劉雨舟

中國石油西南油氣田公司開發(fā)事業(yè)部

頁巖氣通常采用平臺井組作業(yè)，利用大規(guī)模水力壓裂獲得工業(yè)氣流，耗水量巨大，對地面工程的整體布局以及供、轉(zhuǎn)水提出了新要求；同時，頁巖氣初期產(chǎn)量較高，易出砂，但產(chǎn)量快速遞減，壓力降低快，需考慮增壓生產(chǎn)工藝；頁巖氣壓裂返排液在試油和生產(chǎn)過程中不斷排出，地面工程需考慮返排液的處理問題。此外，頁巖氣開發(fā)規(guī)模大，地面流程需要采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，實現(xiàn)部分裝置重復(fù)利用，以降低地面工程建設(shè)成本。岑康等[1]探討了美國頁巖氣地面集輸工藝現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)頁巖氣地面工程的難點在于地面集輸系統(tǒng)規(guī)模變化大、地面集輸管網(wǎng)與站場布置難確定等。馬國光等[2]分析了我國頁巖氣集輸系統(tǒng)的設(shè)計問題，認(rèn)為需借鑒北美頁巖氣地面集輸技術(shù)，結(jié)合我國頁巖氣田實際，對布站形式、管網(wǎng)設(shè)計、井組劃分與布站等進行總體考慮。梁光川、王健等[3-4]論述了頁巖氣地面工程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計問題，認(rèn)為頁巖氣地面工程設(shè)計面臨集輸規(guī)模難確定、管網(wǎng)和站場布局適應(yīng)性差、工藝設(shè)備配套難度大等諸多問題，需要開展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。以下綜述了我國頁巖氣地面工程技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，可為頁巖氣地面工程設(shè)計提供一定的參考。

1 頁巖氣地面工程技術(shù)特點

頁巖氣地面工程具有以下特點[1，3-4]：

(1)集輸系統(tǒng)規(guī)模變化大，設(shè)計之初難確定。頁巖氣初期產(chǎn)量較高，后快速衰減，且不同頁巖氣田、不同區(qū)塊產(chǎn)能差異較大，在開發(fā)前難以確定地面集輸系統(tǒng)規(guī)模。

(2)集輸管網(wǎng)壓力變化范圍大。初期井口壓力較高，后快速衰減，大部分時間處于低壓生產(chǎn)狀態(tài)，大量氣井的產(chǎn)氣合并集中輸送，使得集輸管網(wǎng)壓力變化較大。

(3)集輸流程需采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及橇裝化設(shè)計。通過不同的流程組合調(diào)整集輸系統(tǒng)能力，而標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及撬裝化的裝置方便拆卸與安裝，可實現(xiàn)部分流程裝置的重復(fù)利用。

(4)供、轉(zhuǎn)水需求量大，壓裂返排液需處理。集輸系統(tǒng)需滿足大規(guī)模體積壓裂耗水量大((4～5)×104m3/水平井)以及返排液需處理等要求，特別是同一地區(qū)幾個平臺集中壓裂時，有時發(fā)生供、轉(zhuǎn)水難以滿足壓裂用水需求的情況。

(5)地面工程流程需要考慮增壓工藝。許多頁巖氣生產(chǎn)井已開始或正準(zhǔn)備上增壓工藝，需在地面工程設(shè)計時就考慮到平臺單獨增壓或幾個平臺集中增壓流程，以滿足壓力快速衰減后穩(wěn)定生產(chǎn)的要求。

2 頁巖氣地面工程技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 頁巖氣地面集輸及處理技術(shù)

2.1.1頁巖氣地面集輸

頁巖氣普遍采用氣液分輸模式，利用模塊化和撬塊化的標(biāo)準(zhǔn)集輸裝置進行組合，適應(yīng)不同生產(chǎn)階段工況。頁巖氣產(chǎn)出后，經(jīng)除砂、分離、計量后再輸至集氣站。根據(jù)頁巖氣不同生產(chǎn)時期的產(chǎn)能與工況特點，制定不同時期的生產(chǎn)流程。目前，我國頁巖氣田通常按照平臺、集氣站、中心脫水站到外輸干線的流程進行集輸，其最關(guān)鍵部分在于集氣站。頁巖氣集氣站多為8井式、10井式，甚至12井式。圖1為某頁巖氣田8/10/12井式集氣站流程集輸流程[5]。

2.1.2頁巖氣處理技術(shù)

我國頁巖氣的氣體組分均以CH4為主，其體積分?jǐn)?shù)達(dá)95.17%～99.19%，不含H2S、凝析油，含有少量CO2(≤2%(φ))，頁巖氣處理主要是脫水。頁巖氣脫水一般在脫水站或中心站內(nèi)集中脫水。脫水方式主要有三甘醇脫水、分子篩脫水等。對于管輸產(chǎn)品氣，脫水一般采用三甘醇脫水工藝(長寧、黃金壩、紫金壩、威遠(yuǎn)等區(qū)塊普遍采用)，見圖2[6]。

對于少數(shù)采用CNG槽車外運或單井站場，脫水工藝可以選用分子篩脫水工藝(涪陵頁巖氣田平橋區(qū)塊7個集氣站、24口氣井采用的是分子篩脫水工藝)[7]，見圖3[6]。

早期建成的頁巖氣三甘醇脫水裝置采用常規(guī)氣脫水理念，脫水工藝流程復(fù)雜，裝置的橇裝集成度低、布置松散、占地面積大。目前，運用各種軟件進行模塊化設(shè)計的理念已被廣泛使用，且橇裝集成技術(shù)不斷提高，形成了標(biāo)準(zhǔn)的頁巖氣脫水模塊化設(shè)計，并根據(jù)頁巖氣不同生產(chǎn)時期特點進行個性化組合。

2.1.3頁巖氣計量技術(shù)

在頁巖氣生產(chǎn)早期，氣井產(chǎn)量較高，壓力較高，地層出砂較為嚴(yán)重，通常采用兩級節(jié)流，氣液分輸，通過出砂器出砂后，單獨計量。進入頁巖氣生產(chǎn)中期，氣井產(chǎn)量已大幅下降，出砂較少，此時將除砂橇更換為輪換閥組橇，氣液分輸，通過輪換分離計量。進入頁巖氣生產(chǎn)后期，氣井產(chǎn)量低、壓力小，基本不出砂，此時拆除分離計量橇，安裝計量管匯橇，采用氣液混輸，輪換計量。

2.2 頁巖氣壓裂返排液地面處理技術(shù)

頁巖氣壓裂返排液中含有無機鹽、懸浮物等，其礦化度較高，易因細(xì)菌滋生而變黑發(fā)臭，需要進行處理。頁巖氣壓裂返排液的處理方式包括回用、回注以及外排。

2.2.1壓裂返排液處理后回用

壓裂返排液回用處理主要是去除或降低影響壓裂效果和壓裂液性能的雜質(zhì)后，重新配制壓裂液用于接替井壓裂作業(yè)。頁巖氣壓裂返排液回用主要是參照NB/T 14002.3-2015《頁巖氣 儲層改造 第3部分:壓裂返排液回收和處理方法》執(zhí)行。目前，對壓裂返排液回用處理主要有兩種方式：①利用井場的儲水池進行自然沉降，并在回用時利用清水稀釋，降低返排液中雜質(zhì)含量，從而實現(xiàn)重新配液回用;②對壓裂返排液進行深度處理，利用水質(zhì)軟化、絮凝沉降、過濾、殺菌等工藝去除懸浮物，降低硬度，抑制細(xì)菌滋生，大幅提高壓裂返排液回用時的水質(zhì)，避免因細(xì)菌滋生而導(dǎo)致的變黑發(fā)臭問題[8]。圖4為NB/T 14002.3-2015推薦的返排液回用處理流程[9]。

目前，回用是頁巖氣壓裂返排液處理的最主要方式。因此，在地面工程建設(shè)設(shè)計時，需考慮壓裂返排液回用過程中的供、轉(zhuǎn)水流程，并預(yù)留部分站場建設(shè)壓裂返排液處理工藝流程。

2.2.2壓裂返排液處理后回注地層

將壓裂返排液進行絮凝沉降、過濾等工藝處理，降低懸浮物含量，并控制懸浮物的粒徑，達(dá)到回注水水質(zhì)要求后回注地層?；刈⒌貙拥奶幚砉に嚺c常規(guī)天然氣氣田水回注處理工藝類似。由于頁巖氣壓裂返排液量巨大，且大量回注過程中存在快速結(jié)垢堵塞地層的風(fēng)險，因此，對于回注層要求更高。頁巖氣壓裂返排液回注主要是參照SY/T 6596-2016《氣田水注入技術(shù)要求》執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)為2016年最新修訂版，只有技術(shù)要求，未有推薦回注的處理流程?；刈⑻幚砹鞒炭梢詤⒄赵摌?biāo)準(zhǔn)的2004版(SY/T 6596-2004《氣田水回注方法》)(圖5)，并結(jié)合SY/T 6596-2016的具體要求進行處理[10]。由于頁巖氣壓裂返排液量巨大，回注需要大量回注井，鉆井費用高，且在日趨嚴(yán)厲的環(huán)保形勢下，許多地方政府已經(jīng)嚴(yán)格限制回注井的數(shù)量，使得回注地層的方式已逐步顯示出不適用性。

2.2.3壓裂返排液處理后外排

壓裂返排液處理后外排是頁巖氣壓裂返排液處理的必然趨勢，以適應(yīng)頁巖氣進入開發(fā)中后期，無大量接替井對壓裂返排液進行回用情況。壓裂返排液處理后外排水質(zhì)主要按GB 8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》及地方環(huán)保要求進行處理和排放。

壓裂返排液外排處理工藝通常采用回用處理工藝作為預(yù)處理，再通過反滲透膜脫鹽和/或結(jié)晶蒸發(fā)脫鹽實現(xiàn)外排。因此，在地面工程建設(shè)設(shè)計時，應(yīng)充分考慮壓裂返排液前期回用處理、中后期外排處理的需要，設(shè)置必要的供、轉(zhuǎn)水流程，將處理站(廠)附近的壓裂返排液集中處理。圖6、圖7分別是返排液反滲透脫鹽處理和多效結(jié)晶蒸發(fā)處理基本流程[11]。

3 頁巖氣地面工程技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 智慧頁巖氣田

人工智能化在頁巖氣田的廣泛應(yīng)用是必然趨勢。部分頁巖氣區(qū)塊已建立了前端“自動采集”、中端“集中控制”、后端“決策分析”的數(shù)字化氣田管理平臺，通過使用無人值守、自動運行等技術(shù)，實現(xiàn)地面工程自動控制。一些油氣田在常規(guī)天然氣的智慧化建設(shè)已經(jīng)取得了成效。如中國石油西南油氣田作為我國頁巖氣開發(fā)的主力軍，在合川、安岳等常規(guī)氣田的地面工程數(shù)字化建設(shè)中已卓有成效[12]，其經(jīng)驗可以借鑒到頁巖氣田。此外，利用自動控制技術(shù)、SCADA技術(shù)對頁巖氣管網(wǎng)、地面設(shè)備進行智能控制，對集輸管網(wǎng)進行智能調(diào)峰，對生產(chǎn)過程進行自動管控也是建設(shè)智慧化頁巖氣田的關(guān)鍵。如中國石油在長寧區(qū)塊先后開展了10多個平臺的自動泡沫排水采氣作業(yè)，采用自動化藥劑加注裝置，實現(xiàn)了起泡劑、消泡劑加注遠(yuǎn)程控制，井場可無人值守。

3.2 效益頁巖氣田

頁巖氣作為一種非常規(guī)天然氣資源，低成本開發(fā)是其商業(yè)化的先決條件。頁巖氣田地面工程建設(shè)需加強一體化集成裝置的研發(fā)與推廣。一體化集成裝置具有提高生產(chǎn)工藝、優(yōu)化地面生產(chǎn)管理、減少步站層次等優(yōu)點，從而縮短工藝流程，降低成本[13]。推廣應(yīng)用一體化集成裝置，可以優(yōu)化地面工藝、縮短建設(shè)周期、節(jié)約建設(shè)用地，從而可控制投資和成本。一些非頁巖氣田地面工程技術(shù)也可為效益頁巖氣田的建設(shè)提供借鑒。如以“低壓集氣、井間串接、枝狀管網(wǎng)、強化過濾、集中增壓、三甘醇脫水”為核心的地面工藝技術(shù)，實現(xiàn)了山西沁水、韓城鄂東等煤層氣田的效益開發(fā)[12]，對建設(shè)效益頁巖氣田也具有指導(dǎo)意義。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化一體化頁巖氣田

頁巖氣開發(fā)采用大規(guī)模平臺井組模式，且產(chǎn)能下降快，使得頁巖氣田地面工程必須采用標(biāo)準(zhǔn)化一體化設(shè)計，以適應(yīng)不同時期、不同規(guī)模的生產(chǎn)特點。借鑒北美頁巖氣開發(fā)經(jīng)驗，地面工程全部采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，通過工廠化預(yù)制、模塊化安裝、橇裝化設(shè)備重復(fù)利用，形成規(guī)?？烧{(diào)的組合式地面流程。

3.4 地面工程關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1除砂

頁巖氣井出砂會隨著氣、液排進入地面系統(tǒng)，對地面的各種設(shè)備、管線(特別是彎頭)造成沖蝕損壞。對于出砂問題，通常是在地面系統(tǒng)中增加除砂器進行除砂。除砂器最初采用臥式篩網(wǎng)式，現(xiàn)大量采用立式篩網(wǎng)+旋流除砂式。除砂器能除去大部分的砂，但仍有少部分砂進入后續(xù)流程。這部分砂的濃度雖然較低，但由于頁巖氣加砂量巨大，即使少量的砂通過除砂器后進行后續(xù)流程，長時間也會造成較大影響。因此，在出砂方面要進一步研發(fā)新一代出砂器，提高砂的分離效率；同時，做好砂量的監(jiān)測工作，如聲波在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用，并提高監(jiān)測手段的準(zhǔn)確性，確保地面生產(chǎn)系統(tǒng)的安全。

3.4.2計量

頁巖氣采用平臺工藝流程，一個生產(chǎn)平臺同時負(fù)責(zé)多口井的生產(chǎn)和管理。對于頁巖氣井口產(chǎn)能動態(tài)監(jiān)測的最佳方案是采用精度滿足需要的兩相流量計量技術(shù)對氣水兩相進行直接測量。頁巖氣生產(chǎn)過程中并沒有烴類液體產(chǎn)出，其氣液兩相介質(zhì)組分較為固定和簡單。因此，建立相應(yīng)的頁巖氣兩相流測量模型，實現(xiàn)頁巖氣的不分離測量具有較大的可行性，是未來的發(fā)展方向。

3.4.3脫水

三甘醇脫水技術(shù)是頁巖氣的主流，分子篩脫水主要運用于一些單獨的站場。三甘醇存在再生過程，使得工藝較為復(fù)雜，且再生過程中能耗大，三甘醇溶液自身也存在一定的損耗，且不能脫除酸性氣體。分子篩脫水是一種深度脫水，強烈吸附作用對氣體中的水分進行吸附，也能兼顧酸性組分分離，但成本高，能量綜合利用率低。因此，需開發(fā)新型的能耗低、工藝簡單的脫水技術(shù)，如近年來在常規(guī)天然氣脫水中開始應(yīng)用的膜分離脫水技術(shù)和超音速脫水技術(shù)等[14]，但目前在頁巖氣這類低成本天然氣開發(fā)中應(yīng)用還面臨較大的難度。

3.4.4返排液處理

頁巖氣壓裂返排液水質(zhì)較為復(fù)雜，其各種成分含量、返排液規(guī)模均變化不定，除試油期間外，在生產(chǎn)過程中的日返排液量較低，直接在井口加裝連續(xù)式處理裝置不適用，可考慮采用橇裝處理裝置處理或?qū)毫逊蹬乓狠斔椭撂幚碚?廠)進行集中處理。處理后外排是壓裂返排液最終的處置方式。外排處理要結(jié)合化學(xué)+物理的方式，盡量減少化學(xué)藥劑用量。無論何種外排處理方式，最終均需結(jié)晶蒸發(fā)(反滲透產(chǎn)生的濃水也需結(jié)晶蒸發(fā))，但目前各種結(jié)晶蒸發(fā)工藝都存在不同程度的結(jié)垢和高能耗問題。因此，需要研究低能耗、不易結(jié)垢的結(jié)晶蒸發(fā)工藝技術(shù)，滿足返排液外排處理需要。

3.4.5增壓

頁巖氣井產(chǎn)量下降快，1～2年后就需增壓生產(chǎn)。增壓工藝選擇、壓縮機組選型是增壓生產(chǎn)的關(guān)鍵。由于頁巖氣井產(chǎn)量和生產(chǎn)壓力變化較大，壓縮機組選型較為困難，容易造成負(fù)荷率過高。因此，需要研究適應(yīng)條件寬泛的壓縮機組，結(jié)合頁巖氣井產(chǎn)量遞減規(guī)律、壓降規(guī)律和氣水關(guān)系進行合理的增壓設(shè)計。另外，泡沫排水采氣已在頁巖氣田推廣應(yīng)用，在增壓開采時要研究泡沫排水作業(yè)對增壓的影響，特別是一些小井場，泡沫排水的消泡口與增壓機距離太短，一旦消泡不及時，泡沫將進入增壓機。