我國頁巖氣集輸系統(tǒng)的設計

馬國光，李曉婷，李　楚，羅　陽，鄭　勁，谷英杰.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都60500.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒84000.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘06550

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我國頁巖氣集輸系統(tǒng)的設計

馬國光1，李曉婷1，李楚2，羅陽3，鄭勁1，谷英杰1
1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500
2.大慶油田工程建設有限公司巴州建材分公司，新疆庫爾勒841000
3.中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司，河北任丘062550

摘要：我國對頁巖氣的開發(fā)目前尚處在初期階段。頁巖氣開發(fā)具有在開發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)量無規(guī)律，生產(chǎn)參數(shù)不固定，開采初期井口壓力高，但在短時間內(nèi)迅速衰減等特點，地面集輸系統(tǒng)為了適應產(chǎn)能的變化需要不斷地進行動態(tài)調(diào)整，這導致頁巖氣地面集輸管網(wǎng)與站場的布置不易確定。借鑒北美頁巖氣開發(fā)的地面集輸技術(shù)，針對我國頁巖氣田地面工程的具體情況，分析了頁巖氣的特點，介紹了布站形式、管網(wǎng)設計、井組劃分與布站等關(guān)于頁巖氣地面工程的總體布局方式，論述了井口工藝、集氣站工藝、處理廠工藝的地面集輸系統(tǒng)的設計方法等。

關(guān)鍵詞：頁巖氣開發(fā)；地面集輸系統(tǒng)；設計

根據(jù)體積法的估算結(jié)果，我國頁巖氣資源量高達2.6～3.1萬億m3，與美國的儲量2.83萬億m3大致相當，經(jīng)濟價值巨大［1］。美國頁巖氣地面集輸系統(tǒng)的投資成本僅占總體投資的11％，而我國的投資成本卻占總體投資的13％。國內(nèi)頁巖氣處理成本比國外要高很多，這主要是由于國內(nèi)頁巖氣處理工藝技術(shù)的不成熟造成的，因此開展頁巖氣地面集輸系統(tǒng)的設計研究有著重要的意義及價值。

1　頁巖氣的特點

在北美，頁巖氣田集輸系統(tǒng)的主要構(gòu)成是：單井（井組）-井場-集氣站（增壓站）-中心處理站。頁巖氣經(jīng)井口節(jié)流降壓后通過采氣管道匯聚到相應井場，在井場進行除砂、氣液分離后進入相應集氣增壓站進行二次氣液分離、增壓，從集氣增壓站出來的頁巖氣輸入中心處理站增壓、脫水，大部分頁巖氣經(jīng)過計量后外輸，一部分頁巖氣用作氣舉氣返輸至井場［2- 6］。

從北美頁巖氣開發(fā)的地面集輸技術(shù)分析可知，頁巖氣開發(fā)具有在開發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)量無規(guī)律，生產(chǎn)參數(shù)不固定，開采初期井口壓力高，但在短時間內(nèi)迅速衰減等特點［7］。地面集輸系統(tǒng)為了適應產(chǎn)能的變化需要不斷地進行動態(tài)調(diào)整，這也導致頁巖氣地面集輸管網(wǎng)與站場的布置不易確定。

由于氣量的不確定性變化，因此在工藝設備設計方面需要進行模塊化設計，通過對相關(guān)設備的模塊化設計來調(diào)整站場的處理能力，以適應氣田產(chǎn)量的變化。同時在氣田開發(fā)時，制訂分批開發(fā)的方案，通過對模塊化設備的拆減、組裝或移動等對新開發(fā)的氣井進行處理，提高了地面工藝系統(tǒng)的效率，節(jié)約了成本。

2　頁巖氣地面工程總體布局

2.1布站形式

在總體布局上，根據(jù)頁巖氣田區(qū)塊的幾何形狀以及布井規(guī)律，站場的布局形式可多種多樣，通常頁巖氣田采用的布站形式是一級布站、一級半布站和二級布站［8］。

一級布站只設有處理廠，其壓力波動大，管件設備簡單，占地面積小，便于集中管理，比較經(jīng)濟。一級半布站設有閥組及處理廠，其壓力波動適中，但需設置閥組，且不適宜氣量較大的氣田。二級布站的井場與外輸管道間設有集氣站和處理廠，其壓力波動小，分級處理效果好，且處理量較大。

對于集氣量較大的氣田，由于開采后期氣量及壓力衰減較快，不適宜采用直接進入處理廠進行處理或閥組集氣的方式。為了避免壓力波動和滿足集氣要求，需設置集氣站進行集氣，若頁巖氣含硫量較高而需在處理廠進行凈化處理的，推薦采用二級布站形式。

2.2管網(wǎng)設計

（1）管網(wǎng)形式。頁巖氣田的集氣管網(wǎng)有放射狀管網(wǎng)、枝狀管網(wǎng)、環(huán)狀管網(wǎng)及組合式管網(wǎng)等。

放射狀管網(wǎng)的單井裝置簡單，生產(chǎn)、管理費用低，但在輸送酸性頁巖氣時，管道內(nèi)腐蝕較為嚴重，安全性差，適合于氣井相對集中或面積較小的頁巖氣氣田［9］。枝狀管網(wǎng)可在單井上進行氣液分離，有利于降低管路壓損，減輕腐蝕，但單井站場設備多，投資較大，適合于氣藏面積狹長且井網(wǎng)距離較大的氣田。環(huán)狀管網(wǎng)的集氣站就近通過集氣干線與下游處理廠相連通，具有靈活性，但工程總投資較大，只適用于區(qū)域面積大、氣井分布較分散的大型頁巖氣氣田開發(fā)。組合式管網(wǎng)可由以上三種管網(wǎng)形式任意組合而成，依據(jù)具體氣田特征決定，可適用于不同的場合，但投資較大。

（2）管材選擇。合理選擇管材是使工程設計經(jīng)濟合理的關(guān)鍵，頁巖氣單井產(chǎn)量中等，壓力高，含硫化氫、二氧化碳等酸性組分，在選擇管道時應著重考慮管道的承壓及防腐性能。根據(jù)GB/T 8163- 2008《輸送流體用無縫鋼管》的規(guī)定，管道可選用無縫鋼管和焊接鋼管。焊接鋼管分為螺旋埋弧焊鋼管、直縫高頻電阻焊鋼管和直縫埋弧焊鋼管。

無縫鋼管沒有焊縫，不易產(chǎn)生溝狀腐蝕問題，但大口徑無縫鋼管的生產(chǎn)成本較高，適用于口徑較小、輸送氣質(zhì)較差的場合。螺旋埋弧焊鋼管（SSAW）價格較低，容易更換規(guī)格，但輸送酸性頁巖氣時會損壞埋弧焊縫，適合用于微含硫氣田的集氣管道上。直縫埋弧焊鋼管（LSAW）可以有條件地輸送潮濕的酸性頁巖氣，也可生產(chǎn)厚壁管，適用于超高壓管，但設備投資大，鋼管價格較高，適用于輸氣量大、管徑大、安全性要求較高的場合［10］。無縫鋼管和焊接鋼管各有其優(yōu)缺點，一般直徑200 mm及以下的管道宜采用無縫鋼管，直徑200 mm以上的管道宜采用直縫埋弧焊鋼管。

2.3井組劃分及布站

（1）井組劃分。井組劃分的目的就是確定井場與集氣站之間的最佳隸屬關(guān)系，即在一定的井式和集輸半徑的約束下，把各氣井劃分為隸屬于各自集氣站的井組，以使氣井到集氣站的距離最短。

對于產(chǎn)量較大的單井，井式可設為6～10口井；對產(chǎn)量較小的單井，井式可設為11～16口井，但最多不宜超過20口井。根據(jù)GB 50350- 2005《油氣集輸設計規(guī)范》中的規(guī)定，單井集氣管道不宜超過5 km，即集輸半徑為5 km，否則管道中氣液混輸?shù)膲毫递^大，降低了管道的輸送能力。

（2）布站。根據(jù)頁巖氣氣田的井組劃分可確定集氣站及處理廠的數(shù)量，在確定集氣站和處理廠的位置時，可以使用最優(yōu)化方法對每個集氣站和處理廠的位置進行優(yōu)化設計。

集氣站位置優(yōu)化主要是以各集氣站與氣井間的加權(quán)距離之和F最短為目標函數(shù)，來優(yōu)選各集氣站位置的［11］。其基礎數(shù)學模型為：

式中：n為某集氣站的氣井數(shù)量；Li為第i井到集氣站的距離，km；ωi為加權(quán)系數(shù)，由于本設計單井產(chǎn)量相同，因此設定加權(quán)值均為1；R為集氣站集輸半徑，km，根據(jù)集輸設計規(guī)范，一般設定為5 km。

處理廠位置優(yōu)化是在集氣站位置優(yōu)化完成后，以各集氣站及S點（外輸點）與處理廠的管道造價F′最小為目標函數(shù)，來優(yōu)選各處理廠位置的。其基礎數(shù)學模型為：

式中：n′為處理廠所管轄的集氣站數(shù)量；L′i為第i集氣站到處理廠的距離，km；ηi為單位長度管道的費用，元/m，集氣管道為160元/m，外輸管道為180元/m；R′為處理廠集輸半徑，km，一般為5km。

3　地面集輸系統(tǒng)

3.1井口工藝

（1）單井氣體輸送方式。單井氣體輸送方式分為分輸和混輸。分輸方式為氣液分別外輸，壓力波動小，但站場數(shù)量多，流程較復雜，投資及運行費用高，適用于氣井距集氣站較遠，且產(chǎn)液量較多的氣井?；燧敺绞綖闅庖阂煌廨?，站場設施少，操作簡單，管理方便，節(jié)省投資，但氣體壓力波動大，不適合地形起伏大的地區(qū)［12］。

頁巖氣氣田一般含液量不大，推薦選用混輸?shù)姆绞綄尉畾庖夯燧斨良瘹庹荆蠼?jīng)集氣站氣液分離后，將液體儲存在儲罐內(nèi)，再采用車運的方式將其輸送至污水處理廠進行處理，最后，氣體經(jīng)外輸送至處理廠。

（2）抑制水合物生成。頁巖氣氣田的井口壓力較高，在節(jié)流降壓過程中會降低氣體的溫度，容易生成水合物堵塞管道，因此在井口處還需考慮抑制水合物的生成。常用的防止水合物生成的方法有兩種，即加熱和注入抑制劑。

井口直接加熱是對氣井產(chǎn)出的頁巖氣進行加熱，保證井口節(jié)流和輸送過程中頁巖氣最低溫度高于水合物形成溫度5℃以上。注水合物抑制劑通常采用柱塞計量泵向頁巖氣中注入抑制劑，廣泛使用的頁巖氣水合物抑制劑主要有甲醇、乙二醇、二甘醇等。由于注醇不適用于產(chǎn)水量大的氣井，且在井口設置水套加熱爐，工藝較為簡單，站場操作管理方便并且運行費用較低，故推薦采用直接加熱法。

考慮到頁巖氣含砂的特性，頁巖氣從井口出來后先經(jīng)過濾器進行除砂，除砂后進入加熱爐，然后經(jīng)過節(jié)流后進入加熱爐加熱后外輸。井口工藝流程示意見圖1。

圖1　井場工藝流程示意

3.2集氣站工藝

集氣站主要功能是對各氣井輸送來的頁巖氣分別進行節(jié)流，然后集中分離、計量后集中輸入集氣管道［13］。集氣站工藝過程主要由匯集工藝、計量分離工藝、清管工藝和增壓工藝組成。

（1）匯集、計量分離工藝。在頁巖氣生產(chǎn)初期，頁巖氣中幾乎不含有凝析油，但是隨著開采的進行，頁巖氣的氣質(zhì)會產(chǎn)生變化，并會產(chǎn)生一定量的凝析油，因此需在集氣站處設置分離器對頁巖氣中的凝析油及其污水進行分離。為了便于氣藏管理者掌握各氣井生產(chǎn)動態(tài)，需要計量每口氣井的產(chǎn)氣量、產(chǎn)液量，氣井計量主要有兩種計量方式，即單井連續(xù)計量和多井輪換計量。

單井連續(xù)計量是在單井站設有兩相和三相分離器，將油、氣、水基本完全分離，工藝流程繁雜，投資高，常用于氣田開發(fā)初期的試采井、距集氣站較遠的氣井對氣體進行計量。多井輪換計量是通過對各井來氣輪換進入單井分離計量裝置，實現(xiàn)對各單井的間隙計量，單井資料錄取準確度低，站場工藝流程簡單，分離計量設備少，投資較節(jié)省。因此應根據(jù)不同頁巖氣田的地形、分散度及氣量來確定合理的計量方式。

（2）增壓工藝。在頁巖氣的開發(fā)后期，氣井壓力會逐漸降低，需設置增壓設備進行增壓［14］。壓縮機有往復式壓縮機、離心式壓縮機和螺桿式壓縮機。往復式壓縮機壓比大，效率高，能耗低，加工方便，對材料要求低，造價低廉，因此頁巖氣增壓推薦選用往復式壓縮機。往復式壓縮機驅(qū)動方式有電驅(qū)和燃驅(qū)兩種，對于凈化后的頁巖氣，驅(qū)動方式推薦采用燃驅(qū)，并采用水冷的方式進行冷卻。集氣站的工藝流程示意見圖2。

4　結(jié)束語

頁巖氣田具有初期產(chǎn)量較高，而后期快速衰減的顯著特征，且不同頁巖氣田產(chǎn)能差異非常大，甚至同一頁巖氣田不同區(qū)塊產(chǎn)能差異都很大。因此在設計頁巖氣的地面集輸系統(tǒng)過程中，需要注意以下幾點：

（1）所有設備都應盡量橇裝化，對于集氣量較大氣田，為了避免壓力波動和滿足集氣要求，需設置集氣站進行集氣，推薦采用二級布站形式。

（2）在進行集氣站和處理廠的布置時，可以使用井組劃分和最優(yōu)化方法對集氣站和處理廠的數(shù)量和位置進行優(yōu)化設計。

（3）在井口工藝中應考慮除砂和抑制水合物的生成問題，在集氣站內(nèi)需設置增壓設備以適應頁巖氣開采后期的壓力衰減問題，在脫酸過程中應根據(jù)頁巖氣的氣質(zhì)特性選用不同化學溶劑進行脫硫，對于對水露點要求不高的氣田可采用三甘醇工藝脫水。

圖2　集氣站工藝流程示意

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Design of Shale Gas Gathering and Transportation System in China

MAGuoguang1，LIXiaoting1，LIChu2，LUO Yang3，ZHENG Jin1，GU Yingjie1
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China
2. Building Materials Company，Daqing Oilfield Engineering Construction Company Limited，Korla 841000，China
3. North China Company of China Petroleum Engineering，Co.，Ltd.，Renqiu 062550，China

Abstract：Shale gas development in China is at the initial stage. Shale gas development has the features such as irregular output during development period，variable production parameters，well pressure from high level at early stage dropping rapidly within short time period. So，surface gathering and transportation system need adjusting continuously in order to adapt to variable production ability，which leads to the problem of difficult determination of pipeline network and station layout. This paper analyzes the shale gas characteristics，and describes the general layout of shale gas gathering and transportation system in aspects of station layout pattern，pipeline network design，well group partition and station layout by drawing on the experience in the surface gathering technology of the North American shale gas development and according to the specific situation of China shale gas field surface engineering. It discusses the design methods of surface gathering and transportation system with regard to wellhead process，gathering station process and treatment plant process.

Keywords：shale gas development；surface gathering and transportation system；design

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.018

作者簡介：

馬國光（1964-），男，四川巴中人，副教授，2012年畢業(yè)于西南石油大學油氣儲運工程專業(yè)，博士，現(xiàn)主要從事天然氣的集輸與處理和LNG技術(shù)的教學及研究工作。

Email：swpimgg@126.com

收稿日期：2015- 11- 25