張軍輝 ，白 聰 ，張 丹 ，樊 虹 ，孔麗萍 ，吳曉燕 ，季 聞

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100027；3.中國(guó)石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300450）

隨著人類生活需求以及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，人們?cè)絹?lái)越重視新能源的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)，伴隨人們對(duì)頁(yè)巖氣地質(zhì)認(rèn)識(shí)的提高以及開(kāi)采技術(shù)不斷進(jìn)步，在油氣資源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一個(gè)新星-頁(yè)巖氣，它是一種賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，以吸附或游離狀態(tài)存在的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源。據(jù)初步評(píng)價(jià)，全球頁(yè)巖氣資源量高達(dá)456×1012m3，與全球常規(guī)天然氣的資源量472×1012m3相當(dāng)，且中國(guó)的常規(guī)天然氣為32×1012m3，非常規(guī)天然氣的儲(chǔ)量更是達(dá)到48×1012m3。因此中國(guó)未來(lái)將更多依賴自身資源滿足不斷增加的天然氣供應(yīng)[1]。然而對(duì)于頁(yè)巖氣在試采階段的放空氣，目前并未采取相應(yīng)的合理措施，造成環(huán)境污染，資源浪費(fèi)。因此合理回收利用天然氣資源也成為當(dāng)務(wù)之急。

1 頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣回收利用意義

我國(guó)頁(yè)巖氣資源類型多、分布廣、潛力大。據(jù)估算，頁(yè)巖氣資源量為100×1012m3，可采資源量大約30×1012m3。其中南方揚(yáng)子地區(qū)、華北地區(qū)、西部陸相盆地及東部盆地各自占頁(yè)巖氣可采資源總量的43.93%、17.57%、18.97%和 19.52%[2]，分布情況（見(jiàn)表1）。

據(jù)文獻(xiàn)顯示，頁(yè)巖氣的組成近似于常規(guī)天然氣和地面鉆井開(kāi)采煤層氣，如美國(guó)六大頁(yè)巖地層的頁(yè)巖氣組成[3]（見(jiàn)表2）。

同時(shí)，美國(guó)曾對(duì)溫室氣體的排放做了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖地層中通過(guò)水力壓裂方式獲得的天然氣對(duì)溫室效應(yīng)影響最大，尤其是放空或泄漏的甲烷的影響。并且發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖氣甲烷泄漏量達(dá)到3.6%～7.9%，是常規(guī)天然氣的30%以上，甚至兩倍。更重要的是甲烷也是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)是CO2的20倍以上[4]。因此回收利用頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣資源，對(duì)于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、增加能源利用率、改善頁(yè)巖礦區(qū)安全生產(chǎn)條件以及減少溫室氣體排放，具有十分重要的意義。

2 開(kāi)采放空氣回收利用方案研究

表1 中國(guó)頁(yè)巖氣有利區(qū)資源分布

由于國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣資源的開(kāi)發(fā)起步較晚，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，開(kāi)采放空氣量少、利用率低，缺乏合理的開(kāi)采放空氣綜合開(kāi)發(fā)模式和相應(yīng)配套設(shè)施。而常規(guī)天然氣的油氣資源的開(kāi)采回收利用技術(shù)，卻經(jīng)歷了百年的歷史；非常規(guī)資源的煤層氣，也經(jīng)過(guò)了十多年的努力初具規(guī)模。因此對(duì)于頁(yè)巖氣回收利用，可以復(fù)制或者創(chuàng)新應(yīng)用常規(guī)天然氣的油田放空氣和非常規(guī)天然氣的煤層氣的回收利用技術(shù)。

2.1 常規(guī)天然氣放空氣回收利用技術(shù)

表2 美國(guó)六大頁(yè)巖地層頁(yè)巖氣組成

全球范圍內(nèi)，對(duì)于伴生氣量小而分散或遠(yuǎn)離城市及工業(yè)的油氣田，尤其是對(duì)不能或暫時(shí)不能并入管網(wǎng)的零散氣源，利用率低，經(jīng)常選擇放空。另外，試采的天然氣由于沒(méi)有配套設(shè)施只能長(zhǎng)期放空。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年全球天然氣產(chǎn)量為32 500×108m3，其中2.5%～3.0%（800×108m3～1 000×108m3）消耗于火炬燃燒，相當(dāng)于全球半個(gè)月或德國(guó)和法國(guó)的全年用氣量。而且在國(guó)內(nèi)油氣田每年放空天然氣量達(dá)10×108m3，其中尤以新疆等西北地區(qū)放空最為嚴(yán)重[5]。針對(duì)此情況，國(guó)內(nèi)采取的天然氣放空的主要回收利用方案（見(jiàn)表3）。

表3 放空天然氣利用方向

2.2 煤層氣回收利用技術(shù)

近年來(lái)，隨著煤層氣的大量開(kāi)發(fā)，到1994年我國(guó)煤層氣的產(chǎn)量已達(dá)到5.6×1012m3，利用率不足70%，這說(shuō)明以附近居民為主的煤層氣利用方式已經(jīng)不能完全消化不斷增加的煤層氣量，人們?cè)絹?lái)越重視煤層氣的加工利用。目前根據(jù)國(guó)內(nèi)外煤層氣的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，煤層氣的回收利用方案（見(jiàn)表4）。

表4 煤層氣的利用方向

3 頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣回收利用方案選擇

目前頁(yè)巖氣氣藏的開(kāi)發(fā)仍處于初期，開(kāi)采技術(shù)不成熟，而優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖又多分布在蜀南、鄂西、貴州、重慶等地區(qū)，地表?xiàng)l件復(fù)雜[6]。周圍基本沒(méi)有可支撐的地面設(shè)施。并且氣田試采采用最普遍的方式直接放空，試采時(shí)間一般不少于10 d，試采壓力也較小，一般在0.08 MPa～0.3 MPa，放空氣量一般在 5×104m3/d～30×104m3/d，資源浪費(fèi)量相當(dāng)可觀[7]。因此可對(duì)一些有規(guī)律可循、可控制的放空進(jìn)行回收處理。結(jié)合上述常規(guī)天然氣放空氣以及開(kāi)采煤層氣的回收利用方案可知，采用技術(shù)成熟的無(wú)管網(wǎng)運(yùn)輸?shù)腃NG（壓縮天然氣）技術(shù)即成為頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣回收利用較為合適的方案。

3.1 CNG技術(shù)基本原理

CNG技術(shù)是20世紀(jì)60年代初期開(kāi)始在我國(guó)開(kāi)發(fā)的一種新興的天然氣儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)[8]。該技術(shù)是將原料氣經(jīng)過(guò)分離器分離、按不同壓力等級(jí)（中、低壓）調(diào)壓穩(wěn)壓后，在進(jìn)行脫硫、脫水脫烴后，再進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行三級(jí)壓縮，使氣體壓力達(dá)到25 MPa，通過(guò)加氣柱給轉(zhuǎn)運(yùn)拖車充氣或給特質(zhì)的鋼瓶充氣進(jìn)行貯存，給居民或公共用戶供氣[9]，CNG回收工藝流程（見(jiàn)圖1）。

3.2 CNG技術(shù)特點(diǎn)

（1）對(duì)距離城鎮(zhèn)居民或者其他商業(yè)用戶4 000 km以內(nèi)的氣田來(lái)說(shuō)，試采氣量小，采用CNG回收工藝投資低、效益高。

（2）CNG 在壓力 8 MPa～31.3 MPa呈氣態(tài)，體積可減至天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積的1/200。相對(duì)于LNG技術(shù)，它無(wú)需液化裝置和再氣化終端等昂貴的設(shè)施，投資費(fèi)用明顯低于LNG，另外項(xiàng)目工期相對(duì)于LNG技術(shù)短[10]。

（3）平面布置緊湊，壓縮機(jī)采用撬裝占地面積小。

（4）所需的處理設(shè)施如壓縮機(jī)、冷卻器等都是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)設(shè)備，維護(hù)方便[11]。

3.3 CNG裝置介紹

CNG技術(shù)包括加氣系統(tǒng)和泄氣系統(tǒng)。前者主要是天然氣脫除水等雜質(zhì)達(dá)到CNG運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)后，通過(guò)壓縮機(jī)增壓充裝到CNG拖車的過(guò)程；后者是CNG拖車將增壓的天然氣通過(guò)卸氣柱，由調(diào)壓器減壓，輸入輸氣干線或者作為汽車燃料供應(yīng)用戶。

圖1 CNG回收工藝流程簡(jiǎn)圖

3.3.1 脫水裝置 CNG技術(shù)壓縮壓力要達(dá)到25 MPa，因此需對(duì)天然氣進(jìn)行深度脫水，嚴(yán)格控制水露點(diǎn)，通常要求在常壓下水露點(diǎn)需達(dá)到-60℃。脫水方式根據(jù)脫水裝置在工藝流程中設(shè)置的位置，分為前置低壓脫水（壓縮機(jī)前）和后置高壓脫水（或級(jí)間脫水）（壓縮機(jī)后）[12]。前置脫水的優(yōu)點(diǎn)是考慮壓縮機(jī)，保護(hù)壓縮機(jī)不受腐蝕，壓縮機(jī)機(jī)組中無(wú)需設(shè)置冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)。由于操作壓力較低，對(duì)容器制造工藝要求低；缺點(diǎn)是脫水設(shè)備體積較大，且脫水量大，所需再生能耗較大；后置脫水（或級(jí)間脫水）的優(yōu)點(diǎn)是干燥器設(shè)備體積小、再生氣量少、干燥后的氣體露點(diǎn)低等；但缺點(diǎn)是由于壓力高達(dá)25 MPa，對(duì)容器制造工藝要求高，需設(shè)置可靠的冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。另外，進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣未經(jīng)干燥，對(duì)壓縮機(jī)的汽缸等部位產(chǎn)生一定腐蝕，影響壓縮機(jī)的使用壽命。

3.3.2 脫烴裝置 天然氣脫烴工藝方法主要是低溫分離法和溶劑吸收法。低溫分離法是利用天然氣中各烴類組分冷凝溫度不同，通過(guò)制冷將天然氣冷卻到一定溫度，從而將沸點(diǎn)較高的烴類（較重的烴）冷凝分離。該工藝成熟可靠、操作簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。溶劑吸收法是利用對(duì)天然氣中各組分在吸收劑中的溶解度的差異而使不同烴類氣體得以分離。即采用對(duì)較重?zé)N類吸收能力好的溶劑來(lái)脫除其中的重?zé)N，從而降低天然氣的烴露點(diǎn)，屬于物理吸收過(guò)程。該法對(duì)重?zé)N的吸收率低，能耗大，因此目前較少用于對(duì)天然氣烴露點(diǎn)的控制。

目前普遍采用的是低溫分離法中外部制冷脫烴、膨脹制冷脫烴或兩個(gè)工藝相結(jié)合的脫烴方法。如大港油田的南一聯(lián)天然氣裝置采用丙烷制冷脫烴；勝利油田的現(xiàn)河首站采用氨制冷脫烴；而浦海裝置采用丙烷外冷+膨脹制冷脫烴[13]。

但是，近期有人提出了一種新型脫水脫重?zé)N工藝方法[14]，該方法包括吸附過(guò)程和再生過(guò)程。吸附過(guò)程是指來(lái)氣通過(guò)換熱器，氣液分離罐，經(jīng)過(guò)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，進(jìn)入吸附塔，出口氣經(jīng)過(guò)換熱器接入自用氣管路；再生過(guò)程是指來(lái)氣經(jīng)加熱后進(jìn)入吸附塔，對(duì)塔內(nèi)進(jìn)行加熱，再生氣經(jīng)換熱器后，進(jìn)入氣液分離罐，然后接入自用氣管路。當(dāng)吸附塔出口氣溫度達(dá)到150℃時(shí)停止進(jìn)氣，并自然冷卻?；蛘哧P(guān)閉加熱器，利用濕氣進(jìn)行冷吹冷卻。該吸附分離法靈活便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、基礎(chǔ)投資少、操作簡(jiǎn)單，適于中小規(guī)模天然氣的處理；適于雜質(zhì)含量較低氣體的深度處理，處理后的產(chǎn)品氣純度高。但是目前還未實(shí)施工業(yè)化。還有，20世紀(jì)90年代興起的一種新型膜分離技術(shù)正在逐漸應(yīng)用于石化行業(yè)中乙烯、丙烯、氯乙烯及其他烷烯烴的回收和液化氣（LPG）。其原理是氣體分子在膜中的溶解擴(kuò)散性能差異性，在一定的壓差推動(dòng)下，優(yōu)先溶解滲透的分子先通過(guò)膜，從而達(dá)到分離，降低天然氣的烴露點(diǎn)的目的。分離膜撬裝設(shè)備分兩個(gè)系列：天然氣露點(diǎn)調(diào)節(jié)膜法裝置；天然氣富集C3+膜法裝置[15]。

3.3.3 CNG壓縮機(jī) 天然氣壓縮機(jī)是CNG加氣站最主要的核心設(shè)備，它的選型對(duì)CNG加氣站的建設(shè)投資影響很大。而按氣缸布局方式的不同天然氣壓縮機(jī)分為L(zhǎng)型、D型、W型、V型等型號(hào)[16]。根據(jù)頁(yè)巖氣放空氣的組成、進(jìn)氣壓力、排氣壓力等參數(shù)，結(jié)合頁(yè)巖氣的分布，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等因素，可以選定V型撬裝風(fēng)冷電驅(qū)壓縮機(jī)，它是一種集壓縮機(jī)、凈化器、冷卻裝置、控制系統(tǒng)為一體的撬裝裝置，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是拆卸移動(dòng)靈活、組裝調(diào)試簡(jiǎn)單。

3.4 CNG回收方案效益估算

若選定CNG撬裝裝置，其設(shè)備投資約300萬(wàn)元（不包括CNG拖車和下游泄放）?；厥盏姆趴諝獍唇?jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，壓縮天然氣氣價(jià)（2～4）元/立方米計(jì)算，5×104m3/d的CNG裝置一天回收的天然氣價(jià)值10～20萬(wàn)元，年回收天然氣價(jià)值（3 500～7 000）萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀[17]。

3.5 頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣CNG回收技術(shù)分析

首先根據(jù)頁(yè)巖氣的分布、組成以及放空氣量的大小可知，頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣的點(diǎn)多、面廣、氣量零散，因此基本可以確定CNG回收技術(shù)是目前比較合適的回收方式。其次由于放空氣的回收規(guī)模不大，放空點(diǎn)不集中，給回收帶來(lái)一定難度，因此回收項(xiàng)目的完成很大程度上取決于管理以及運(yùn)作方式，即CNG充氣站的建設(shè)、產(chǎn)品的運(yùn)輸和銷售、各個(gè)裝置的維護(hù)與操作。因此，結(jié)合上述的特點(diǎn)也需要解決以下幾點(diǎn)問(wèn)題：

（1）鑒于回收裝置集中化，頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣盡量變多點(diǎn)放空為一點(diǎn)放空，這對(duì)放空氣的收集有重大意義。

（2）由于目前頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣回收項(xiàng)目并未進(jìn)行大規(guī)模實(shí)施，頁(yè)巖氣放空氣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完善，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)缺失，因此需要對(duì)CNG回收方案進(jìn)行深入研究，多方案比選，確定一個(gè)經(jīng)濟(jì)效益高、裝置運(yùn)行模式簡(jiǎn)單的方案。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)不斷攀升的能源需求和氣候變化的壓力，頁(yè)巖氣作為一種清潔能源正在改變著當(dāng)今的能源結(jié)構(gòu)，給能源的利用注入了新的血液。但在頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程中放空氣仍采用陳舊的直接放空方式，造成環(huán)境污染，資源極大的浪費(fèi)。因此，因地制宜，合理回收利用頁(yè)巖氣開(kāi)采放空氣也是迫在眉睫。在回收技術(shù)方面，大力發(fā)展CNG不但可提升經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，同時(shí)也有利于天然氣供需平衡和能源的合理利用及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。