陸爭光，韓善鵬，王 威，馬晨波

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室， 北京 102249）

煤層氣/頁巖氣地面集輸技術及其對比分析

陸爭光，韓善鵬，王 威，馬晨波

（中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室， 北京 102249）

煤層氣/頁巖氣作為優(yōu)質、高效、清潔的非常規(guī)天然氣能源，在能源消費中的地位逐漸提高，已經成為世界上油氣資源開發(fā)的重要方向。相對于常規(guī)天然氣，煤層氣/頁巖氣地面集輸具有非常規(guī)特性。近十幾年來，國內外對煤層氣/頁巖氣的開發(fā)，積累了豐富的開采與集輸經驗。從集輸工藝、井場工藝、集輸管網及水處理系統(tǒng)等方面，對國內外煤層氣/頁巖氣地面集輸技術進行了系統(tǒng)地總結，并對其進行了對比分析，為煤層氣/頁巖氣的地面集輸提供借鑒。

煤層氣；頁巖氣；地面集輸；對比

隨著全球常規(guī)天然氣資源的不斷減少及能源需求的不斷增加，非常規(guī)天然氣在全球能源結構中起到了越來越重要的作用。非常規(guī)天然氣包括煤層氣、頁巖氣、致密砂巖氣及天然氣水合物等，其中，煤層氣與頁巖氣在世界上均已實現商業(yè)性開發(fā)[1,2]。目前，我國的煤層氣產業(yè)已經進入商業(yè)開發(fā)階段，形成了成熟的地面集輸技術；而頁巖氣尚處于起步階段，僅限于四川盆地及周邊地區(qū)的試驗開發(fā)研究，缺乏完善的地面集輸技術、工程配套設施及相關標準[3]。美國在煤層氣/頁巖氣開發(fā)方面均處于世界領先地位，于1821年開始頁巖氣開發(fā)研究，目前已經掌握了成熟的地面集輸技術。

在地面工程設計方面，相對于常規(guī)天然氣開發(fā)，煤層氣與頁巖氣具有不同的特殊性。煤層氣開發(fā)具有低壓、低產、多井的特點，頁巖氣開發(fā)具有生產周期長、生產初期壓降快、開采壽命長、氣井初期產水量大等特點[4]。但是，煤層氣與頁巖氣均為自生自儲式的非常規(guī)天然氣，在油氣藏、地面集輸等方面也存在許多共性。因此，研究煤層氣/頁巖氣的地面集輸技術及其對比分析，對指導我國甚至全球的煤層氣/頁巖氣地面集輸都具有重要的指導意義。

1 煤層氣/頁巖氣藏開發(fā)的非常規(guī)特性

煤層氣/頁巖氣藏開發(fā)的非常規(guī)特性直接影響到煤層氣/頁巖氣的地面集輸工藝，因此，在研究煤層氣/頁巖氣地面集輸前，對比分析常規(guī)天然氣、煤層氣與頁巖氣藏開發(fā)的特性是有必要的，能夠更好地為煤層氣/頁巖氣的開發(fā)與集輸提供重要的借鑒。在此，主要從儲層條件和開發(fā)條件兩方面分析了常規(guī)天然氣、煤層氣與頁巖氣藏開發(fā)的特性[5-10]，如表1。

從表1中可以看出，在儲層條件、開發(fā)條件方面，煤層氣/頁巖氣藏與常規(guī)天然氣藏開發(fā)具有顯著的差別，直接導致了其地面工程設計的特殊性和相關難點，主要表現在：

表1 常規(guī)天然氣、煤層氣和頁巖氣藏開發(fā)特性對比Table 1 Comparison of conventional gas, coalbed methane and shale gas

（1）煤層氣/頁巖氣的地面集輸設計規(guī)模難以確定。常規(guī)天然氣田的產量整體比較穩(wěn)定，結合勘探資源確定的開采周期，其地面集輸設計的規(guī)模比較容易確定。而煤層氣/頁巖氣田具有初期產量低/高、后逐漸變化的特點，均采用滾動式開發(fā)的開發(fā)模式，以上兩點加大了煤層氣/頁巖氣的地面集輸設計規(guī)模確定的難度。

（2）煤層氣/頁巖氣的地面集輸需考慮水處理系統(tǒng)的問題。煤層氣開發(fā)采用先排水后采氣的工藝，需要采出大量水以降低煤層壓力，通常在開采初期產水量較大，后期逐漸減少至一較低的水平上。頁巖氣開發(fā)大多采用水力壓裂技術，需要較多的水資源，且在開采過程中會產生氣田采出水、壓裂反排液。因此，煤層氣/頁巖氣的地面集輸系統(tǒng)需要面臨的一個關鍵問題就是如何設置水處理系統(tǒng)。

（3）煤層氣/頁巖氣地面集輸系統(tǒng)設計的工藝模塊化、設備撬裝化。由于煤層氣/頁巖氣采用滾動式開發(fā)的開發(fā)模式具有很大的不確定性，且頁巖氣井的生產參數變化大，需要對集輸系統(tǒng)的工藝模塊化、設施撬裝化，以適應氣田滾動式生產所要求的可移動性、快速拆裝性，提高設備的高效利用率。

（4）頁巖氣的地面集輸設計壓力確定比較困難。在頁巖氣開發(fā)過程中，開采初期井口壓力很高，隨之很快衰減，大部分周期處于低氣生產階段，但是開發(fā)后期集輸管網會連入高井口壓力的頁巖氣新井。因此，在地面集輸系統(tǒng)設計初期，不僅需要充分利用新井的高井口壓力，還需使老井能夠持續(xù)低壓生產，從而導致了確定地面集輸設計壓力的困難。

2 煤層氣/頁巖氣集輸技術及其對比

2.1 集輸工藝

煤層氣/頁巖氣田一般采用傳統(tǒng)的二級布站總工藝流程，如圖1所示。

從圖1中可以看出，煤層氣/頁巖氣田集輸工藝流程主要包括[3,9,11-14]：井口-采氣管網-集氣站（增壓站）-集氣管網-中心處理站-水處理中心（外輸）。從井口開采出來的煤層氣/頁巖氣經過初步的氣液分離、除砂工藝后進入采氣管網，經采氣管網串聯接入采氣干線，輸送至集氣/增壓站進行二次氣液分離、增壓；從集氣/增壓站出來的氣體，通過集氣管網輸送至中心處理站，經過脫水、處理、二次增壓、調壓、計量等工藝后，大部分煤層氣/頁巖氣進入外輸管網，部分煤層氣/頁巖氣返回井場作為氣舉氣或燃料氣；對于井口排出水、集氣站、中心處理站產生的污水，通過管道輸送方式輸送至水處理中心，對于井口的排出水還可以先儲存到井口的儲罐，然后通過槽車運到水處理中心。此外，針對美國的許多煤層氣田井口壓力高、井口開采氣體氣質較好的特點，美國多采用中心壓縮集輸工藝系統(tǒng)[15]，即利用井口高壓力，通過集氣管線直接輸送至中心處理站。

2.2 井場工藝流程

煤層氣/頁巖氣田的每個井場都會設置分離器、水處理設施、過濾器及計量設施等，頁巖氣田井場還會裝備專門的凝析液儲罐及分離器阻斷裝置。

由于煤層氣田采用排水開采，套管采氣，油管采油，具有井口產水量較大的特點，需要設置專門的采出水管線與水處理設施；而頁巖氣通常產水量較少，其凝析水量與儲層條件有關。對于井口采氣管線來氣，煤層氣井口壓力較低，一般設置相應的壓力控制閥；而頁巖氣的井口壓力較高，需要進行節(jié)流降壓。

然后，將煤層氣/頁巖氣輸送至過濾器進行除砂，再進入氣液分離器，分離出來的煤層氣/頁巖氣直接經過計量裝置計量后，輸送至集氣站或中心處理站。通常經過氣液分離器出來的煤層氣分離水基本不含凝析油，分離水可以直接通過管道輸送至水處理中心，也可以輸送至儲水罐，等待槽車運送；而采出頁巖氣的分離水中，凝析油含量相對較高，需要經過油水分離器，脫出的凝析油先儲存在專門的凝析液儲罐，然后定期送至液烴煉廠進行加工處理。煤層氣/頁巖氣的一般井場工藝流程如圖2所示。

圖1 煤層氣/頁巖氣田集輸工藝（虛框內工藝只針對頁巖氣）Fig.1 Gathering and transportation process of CBM/shale gas (only for shale gas in virtual box)

圖2 煤層氣/頁巖氣田井場工藝流程（虛框內工藝只針對頁巖氣）Fig.2 Well field process of CBM/shale gas (only for shale gas in virtual box)

當煤層氣/頁巖氣田位于山地丘陵地區(qū)時，地面集輸系統(tǒng)具有井場分散、路況較差、管理繁瑣等特點，因而增加了巡線人員的工作量，阻礙了井場生產信息的及時傳遞。我國的煤層氣/頁巖氣田多具有此類特點[16-18]，為此，針對煤層氣集輸，建立了一套多元化傳輸方式的數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)，開發(fā)了相應的地面集輸信息管理系統(tǒng)與應用軟件；針對頁巖氣集輸，每個井口均配置了PLC自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控數據傳輸及站場報警系統(tǒng)，以便操作人員通過控制站實時監(jiān)控井場生產運行。

此外，在防止水合物生成工藝方面，頁巖氣井場一般在井筒泵注入水合物抑制劑（如甲醇等）；而煤層氣井場一般不需要采用此工藝，這主要是根據煤層氣田采用低壓集氣，在管線最低溫度下不會產生水合物的特征。

2.3 集輸管網布置

2.3.1 管網基本結構形式

目前，煤層氣/頁巖氣的集輸管網基本結構相同，主要有以下幾種形式：樹枝狀、放射狀、環(huán)形管網及組合式管網。

（1）樹枝狀管網的特點是有一條與集氣站/中心處理站相連貫穿于整個頁巖氣田的集氣干線，沿集氣干線兩側分出若干集氣干支線，各集氣干直線的末端就近連接井場/集氣站。樹枝狀管網適用于呈狹長帶狀分布的氣井集輸，但是實際生產中完全采用樹枝狀管網的情況并不多。

（2）放射狀管網的特點是從中心處理站向四周以輻射方式引出若干集氣干線，再在集氣干線末端以輻射方式引出若干集氣支線，以連接集氣站/井場。放射狀管網適用于氣井相對集中的氣田，美國的多數煤層氣田及 Bakken頁巖氣田均采用該管網結構[19,20]，而我國通常將其與樹枝狀管網并用。

（3）環(huán)狀管網的特點是具有一條環(huán)狀集氣干線，集氣站/井場就近通過集氣支線連入集氣干線。該管網適用于氣井大多分布在生產周邊區(qū)域的大面積氣田，如美國的Barnett頁巖氣田、Marcellus頁巖氣田。

（4）組合式管網是上述兩種或三種管網結構的組合，我國大部分煤層氣田采用此類管網結構，尤其是樹枝狀與放射狀組合式管網應用較廣，如沁水盆地煤層氣田的鄭莊和樊莊區(qū)塊。

2.3.2 管網優(yōu)化

煤層氣/頁巖氣的地面集輸管網布置較為復雜，管網形式與氣田開發(fā)方案、氣體成分、井位布置、集氣規(guī)模及當地交通等因素均有關，因此，煤層氣/頁巖氣的管網優(yōu)化屬于非線性約束混合變量優(yōu)化問題。對煤層氣集輸管網，蔣洪等[21]提出了管網優(yōu)化的具體步驟，“井間串聯優(yōu)化-集氣增壓站、中心處理站位置優(yōu)化-整個管網線路連接-壓力等級優(yōu)選-管網模擬，優(yōu)選采集氣管道管徑-計算管網投資-方案投資比較-管網布局與參數確定”。

對頁巖氣集輸管網，Mancini F提出了以下建議[4]：（1）井場設備撬裝化、工藝模塊化；（2）管網建設與鉆井開發(fā)進度應保持一致，防止?jié)L動式開發(fā)模式造成資源浪費；（3）隨著頁巖氣田的發(fā)展而逐年打井，且逐年減少平均鉆井數，以保證氣田產量的穩(wěn)定。

2.4 產出水處理技術

煤層氣產出水與油田采出水大不相同，與煤礦抽排水比較相似，具有含鹽量高、不含烴類、不含酸類的特點。頁巖氣大多采用水力壓裂開采，產出水中成分較為復雜，主要源于壓裂液中的表面活性劑、除垢劑及減阻劑等以及地層中的重金屬、懸浮有機物、酚/酮類及天然放射物質等多種污染物。煤層氣/頁巖氣的產出水水質均與常規(guī)油氣田采出水質不相似，需要采用特殊的水處理方式。

目前，國內外對煤層氣產出水的處理方式可以總結為以下四種[9,22,23]：①地面排放，對于含鹽量≤2 000×10-6的產出水，可以直接將其就近排入河流或湖泊，如我國及美國亞拉巴部分煤層氣田采用了該水處理方式；②地下回注，通過泵增壓將產出水回注到地層，該工藝缺點是對回注地層、回注水質等均有要求，優(yōu)點是地面設施少，操作維護簡便；③地面蒸發(fā)，即靜置于儲水池中使其蒸發(fā)到空氣中，該工藝適用于水質較差的情況，缺點是對地形要求高、占地面積大等，優(yōu)點是節(jié)省投資，操作簡單，澳大利亞部分煤層氣田采用此工藝；④工廠處理，通過完整的工藝和設備除去產出水中不達標組分，該工藝缺點是工藝復雜、投資高，優(yōu)點是處理效果好，美國、澳大利亞及加拿大煤層氣田均含有此類工廠處理設施。毛建設等[23]提出，鑒于煤層氣產出水的遞減、水質較為純凈及多樣性等特點，在詳細分析氣田水質基礎上，煤層氣產出水的處理工藝選擇應力求簡單，減少二次污染。

針對頁巖氣產出水，根據對產出水污染物處理程度的不同，可以將水處理方式分為三大類[24,25]：物理法廢水再生、廢水的重復使用及化學法廢水再生。物理法廢水再生、廢水的重復使用均是以廢水利用的角度來對產出水進行處理，并未從根本上消除污染物，而化學法廢水再生則是通過除去產出水中的污染物以凈化水質，主要包括臭氧催化氧化、電絮凝技術。2014年，郭小哲[26]提出未來水處理技術的發(fā)展方向主要有兩方面，壓裂液中添加劑的處理與壓裂液回收再利用；吳青蕓等[25]在系統(tǒng)總結頁巖氣開采水處理技術的基礎上，認為采用兩種或兩種以上技術綜合的水處理系統(tǒng)將成為以后頁巖氣產出水處理的發(fā)展趨勢。

3 結 論

（1）與常規(guī)天然氣相比，煤層氣/頁巖氣地面集輸具有非常規(guī)特性，主要表現在以下四個方面：集輸設計規(guī)模確定、水處理系統(tǒng)、工藝模塊化及集輸系統(tǒng)壓力確定。

（2）與煤層氣相比，頁巖氣在地面集輸設計中需要考慮井口節(jié)流、水合物抑制措施、凝析油處理及水處理系統(tǒng)中產出水的復雜污染物的問題等。

（3）煤層氣與頁巖氣均為自生自儲式的非常規(guī)天然氣，其地面集輸技術有著很多的相似之處。煤層氣地面集輸技術較為成熟，頁巖氣需要在借鑒煤層氣集輸技術的基礎上，結合自身特點，進行地面集輸研究實踐。

［1］Wang Q, Chen X, Jha A N, et al. Natural gas from shale formation–the evolution, evidences and challenges of shale gas revolution in United States [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2014, 30: 1-28.

［2］Tian L, Wang Z, Krupnick A, et al. Stimulating shale gas development in China: A comparison with the US experience[J]. Energy Policy, 2014, 75: 109-116.

［3］李麗敏, 侯磊, 劉金艷. 國內外頁巖氣集輸技術研究[J]. 天然氣與石油, 2014, 32(5): 5-9.

［4］Mancini F, Zennaro R, Buongiorno N, et al. Offshore Mediterranean Conference and Exhibition [C]. Revanne: Offshore Mediterranean Conference, 2011.

［5］Meng Zhaoping, Zhang Jincai, Wang Rui. Insitu stress, pore pressure, and stress-dependent permeability in the Southern Qinshui Basin[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences,2011(48): 122-131.

［6］孟召平, 劉翠麗, 紀懿明. 煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質條件及其對比分析[J]. 煤炭學報, 2013, 38(05): 728-736.

［7］肖燕. 煤層氣開采與集輸工藝研究[D]. 成都: 西南石油大學, 2007.

［8］Mardon S M, Eble C F, Hower J C, et al. Organic petrology, geochemistry, gas content and gas composition of Middle Pennsylvanian age coal beds in the Eastern Interior (Illinois) Basin: Implications for CBM development and carbon sequestration[J]. International Journal of Coal Geology, 2014, 127: 56-74.

［9］岑康, 江鑫, 朱遠星, 等. 美國頁巖氣地面集輸工藝技術現狀及啟示[J]. 天然氣工業(yè), 2014, 34(06): 102-110.

［10］Tian L, Wang Z, Krupnick A, et al. Stimulating shale gas development in China: A comparison with the US experience[J]. Energy Policy, 2014, 75: 109-116.

［11］KEVIN A ,LAWLOR, MICHAEL C.Gathering and processing design options for unconventional gas[J]. Oil and gas Journal, 2013,3(4):54-58.

［12］ARTHUR J, BOHM B, LAYNE M. Considerations for development of Marcellus shale gas[J]. World Oil, 2009, 230(7):65-69.

［13］WEILAND R, HATCHER N. Overcome challenges in treating shale gases[J]. Hydrocarbon Processing, 2012, 91(1):45-48.

［14］RAHM B G, BATES J T, BERTOIA, et al. Wastewater management and Marcellus Shale gas development: Trends, drivers, and planning implication[J]. Journal of Environmental Management, 2013, 120(15)：105-113.

［15］肖燕, 孟慶華, 羅剛強, 等. 美國煤層氣地面集輸工藝技[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(3): 111-113.

［16］黃靜, 許言, 邊文娟, 等. 頁巖氣開發(fā)地面配套集輸工藝技術探討[J]. 天然氣與石油, 2013, 31(5): 9-11.

［17］吳建光, 琚宜文, 裴紅, 等. 我國煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測技術研究進展[J]. 中國工程科學, 2012, 14(2): 30-37.

［18］王紅霞, 劉祎 , 王登海, 等. 沁水盆地煤層氣地面工藝技術[J]. 天然氣工業(yè), 2008, 28(3): 109-110.

［19］KEVIN A, LAWLOR, MICHAEL C. Gathering and processing design options for unconventional gas[C]//90th Annual Gas Processors Association Convention Proceedings, 4-6March 2011,San Antonio, Texas, USA. San Antonio: GPA, 2011.

［20］GUARNONE M,CIUCA A, RERMOND S. Shale gas: from unconv entional subsurface to cost-effective and sustainable surface devel opments[R]: Nanjing: Oil & Gas Symposium, 2010.

［21］蔣洪, 張黎, 任廣欣, 等. 煤層氣地面集輸管網優(yōu)化[J]. 天然氣與石油, 2013 (1): 8-12.

［22］潘紅磊, 吳東平. 國外煤層氣采出水處理及綜合利用方法[J]. 煤礦環(huán)境保護, 1997, 11(3): 27-28.

［23］毛建設,綦曉東,王予新. 煤層氣采出水處理技術探討[J]. 中國煤層氣,2014,06:31-35.

［24］Lutz B D, Lewis A N, Doyle M W. Generation, transport, and disposal of wastewater associated with marcellus shale gas development[J]. Water Resources Research, 2013, 49(2): 647-656.

［25］吳青蕓, 鄭猛, 胡云霞. 頁巖氣開采的水污染問題及其綜合治理技術[J]. 科技導報, 2014, 32(13): 74-83.

［26］郭小哲.中國頁巖氣開發(fā)的環(huán)保對策 [EB/OL]. http://oilobserver. com/himl/s57401336/.html.2014-5-6.Guo Xiaozhe. The Environmental Protection Countermeasure of the Shale Gas Develepnent in China [EB/OL]. http://oilobserver.com/himl/ s57401336/.html. 2014-05-06.

Surface Gathering and Transportation Technologies of Coalbed Methane and Shale Gas and Their Comparison Analysis

LU Zheng-guang, HAN Shan-peng, WANG Wei, MA Chen-bo
（National Laboratory for Pipeline Safety/ Beijing Key Laboratory of Urban Oil and Gas Distribution Technology, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

As a high quality, efficient and clean unconventional gas energy, coalbed methane (CBM)/shale gas has been increasingly popular in energy consumption and become important branch in world’s oil and gas exploitation. Compared with the conventional gas, coalbed methane/shale gas has unconventional characteristics in the surface gathering and transportation. Over the past decade, rich experience about the surface gathering and transportation of coalbed methane/shale gas has been accumulated in development process of coalbed methane/shale gas at home and abroad. In this paper, the surface gathering and transportation technologies of coalbed methane/shale gas were systematically categorized and compared from the aspects of gathering process, well field process, pipeline network arrangement and produced water treatment.

Coalbed methane; Shale gas; Surface gathering and transportation; Comparison

TE 382

A

1671-0460（2015）08-1924-05

2015-02-03

陸爭光（1991-），男，安徽淮北人，在讀碩士研究生，2014年畢業(yè)于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業(yè)，從事于油氣田集輸與油氣長距離管輸技術研究。E-mail：shidafighter@163.com。