放空頁巖氣回收技術應用

張躍 楊進榮 王營 吳馳 宋煜

1中國石油天然氣股份有限公司浙江油田分公司西南采氣廠

2長慶油田分公司技術監測中心

在國家大力推動“煤改氣”的大環境下，以及在目前低油價的背景下，LNG 點供項目很可能在更大范圍內普及，市場份額也將越做越大。我國LNG 戰略發展要進行溫和調整，在加快天然氣價格市場化改革的同時，政府要扶持LNG 發電等下游行業，國際資源采購要堅定不移地貫徹“走出去”的戰略，要加快LNG 應急保供能力建設并依托企業組建“LNG 儲備國家隊”，要在改變國內LNG 定價方式、出臺環保補貼政策、發展冷能利用和液態直銷產業等方面多做工作，爭取盡快破解我國新建LNG 接收站的經營難題[1-3]。地面工程工藝設計優化可以實現油氣資源提質增效開采和地面系統低成本高效開發，現階段天然氣脫水技術較多，除已經較成熟的三甘醇脫水、分子篩脫水工藝外，新型膜分離脫水和超音速脫水工藝仍有待開發推廣[4-6]。CNG和LNG對于供氣市場來說，在管道未覆蓋前，能夠起到培育市場的作用，在管道覆蓋后，仍可起到應急調峰的積極作用，因此積極拓寬零散氣銷售模式對于評價井氣早期建產實現經濟效益最大化、促進當地頁巖氣產業良性發展，實現企地合作共贏意義重大。

1 山地環境下放空天然氣處理的難點

昭通示范區地處四川盆地南部與云貴高原北麓接壤區，地表條件復雜，區內山巒疊嶂、溝壑縱橫，海拔相差懸殊，以低山為主，間有丘陵槽壩。在平臺選擇上以滿足地質需求為主，結合相應的地貌特點綜合選址，而大落差山地造成的沿線地形起伏劇烈、穿跨越多、水力參數變化大問題使天然氣輸送成為早期評價試采階段的掣肘因素。加之地震活動頻繁、地質災害風險高、安全環保要求高、交通條件受限等，難以通過傳統的技術手段有效解決，需要探索適合西南山區放空氣回收利用的新模式。

昭通示范區頁巖氣地質條件復雜，崎嶇的山地環境致使井場分布分散，建設難度大，陰雨天氣長，環境濕度大等因素加大了回收利用方式及設備選型、復雜工況適應性的難度。昭通示范區勘探評價井前期井口壓力下降比較快，見氣后一般穩定在2～5 MPa，返排期產水量比較高，最高可達到100 m3以上，單井產能一般在0.5×104～5.0×104m3，試氣主要以全天候放噴為主。因此，放空氣回收利用要結合區域地質、生產特征早做預判，根據回收井況進行個性化設計，按照實際情況進行混搭配置，確保所選方式全壽命周期綜合效益最優。另外，要加強國家相關法律法規和有關政策風險研判，在項目前期排查制約性因素并辦齊項目開工合法合規手續，比如全面獲取土地、安評、環評、水保等前期支持性文件，深入開展生態紅線、環境敏感區、林地等影響因素排查，不合法合規不開工，避免因冒進或合規手續不全而影響工程建設甚至停滯。

2 放空天然氣處理及回收利用主要思路

針對以上難點，昭通地區山地放空天然氣處理及回收主要以橇裝LNG 站為主，臨時管輸、發電上網、CNG 和城鎮燃氣為輔的回收利用模式。在主產區，按照開發方案先期介入，以臨時管線方式收集早期生產天然氣加以利用，管道建設標準與正式管線一致，與頁巖氣外輸管道建設協調，可重復利用，最終實現管輸銷售。在天然氣產量較低、銷售管網不發達地區，邊遠評價試采井測試階段建設壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）利用裝置，優選天然氣回收方式，提高放空山地天然氣利用率。

具體來講，對于位置相對偏遠井場，根據探井評價井試采階段達到6 個月連續試采生產評價的要求，在試采井主管道建成之前，采用橇裝LNG 等多種方式對試氣階段的放空氣進行回收利用。結合目前已經實現的項目，單井站產氣量在2×104～3×104m3選優橇裝CNG 設備進行回收利用；單井站產氣量在3×104m3以下，且周邊CNG 下游銷售市場有限，產品運輸受道路交通不便等因素嚴重制約，可根據周邊電網布局，就近城鎮燃氣管道布局，結合電力供應和地方居民用氣的訴求，優選上網發電和民用氣方式進行銷售；周邊單井站產氣量在3×104m3以上，且就近井站通過連接臨時管線選擇道路條件好選址，可建成5×104～10×104m3/d LNG站，實現片區集中回收利用。

3 放空天然氣處理及回收利用技術

3.1 臨時管輸回收利用

對已明確產能、規模的待開發頁巖氣藏，在集輸干線建設時可提前預留管線接口，沿線3 km 范圍內的測試平臺氣量在3×104m3/d 以上，可建設臨時管線，實現當年評價、當年見產、當年見效的目標進行回收利用[7-10]。建設中必須配套標準的地面生產流程裝置（圖1），考慮到昭通地區丘陵山地建設輸氣管線施工難度大，土地租用和外部協調困難，綜合評估前期投資成本，盡可能與滾動開發部署相匹配，避免浪費或低效率使用。該種方式的優點在于管輸氣量和銷售價格相對穩定，不易受市場行情波動影響。

圖1 臨時管線接入集氣脫水增壓站Fig.1 Temporary pipeline accesses to the gas gathering dewatering booster station

3.2 LNG 回收利用

小型橇裝LNG 站回收利用主要在昭通地區山地，頁巖氣已測試產量在3×104～5×104m3以上且片區平臺在2～3 個左右，周邊無可接入的管輸銷售網絡，優先選擇建設小型橇裝LNG 裝置銷售（圖2）。后期區域建產后可利用供需雙方串供、互供、代輸等多種方式作為建產區塊實現調峰錯峰的銷售模式，以解決雙方故障檢修和上下游壓產對銷量的嚴重影響問題。放空氣回收技術優選小型橇裝LNG裝置，在天然氣凈化方面，采用MDEA 脫除酸性氣體（主要指二氧化碳和可能存在的硫化氫），分子篩脫除微量水分，浸硫活性炭脫除汞，采用MRC（混合冷劑）循環制冷系統將凈化天然氣全部液化。LNG 液化氣用途廣泛且運輸方便，下游銷售市場需求大，不會因滯銷停產造成氣田生產井的間歇性生產，所供原料氣均為井口和管道粗天然氣，氣質要求較低，生產工藝流程建設投資較少，且LNG原料氣供氣價格較高，適合于西南地區山地管網建設不全的現狀，可對天然氣需求形成有效補充，回收利用模式經濟效益較好。

圖2 6×104 m3橇裝LNG 站Fig.2 Skid-mounted LNG station of 6×104 m3

3.3 CNG 回收利用

CNG 回收方式投資小，優點是安全、靈活、方便、快捷。對于昭通地區山地頁巖氣產量低于3×104m3/d 的井站，道路條件差，可優先選擇CNG銷售。CNG 生產工藝簡單，生產成本較LNG 低，橇裝生產場站能夠在較短的時間內投產，用戶在使用時需一套減壓裝置，相較LNG 的氣化裝置要簡單。將氣井生產的天然氣壓力控制在要求范圍內進入分離器進行氣液分離，分離出的天然氣再經籃式過濾器，除去部分泥沙等固體之后進入干燥橇，經干燥橇吸附脫水（露點低于-35 ℃），經壓縮機壓縮至20 MPa 進入CNG 轉運拖車外運（圖3）。缺點在于單車運輸量小，造成運輸成本大，運輸距離受限，是制約CNG 發展的主要瓶頸。由于物質形態仍是氣體，只是經過了壓縮，壓力高達21 MPa，相較LNG 危險性要大，難于滿足對氣量需求較大用戶的要求。因CNG 需求量隨著市場情況而波動，進而使氣井生產產生波動，且以CNG 為產品不易打破下游目前已供需平衡的市場壁壘，終端銷售價格較低，造成天然氣供氣價格低，存在一定的經營風險。

圖3 3×104 m3橇裝CNG 裝置Fig.3 Skid-mounted CNG device of 3×104 m3

3.4 分布式能源發電回收利用

昭通地區山地頁巖氣邊遠井道路運輸條件差，距集輸主管道較遠、出氣量較小，當周邊有可以依托的高壓電網，產氣量在3×104m3/d 時，可優先采用頁巖氣上網發電，放噴試采結束后可按照配產計劃優先保供發電使用，確保發電平穩運行。分布式能源站所發電能可直接供生產平臺使用，燃氣發電機組煙氣余熱通過余熱鍋爐產生蒸汽，也可供應就近有條件的氣田水處理廠利用，熱電聯供，實現能源高效、梯級利用（圖4），井口供氣燃氣上網發電油田可低價采購用電，降低用電成本。氣田水處理工藝利用發電余熱低耗高效、安全可靠的回收工藝模式具有循環經濟特色，既實現了放空氣的銷售利用，又滿足了用電需求，節約了場站用電成本和氣田水處理成本，在經濟性上具有一定優勢，開發利用前景較好。

圖4 3 MW 分布式能源發電站Fig.4 Distributed energy power plant of 3 MW

3.5 城鎮燃氣民用回收利用

在離地方城鎮燃氣管網、配氣站較近（約1 km 范圍內）的氣井，應優先利用周邊城鎮燃氣管網用戶實現銷售利用（圖5），優先考慮并入地方城鎮燃氣管網實現銷售。城鎮燃氣整體市場價格穩定，同時民用氣在燃燒效率和價格上均比煤炭和液化石油氣具有相當的競爭優勢。能夠優先滿足井場就近鄉鎮的居民用氣，后續可分期分片逐步氣化，滿足醫院、學校、旅館、餐飲和科研事業單位等公共建筑的用氣，將頁巖氣開發的紅利惠及民生。

圖5 就近接入地方燃氣配氣站裝置Fig.5 Accessing to local gas distribution station devices nearby

以上提到的多種放空天然氣處理及回收利用方式，其建設規模要根據天然氣銷售價格、供氣成本、國家頁巖氣綜合利用補貼、年利用量和預測利潤指標綜合確定。從已有的實踐來看，LNG 橇裝回收利用方式，供氣單價較高，與其他銷售方式相比利潤最好，穩定性更強。在提高放空天然氣試采階段利用量、提高經濟效益方面，更具競爭力。

4 結論

總體而言，結合昭通地區山地頁巖氣特點進行零散氣回收利用符合清潔生產的要求。按照回收利用效益最大化，兼顧試采階段放空氣回收達到6 個月實現連續試采生產評價和邊遠、零散天然氣回收的目的，放空天然氣處理及回收利用技術優先選擇小型橇裝LNG 裝置實現回收利用，同時應積極探索LNG 和CNG 代加工的回收方式，將傳統的供需關系轉化成甲乙方合作模式，一方面享受國家頁巖氣補貼政策，增加銷售收入，實現經濟效益最大化，另一方面可促進當地頁巖氣產業良性發展，達到頁巖氣開發與就地轉化利用合作共贏，提升企業利益。