頁巖氣地面工程標準化設計

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大學石油與天然氣工程學院

梁光川等.頁巖氣地面工程標準化設計.天然氣工業(yè)，2016，36（1）:115-122．

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頁巖氣地面工程標準化設計

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大學石油與天然氣工程學院

梁光川等.頁巖氣地面工程標準化設計.天然氣工業(yè)，2016，36（1）:115-122．

摘 要頁巖氣藏的特殊物性決定了其地面工程建設必須采用非常規(guī)、標準化的技術手段，加之我國頁巖氣藏地面工程設計面臨集輸規(guī)模不確定性強、管網(wǎng)和站場布局適應性差、工藝設備配套難度大及后期需考慮增壓開采等諸多難點，因此要求頁巖氣地面工程建設必須向“標準化設計、模塊化建設、橇裝化配備”的方向發(fā)展。為此，在文獻調(diào)研和技術探索的基礎上，形成了以“標準化井場布局、通用化工藝流程、模塊化功能分區(qū)、橇裝化設備選型、集約化場地設計、數(shù)字化生產(chǎn)管理”為核心的頁巖氣地面工程標準化設計技術；并以國內(nèi)川渝地區(qū)典型頁巖氣田為例，討論其應用背景和地面工藝技術路線，對地面集輸系統(tǒng)進行標準化設計，包括標準化工藝流程、模塊化集輸站場、系列化脫水裝置、集約化平面布置，取得了顯著的效果。建立了靈活、實用、可靠的地面生產(chǎn)體系，完成了叢式井平臺、集氣站、配套工程等一系列標準化工藝及模塊的設計，形成了一套適應于國內(nèi)頁巖氣田地面工程建設的技術體系。

關鍵詞頁巖氣 非常規(guī) 地面工程 集輸系統(tǒng) 地面工藝 標準化設計 叢式井 一體化

頁巖氣是以吸附和游離狀態(tài)同時賦存泥巖及頁巖等地層中的天然氣[1-3]，與致密砂巖氣不同，具有開采壽命長、生產(chǎn)周期長、壓力和產(chǎn)能衰減速率快等特點。頁巖氣單井產(chǎn)量較低，但井口壓力高，部分含氣田水和凝析油。其顯著特點區(qū)別于常規(guī)天然氣的氣藏特征和井口物性參數(shù)，是直接影響地面工藝技術的關鍵，導致其地面工程建設也具有不同于常規(guī)氣田的特殊性[4]。

由于頁巖氣田開采前期與中后期相比，壓力和產(chǎn)量變化較大，地面設備需要一定的適應性，為滿足國內(nèi)頁巖氣規(guī)模化與高效低成本的開發(fā)要求，對頁巖氣地面工程建設采取“標準化設計、模塊化建設”的設計理念和設計手段，采用優(yōu)化簡化的工作模式以適應國內(nèi)頁巖氣田的開發(fā)[5-7]。

1 頁巖氣地面工程設計難點

我國頁巖氣的開發(fā)處于起步階段，目前的開發(fā)思路借鑒了常規(guī)天然氣開發(fā)的模式，地面集輸技術發(fā)展滯后，沒有完整的管理體系，缺少相應的行業(yè)標準，對于地面配套技術的發(fā)展還需經(jīng)過一定的探索階段和經(jīng)驗總結。在進行頁巖氣田地面工程設計時，需考慮以下設計難點。

1.1 集輸規(guī)模不確定性強

頁巖氣田普遍具有初期產(chǎn)量高、后期衰減快速和前后期產(chǎn)量變化較大等顯著特點。美國多個頁巖氣田數(shù)據(jù)表示，頁巖氣單井約80%的產(chǎn)量可在10年內(nèi)開采完，剩余總產(chǎn)量小但產(chǎn)能穩(wěn)定，這不同于常規(guī)天然氣田產(chǎn)量總體比較穩(wěn)定且衰減緩慢的特點[8-9]。因此，地面集輸系統(tǒng)的設計規(guī)模不易確定是設計難點所在。針對頁巖氣田采用的滾動開發(fā)模式，后期新增產(chǎn)能很難準確評估，增加了地面集輸設計規(guī)模的確定難度。

1.2 管網(wǎng)和站場布局適應性差

常規(guī)氣田的地面工程設計，對集輸管網(wǎng)和站場進行規(guī)劃是依據(jù)氣田開發(fā)方案和氣井動態(tài)資料而定，相對容易確定。但頁巖氣田開發(fā)和穩(wěn)產(chǎn)周期內(nèi)產(chǎn)能變化很大，地面集輸規(guī)模和站場布置需進行不斷地調(diào)整以適應產(chǎn)能變化的要求，導致集輸管網(wǎng)和站場布局不易確定，且對長遠期開發(fā)需進行不斷地適應和調(diào)整。

1.3 工藝設備配套難度大

頁巖氣地面工程配套技術的關鍵與氣藏特點緊密相關，為保證生產(chǎn)，頁巖氣田需進行大面積、規(guī)?；_發(fā)并實施“工廠化”連續(xù)作業(yè)，地面工程建設需同時進行緊密匹配。由于頁巖氣開采前后期壓力和產(chǎn)量變化較大，集輸設備的處理量也隨之變化，工藝設備的配套較難固定，需要采用具有一定適應性的設備[10]。因此，采用便于組合和搬遷的橇裝設備，并對地面工藝進行標準化、模塊化設計，可快速調(diào)整以適應站場的處理能力，具有操作彈性。

1.4 后期需考慮增壓

頁巖氣田開采初期井口壓力很高，后期衰減很快，與常規(guī)氣田差距很大。頁巖氣田后期將長時間處于低壓生產(chǎn)的狀態(tài)，考慮增壓開采是難點所在，頁巖氣新井的初期壓力應該合理充分利用[11]。由于氣田壓力和產(chǎn)量的變化，集輸系統(tǒng)的設計規(guī)模和設計壓力也需做相應的調(diào)整，以適應后期壓力變化和平衡各站之間的氣量。

2 頁巖氣標準化設計的核心技術

地面工程標準化設計是一種能夠有效縮短地面工程建設周期、降低投資成本、確保工程質量的優(yōu)化簡化設計方式[12-13]。針對油氣田地面建設中同類型的站場布局、工藝流程和裝置設備，結合地面具體實際情況，進行統(tǒng)一施工標準、規(guī)范工藝流程、裝置模塊劃分的設計工作，形成一套標準化、規(guī)范化、系列化和通用化的設計圖樣。

頁巖氣地面集輸工程標準化設計是根據(jù)“叢式井場—集氣站—中心處理站—外輸”的總工藝流程，以及“高壓采氣、中壓集氣、井口加熱節(jié)流、井叢來氣進站、集中脫水、后期增壓”等地面工藝技術，借鑒美國頁巖氣田地面集輸設計經(jīng)驗和油氣田中采用標準化設計的成功經(jīng)驗，編制出一套適合國內(nèi)頁巖氣田地面集輸工藝的標準化設計方案，以實現(xiàn)頁巖氣田的高效配產(chǎn)和低成本開發(fā)。其核心技術為：標準化的井站布局、通用化的工藝流程、模塊化的功能分區(qū)、橇裝化的設備選型、系列化的裝置組合、集約化的場地設計、數(shù)字化的生產(chǎn)管理。

2.1 標準化的井場布局

根據(jù)開發(fā)頁巖氣所推行的“井工廠”作業(yè)模式，井場設置2～6井式的叢式水平井平臺。針對井場的規(guī)劃和布局，在滿足站場功能、減少占地和節(jié)省投資的基礎上，進行標準化井場布局規(guī)劃，包括各個井場和集氣站的工藝裝置區(qū)的位置、規(guī)模、配套設備以及場地標識，統(tǒng)一進行規(guī)劃和建設[14]，實現(xiàn)一體化組織、流程化作業(yè)、標準化現(xiàn)場。

2.2 通用化的工藝流程

頁巖氣田實行試驗區(qū)塊優(yōu)先開采的原則，并實行整體部署、滾動開發(fā)的方針，在“井工廠”作業(yè)模式下的標準化叢式井場，以實現(xiàn)高效集輸?shù)哪繕耍槍Φ孛婕敼に?，進行通用化的工藝流程設計。針對不同井數(shù)的叢式井平臺，優(yōu)化、簡化井場和集氣站的工藝流程，并使井場和集氣站具有統(tǒng)一的工藝流程和建設規(guī)模，設備選型一致，便于后期的規(guī)劃和管理。

2.3 模塊化的功能分區(qū)

為實現(xiàn)高效配產(chǎn)、降低施工周期、節(jié)省投資成本，根據(jù)井場及集氣站的標準化流程，進行集輸站場模塊化設計，將各個叢式井平臺和集氣站按照功能分區(qū)劃分為獨立的模塊，且劃分的模塊具有通用性，可實現(xiàn)標準化的小型模塊化管理，也有利于設計圖紙的模塊化組合。另外，還可采用三維軟件對站場模塊進行三維配管優(yōu)化設計[15]。

2.4 橇裝化的設備選型

頁巖氣開發(fā)的地面配套工藝技術關鍵點與氣藏特點緊密相關。橇裝化設備具有小型、便于組合、適應搬遷等特點，針對頁巖氣田前后期壓力和產(chǎn)量變化較大的顯著特征，建設橇裝化可移動的地面設施是適應頁巖氣田開發(fā)的一種有效手段[16]。對叢式井場和集氣站的所有工藝設施最大限度地采用橇裝化設備，實現(xiàn)工藝設備的高效利用。對橇裝化設備選型，使用統(tǒng)一標準的管閥配件、外形尺寸和技術參數(shù)，為規(guī)?；牟少彽於ɑA。

2.5 系列化的裝置組合

頁巖氣田地面集輸設計規(guī)模不易確定，可設計系列化的工藝處理裝置，例如設定規(guī)模為10×104t/a、15×104t/a、30×104t/a的單體工程，再根據(jù)產(chǎn)量變化情況和處理介質范圍分期實施、靈活組合、裝置成列設置，可有效降低建設成本并滿足長遠期的集輸規(guī)劃要求，是適合頁巖氣田地面工程建設的關鍵技術，應大力發(fā)展。

2.6 集約化的場地設計

堅持“綠色低碳”的發(fā)展理念，對場地設計采用集約化原則，集中建產(chǎn)，合理利用資源，合理規(guī)劃地面建設，最大限度地高效使用集輸工藝設備設施，以實現(xiàn)地面工程建設的低投入、低消耗、高產(chǎn)出。并對所有站場的場地設計進行標準化建設和管理，包括站場標識、路面結構、平面布置、道路建設，實現(xiàn)與周圍環(huán)境的和諧發(fā)展[17]。

2.7 數(shù)字化的生產(chǎn)管理

實現(xiàn)對頁巖氣田的自動化、信息化和現(xiàn)代化管理，提高安全生產(chǎn)管理水平，降低人工成本。數(shù)字化油氣田建設已經(jīng)成為油氣田勘探開發(fā)的配套工程，有利于協(xié)同工作提高效率、運行監(jiān)控優(yōu)化生產(chǎn)、改善HSE、降低生產(chǎn)成本提高投資回報率、積淀資產(chǎn)和知識。建立綜合數(shù)據(jù)庫、信息化管理平臺、完整性管理系統(tǒng)、三維可視化展示系統(tǒng)，實現(xiàn)地面集輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控，實現(xiàn)地面工程全生命周期管理的“一體化”管理和輔助決策平臺。

3 標準化設計在國內(nèi)頁巖氣田地面工程的應用

3.1 國內(nèi)頁巖氣地面工程標準化設計背景

川渝地區(qū)頁巖氣田勘探開發(fā)進程遠遠領先于國內(nèi)其他地區(qū)，其在借鑒吸收國外頁巖氣田成功經(jīng)驗的基礎上，廣泛采用當前較為先進的標準化設計方法，開展對頁巖氣田標準化設計的理念學習和方法研究，全面推行頁巖氣田地面工程“標準化＋模塊化＋橇裝化”設計，形成一套適應國內(nèi)頁巖氣田的體系，完成了叢式井平臺、集氣站、配套工程等一系列標準化工藝及模塊的設計，對國內(nèi)未來頁巖氣田的技術發(fā)展具有重要意義，也將作為國內(nèi)頁巖氣資源低成本、大規(guī)模開發(fā)的典范。下面將以川渝地區(qū)某頁巖氣田為例，詳細闡述標準化設計在頁巖氣地面工程的應用。

根據(jù)頁巖氣項目部對頁巖區(qū)域產(chǎn)能建設的總體規(guī)劃和要求，地面工程標準化設計在滿足區(qū)域地質條件和頁巖氣物性參數(shù)的基礎上，進行總體設計和分期滾動建設，遵從滿足一期、兼顧后期、上下游統(tǒng)籌規(guī)劃的原則，強調(diào)安全、環(huán)保、高效的理念，結合氣田區(qū)塊的實際條件進行地面工程標準化設計，以實現(xiàn)頁巖氣田地面工程占地集約化、流程標準化、裝置系列化、設備通用化、單體橇裝化、管理信息化的整體標準化建設。

3.2 頁巖氣地面工程技術路線

3.2.1 集輸流程

井口天然氣通過采氣管線輸送到集氣站，經(jīng)兩級加熱、兩級節(jié)流、計量分離后出站，再經(jīng)集氣支線進入集氣干線，再輸送至中心處理站進行集中分離、加熱、TEG脫水處理，干氣計量后由進天然氣分公司輸配站外輸。

3.2.2 集輸工藝

采用濕氣輸送工藝，通過集氣站加熱天然氣防止天然氣水合物生成，同時集氣站預留注醇接口。井口采用除砂工藝，采用輪換式計量。集氣站內(nèi)污水進高架水罐后車運至二級供水泵站回用，集輸管網(wǎng)中設置注醇設施和清管設施。集輸站場工藝設備采用橇裝式和模塊化設計，工藝流程采用標準化流程設計。

3.2.3 集輸管網(wǎng)

根據(jù)氣藏分布和開發(fā)部署方案，為適應頁巖氣田壓力變化的不確定性，推薦采用“輻射＋環(huán)形”管網(wǎng)布局方式。該方式整體安全性好，靈活度較高，符合氣田情況，特別是可有效的平衡脫水站之間的氣量，符合頁巖氣田開發(fā)的長遠規(guī)劃。

3.3 標準化工藝流程設計

在井場和集氣站場均采用標準化流程，實現(xiàn)一體化組織、流程化作業(yè)、標準化現(xiàn)場。針對各平臺井位部署情況，設置2井式、4井式、5井式、6井式標準化集氣站。站場工藝標準化流程框圖如圖1所示。

圖1 井口集氣工藝流程框圖

3.3.1 2井式平臺標準化流程

2井式集氣站設備按單列配置，即井口來氣→加熱→分離→計量，1口井配套1套處理設備。站內(nèi)加熱爐為雙盤管，加熱負荷為200 kW；設置2具管徑為800 mm的計量分離器用于氣液分離和計量。2井式井口及集氣站標準化流程見圖2。

3.3.2 4井式、6井式

4井式、6井式井口部分的流程相似，不同的是4井式采用2臺400 kW四盤管加熱爐，6井式采用3 臺400 kW四盤管加熱爐。4井式和6井式均設置一套計量分離器（管徑為800 mm），負責單井的計量；設置一套生產(chǎn)分離器（管徑為1 200 mm），用于其他井的氣液分離。4井式和6井式井口及集氣站標準化流程見圖3。

圖3 4井式、6井式集氣站標準化流程圖

3.4 模塊化集輸站場設計

為實現(xiàn)高效配產(chǎn)，降低施工周期，節(jié)省投資成本，標準化井場設計均采用通用化模塊和橇裝化模塊。叢式井場來氣進入站內(nèi)來氣匯集模塊，根據(jù)壓力大小考慮是否增壓，再進行氣液分離、天然氣計量后輸至脫水站處理。站場流程根據(jù)功能需要選擇工藝模塊進行組合，集氣站模塊化工藝流程如圖4所示。

根據(jù)井口及集氣站標準化流程，將井口、集氣站中相同的部分劃分為模塊，每個功能分區(qū)做成獨立的、標準的小型模塊，各模塊之間相互獨立，通過管網(wǎng)連接，利于設計圖紙的模塊化組合和施工預制。井口及集氣站部分共劃分為井口安裝、除砂器、加熱爐、計量分離器、生產(chǎn)分離器、注醇、燃氣調(diào)壓、增壓組、污水罐、匯管、發(fā)球筒等11個模塊，其中加熱爐、分離器、注醇為采用橇裝，對所有模塊進行三維配管設計。井場工藝模塊劃分及功能分區(qū)如表1所示。

圖4 集氣站模塊化流程框圖

表1 井口、集氣站工藝模塊劃分表

3.5 系列化脫水裝置設計

脫水站工藝流程：集氣站來氣通過集輸管線管輸至脫水站后進行凈化處理，脫水采用TEG脫水裝置。天然氣首先進入過濾分離裝置，盡可能除去可能攜帶的游離液體和機械雜質，然后進入加熱爐加熱到20 ℃，再進入脫水裝置，經(jīng)脫水裝置脫水后的干凈化氣經(jīng)調(diào)壓計量之后輸送到用戶。

定型的單體處理裝置通過組裝、拼接就可以形成不同類型、不同規(guī)模的系列化處理裝置。脫水站的脫水裝置成列設置，主要設備全部橇裝化，根據(jù)產(chǎn)量情況分期實施，靈活組合，脫水裝置采用15×108m3/a和40×108m3/a這2個處理規(guī)模進行裝置組合系列化設計。

總處理規(guī)模15×108m3/a的脫水站，建立2列脫水裝置進行組合使用。建立10×108m3/a脫水裝置1列，再預留10×108m3/a脫水裝置1列，具體配置見圖5。

根據(jù)總體規(guī)劃方案，擴大處理規(guī)模后，40×108m3/a脫水站的裝置配置采用10×108m3/a的脫水系列。采用3列10×108m3/a的脫水裝置進行組合，預留1列10×108m3/a的脫水裝置，配置見圖6。自投入運行以來，脫水工藝水露點可達到-17 ℃。

圖5 15×108m3/a脫水站標準化流程圖

圖6 40×108m3/a脫水站標準化流程圖

3.6 集約化場地平面布置

國內(nèi)川渝地區(qū)頁巖氣田吸取國外經(jīng)驗，實現(xiàn)集約化場地設計，集中建產(chǎn)，合理規(guī)劃，減少占地，保護環(huán)境。針對“井工廠”叢式井場的井位平面圖，根據(jù)鉆井、試氣運行要求，在滿足規(guī)范要求下，提出了井場＋集氣站合建區(qū)域布置圖（“L”形和矩形）。井場與集氣站合建可以有效地減少占地面積，降低井場和集氣站的管理難度。

頁巖氣田集氣站場屬于五級站場，所以總平面布置時工藝裝置防火間距按五級站場設計，并根據(jù)生產(chǎn)工藝特點、火災危險性等級、功能要求，結合地形、風向等條件確定。標準化集氣站平面布置見圖7、8。

圖7 2×2、2+2井場及集氣站布局圖

圖8 2×3、3+3井場及集氣站布局圖

3.7 標準化設計成效

通過推行川渝地區(qū)頁巖氣田地面工程標準化設計工作，針對非常規(guī)氣田以打破常規(guī)、創(chuàng)新模式的設計原則，進行設計時采用“工程服從地質、地面服從地下；地質兼顧工程、地下兼顧地面”的指導思想，力求做到地面工程與勘探開發(fā)的一體化。

目前，該頁巖區(qū)塊已全面建立了“井工廠”的鉆井平臺，采用工廠化的作業(yè)模式，標準化的集氣站建設隨鉆井平臺擴展。已建連接平臺、集氣站和脫水站的集輸管網(wǎng)，采用“輻射＋環(huán)狀”集氣管網(wǎng)，新建的集氣管網(wǎng)輸氣能力達到50×108m3/a。整體頁巖區(qū)塊地面集輸工程采用“采氣叢式井場—集氣站—脫水站”的兩級布站模式。形成了標準化、橇裝化的采氣集輸流程，整套采氣、集輸流程采用二級降壓、二級脫水工藝，由8個獨立功能標準化模塊組合而成。用“少用地多辦事，少占地建示范區(qū)”的原則，單井土地征用面積節(jié)約30%以上。同時，氣田全力推進“四化”建設，增強工程技術的可復制性和可推廣性，按照標準化設計、標準化施工、標準化采購、信息化管理，編制形成一系列標準化建設規(guī)范和技術要求。

4 結論與建議

1）我國頁巖氣開發(fā)與集輸技術已經(jīng)取得了一定的進展，但與國外相比還存在很大的差距，且沒有形成相關完整的體系。我國頁巖氣田吸取國外頁巖氣開采經(jīng)驗，堅持“綠色低碳”的發(fā)展理念，重視生態(tài)環(huán)境保護，建立青山綠水工程。采用“叢式井”設計、“井工廠”施工模式、“標準化”站場設計及施工后復耕等措施，大幅降低土地征用面積，節(jié)約單井征地面積，切實保護了周圍的綠水青山，保護當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

2）推行頁巖氣地面工程標準化設計，創(chuàng)新了頁巖氣田地面設計理念，是適應頁巖氣田特殊性和地面建設的需要。以破除大而全、小而全為設計原則，以建立靈活、實用、可靠的地面生產(chǎn)體系為原則，地上地下統(tǒng)籌優(yōu)化，體現(xiàn)了優(yōu)質、高效、安全、超前的工程建設理念，也是大規(guī)模油氣田地面建設的發(fā)展趨勢。國內(nèi)頁巖氣地面集輸工程技術將向占地集約化、流程標準化、裝置系列化、設備通用化、單體橇裝化和管理信息化的方向發(fā)展。

參 考 文 獻

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（修改回稿日期 2015-11-09 編輯 何 明）

Standardized surface engineering design of shale gas reservoirs

Liang Guangchuan, Yu Yuhang, Peng Xingyu
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.115-122， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Due to the special physical properties of shale gas reservoirs, it is necessary to adopt unconventional and standardized technologies for its surface engineering construction. In addition, the surface engineering design of shale gas reservoirs in China faces many difficulties, such as high uncertainty of the gathering and transportation scale, poor adaptability of pipe network and station layout, difficult matching of the process equipments, and boosting production at the late stage. In view of these problems, the surface engineering construction of shale gas reservoirs should follow the principles of “standardized design, modularized construction and skid mounted equipment”. In this paper, standardized surface engineering design technologies for shale gas reservoirs were developed with the “standardized well station layout, universal process, modular function zoning, skid mounted equipment selection, intensive site design, digitized production management” as the core, after literature analysis and technology exploration were carried out. Then its application background and surface technology route were discussed with a typical shale gas field in Sichuan-Chongqing area as an example. Its surface gathering system was designed in a standardized way, including standardized process, the modularized gathering and transportation station, serialized dehydration unit and intensive layout, and remarkable effects were achieved. A flexible, practical and reliable ground production system was built, and a series of standardized technology and modularized design were completed, including cluster well platform, set station, supporting projects. In this way, a system applicable to domestic shale gas surface engineering construction is developed.

Keywords:Shale gas; Unconventional; Surface engineering; Gathering system; Surface technology; Standardized design; Cluster wells; Integration

作者簡介：梁光川，1972年生，教授，博士；長期從事油氣地面集輸工藝優(yōu)化、天然氣地下儲氣庫優(yōu)化、油氣管道輸送理論及技術研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學石油與天然氣工程學院。電話：13981827236。ORCID:0000-0002-3346-6021。E-mail:lgcdjr@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.015