頁巖氣地面集輸工藝設計研究

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計研究

李研，吳剛

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

國內的頁巖氣地面工藝設計尚無可參考的先例，因此設計一套適合我國頁巖氣輸送的地面工藝技術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計工作，重點論述了頁巖氣的組成、井站集輸工藝設計、頁巖氣管材和閥門的選擇、頁巖氣集輸流程設計應注意的問題、集輸工藝流程運行情況等，可為今后大規模開發頁巖氣提供良好的經驗。

頁巖氣；集輸工藝；設計

頁巖氣是從頁巖層中開采出來的一種非常重要的非常規天然氣資源。頁巖氣資源與其他常規天然氣資源相比，它可開采壽命可達30～50年，具有開采壽命長和生產周期長的優點。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。

頁巖氣在國內的開發還處于勘探階段，地面工程設計尚無可參考的設計，也無相關標準規范可遵照執行。頁巖氣還具有井口分布廣、單井產量低、井口節流后壓力高的特點，如何降低地面建設投資，減少運營成本，使頁巖氣地面建設實現經濟效益最大化是地面設計研究工作的重點，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塊試采TPO FEDD&DDA 8口井項目設計任務。在項目的設計過程中，總結出了一系列適合頁巖氣田的地面集輸技術。

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、正常生產期、生產后期四個時期。每個時期的井口壓力和產量都有變化，具體見下表1。

表1 頁巖氣開采周期

1.3 主要設計參數

單井站設計規模≤17萬m3/d；雙井站設計規模為34萬m3/d和17萬m3/d；一級節流閥后管道操作壓力為12 MPa/7 MPa；操作溫度為4～50℃；二級節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）井站不設脫水設施，外輸至其他井站或集氣站進行集中脫水。

1.4.1 單井井口不設脫水設施流程

（1）開井期及反排期。頁巖氣經過井口的一級角式節流閥，壓力從開井期的70 MPa或反排期的42 MPa節流至12 MPa，同時通過井口注甲醇的方式控制節流后的溫度比水合物形成的溫度高3℃以上，再經過水浴式電加熱器加熱以防止二級節流后續操作產生水合物，加熱后的溫度控制在60℃以下，然后經過二級角式節流閥節流至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，分離出的氣體經過計量橇計量后壓力為3.12～5.30 MPa，經調節閥調節至壓力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）正常生產期和生產后期。頁巖氣井進入正常生產期和生產后期后，井口壓力衰減至7 MPa，井口無需一級節流和加熱，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流閥，節流至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，分離出的氣體經過計量橇計量后壓力為3.12～5.30 MPa，經調節閥調節至3.09～5.27MPa后進行外輸。

圖2 現場已建成的不設脫水設施單井井口

（3）安全泄放流程。為了防止站場超壓工況的發生，分別在一級角式節流閥和二級角式節流閥后各設置安全閥1個。一級角式節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，由于井口產出水較多，則在井口氣田水罐旁設置了兩臺60 m3臨時儲水罐，用于儲存井口產出的反排水。反排水可通過水泵輸至氣田水罐的裝車匯管后裝車外運。同時氣田水罐內的污水也可以自流至氣田臨時儲水罐內進行儲存。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 單井井口設脫水設施的流程

（1）開井期及反排期。頁巖氣經過井口的一級角式節流閥，壓力從開井期的70 MPa或反排期的42 MPa節流至12 MPa，同時通過井口注甲醇的方式控制節流后的溫度比水合物形成溫度高3℃以上，然后經過水浴式電加熱器加熱以防止二級節流后續操作產生水合物，加熱后的溫度控制在60℃以下，然后經過二級角式節流閥節流至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）正常生產期和生產后期。頁巖氣井進入正常生產期和生產后期后，井口壓力衰減至7 MPa，井口無需一級節流和加熱，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流閥，節流至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 現場已建成的設脫水設施的單井井口

（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，經過J-T閥進行節流，節流至壓力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脫水設施流程相同。

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，設計壓力為14 MPa的物流進入下游水浴式電加熱器等設備的管道，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。

（2）中壓管段。中壓管段的常溫部分、設計壓力為7.74 MPa的管道材質選用L245N，閥門的閥體、閥蓋可選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼，閥內構件選用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，溫度會出現驟降，亦按最低設計溫度-40℃、設計壓力1.8 MPa來考慮選用16Mn材質。

（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，閥內構件可選用A105/20鍛鋼、WCB鍍鎳鋼或不銹鋼。

（5）腐蝕裕量的選擇。當管道設備材料選用碳鋼材質時，應考慮合適的腐蝕裕量，考慮到富順氣田含砂，腐蝕裕量的選取應適當增加，具體的腐蝕裕量選取如下：外輸管道選2 mm，站內輸送頁巖氣、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 頁巖氣集輸流程設計應注意的問題

2.1 高壓部分彎頭及低溫防護與其他工程設計的區別

頁巖氣從采氣樹到分離器，高壓部分含有雜質，為解決雜質對彎頭的沖蝕，設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 現場頁巖氣高壓部分盲端三通和高壓管道防護網

從井口采出的頁巖氣經過一級節流閥后，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（見圖5）的形式進行安全保護，防護網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 采用橇裝設備以減少投資

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

圖6 頁巖氣臨時橇裝儲水罐和橇裝高架水罐

2.3 國內外設計標準的不同

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

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

（2）應用熱煨彎頭時，執行的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）生產時流體溫度低于水合物形成溫度，此時管道內會形成水合物，在正常生產期沒有水合物形成。在生產后期僅在冬季（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氣量比例關系。

甲醇注入采用調節泵，根據井口的壓力、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，比如管道接頭材質為SS316，則其壓力等級為15 000 psi（103.44 MPa）。

圖7 產氣量與甲醇注入量趨勢圖（開井期）

圖8 產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和配管設計是合理可行的。

4 結束語

目前國內能源的需求量日益增加，頁巖氣開發對能源補充意義重大。由于頁巖氣在中國起步較晚，尚無可參考的規范和標準，也無經驗可借鑒。通過對四川富順區塊試采的設計工作，總結出了一套適合頁巖氣輸送的地面集輸工藝技術。隨著頁巖氣在國內的大規模開發，頁巖氣地面集輸技術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.頁巖氣開發地面配套集輸工藝技術探討[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年畢業于中國石油大學（華東）化學工程與工藝專業，雙學位，現主要從事石油天然氣工程設計及研究工作。

2014-12-17；

2015-03-24