国内外页岩气集输技术研究

页岩气的开采方式为井下水力压裂，在产气过程中 不可避免地会有污水产生。 污水处理是为了去除污油， 降低产出水矿化度和苯含量，使悬浮物沉降。 在美国，很 多返排水都采用深井注入方式处理。 2008 年，在德克萨 斯州， 有超过 11 000 个符合美国环境部 ClassⅡ标准的 井，在 Barnett 区块，每口页岩气生产井至少有 1 个 返 排 水 注 入 井 ［4］。
线→处理厂丙烷制冷。 该方案的优点是：制冷温度易于 控制，操作方便，能耗低，可达到很低的温度，能满足不 同水露点和烃露点的要求。 缺点是不适用于压力过低的 天然气，若低压气压力过低，系统还需增设增压设备。
综上所述，方案二比较适合页岩气的集输。 2011 年，胡楠等人 对 ［10］ 于缓解倒灌问题提出了几种 措施：在低压井井口设置橇装式增压装置，将其增压到 采气干线的压力。 尽量使接入同一采气干管的井口具有 相同压力、相同气质及同一批次的特点，以保证其压力 相当。 在低压井口处设置止回阀，保证其不会发生倒灌 现象。 当集气阀组的压力不能达到输送压力要求时，考 虑在集气阀组添加橇装式增压设备。 由于页岩气井分布 较广，若旧井均采用橇装式增压设备则给管理增加了难 度。 2.4 污水处理 在水力压裂结束后，金属矿物质和有机质溶解在压 裂液中，混成一种含有盐、金属、油、酯以及挥发性和半 挥发性有机物的卤水， 压裂液通过套管返回到地面，这 些水便是返排水。 由于返排水和地层接触，不同地层的 返排水也不一样。 针对含悬浮物的污水，主要采取絮凝、沉淀和过滤 等污水净化工艺；对高矿化度和高含氯离子污水，常用 反渗透处理、地面蒸发和回注地下砂岩层工艺；对含有 氟化物的采出水，主要采用石灰乳沉淀法、铝盐凝聚法、 离子交换法和电凝聚法。 最有前景的一项返排水处理是将返排水应用到接 下来的压裂酸化中去。 返排水蓄在地面，直接或稀释或 者预处理后重新使用。 通过返排水的重复使用，既可以 减少水处理成本也可以减少环境污染 。 ［11］ 2014 年，郭小哲 指 ［12］ 出水处理技术的发展方向主要 体现在以下两方面： a） 压裂液中添加剂的处理。 采用高强度的超声波或 过滤器来减少返排液中的杀菌剂或者采用其他化学剂 替代杀菌剂。 b） 压裂液的回收再利用。 返排水的处理与再利用可 以节约水资源，缓解某些地区水资源紧缺的问题，减少 排放液对环境的污染。 用藻类来处理返排水可以去除 98%有 害 烃 类 ，技 术 与 经 济 效 果 非 常 明 显 。 2.5 页岩气集输技术存在的问题及建议 我国页岩气的勘探开发还处于起步阶段，地面集输 技术也正在探索中，没有形成完整的管理体系，缺少相 关的国家及行业标准，需要解决的问题还有很多。 a） 页岩气的集输技术还没有相应的标准。 目前，主
页岩气田采取滚动式发展， 由于要逐年联入新井， 使得集气管网操作压力升高导致一些低压生产井废弃 或者产生倒灌现象。 对高、低压气井共同生产，2012 年郑 贤英提出三种高、低压气井同时生产的联合处理工艺方 案 ［9］。
方案一：低压集气干线→中央处理厂集中增压→已 建处理装置。 该方案为低压气单独设置集输系统，在天 然气处理厂布置压缩机等增压设备，以便集中管理。 但 鉴于页岩气要逐年打井逐年将新井连入管网，单独设置 低压集气系统并不适用。
方案二： 集气站或者阀组处增压→已建处理装置。 对于该方案而言，页岩气田较为适用的管网模式为“多 点接入，柔性集输”，将多个井的采气管线汇集到最近的 集气阀组然后连入集气管线输送至集气站。 可将橇装式 压缩机设置于阀组处进行增压， 但是随着气田的发展，
压缩机数量会不断增加，不利于管理。 方案三：自压或集气站个别增压采气→低压集气干
无论是煤层气还是页岩气，单井产量在生产初期达 到高峰后都会快速下降，除采取增产措施延缓递减速度 外，主要靠大批量打新井弥补产量。 因此，在开发方案编 制尤其是地面工程设计与建设时，应充分考虑为未来增 加的批量生产井预留空间，防止不断滚动建设造成资源 浪费。
2009 年，王荧光［8］提出可在页岩气田采用 “枝上枝” 管网与“多点接入、柔性集输”布站方式。 “枝上枝”管网 是一种较为特殊的地面集输管网布局形式，属于枝状管 网。 与枝状管网相比，“枝上枝”管网增加了集气阀组，集 气阀组一般位于井场位置比较集中的小区块，接受该小 区块的井场来气。 采用“多点接入、柔性集输”工艺技术， 将集气计量站改为阀组，井口采气管线按就近原则汇集 到最近的集气阀组， 再用集气管线把阀组连接起来，将 页岩气输送至集气站。
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OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE 油气储运
国内外页岩气集输技术研究
李丽敏 侯 磊 刘金艳
中国石油大学 （北京） 油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249
摘 要：以美国为首的页岩气开发掀起了全球页岩气的开发热潮。 目前，美国有 22 个州在进行 页岩气开发，积累了丰富的开采与集输经验。 中国页岩气储量非常丰富，具有很好的开发前景，但中 国页岩气开发还处于起步阶段，集输技术发展滞后，没有完整的管理体系，缺少相应的行业标准。 从 集输系统、管网布置和污水处理等方面，介绍国内外页岩气田集输技术的发展现状，指出我国页岩 气田集输所面临的问题及发展方向，希望能对页岩气田的地面集输工程提供借鉴。
图 1 气井临时集输工艺流程图
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井口除砂后的页岩气通过采气管线与井口截断阀 进入加热炉，加热后的天然气经节流阀降压节流进入到 气液分离器，经过气液分离后，天然气进入脱水装置，再 经过孔板流量计进行计量，经节流阀降压后进入到排气 过滤器，过滤掉固体杂质后，进入到压缩机加压至 20～25 MPa， 经过流量计后充装至长管拖车所携带的高压气瓶 中。 2.2 管网布置
液体零排放技术使废水最小化，并且将盐水转换为 工业用的盐饼或者填埋处理。 这项处理需要热结晶技 术，根据入口固溶物总量，在热结晶之前先进行蒸发，这 样可以提高水回收率并降低耗热量。 三级处理与液体零 排 放 处 理 的 费 用 都 非 常 高 ［5］。
2 中国页岩气地面集输技术
目前，国内页岩气开发正处于起步阶段，对于页岩 气的形成、分布以及开发潜力已有基本的认识，但勘探 开发以及地面集输技术还不够完善，未来仍要面对许多 困难和挑战，诸如压裂水处理问题、环境问题以及管网 建设的难题。
关键词：页岩气；集输；流程；管网；污水 DOI：10.3969/j.issn.1006-5539.2014.05.002
0 前言
页岩气是指主要以吸附或者游离状态存在于暗色 泥页岩或高碳泥页岩中的天然气［1］。 近年来，美国页岩气 开发取得了很大进展，使得页岩气在美国能源消费结构 中的比例不断攀升，还使其从天然气进口国变为天然气 出口国，实现了能源独立。 页岩气在中国同样具有很好 的勘探前景和开发空间，根据 2012 年国土资源部油气中 心统计数据［2］显示，我国页岩气资源量为 134.42×1012 m3， 技术可采资源量为 25.08×1012 m3。2012 年 3 月，国家批准 设立长宁—威远页岩气国家级示范区， 经过两年的发 展，中国石油西南油气田公司已开始在示范区建设部分 公用工程，并根据新井布局制定了页岩气管输方案。
2011 年，美国 Mancini F 等人［3］指出，由于页 岩 气 生 产具有开采寿命长、生产初期压降快、生产周期长的特 点，其地面工程设计同样具有特殊性。 美国于 1821 年开 始开发页岩气， 目前已经形成了成熟的地面集输技术。 而我国的页岩气开发还处于起步阶段，集输技术不够完 善，没有相应的设计标准，缺乏相应的地面配套设施。 本 文介绍了国内外页岩气田的集输技术进展，对国内页岩 气田的集输技术提出建议并指出其发展趋势。
1.采气 管线 （井口 除砂 后来 气 ）；2.井 口截 断 阀 ；3.加 热炉 ；4.节 流 阀 ； 5.气 液 分 离 器 ；6.孔 板 流 量 计 ；7.输 气 截 断 阀 ；8.排 气 过 滤 器 ；9.压 缩 机；10、13.流量计；G 长管拖车；12.液位控制自动放液阀；14.液 体 截 断 阀 ；15.水 管 线
2012 年 3 月 投 入 开 发 的 长 宁—威 远 国 家 级 页 岩 气 示范区块已初具规模，并且在页岩气开发和集输技术方 面取得进展。 截至 2013 年 9 月，中国石化在四川盆地及 周边的涪陵礁石坝等区块完钻 26 口井，掌握了一定钻井 与集输技术［6］。 2014 年 4 月 18 日，我国首条页岩气外输 管线投入运行。 2.1 集输流程
a） 管网建设与钻井安排保持一致。 在页岩气田，勘 探、钻，地上设施在时间和空间上不断扩大。
b） 为了保证产量的稳定，不能同时开采全部页岩气 井，要随气田的发展而逐年打井，减小年平均钻井数。
c） 井场设备橇装化。 对满足不同工艺的设备进行搬 迁和组合以达到最大利用效率，降低投资。
从美国 Barnett 页岩气井的生产压力曲线看， 在第 1 个月之后产量迅速下降， 集气管网的运行压力约 0.5 MPa。 连入新井后集气管网的操作压力势必增加，远远高于旧 井的生产压力，导致旧井产量下降或停产，影响整个气 田的生产。 然而从长远来看，集气管网在低压下运行可 以有更高的产率， 其缺点就是在处理厂压缩耗能增加， 集输管径增大。 1.3 污水处理
收 稿 日 期 ：2014-06-10 作 者 简 介 ：李 丽 敏 （1990-）， 女 ， 黑 龙 江 明 水 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 从 事 油 气 田 集 输 技 术 研 究 。
06 天然气与石油 2014 年 10 月 NATURAL GAS AND OIL
1.2 集输管网 荷兰北布拉班特省页岩气田正处于开发初期，开发
2009 年 11 月，我国决定开发四川富顺—永川页岩气 田 M 区块，并于 2011 年进行评估。 该区块的工艺流程为： 井口一级节流→除砂→加热→二级节流→初步分离、计 量→集 气 支 线→集 气 干 线→集 气 站 （脱 水 脱 烃 ）→外 输 管 道→用户［7］。 在采气站、天然气处理站建设滞后的情况下， 可采取临时集输工艺。 气井临时集输工艺流程见图 1。