中國頁巖氣田地面工程技術研究進展

廖柯熹， 彭 浩， 何國璽， 李明紅， 冷吉輝， 劉詩桃

(1.西南石油大學石油與天然氣工程學院， 成都 610500； 2.中石油西南管道公司， 成都 610041)

頁巖氣是指主要以吸附或者游離狀態存在于暗色泥頁巖或高碳泥頁巖中的天然氣，具有低孔隙度、低滲透的特點[1-3]。近年來，中國頁巖氣開發取得了很大的進展，成為全球第3個實現頁巖氣商業化開發的國家[4]。但是頁巖氣開發難度大，技術要求高，而且我國頁巖氣開發相比美國、加拿大等國家，起步慢，發展滯后，地面配套集輸工藝技術的開發利用仍處于初級階段[5-6]。

頁巖氣初期產量較高，氣量衰減快，穩產周期長，開采壽命長[7-10]。因此頁巖氣地面工程技術需要進行動態調整，以適應產能的不斷變化。陳冠舉[11]探討了中國頁巖氣井場工藝、集輸管網布局的技術現狀，認為中國需要設計組合式集輸管網，以適應頁巖氣富集區地形的復雜性。馬國光等[12]介紹了中國頁巖氣的布站形式、管網布局和井組劃分，考慮頁巖氣田生產特點和各氣田、區塊產能的差異性，論述了井場、集氣站及處理廠工藝的設計方法。梁光川等[13]、王健等[14]、羅勤等[15]基于中國頁巖氣地面工程技術的難點，提出了地面工程標準化設計的方法，并指明了地面工程建設方案的設計要求。本文結合中國頁巖氣開發特點和現狀，綜述了中國頁巖氣地面工程技術現狀與發展方向，以期為頁巖氣高效低成本的地面工程設計提供一定的借鑒。

1 中國頁巖氣開發現狀

1.1 中國頁巖氣分布及儲量

中國頁巖氣的技術可采儲量豐富，高達36.1×1012m3，排名世界第一，發展潛力巨大[16]。在“十三五”期間，中國頁巖氣資源主要包括五個頁巖氣產區，見表1。從地域分布上來看，中國陸上頁巖氣資源主要分布在四川盆地、鄂爾多斯盆地和塔里木盆地等地區，并且分為陸相、海相和海陸過渡相頁巖氣分布區。 其中，整個四川盆地的面積較為廣闊，海相、陸相和過渡相頁巖均有發育，以五峰組-龍馬溪組、筇竹寺組海相的頁巖潛力最大。

表1 “十三五”期間中國頁巖氣主要產區

截至2018年底，中國已建成了涪陵、長寧-威遠、昭通、延長等4個國家級頁巖氣示范區，累計頁巖氣產量高達108.42×108m3。目前，中國在四川盆地及周緣的威榮、彭水、南川、丁山、富順、永川、大足、武隆以及中揚子宜昌等地區的五峰組-龍馬溪組海相頁巖氣開發也取得了階段性的新突破，頁巖氣產量實現了新跨越[17-21]。

1.2 中國頁巖氣開發特點

頁巖氣開發具有單井產量變化大、單井分布廣、井數多的特點。頁巖氣開發按時間排序依次為返排期、高產期和穩定期，具有以下特點：①返排期的液量大，氣量小，壓力高，周期短；②高產期的液量小，氣量大，壓力高，周期短；③穩定期的液量小，氣量小，壓力低，周期長。

2 頁巖氣地面工程技術現狀

2.1 頁巖氣地面工程技術特點

頁巖氣地面工程具有以下顯著特點：①頁巖氣田采用滾動開發模式，初期產量較高，后期產量低且無規律變化，后期新井產量也難以準確預測，這使頁巖氣地面工程的設計規模難以與其實際產量相匹配。②頁巖氣田地面集輸流程設計依據主要來源于氣田開發方案和氣井動態資料[22]。頁巖氣田在開發周期內產量變化很快，為更好地適應其產量的變化規律，集輸管網的布局形式需要進行動態調整。③頁巖氣田生產初期的單井產量較高，中后期產量很低，并且氣田地形多為山地-丘陵地貌，因此其集輸站場的布置方式難以適應于氣田開發。④對頁巖氣地面工程進行標準化、模塊化和撬裝化設計，不僅能增強集輸系統的處理能力和運行可靠性，也能提高地面工藝設備的最大重復利用效率，降低投資成本[23]。⑤頁巖氣田開發多采用水力壓裂技術，對水的需求量相當大，可達(4～5)×104m3/水平井。⑥在頁巖氣田返排過程中，會產生大量高鹽度、組成復雜的壓裂返排液，其對環境污染嚴重，因此返排液處理工藝需要滿足頁巖氣外輸要求。⑦頁巖氣田開發后期壓力低，難以保證集輸系統的正常運行。目前很多頁巖氣井已采用或即將采用后期增壓工藝，以適應生產后期的壓力變化和平衡各井站之間的氣量。

2.2 頁巖氣集輸系統優化

中國頁巖氣集輸系統包括井組、集氣閥組、集輸管網、集氣站以及中心處理站等單元，不同管網及站場布局方式下地面工程方案的經濟性、可靠性、適應性都各不相同，因此需要對不同集輸系統進行經濟性、可靠性和適應性評價和優化。

影響頁巖氣集輸管網布局的因素包括氣田開發方案、氣井井口壓力、單井間距、井位布置、氣質組分、集氣規模、地理和環境條件等[24]。在集輸管網布局形式的選取方面，主要采用可靠性、經濟性兩類指標體系對拓撲結構進行綜合評價與優化。孔德晶等[25]闡述了頁巖氣集輸管網幾種常用布局形式的特點，并指出了組合式管網的顯著優點及廣泛應用。任玉鴻等[26]基于Visual Studio平臺C#語言，導入井口坐標、產量參數等初始條件，以及閥組轄井、集氣量等約束條件，得到了“放射狀+放射狀”“放射狀+枝狀”“枝狀+放射狀”和“枝狀+枝狀”的拓撲圖，并對其進行了經濟性、可靠性、適應性評價，發現“枝狀+放射狀”型集輸系統總體上最優。任玉鴻等[27]將頁巖氣集輸系統的優化問題歸類為井組、集氣閥組和中心處理站的位置與劃分方式優化、管網布局優化，采用經濟性與可靠度之比的評價指標，對不同管網布局形式進行了優選，也發現“放射狀+枝狀”型集輸系統總體上最優。李麗敏等[28]、羅謙等[29]針對頁巖氣田的滾動開發特點，提出了“枝上枝”和“多點接入、柔性集輸”兩種布局方式，簡化了流程，降低了投資成本，便于集中管理，并提出了高低壓管網分輸工藝，防止發生倒灌現象。

在頁巖氣集輸管網布局形式的應用方面，結合中國頁巖氣田的地形和滾動開發特點，大多頁巖氣區塊采用組合型管網布局形式。中國長寧頁巖氣區塊的管網布局以放射狀為主，局部呈枝狀布置，因此整個區塊主要為“放射狀+枝狀”的布局形式。由于地形地貌特征的不同，涪陵頁巖氣田采用“環狀+枝狀”管網，降低投資成本約30%。威遠、昭通和延長等頁巖氣區塊的管網布局以枝狀為主，采氣管線采用“枝狀+放射狀”組合管網布局方式。國外的應用情況與此類似，如美國Barnett頁巖氣區塊大多采用“放射狀+枝狀”管網[30-31]，Haynesville頁巖氣田和荷蘭北布拉班特省頁巖氣田采用枝狀管網，Bakken頁巖氣田采用放射狀管網，Marcellus頁巖氣田采用環狀管網[32-33]。

在頁巖氣集輸站場布局的應用方面，中國長寧-威遠、涪陵等頁巖氣區塊采用“叢式井平臺-集氣站-脫水站”的二級布站方式，以單個集氣站負責4～6個平臺井站(30～40口單井)，各集氣站通過集氣干線將天然氣輸至脫水站內匯集、分離、計量后，進入脫水裝置進行脫水處理，這種方式結構緊湊，占地少，滿足多井式標準化平面布置的要求，實現“高壓采氣、中壓集輸”的目的。

在集輸管網設計參數的優化策略方面，主要聚焦于模型建立和計算方法的研究。陸爭光等[34]指出了頁巖氣集輸管網布置形式與氣田開發方案、氣體成分、井位布置、集氣規模及交通等因素有關，認為頁巖氣的管網優化屬于非線性約束混合變量優化問題，并提出了相應的優化方案及措施。喇蕊芳[35]綜合考慮線路建設、運行維護費用和能耗費用以及環境、安全因素，基于直覺模糊集，建立了頁巖氣外輸管線建設的多屬性決策優化模型，并采用基于直覺模糊偏好信息的多屬性決策算法得到了最佳優化設計方案，為頁巖氣集輸管線的設計與建設提供了借鑒。王子鳴等[36]通過分析頁巖氣外輸管線投資決策過程的復雜性，建立了多階段多目標投資決策模型，并利用改進后的Dijkstra算法對模型進行求解，從而實現頁巖氣外輸管道建設投資的動態調整。房東[37]通過GTS軟件獲取區塊三維地形數據，考慮了管網溫降、壓降、集輸半徑等約束條件，建立了以設計壽命期總費用為目標函數的數學模型，并采用自適應遺傳算法求解了最優設計參數。梁霄[38]基于數學拓撲理論，以頁巖氣集輸站場數量及位置、管線長度為約束條件，以投資成本為目標函數，得到了最優的集輸條件，提高了集輸管網的經濟性。耿海玲等[39]采用TGNET軟件模擬了頁巖氣新井連入前后集輸管網參數的變化情況，闡明了管網的倒灌現象是管網形式和單井自身壓力共同作用的結果，指出了優化管網形式和改進工藝技術是解決倒灌問題的根本方法。楊威等[40]采用SAFETI軟件模擬了頁巖氣低壓集輸系統的泄漏風險，并基于For Safety提出了相應的安全防護措施，降低了潛在的風險程度。

2.3 頁巖氣集輸與處理工藝

根據長寧頁巖氣田在不同生產階段內的產能變化規律及工況特征，即含砂量較高、溫度較高，因此頁巖氣輸送采用氣液分輸方式，并且原料氣經過井口一級節流、除砂、二級節流、多井氣源匯集、分離、計量、清管發球后再輸往集氣管網。圖1為長寧頁巖氣田某叢式井站的工藝流程圖。按照涪陵頁巖氣田的井口物流特性，井口采出的天然氣通過高壓管線進入站內加熱爐，經兩級加熱及節流降壓至外輸壓力后進入分離器，靠重力沉降進行氣液分離，分離后的天然氣經過孔板計量裝置進行計量后，再經過清管發球裝置后輸送至集氣管網，分離出的液體經計量后通過疏水閥制自動排放至污水罐，并定期對罐內的污水進行轉運、處理和利用。圖2為涪陵頁巖氣田某叢式井站的工藝流程圖。

2.3.1 除砂工藝

在頁巖氣開發初期，井筒內有大量壓裂砂及地層砂帶出，如果不進行分離，將會影響集輸管線和設備(尤其是彎頭、節流閥)的正常運行，因此在集輸流程中應設除砂器，宜采用在線排砂方式，且在除砂器上游加裝高抗沖蝕節流閥與安全閥，除砂器前的彎頭宜采用緩沖回流型彎頭。

圖1 長寧頁巖氣田某叢式井站工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of a cluster well station in Changning shale gas field

圖2 涪陵頁巖氣田某叢式井站工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of a cluster well station in Fuling shale gas field

目前中國對除砂工藝的研究范圍主要是對工藝設備進行優化設計、選型及性能評價，正在積極研發一套集分離、轉移、在線洗砂和排砂等功能為一體的除砂處理系統，以滿足生產及環保要求。曾小軍等[41]介紹了目前頁巖氣地面測試中雙筒濾砂器的正確使用方法、濾網的選擇以及流程的優化設計，并針對雙筒濾砂器在使用過程中出現的關鍵問題進行了探討，提出了有效的解決方法。陸峰等[42]指出了捕塞器和砂分離器的配合使用，可有效分離大量固相顆粒，探砂儀和測厚儀聯合工作，可確保設備和人員安全，且緩沖罐在返排初期能替代三相分離器，解決氣液分離的問題。何恩鵬等[43]指出了雙筒管柱式除砂器和旋流除砂器相結合是中國主要的地面除砂裝置，以高效除去井筒內返排的砂粒。謝奎等[44]針對頁巖氣井返排時井口回壓高、出砂量大，提出了在線排砂技術和出砂探測技術，并對現場除砂模塊進行了優化設計。吳宇等[45]采用聲學砂粒監測法和離線砂粒取樣分析，測試砂粒>15 μm的砂粒脫除效率，以對頁巖氣除砂器性能進行評價。

在頁巖氣地面除砂設備的應用方面，中國長寧、威遠等頁巖氣田多采用旋流除砂器、篩網式過濾除砂器和重力除砂器。中國涪陵頁巖氣田由于井口出砂量較少，因此在出砂的單井設有小型旋流除砂器，其他不出砂的單井未設置有除砂器。昭通頁巖氣區塊采用壓力管道式除砂器，能夠實現對天然氣流體中砂粒的有效過濾和分離。

2.3.2 加熱工藝

中國頁巖氣開發初期的井口壓力高達30～40 MPa，溫度低至15～30 ℃，節流至輸送壓力時的溫度遠低于0 ℃，節流過程中很有可能產生水合物，該階段需對介質進行加熱，加熱設備宜采用燃氣式加熱爐。頁巖氣開發中后期的井口壓力低，節流壓差低，節流過程中不會產生水合物，因此不需對氣體進行加熱。

中國對頁巖氣井場加熱工藝的研究主要為采用模擬軟件對水合物生成進行預測，以及防控措施的完善。易良英[46]采用PIPESIM軟件計算了頁巖氣的水合物形成溫度，根據加熱工藝技術方案的經濟性比選，發現采用加熱爐對氣體進行加熱，能抑制集輸管道內水合物的形成。韓冊等[47]從酸性氣體圖、平衡常數法、波諾馬列夫法和回歸公式法得出的溫度和壓力擬合曲線中發現，節流前加熱、管線保溫都能降低水合物的生成概率。

在水套式加熱爐的應用方面，長寧-威遠頁巖氣區塊已投入使用20×104m3和50×104m3加熱爐撬，但是目前在多數平臺未采用加熱工藝，因此未設置有加熱爐；涪陵頁巖氣田采用400 kW負壓式雙盤管加熱爐，以滿足兩級節流、兩級加熱的生產需要，并且在部分平臺內一口單井對應一臺水套式加熱爐，但是生產后期井口壓力較低，不需要節流，因此加熱爐可以搬運其他平臺使用。昭通頁巖氣區塊也采用加熱方式，井口采出氣經一次節流降壓后，進入撬裝式水套爐，然后采出氣再進入節流閥進行二級降壓。延長頁巖氣區塊在集氣站取消了加熱爐，從而減少了集氣站設備數量及用地面積，大大降低了集氣站的投資。

2.3.3 分離計量工藝

中國頁巖氣一般采用叢式布井方式，初期產水量很大，需分離后再進行計量，因此需要安裝集中分離計量裝置。為節省計量設備的投資成本，優先采用輪換式計量流程，相關計量系統技術要求和規范可參照常規天然氣計量標準。

目前中國對頁巖氣井站計量工藝進行了適應性研究，對比分析了各種計量流程的適用條件及范圍。盧得志等[48]從技術、經濟和地面建設方面對涪陵頁巖氣單井計量流程進行了適應性分析，并對輪換式計量與連續式計量流程的經濟性進行了對比，指明了連續式和輪換式計量流程的適用場合。李波[49]認為連續計量的工作效率較低，且投資成本較高，建議頁巖氣井口采用輪換計量方式。

中國頁巖氣田對氣相的計量大多采用孔板流量計，對液相的計量大多采用質量流量計或計次方式。頁巖氣開發中后期的產水量很小，在井場不需分離，采用孔板流量計進行粗略計量。黃靜等[50]提出在分離器氣相、油相及水相出口分別設置孔板流量計、渦街流量計和電磁流量計，以對單井采出的天然氣、凝析油、氣田水分別進行連續計量，可提高計量效率和精度。因此，采用電磁流量計對液相進行計量是今后的發展方向。

目前長寧、威遠頁巖氣區塊的氣相多采用高孔計量、液相采用電磁流量計進行輪換式計量。涪陵頁巖氣田集氣站的氣相、液相分別采用孔板流量計、漩渦流量計進行多井輪換式計量，平臺采用濕氣差壓比值兩相流量計進行單井連續計量，但是兩相流量計計量精度難以滿足現場生產要求。并且在生產后期打加密井后，幾口井分散計量，因此在總計量時難以確定各井產量。昭通頁巖氣區塊采用多井輪換計量方式，各單井來氣定期輪換進入分離器進行 5～10 d周期性計量。延長頁巖氣區塊多采用單井連續計量方式，但是目前難以滿足要求。在分離器的應用方面，長寧-威遠、涪陵、昭通等頁巖氣田采用臥式生產分離器和計量分離器，并且在分離器低點處設置有疏水閥。延長頁巖氣區塊取消了計量分離器，只設置有生產分離器。

2.3.4 清管工藝

在頁巖氣濕氣集輸過程中，隨著沿程壓力和溫度的下降，容易在干線地勢低洼處產生積液，因此清管工藝在集輸管線運行中至關重要。清管工藝主要是在頁巖氣進出站閥組處安裝清管發球、收球裝置。通過管線的壓差變化情況，可以確定清管周期，清管周期一般為一年兩次。

目前中國主要采用模擬軟件和非常規高效方法對頁巖氣集輸管道的清管工藝進行優化，以保障頁巖氣濕氣輸送工藝的安全高效運行。周威[51]結合PIPEPHASE水力計算軟件，考慮集氣干線變徑設計，探析了涪陵頁巖氣田集輸管道積液的位置和原因，并提出在集輸干線需設置分段清管，站場需配備段塞流捕霧器。李小麗[52]指出氣田集輸管道分段清管可以采用“反向+正向”分段清管，充分利用下游前期清空管道體積，配套常規清管控制措施，可進一步減小段塞流捕集器及配套設施尺寸與負荷。李子軒等[53]采用HYSYS軟件建立頁巖氣在管段中流動的動靜態模型，分析了造成管道積液、段塞流形成的影響因素，模擬了管道內流體流動及清管動態，并分析確定了清管時機，為現場安全運行提供指導。

根據地形起伏情況和管線長度，涪陵頁巖氣田采用支線清管工藝，并且利用所經集氣站或RTU閥室采用分段清管工藝。長寧-威遠、昭通等頁巖氣區塊的采氣管道均設置清管設施進行通球清管，清管設施均選用清管收發球閥組撬。

2.3.5 脫水工藝

頁巖氣井采出的流體中含有大量的飽和水，被水飽和的頁巖氣在外輸時的溫度下降到水露點以下，此時容易形成水合物，造成管道堵塞，從而降低輸送效率。從脫水深度、裝置投資、操作維護費用出發，中國頁巖氣田脫水站各裝置脫水單元大多采用三甘醇(TEG)吸收工藝。

三甘醇脫水裝置的露點降可達到40 ℃左右，不但是目前中國頁巖氣田普遍采用的脫水方法，也是國外最常用的脫水方式[54]。頁巖氣田的脫水方法還有分子篩法和J-T閥節流法，但由于能耗高，投資成本高，因此應用較少。膜分離脫水技術和超音速脫水技術仍不夠成熟，中國頁巖氣田目前也很少應用，但是其技術是今后的發展方向。中國四個頁巖氣示范區的集氣站多采用兩相分離器進行初步脫水，脫水站采用三甘醇脫水方式進行深度脫水。其中，長寧頁巖氣田分別于2015年、2017年建成投運300萬、150萬脫水裝置，主要設備有脫水系列裝置和放空分液罐。

對于頁巖氣脫水工藝的研究，主要是采用模擬軟件對脫水設備選型與工藝參數進行優化。譚力等[55]通過對涪陵頁巖氣田脫水站裝置的運行問題進行分析，發現將進出站壓差降低后，可以提高裝置的運行效率和安全等級。何思宏[56]采用HYSYS軟件分析了三甘醇脫水法及節流降溫脫水法的適應性，對三甘醇脫水流程參數進行了優化，并計算了在節流降溫過程達到規定脫水深度時的進站壓力。吳艷[57]闡述了J-T閥脫水脫烴工藝在含重烴頁巖氣田的應用情況，并采用HYSYS軟件對脫水脫烴工藝流程的關鍵設備和工藝參數進行了優選。李偉達等[58]采用化工流程模擬軟件Aspen Plus V8.6對頁巖氣脫水流程進行了分析，并通過靈敏度分析來優化脫水流程，提高了頁巖氣脫水流程的工作效率。

2.3.6 返排液處理工藝

壓裂返排液具有鹽度高、組成復雜等特點，返排至地面的壓裂廢液如果未預先進行處理而直接外排，將會對周圍環境造成嚴重的污染。

中國頁巖氣返排液的處理方式主要是深井回注和重復回用。美國頁巖氣田的返排液處理方式主要有深井注入、處理后回用、處理后外排、進入市政污水管網處理后外排等四種方式[59-60]。深井回注必然會造成環境污染和經濟損失，因此對壓裂返排液處理的方法按優先順序依次為壓裂液回用、深井注入和處理后達標外排。中國長寧、涪陵等頁巖氣田多采用返排液處理后回用方式，極少采用回注方式。

在返排液處理后回用方面的研究，國內目前已有相關的研究成果。石升委[61]以陜北頁巖氣壓裂返排液為處理對象，通過氧化絮凝處理研究、濾后水納濾處理技術研究等，形成了“催化氧化-絮凝沉降一納濾”頁巖氣壓裂返排液回用處理工藝。王兵等[62]基于頁巖氣井壓裂返排液量大、成分復雜、處理難度大等問題，以處理后回用配壓裂液為目標，研發出了混凝沉降-精細過濾一膜深度處理壓裂返排液處理工藝。耿翠玉等[63]根據頁巖氣返排液的水質特點和不同去向，介紹了循環回用的頁巖氣壓裂返排液的處理工藝，并指出了“強化混凝+高級氧化+生物氧化+消毒”組合工藝將成為頁巖氣壓裂返排液處理工藝的未來發展方向。姜桂芹[64]采用電絮凝+過濾+除陽離子試劑方法對長寧頁巖氣區塊的壓裂返排液進行了處理，處理后的返排液達到了回用的標準。何啟平等[65]、熊穎等[66]結合長寧-威遠地區返排液成分分析，確定了細菌、懸浮物及高價金屬離子的濃度是返排液回用的主要影響因素，并提出了稀釋法、抗鹽降阻劑等處理工藝。常啟新[67]基于涪陵頁巖氣返排液的性質和特點，綜合實驗情況和涪陵頁巖氣田壓裂用液技術條件，得到了通用于頁巖氣田的返排液回用指標。在返排液回用工藝應用現狀方面，其中威遠頁巖氣區塊的整個回用效率高達80%，并節省了大量的水資源[68]。

在返排液處理工藝技術的應用上，中國主要采用氧化、絮凝沉淀和蒸餾技術，較少采用膜技術[69]。而涪陵頁巖氣田多采用絮凝沉降、殺菌處理、過濾分離的三級處理技術。延長頁巖氣區塊使用“隔油除砂→氧化→絮凝沉降→膜過濾”處理鄂爾多斯頁巖盆地返排液，研發形成了模塊化撬裝返排液處理回用設備。而美國的壓裂返排液處理流程核心是采用預處理、熱蒸餾方法[70]。宋磊等[71]認為中國需借鑒美國的頁巖氣壓裂返排液三級處理流程，以解決中國頁巖氣田返排液處理工藝的難題。三級處理和液體零排放處理效率顯著，可使廢水最小化，但是其投資費用都比較高[72]。許劍等[73]、范紅良[74]、張曲[75]分析了國外頁巖氣田常用的MVR(mechanical vapor recompression)蒸餾、電絮凝以及臭氧催化氧化等三種返排液處理技術，并指出了中國頁巖氣田返排液處理工藝的發展方向。

2.4 生產后期增壓工藝

頁巖氣井口壓力衰減快，很快進入增壓期，生產后期需采用增壓工藝。但各氣井開采時間不一致，使得同一區塊內各井的井口壓力衰減情況不同，可能會出現個別井場壓力很低，其余井場壓力較高的情況，則需采用井場撬裝化增壓設備，也可直接利用井口氣作為燃料氣驅動增壓。

目前中國主要是對增壓工藝進行優化，以及對增壓機組進行選型。在增壓工藝優化時，應保證整個生產流程的可靠性、適應性和經濟性。周亞云等[76]為不影響叢式井或井間串接井的產氣量，提出采用噴射增壓技術，介紹了分散增壓和集中增壓模式的適用場合及優缺點，并指明了頁巖氣田多采用井間串接、分散增壓工藝。在增壓機組選型時，應根據工況及依托條件進行經濟比選。魯進[77]針對涪陵頁巖氣田部分區塊已進入產量遞減期，采用PIPEPHASE軟件計算出各集氣站增壓時機，并經濟比選得到最優增壓開采方案，有效提高了氣田低壓井的生產能力。劉雨舟[78]指出在研究適應頁巖氣田的壓縮機組時，需要結合氣井產量衰減規律、壓降規律和氣-水關系，并考慮泡沫排水作業對增壓的影響，以對增壓工藝進行合理設計。

在頁巖氣生產后期增壓工藝的應用方面，中國頁巖氣田采用集氣站集中增壓為主、平臺增壓為輔的方案，增壓站采用標準化設計，壓縮機選型采用系列化。涪陵、威遠頁巖氣田主要采用平臺預留后期井口增壓(首端增壓方式)，集氣站采用集中增壓方式(投資成本較省)，增壓工藝采用電驅往復式風冷兩級壓縮方式(0.5～3 MPa)，井站實現壓縮機小型化、撬裝化，目前多為10×104m3撬裝化壓縮機組，按增壓功率大小和工況調整需要選用分體式壓縮機組。長寧、昭通等頁巖氣區塊多采用脫水站集中增壓方式，集中增壓區設置有壓縮機組和水冷系統。延長頁巖氣區塊采用“區域增壓為主、部分集氣站單站增壓為輔”的整體增壓方式。近年來，泡沫排水采氣已在頁巖氣田推廣應用，但是其消泡效果有待改善，以保障壓縮機組的安全、高效運行。

2.5 工藝設備撬裝化設計

基于模塊化、撬裝化、模塊化和重復利用的設計思路，并結合頁巖氣生產特點，以具有獨立功能的模塊和撬塊為最小單元，通過不同功能模塊組合，實現頁巖氣標準化工藝的撬裝設計，以提高設備重復利用率，縮短工程建設周期，降低平臺井站地面工程投資。

近年來，根據現場的實際生產需要，中國已在長寧-威遠頁巖氣區塊積極推廣二代撬的應用，頁巖氣一體化排采撬裝裝置主要包括除砂撬、分離計量撬及出站閥組撬等，其主要功能為除砂、節流、氣液分離計量、出站緊急截斷，實現氣、液分別計量，以便動態獲取叢式井站的氣液產量。并且在叢式井站的生產前期采用氣液分輸、連續分離計量工藝，中后期采用氣液分輸、輪換分離計量工藝。因此生產前期井站設置分離計量撬，中期拆除井口除砂撬，替換為輪換閥組撬，后期拆除輪換閥組撬和分離計量撬。目前昭通頁巖氣區塊撬裝裝置的應用現狀與長寧-威遠頁巖氣區塊相似。涪陵頁巖氣田井站內的加熱爐、節流裝置、分離計量裝置、進出站閥組、匯管等設備都已實現撬裝化，撬裝裝置的重復利用率高達95%，但是很多井站未設置有除砂撬。延長頁巖氣區塊未設置有加熱爐撬，但是撬裝化程度也較高，回用率達到90%以上。

目前中國正積極開展設備撬裝化設計研究，主要對象為除砂、加熱、分離計量、脫水、增壓等單體設備或單元裝置。李洪鵬等[79]基于頁巖氣產能遞減規律和滾動開發模式，選擇適合氣田開發的井場工藝，并采用PDMS軟件對井場工藝流程進行了組撬與配管，分別對除砂、加熱和分離等工藝進行了撬裝一體化設計，形成了除砂器組撬、加熱爐成撬、分水器成撬等裝置。目前長寧頁巖氣區塊已應用5井式平臺除砂分離計量一體化撬，現場運行效果良好，適應性顯著。王洋[80]對采氣井場撬裝設備進行了設計與選型，分析了水浴式電加熱器撬、兩相分離器撬、脫水撬和外輸計量撬的設計參數和應用范圍。吳俊[81]介紹了涪陵頁巖氣田三甘醇撬裝脫水裝置的應用效果，并采用PIPESIM軟件對脫水流程進行了優化。目前長寧頁巖氣田脫水裝置全采用三維優化設計，主要包括高壓氣體撬、吸收換熱模塊、TEG再生撬、溶液補充和回收撬、廢氣灼燒模塊等。喻建川[82]對涪陵頁巖氣田集輸站的加熱爐、氣-水分離器、匯管撬以及增壓設備進行撬裝化集成設計、自動化系統研究、三維選型與模擬組撬，減少了涪陵頁巖氣田的基建投資和施工周期。張超[83]認為非標設備以撬裝為主模式，可減少投資和提高建設效率，如除砂器撬、分離器撬、電加熱撬、計量撬、脫水脫烴撬、緩蝕劑/抑制劑加注泵撬、放空分液罐撬和污水處理罐撬等。李研等[84]認為頁巖氣開井和停產期間，在一級節流閥前采用撬裝水合物抑制劑加注設備加注甲醇，井場其他撬裝設備還包括水浴式電加熱器撬、脫水撬、氣田水罐撬等，可避免重復設計，且節省時間。

2.6 集輸管道內腐蝕防控工藝

頁巖氣采用濕氣方式進行集輸，集氣管線內部容易積液，因此存在腐蝕穿孔的風險。在返排測試過程中，頁巖氣所攜帶的砂粒會沖蝕集輸管線，砂粒中夾帶細菌，會形成沖刷腐蝕-細菌腐蝕-電化學腐蝕的三重耦合效應。頁巖氣集輸管道的內腐蝕控制工藝方案需對輸送介質的腐蝕性進行分析，并綜合工況條件、材料選擇、安全性和經濟性因素分析確定。

中國對頁巖氣集輸管線內腐蝕的相關研究仍不成熟，主要局限于腐蝕原因和風險評價研究。在頁巖氣集輸管線腐蝕原因研究方面，毛汀等[85]采用宏觀檢測、機械性能測試、腐蝕產物分析等技術手段，對威遠頁巖氣田平臺失效管段進行了腐蝕因素研究，揭示了其主要原因為硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)和CO2腐蝕。岳明等[86]對頁巖氣集輸管道的輸送介質、環境條件及腐蝕產物進行了分析，發現硫酸鹽還原菌是導致管道發生刺漏穿孔和內腐蝕的主要原因，并提出了頁巖氣集輸管道細菌腐蝕的防護措施。何莎等[87]基于頁巖氣集輸管道的實際情況，建立了其風險評價指標體系，并采用層次分析法計算出頁巖氣集輸管道的風險大小。魏壓榮等[88]采用貝葉斯網絡將頁巖氣集輸管道的“腐蝕”事件描述為“強腐蝕”“中腐蝕”“弱腐蝕”及“不腐蝕”等多種狀態，能處理不確定性問題并計算集輸管道的失效概率。

中國長寧、涪陵等頁巖氣田多次發生管線腐蝕穿孔，雖然頁巖氣田的氣質成分中CO2分壓較低，但是也要考慮CO2腐蝕。相關研究成果表明，硫酸鹽還原菌腐蝕和CO2溶于返排液引發的電化學腐蝕非常嚴重，以及Cl-局部酸化效應加速了管線的點蝕穿孔。由于返排液成分和流體介質的因素，威遠、延長、昭通等頁巖氣區塊的集輸管道同樣也存在一定的腐蝕風險。

在排液生產初期，頁巖氣中含砂量較大，由于高速氣流帶動下很容易將引起管道彎頭、閥門、三通等部件發生沖刷腐蝕而導致其失效。目前針對頁巖氣除砂器前的管段沖蝕問題相關研究較少。閃從新等[89]針對頁巖氣除砂器前管道建立雙彎頭模型，根據典型工況數據，采用FLUENT軟件研究砂量和氣體流速對彎頭沖蝕模型的影響，研究結果對頁巖氣田運行工況的確定以及沖蝕有效防控具有一定指導意義。宋曉琴等[90]針對輸氣管道中90°彎頭沖蝕磨損失效的問題，根據現場實際工況，采用計算流體動力學(CFD)軟件建立了相應的計算模型，分析了集輸管道輸送氣固兩相流介質時固體顆粒沖擊彎頭壁面的沖蝕磨損規律。

相應的腐蝕防控措施包括：針對SRB腐蝕，在壓裂液加殺菌劑；針對CO2腐蝕，在套管環空里加緩蝕劑；針對沖刷腐蝕，在井口以及分離器尾部加除砂設備，其中在井口加旋流除砂器，在分離器尾部加過濾除砂分離器，并且建議采用井下節流方式，以減少砂量和降低流速。

3 頁巖氣地面工程技術發展方向

3.1 標準化設計

為對頁巖氣地面工程建設方案進行優化，縮短工期和降低投資成本，必須以工程技術優化為基礎、單元組合為方法、三維立體建模為方法，統一地面工程設計標準、平面布局、單元劃分、工藝流程及其設備選型，采用節能環保的新設備、新材料、新方法、新工藝和新技術，這是中國頁巖氣地面工程技術的研究主線。

3.2 模塊化建設

根據頁巖氣井站的功能和工藝特點，對其進行單元模塊分解、功能定型、設備撬裝、工廠預制、快速組裝、現場拼接，以使其具有更強的通用性、提高建設質量、降低成本和優化管理方式，這是中國頁巖氣田地面工程技術的優化重點。

3.3 數字化運維

為加快頁巖氣田的信息化管理，減少生產用工，降低運行成本，需對頁巖氣田井站進行數字化、智能化運維，使工業化和信息化兩者進行深度融合，以“數據自動采集、報表自動生產、信息遠程傳輸、井口自動關斷、安全保護和視頻監控”為手段，采用“電子巡井+定期巡檢+周期維護”的無人值守采氣管理方式，這是中國頁巖氣田在高效性、節能性、環保性發展要求下的必然選擇。

3.4 一體化集成

為實現頁巖氣田生產運行數據的自動采集與遠程傳輸、生產過程的自動監控、智能化運行管理，需結合頁巖氣田的生產實際情況，采用直接引進、聯合研制和獨立研發等多種方式積極推廣一體化集成裝置，以達到高安全性、高效合一工藝及設備、高自動化程度、優化結構及布局、降低投資成本的目的，這是中國頁巖氣田地面工程技術發展的關鍵要求。

3.5 工藝技術創新

在中國頁巖氣田地面工程技術的現場應用過程中，相關工藝技術的適應性、可靠性、經濟性不足，比如井站除砂工藝效率較低、加熱工藝負荷難以滿足生產需求、分離工藝分離效果不佳、計量工藝精度較低、清管工藝不夠徹底、撬裝裝置設計參數與運行工況出入較大、增壓工藝不合理、返排液處理和內腐蝕防控不高效等。

因此，在頁巖氣田地面工程建設過程中，需借鑒目前高效生產的理念與地面工程技術的基礎上，堅持與地面工程關鍵工藝配套技術的研發，且進一步優化集輸管網布局以及處理技術的研發，提高資源利用率，實現符合發展要求的創新技術與新型設備的研究，這已成為中國頁巖氣地面工程技術的發展趨勢。

4 結論

根據中國頁巖氣地面工程技術的顯著特點，并通過對目前中國頁巖氣田地面工程技術的相關研究成果進行評述和展望，可得出以下結論。

(1)針對集輸管網的布局形式的合理選取，主要采用可靠性、經濟性兩類指標體系對集輸管網的拓撲結構進行綜合評價；針對集輸管網設計參數的優化，主要是建立模型和進行計算方法研究；目前中國正積極開展設備撬裝化設計研究，已在長寧-威遠頁巖氣區塊積極推廣二代撬的應用；中國對頁巖氣集輸管線內腐蝕的相關研究仍不成熟，主要局限于腐蝕原因和風險評價研究。

(2)目前中國對除砂工藝的研究范圍主要是對工藝設備進行優化設計、選型及性能評價；對加熱工藝的研究主要為采用模擬軟件對水合物生成進行預測，以及完善防控措施；對計量工藝進行了適應性研究；主要采用模擬軟件和高效方法對清管工藝進行優化；主要是采用模擬軟件對脫水設備選型與工藝參數進行優化；中國針對頁巖氣返排液的處理大多采用重復回用方式；主要是對增壓工藝進行優化，以及對增壓機組進行選型。

(3)為實現中國頁巖氣田的高效規模化開發，今后中國頁巖氣田地面工程技術主要會朝標準化設計、模塊化建設、數字化運維、一體化集成和工藝技術創新等方向發展。