川頁巖氣田試采放空氣回收利用工藝技術(shù)探討

摘?要：南川頁巖氣田在勘探開發(fā)前期壓裂試氣放噴過程中有大量的放空頁巖氣被火炬燃燒，若不能對這部分頁巖氣進(jìn)行有效回收利用，不僅造成資源浪費，也會產(chǎn)生一系列問題。本文著重探討壓裂試氣放噴求產(chǎn)過程中頁巖氣的回收利用，針對南川頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)狀，利用移動回收式設(shè)備處理成CNG，通過CNG槽車轉(zhuǎn)運，回注進(jìn)入輸氣管網(wǎng)，從而達(dá)到回收利用的目的。該工藝技術(shù)可充分釋放外圍邊遠(yuǎn)零散井產(chǎn)能，提高氣藏采收率，降低放空帶來的安全隱患，減少環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：南川頁巖氣；放噴氣回收；CNG轉(zhuǎn)運回注

頁巖氣新井壓裂試氣求產(chǎn)時間長，且在氣田產(chǎn)能建設(shè)初期，地面集輸系統(tǒng)受地勢影響，管網(wǎng)建設(shè)滯后于新井試氣投產(chǎn)，外圍邊遠(yuǎn)零散區(qū)塊井集輸管網(wǎng)不能及時鋪設(shè)到位且存在單井銷售利用不暢等問題，致使頁巖氣井在試氣求產(chǎn)階段點火放空處理，不僅造成頁巖氣資源浪費，也會產(chǎn)生一系列安全隱患和環(huán)境污染問題，因此，急需對放空頁巖氣進(jìn)行回收利用，真正做到“顆粒歸倉”［1］。

1?南川頁巖氣田放噴工藝概況

頁巖氣新井經(jīng)過壓裂、鉆塞后，試采放噴流程主要通過井口依次進(jìn)入對應(yīng)壓力級別的補屑器、油嘴管匯臺、試采一體化管匯撬，針對放噴初期出液量大、含砂量高的問題，放噴前三天不經(jīng)分離器直接進(jìn)行排液放空，三天后則進(jìn)入氣水兩相分離器，進(jìn)行氣液分離、氣體計量、除砂后，井內(nèi)攜液氣體通過放噴管線進(jìn)入放噴池在火炬處點火燃燒，測試倒換制度在地面進(jìn)行，通過調(diào)換管匯臺的油嘴大小、分離器孔板大小進(jìn)行工作制度倒換，錄取系統(tǒng)測試資料。

隨著南川頁巖氣產(chǎn)能建設(shè)的快速提升，井工廠模式的不斷成熟應(yīng)用，對試氣放噴工藝也提出了更高的要求，試氣放噴工藝要做到快速放噴排液快速投產(chǎn)進(jìn)入管網(wǎng)，隨之而來的各類風(fēng)險不斷提升、工藝流程也更為復(fù)雜；頁巖氣井放噴排液初期氣體瞬時流量大，最大瞬時流量可達(dá)5000?Nm3/h以上；出液量大，含砂量高，且液性復(fù)雜包含壓裂液、返排液、地層水，需要完全回收，流程中需多級氣液分離；地層出砂易造成地面流程、設(shè)備沖蝕穿孔、泄漏，危險系數(shù)極高；出液大條件下投產(chǎn)易出現(xiàn)因分離效果不好導(dǎo)致管網(wǎng)進(jìn)液腐蝕管網(wǎng)、輸壓增大［24］。

2?試采放空氣回收工藝篩選

目前，國內(nèi)放空天然氣回收利用技術(shù)主要包括以下幾大類［5］：壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、吸附天然氣（ANG）、水合物（NGH）、天然氣發(fā)電（GTW）、溴化鋰直燃機等?；厥蘸蟮闹饕媚Ｊ街饕兄苯釉鰤汉筝斔偷秸緝?nèi)（地面集輸系統(tǒng)、管網(wǎng)建設(shè)提前鋪設(shè)）、在井場加工成CNG、LNG后外銷、經(jīng)井口移動壓縮機壓縮至CNG槽車轉(zhuǎn)運到回注點回注管網(wǎng)等?？紤]到南川頁巖氣田產(chǎn)能建設(shè)現(xiàn)狀，試氣求產(chǎn)放空氣遠(yuǎn)離城市配備有外輸系統(tǒng)且沒有低壓氣用戶，同時試氣求產(chǎn)周期較短，選擇移動式、壓縮比高、瞬時排量高、流程簡單的移動壓縮機工藝回收放空氣，試氣求產(chǎn)放空流程工藝可對天然氣初步凈化，滿足壓縮氣質(zhì)要求。本文主要探討井口移動壓縮機CNG槽車回收回注工藝技術(shù)。

3?試采放空氣回收工藝設(shè)計

3.1?回收系統(tǒng)壓力設(shè)計

試氣放噴求產(chǎn)流程中，井口來氣經(jīng)過油嘴管匯臺降壓、調(diào)節(jié)截流后進(jìn)入氣液兩相分離器，南川頁巖氣工區(qū)分離器應(yīng)用壓力普遍為6.3MPa。根據(jù)如圖1所示的流量與油嘴節(jié)流降壓之間的關(guān)系曲線，結(jié)合南川頁巖氣田試氣測試制度，判斷經(jīng)過高壓管匯臺二級降壓和分離器后放空壓力不大于1.5MPa［6］，所以選取進(jìn)氣壓力為0.3～1.5MPa的車載式壓縮機為回收工藝系統(tǒng)的起點壓力。

CNG槽車的工作壓力為25MPa，平臺管網(wǎng)壓力一般為4.5～5.0MPa，固在回注點增加減壓裝置，減壓回注進(jìn)入管網(wǎng)外銷。

3.2?取氣點位置選取

考慮到放空氣需經(jīng)過移動壓縮機增壓至CNG槽車轉(zhuǎn)運處理，因此需要將氣體提前進(jìn)行脫水凈化，結(jié)合現(xiàn)有的放噴工藝流程，選取在試氣流程分離器上的孔板流量計后的放空管線作為取氣點；主要有以下原因：（1）經(jīng)過試氣流程降壓和分離器計量裝置后，放空壓力滿足壓縮機進(jìn)氣壓力，且該壓力較為穩(wěn)定；（2）目前南川工區(qū)配套使用的分離器經(jīng)過預(yù)分離元件→波紋聚集分離元件→出口絲網(wǎng)捕霧裝置三次分離后滿足分離氣體中液滴直徑大于300μm的工藝設(shè)計條件；（3）分離器和放噴池火炬間安裝有阻火器，可實現(xiàn)試氣求產(chǎn)、放空兩個系統(tǒng)隨時切換。

3.3?回注點位置選取

移動回收的放空氣經(jīng)CNG槽車轉(zhuǎn)運至回注點減壓回注進(jìn)入管網(wǎng)，考慮到運輸距離產(chǎn)生的成本費用、安全風(fēng)險等因素，選取距離取氣點30千米為半徑的單井進(jìn)站管線作為回注點，結(jié)合多數(shù)試氣求產(chǎn)放空氣現(xiàn)場情況和南川頁巖氣田的滾動開發(fā)模式，在單井進(jìn)站管線上預(yù)留閥門為回注點最佳。

3.4?回收系統(tǒng)核心設(shè)備選取

為了進(jìn)一步脫水凈化氣體，在進(jìn)入壓縮機前先經(jīng)過分子篩二次脫水。經(jīng)過對往復(fù)式壓縮機、離心式壓縮機、螺桿壓縮機的各自優(yōu)缺點及適用范圍的分析比較，決定選用車載往復(fù)活塞式壓縮機。壓縮機進(jìn)氣壓力可在0.5～6MPa間進(jìn)行調(diào)整，最大限度滿足放噴測試要求；出氣壓力為20～25MPa，滿足增壓至CNG槽車要求，其壓縮機設(shè)備最大處理能力為5萬m3/d。

選取罐體容積為25.4m3的CNG槽車進(jìn)行轉(zhuǎn)運，其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最大裝氣量為5000m3；CNG槽車轉(zhuǎn)運至回注點后經(jīng)過減壓撬減壓至管網(wǎng)壓力回注進(jìn)入管網(wǎng)外銷。

3.5?放噴氣回收系統(tǒng)工藝流程

如圖2所示，井口高壓天然氣依次經(jīng)過補屑器進(jìn)行井筒一次除砂、管匯臺油嘴調(diào)節(jié)降壓、氣液兩相分離器一次脫水分離、二次除砂、計量，在分離器的孔板流量計后加裝三通、閥門，與回收裝置的分子篩連接進(jìn)行二次脫水，經(jīng)過車載式四級往復(fù)式壓縮機增壓至25MPa處理成CNG產(chǎn)品，充裝進(jìn)入CNG槽車進(jìn)行轉(zhuǎn)運，轉(zhuǎn)運至管網(wǎng)回注點后經(jīng)過減壓撬減壓，最終經(jīng)過回注點流量計計量后接入管網(wǎng)進(jìn)行外銷。若放空氣體量較大，回收裝置處理能力不夠時，氣體通過原流程放空進(jìn)入放噴池，做到應(yīng)收盡收的原則。

回收設(shè)備的啟停、各級溫度和壓力、瞬時流量、總流量、電壓電流、總功率等參數(shù)可遠(yuǎn)程操作，實時監(jiān)管，進(jìn)一步降低施工風(fēng)險。

3.6?風(fēng)險防控及措施

天然氣是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度達(dá)到550℃即可燃燒，天然氣爆炸范圍很小，當(dāng)濃度達(dá)到5%～15%就會爆炸。因此，回收系統(tǒng)重點需要防控三方面的風(fēng)險。

（1）防控空氣混入管道：根據(jù)每口井實際放空量選擇合適處理能力的設(shè)備，當(dāng)來氣量超過壓縮機處理能力時可邊放空邊回收?；厥障到y(tǒng)工作時，放噴管線閘門關(guān)閉，若回收系統(tǒng)壓力超過設(shè)計值，回收系統(tǒng)關(guān)閉，放噴管線閥門自動打開。

（2）防控天然氣泄漏：現(xiàn)場選用的配套設(shè)備全部為防爆產(chǎn)品，電控箱與設(shè)備安裝符合防爆距離要求，并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，設(shè)備有故障會及時報警，出現(xiàn)險情可及時自?；蛉斯ねC。對于回收回注現(xiàn)場通過安裝視頻監(jiān)控、氣體檢測儀、槽車運行督查、現(xiàn)場專人巡查、定期檢查等方式提高回收回注安全管理水平，降低安全運行風(fēng)險。

（3）防控火炬回火：保留原放噴管線的阻火器，滿足在進(jìn)行回收作業(yè)的同時低壓系統(tǒng)放空點火，因此需要保留原有的阻火器防止回火。在分離器出口管道上安裝定壓閥，既可以阻擋回火，也能防止回收系統(tǒng)超壓時無法放空。

4?放空氣回收系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用效果及經(jīng)濟效益評價

4.1?現(xiàn)場應(yīng)用效果

NC6井為中石化重慶頁巖氣有限公司部署在南川頁巖氣田道真區(qū)塊的一口風(fēng)險探井，分27段進(jìn)行壓裂儲層改造，改造段長為1900m，壓裂累計總液量為61302.65m3，支撐劑總量為4786.43m3。由于該井為該區(qū)塊第一口風(fēng)險探井，且地面集輸系統(tǒng)受地勢影響，管網(wǎng)建設(shè)相對滯后，因此在2021年8月完成最后一段壓裂，依次經(jīng)過連續(xù)油管鉆塞、各項油嘴制度測試系統(tǒng)資料后采取放空氣回收措施，放空氣回收之前放噴總液量為4530.1m3，返排率為739%，套壓為21MPa，試氣放噴測試曲線圖如圖3所示，前期放空天然氣量約89萬m3，每天放空氣量約為5萬m3，固選取最大處理能力為5萬m3/天的放空氣回收系統(tǒng)進(jìn)行回收處理。

該井于2021年8月31日—2021年9月15日采用5mm油嘴進(jìn)行放空氣回收，考慮夜間施工安全等因素，只在白天上午8點至下午5點進(jìn)行回收處理，累計回收天然氣29.4萬m3，若不考慮夜間放空氣量，回收率接近100%。

4.2?經(jīng)濟效益評價

放空氣回收系統(tǒng)服務(wù)費用為0.96元/m3，包含氣體增壓處理、CNG槽車運輸、管網(wǎng)回注等各項綜合費用，按照144元/m3（不含稅）氣價進(jìn)行銷售，NC6井共產(chǎn)生經(jīng)濟效益14.11萬元；若在NC6井放噴期間全時段回收天然氣，可累計回收天然氣105.39萬m3，產(chǎn)生經(jīng)濟效益50.59萬元。

若該套回收系統(tǒng)在南川頁巖氣田推廣應(yīng)用，以NC6井為例，每天放空天然氣量約為5萬m3/天，試氣周期按照15天計，每年回收15口井，可增加天然氣產(chǎn)量1125萬m3，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益為540萬元；每年減排二氧化碳198萬噸，大幅減少了溫室氣體的排放，同時也減少了試氣求產(chǎn)放噴對周圍環(huán)境造成的影響，達(dá)到了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的，實現(xiàn)了氣田的清潔生產(chǎn)。

5?下步推廣思路

針對南川頁巖氣田開發(fā)現(xiàn)狀，實施“一井一策、一平臺一策、一片區(qū)一策”，充分對壓裂試氣放噴求產(chǎn)過程中頁巖氣進(jìn)行回收利用，真正做到“顆粒歸倉”。

5.1?產(chǎn)建區(qū)新井試采放空氣回收利用

5.1.1?針對平橋南及東勝區(qū)塊平臺集氣管網(wǎng)已建成的新井

在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通，利用現(xiàn)有井場區(qū)域安裝撬裝或車載壓縮機組，井口產(chǎn)氣通過測試流程初脫水后進(jìn)入壓縮機組壓縮后進(jìn)入集氣管網(wǎng)外輸。建議采用車載燃?xì)鈮嚎s機為佳，設(shè)備之間采用快速連接，實現(xiàn)放空氣當(dāng)天回收進(jìn)管網(wǎng)。

5.1.2?針對東勝及陽春溝區(qū)塊平臺集氣管網(wǎng)未建成的新井

在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通，利用現(xiàn)有井場區(qū)域安裝撬裝或車載一體化回收設(shè)備，井口產(chǎn)氣通過測試流程初脫水后進(jìn)入分離器撬+壓縮脫水充裝撬，處理增壓至25MPa左右進(jìn)入槽車外運至周邊回注點。

5.2?外圍探井及零散井

根據(jù)單井及片區(qū)的產(chǎn)能情況和回收設(shè)備，要綜合考慮井場周圍地面交通運輸環(huán)境、需求市場等各項情況。對于周邊有穩(wěn)定市場但管網(wǎng)不具備接入條件的，建議落實回收單位建設(shè)回收裝置加工成CNG后直銷；對于周邊沒有穩(wěn)定市場的，建議落實客戶自建撬裝CNG直銷或CNG回注具備條件的回注點。

6?結(jié)論及建議

（1）經(jīng)過各項論證分析和現(xiàn)場實際應(yīng)用，試采放空天然氣CNG回收回注工藝技術(shù)是安全可靠可行的；

（2）頁巖氣的勘探開發(fā)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)均存在大量放空天然氣，充分回收利用既可氣田增產(chǎn)，又可減少溫室氣體排放，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益，應(yīng)大力推廣應(yīng)用；

（3）試氣后期開展作業(yè)時，可以將放空氣回收利用工序一并開展，有效延長試氣作業(yè)時間，充分獲取地層系統(tǒng)測試資料，同時井場統(tǒng)一規(guī)劃平面布局，最大限度回收利用放空氣；

（4）建議在產(chǎn)建區(qū)塊集輸管網(wǎng)末端預(yù)留CNG回注接入口，方便后期外圍井產(chǎn)氣回收回注。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉璟，方亮，師煜凱，等.淺析天然氣壓裂放噴氣回收應(yīng)用［C］//.第31屆全國天然氣學(xué)術(shù)年會（2019）論文集（06儲運安全環(huán)保及綜合），［出版者不詳］，20191030：498501.

［2］代清華.天然氣井放噴排液過程中天然氣回收技術(shù)探析［J］.機電工程技術(shù)，2018，47（08）：9193+227.

［3］李俊，許多，鄭杰.油田放空天然氣回收利用探討［J］.油氣田地面工程，2010，29（03）：5859.

［4］魏云峰，王沖，何中凱，等.塔里木油田零散井放空天然氣CNG回收技術(shù)［J］.油氣田環(huán)境保護(hù)，2011，21（01）：810+60.

［5］張世虎，郭永強，張浩然，等.蘇里格氣田天然氣回收利用技術(shù)研究及評價［J］.石油石化節(jié)能，2020，10（12）：6570+12.

［6］黃永章，蔣成銀，朱禮明，等.放噴天然氣回收技術(shù)現(xiàn)場試驗效果與評價［J］.石油化工應(yīng)用，2020，39（07）：2832.

作者簡介：陳吉平（1982—?），男，漢族，湖北蘄春人，本科，工程師，研究方向：零散氣回收。