōu)點，當井口不再開采時，還可以移至其他井口繼續(xù)使用。另外采用橇裝設(shè)備可避免重復設(shè)計，同時節(jié)省采購和制造時間。

圖6 頁巖氣臨時橇裝儲水罐和橇裝高架水罐

2.3 國內(nèi)外設(shè)計標準的不同

四川富順區(qū)塊試采TPO FEDD&DDA 8口井項目是由SHELL公司負責開采和銷售的，設(shè)計中需要遵循SHELL公司的設(shè)計要求。SHELL公司有一套完整的DEP標準體系，涵蓋各領(lǐng)域，標準內(nèi)容和國內(nèi)標準相比更細致些。設(shè)計執(zhí)行的標準包括國際標準和DEP標準，設(shè)計要求與國內(nèi)不同之處如下：

（1）應(yīng)用冷彎管時，要求曲率半徑為60 D，而國內(nèi)要求為40 D（D為直徑）。

（2）應(yīng)用熱煨彎頭時，執(zhí)行的DEP標準為31400010_Spec_2013-02_A00，Pipeline Engineering（Amendments/Supplements to ISO 13623: 2009）。

2.4 防止水合物形成的工藝

頁巖氣開井期（2 d）和反排期（8個月）生產(chǎn)時流體溫度低于水合物形成溫度，此時管道內(nèi)會形成水合物，在正常生產(chǎn)期沒有水合物形成。在生產(chǎn)后期僅在冬季（14℃）和夏季（20℃）時需開啟加熱爐稍微加熱（3 kW）即可使流體溫度高于水合物形成溫度3℃以上。圖7、8顯示甲醇注入量與產(chǎn)氣量比例關(guān)系。

甲醇注入采用調(diào)節(jié)泵，根據(jù)井口的壓力、溫度和流量，按比例進行甲醇加注。因開井期壓力在60 MPa以上，因此甲醇加注管道的接頭必須進行特殊加工，比如管道接頭材質(zhì)為SS316，則其壓力等級為15 000 psi（103.44 MPa）。

圖7 產(chǎn)氣量與甲醇注入量趨勢圖（開井期）

圖8 產(chǎn)氣量與甲醇注入量趨勢圖（反排期）

3 集輸工藝流程運行情況

2015年1月工程一次性投產(chǎn)成功，至今各裝置運行正常，證明所采用的頁巖氣集輸工藝技術(shù)和配管設(shè)計是合理可行的。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)能源的需求量日益增加，頁巖氣開發(fā)對能源補充意義重大。由于頁巖氣在中國起步較晚，尚無可參考的規(guī)范和標準，也無經(jīng)驗可借鑒。通過對四川富順區(qū)塊試采的設(shè)計工作，總結(jié)出了一套適合頁巖氣輸送的地面集輸工藝技術(shù)。隨著頁巖氣在國內(nèi)的大規(guī)模開發(fā)，頁巖氣地面集輸技術(shù)對頁巖氣的收集和集輸具有深遠的意義。

[1]黃靜，許言，邊文娟，等.頁巖氣開發(fā)地面配套集輸工藝技術(shù)探討[J].油氣儲運，2013，31（5）：9-11.

Design Research of Surface Gathering and Transportation Process of Shale Gas

LiYan，WuGang
China Liaohe Petroleum EngineerCo.，Ltd，Panjin124010，China

There is not yet an example of shale gas surface process design for reference in China，so forming a set of shale gas surface gathering and transportation technology is badly needed.In this paper，the shale gas wellhead design work of Sichuan Fushun project is described by putting emphasis on the shale gas composition，gathering and transportation process design of shale gas well station，pipeline materials and their selection，matters for attention in the process flow design and the process flow operation state.It provides good experience forfuture large-scale development of shale gas.

shale gas；gathering and transportationprocess；design

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.03.012

李研（1980-），女，山東蓬萊人，工程師，2007年畢業(yè)于中國石油大學（華東）化學工程與工藝專業(yè)，雙學位，現(xiàn)主要從事石油天然氣工程設(shè)計及研究工作。

2014-12-17；

2015-03-24