頁巖氣地面工程標準化設計

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大學石油與天然氣工程學院

梁光川等.頁巖氣地面工程標準化設計.天然氣工業，2016，36（1）:115-122．

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頁巖氣地面工程標準化設計

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大學石油與天然氣工程學院

梁光川等.頁巖氣地面工程標準化設計.天然氣工業，2016，36（1）:115-122．

摘 要頁巖氣藏的特殊物性決定了其地面工程建設必須采用非常規、標準化的技術手段，加之我國頁巖氣藏地面工程設計面臨集輸規模不確定性強、管網和站場布局適應性差、工藝設備配套難度大及后期需考慮增壓開采等諸多難點，因此要求頁巖氣地面工程建設必須向“標準化設計、模塊化建設、橇裝化配備”的方向發展。為此，在文獻調研和技術探索的基礎上，形成了以“標準化井場布局、通用化工藝流程、模塊化功能分區、橇裝化設備選型、集約化場地設計、數字化生產管理”為核心的頁巖氣地面工程標準化設計技術；并以國內川渝地區典型頁巖氣田為例，討論其應用背景和地面工藝技術路線，對地面集輸系統進行標準化設計，包括標準化工藝流程、模塊化集輸站場、系列化脫水裝置、集約化平面布置，取得了顯著的效果。建立了靈活、實用、可靠的地面生產體系，完成了叢式井平臺、集氣站、配套工程等一系列標準化工藝及模塊的設計，形成了一套適應于國內頁巖氣田地面工程建設的技術體系。

關鍵詞頁巖氣 非常規 地面工程 集輸系統 地面工藝 標準化設計 叢式井 一體化

頁巖氣是以吸附和游離狀態同時賦存泥巖及頁巖等地層中的天然氣[1-3]，與致密砂巖氣不同，具有開采壽命長、生產周期長、壓力和產能衰減速率快等特點。頁巖氣單井產量較低，但井口壓力高，部分含氣田水和凝析油。其顯著特點區別于常規天然氣的氣藏特征和井口物性參數，是直接影響地面工藝技術的關鍵，導致其地面工程建設也具有不同于常規氣田的特殊性[4]。

由于頁巖氣田開采前期與中后期相比，壓力和產量變化較大，地面設備需要一定的適應性，為滿足國內頁巖氣規模化與高效低成本的開發要求，對頁巖氣地面工程建設采取“標準化設計、模塊化建設”的設計理念和設計手段，采用優化簡化的工作模式以適應國內頁巖氣田的開發[5-7]。

1 頁巖氣地面工程設計難點

我國頁巖氣的開發處于起步階段，目前的開發思路借鑒了常規天然氣開發的模式，地面集輸技術發展滯后，沒有完整的管理體系，缺少相應的行業標準，對于地面配套技術的發展還需經過一定的探索階段和經驗總結。在進行頁巖氣田地面工程設計時，需考慮以下設計難點。

1.1 集輸規模不確定性強

頁巖氣田普遍具有初期產量高、后期衰減快速和前后期產量變化較大等顯著特點。美國多個頁巖氣田數據表示，頁巖氣單井約80%的產量可在10年內開采完，剩余總產量小但產能穩定，這不同于常規天然氣田產量總體比較穩定且衰減緩慢的特點[8-9]。因此，地面集輸系統的設計規模不易確定是設計難點所在。針對頁巖氣田采用的滾動開發模式，后期新增產能很難準確評估，增加了地面集輸設計規模的確定難度。

1.2 管網和站場布局適應性差

常規氣田的地面工程設計，對集輸管網和站場進行規劃是依據氣田開發方案和氣井動態資料而定，相對容易確定。但頁巖氣田開發和穩產周期內產能變化很大，地面集輸規模和站場布置需進行不斷地調整以適應產能變化的要求，導致集輸管網和站場布局不易確定，且對長遠期開發需進行不斷地適應和調整。

1.3 工藝設備配套難度大

頁巖氣地面工程配套技術的關鍵與氣藏特點緊密相關，為保證生產，頁巖氣田需進行大面積、規模化開發并實施“工廠化”連續作業，地面工程建設需同時進行緊密匹配。由于頁巖氣開采前后期壓力和產量變化較大，集輸設備的處理量也隨之變化，工藝設備的配套較難固定，需要采用具有一定適應性的設備[10]。因此，采用便于組合和搬遷的橇裝設備，并對地面工藝進行標準化、模塊化設計，可快速調整以適應站場的處理能力，具有操作彈性。

1.4 后期需考慮增壓

頁巖氣田開采初期井口壓力很高，后期衰減很快，與常規氣田差距很大。頁巖氣田后期將長時間處于低壓生產的狀態，考慮增壓開采是難點所在，頁巖氣新井的初期壓力應該合理充分利用[11]。由于氣田壓力和產量的變化，集輸系統的設計規模和設計壓力也需做相應的調整，以適應后期壓力變化和平衡各站之間的氣量。

2 頁巖氣標準化設計的核心技術

地面工程標準化設計是一種能夠有效縮短地面工程建設周期、降低投資成本、確保工程質量的優化簡化設計方式[12-13]。針對油氣田地面建設中同類型的站場布局、工藝流程和裝置設備，結合地面具體實際情況，進行統一施工標準、規范工藝流程、裝置模塊劃分的設計工作，形成一套標準化、規范化、系列化和通用化的設計圖樣。

頁巖氣地面集輸工程標準化設計是根據“叢式井場—集氣站—中心處理站—外輸”的總工藝流程，以及“高壓采氣、中壓集氣、井口加熱節流、井叢來氣進站、集中脫水、后期增壓”等地面工藝技術，借鑒美國頁巖氣田地面集輸設計經驗和油氣田中采用標準化設計的成功經驗，編制出一套適合國內頁巖氣田地面集輸工藝的標準化設計方案，以實現頁巖氣田的高效配產和低成本開發。其核心技術為：標準化的井站布局、通用化的工藝流程、模塊化的功能分區、橇裝化的設備選型、系列化的裝置組合、集約化的場地設計、數字化的生產管理。

2.1 標準化的井場布局

根據開發頁巖氣所推行的“井工廠”作業模式，井場設置2～6井式的叢式水平井平臺。針對井場的規劃和布局，在滿足站場功能、減少占地和節省投資的基礎上，進行標準化井場布局規劃，包括各個井場和集氣站的工藝裝置區的位置、規模、配套設備以及場地標識，統一進行規劃和建設[14]，實現一體化組織、流程化作業、標準化現場。

2.2 通用化的工藝流程

頁巖氣田實行試驗區塊優先開采的原則，并實行整體部署、滾動開發的方針，在“井工廠”作業模式下的標準化叢式井場，以實現高效集輸的目標，針對地面集輸工藝，進行通用化的工藝流程設計。針對不同井數的叢式井平臺，優化、簡化井場和集氣站的工藝流程，并使井場和集氣站具有統一的工藝流程和建設規模，設備選型一致，便于后期的規劃和管理。

2.3 模塊化的功能分區

為實現高效配產、降低施工周期、節省投資成本，根據井場及集氣站的標準化流程，進行集輸站場模塊化設計，將各個叢式井平臺和集氣站按照功能分區劃分為獨立的模塊，且劃分的模塊具有通用性，可實現標準化的小型模塊化管理，也有利于設計圖紙的模塊化組合。另外，還可采用三維軟件對站場模塊進行三維配管優化設計[15]。

2.4 橇裝化的設備選型

頁巖氣開發的地面配套工藝技術關鍵點與氣藏特點緊密相關。橇裝化設備具有小型、便于組合、適應搬遷等特點，針對頁巖氣田前后期壓力和產量變化較大的顯著特征，建設橇裝化可移動的地面設施是適應頁巖氣田開發的一種有效手段[16]。對叢式井場和集氣站的所有工藝設施最大限度地采用橇裝化設備，實現工藝設備的高效利用。對橇裝化設備選型，使用統一標準的管閥配件、外形尺寸和技術參數，為規模化的采購奠定基礎。

2.5 系列化的裝置組合

頁巖氣田地面集輸設計規模不易確定，可設計系列化的工藝處理裝置，例如設定規模為10×104t/a、15×104t/a、30×104t/a的單體工程，再根據產量變化情況和處理介質范圍分期實施、靈活組合、裝置成列設置，可有效降低建設成本并滿足長遠期的集輸規劃要求，是適合頁巖氣田地面工程建設的關鍵技術，應大力發展。

2.6 集約化的場地設計

堅持“綠色低碳”的發展理念，對場地設計采用集約化原則，集中建產，合理利用資源，合理規劃地面建設，最大限度地高效使用集輸工藝設備設施，以實現地面工程建設的低投入、低消耗、高產出。并對所有站場的場地設計進行標準化建設和管理，包括站場標識、路面結構、平面布置、道路建設，實現與周圍環境的和諧發展[17]。

2.7 數字化的生產管理

實現對頁巖氣田的自動化、信息化和現代化管理，提高安全生產管理水平，降低人工成本。數字化油氣田建設已經成為油氣田勘探開發的配套工程，有利于協同工作提高效率、運行監控優化生產、改善HSE、降低生產成本提高投資回報率、積淀資產和知識。建立綜合數據庫、信息化管理平臺、完整性管理系統、三維可視化展示系統，實現地面集輸系統的數據采集和實時監控，實現地面工程全生命周期管理的“一體化”管理和輔助決策平臺。

3 標準化設計在國內頁巖氣田地面工程的應用

3.1 國內頁巖氣地面工程標準化設計背景

川渝地區頁巖氣田勘探開發進程遠遠領先于國內其他地區，其在借鑒吸收國外頁巖氣田成功經驗的基礎上，廣泛采用當前較為先進的標準化設計方法，開展對頁巖氣田標準化設計的理念學習和方法研究，全面推行頁巖氣田地面工程“標準化＋模塊化＋橇裝化”設計，形成一套適應國內頁巖氣田的體系，完成了叢式井平臺、集氣站、配套工程等一系列標準化工藝及模塊的設計，對國內未來頁巖氣田的技術發展具有重要意義，也將作為國內頁巖氣資源低成本、大規模開發的典范。下面將以川渝地區某頁巖氣田為例，詳細闡述標準化設計在頁巖氣地面工程的應用。

根據頁巖氣項目部對頁巖區域產能建設的總體規劃和要求，地面工程標準化設計在滿足區域地質條件和頁巖氣物性參數的基礎上，進行總體設計和分期滾動建設，遵從滿足一期、兼顧后期、上下游統籌規劃的原則，強調安全、環保、高效的理念，結合氣田區塊的實際條件進行地面工程標準化設計，以實現頁巖氣田地面工程占地集約化、流程標準化、裝置系列化、設備通用化、單體橇裝化、管理信息化的整體標準化建設。

3.2 頁巖氣地面工程技術路線

3.2.1 集輸流程

井口天然氣通過采氣管線輸送到集氣站，經兩級加熱、兩級節流、計量分離后出站，再經集氣支線進入集氣干線，再輸送至中心處理站進行集中分離、加熱、TEG脫水處理，干氣計量后由進天然氣分公司輸配站外輸。

3.2.2 集輸工藝

采用濕氣輸送工藝，通過集氣站加熱天然氣防止天然氣水合物生成，同時集氣站預留注醇接口。井口采用除砂工藝，采用輪換式計量。集氣站內污水進高架水罐后車運至二級供水泵站回用，集輸管網中設置注醇設施和清管設施。集輸站場工藝設備采用橇裝式和模塊化設計，工藝流程采用標準化流程設計。

3.2.3 集輸管網

根據氣藏分布和開發部署方案，為適應頁巖氣田壓力變化的不確定性，推薦采用“輻射＋環形”管網布局方式。該方式整體安全性好，靈活度較高，符合氣田情況，特別是可有效的平衡脫水站之間的氣量，符合頁巖氣田開發的長遠規劃。

3.3 標準化工藝流程設計

在井場和集氣站場均采用標準化流程，實現一體化組織、流程化作業、標準化現場。針對各平臺井位部署情況，設置2井式、4井式、5井式、6井式標準化集氣站。站場工藝標準化流程框圖如圖1所示。

圖1 井口集氣工藝流程框圖

3.3.1 2井式平臺標準化流程

2井式集氣站設備按單列配置，即井口來氣→加熱→分離→計量，1口井配套1套處理設備。站內加熱爐為雙盤管，加熱負荷為200 kW；設置2具管徑為800 mm的計量分離器用于氣液分離和計量。2井式井口及集氣站標準化流程見圖2。

3.3.2 4井式、6井式

4井式、6井式井口部分的流程相似，不同的是4井式采用2臺400 kW四盤管加熱爐，6井式采用3 臺400 kW四盤管加熱爐。4井式和6井式均設置一套計量分離器（管徑為800 mm），負責單井的計量；設置一套生產分離器（管徑為1 200 mm），用于其他井的氣液分離。4井式和6井式井口及集氣站標準化流程見圖3。

圖3 4井式、6井式集氣站標準化流程圖

3.4 模塊化集輸站場設計

為實現高效配產，降低施工周期，節省投資成本，標準化井場設計均采用通用化模塊和橇裝化模塊。叢式井場來氣進入站內來氣匯集模塊，根據壓力大小考慮是否增壓，再進行氣液分離、天然氣計量后輸至脫水站處理。站場流程根據功能需要選擇工藝模塊進行組合，集氣站模塊化工藝流程如圖4所示。

根據井口及集氣站標準化流程，將井口、集氣站中相同的部分劃分為模塊，每個功能分區做成獨立的、標準的小型模塊，各模塊之間相互獨立，通過管網連接，利于設計圖紙的模塊化組合和施工預制。井口及集氣站部分共劃分為井口安裝、除砂器、加熱爐、計量分離器、生產分離器、注醇、燃氣調壓、增壓組、污水罐、匯管、發球筒等11個模塊，其中加熱爐、分離器、注醇為采用橇裝，對所有模塊進行三維配管設計。井場工藝模塊劃分及功能分區如表1所示。

圖4 集氣站模塊化流程框圖

表1 井口、集氣站工藝模塊劃分表

3.5 系列化脫水裝置設計

脫水站工藝流程：集氣站來氣通過集輸管線管輸至脫水站后進行凈化處理，脫水采用TEG脫水裝置。天然氣首先進入過濾分離裝置，盡可能除去可能攜帶的游離液體和機械雜質，然后進入加熱爐加熱到20 ℃，再進入脫水裝置，經脫水裝置脫水后的干凈化氣經調壓計量之后輸送到用戶。

定型的單體處理裝置通過組裝、拼接就可以形成不同類型、不同規模的系列化處理裝置。脫水站的脫水裝置成列設置，主要設備全部橇裝化，根據產量情況分期實施，靈活組合，脫水裝置采用15×108m3/a和40×108m3/a這2個處理規模進行裝置組合系列化設計。

總處理規模15×108m3/a的脫水站，建立2列脫水裝置進行組合使用。建立10×108m3/a脫水裝置1列，再預留10×108m3/a脫水裝置1列，具體配置見圖5。

根據總體規劃方案，擴大處理規模后，40×108m3/a脫水站的裝置配置采用10×108m3/a的脫水系列。采用3列10×108m3/a的脫水裝置進行組合，預留1列10×108m3/a的脫水裝置，配置見圖6。自投入運行以來，脫水工藝水露點可達到-17 ℃。

圖5 15×108m3/a脫水站標準化流程圖

圖6 40×108m3/a脫水站標準化流程圖

3.6 集約化場地平面布置

國內川渝地區頁巖氣田吸取國外經驗，實現集約化場地設計，集中建產，合理規劃，減少占地，保護環境。針對“井工廠”叢式井場的井位平面圖，根據鉆井、試氣運行要求，在滿足規范要求下，提出了井場＋集氣站合建區域布置圖（“L”形和矩形）。井場與集氣站合建可以有效地減少占地面積，降低井場和集氣站的管理難度。

頁巖氣田集氣站場屬于五級站場，所以總平面布置時工藝裝置防火間距按五級站場設計，并根據生產工藝特點、火災危險性等級、功能要求，結合地形、風向等條件確定。標準化集氣站平面布置見圖7、8。

圖7 2×2、2+2井場及集氣站布局圖

圖8 2×3、3+3井場及集氣站布局圖

3.7 標準化設計成效

通過推行川渝地區頁巖氣田地面工程標準化設計工作，針對非常規氣田以打破常規、創新模式的設計原則，進行設計時采用“工程服從地質、地面服從地下；地質兼顧工程、地下兼顧地面”的指導思想，力求做到地面工程與勘探開發的一體化。

目前，該頁巖區塊已全面建立了“井工廠”的鉆井平臺，采用工廠化的作業模式，標準化的集氣站建設隨鉆井平臺擴展。已建連接平臺、集氣站和脫水站的集輸管網，采用“輻射＋環狀”集氣管網，新建的集氣管網輸氣能力達到50×108m3/a。整體頁巖區塊地面集輸工程采用“采氣叢式井場—集氣站—脫水站”的兩級布站模式。形成了標準化、橇裝化的采氣集輸流程，整套采氣、集輸流程采用二級降壓、二級脫水工藝，由8個獨立功能標準化模塊組合而成。用“少用地多辦事，少占地建示范區”的原則，單井土地征用面積節約30%以上。同時，氣田全力推進“四化”建設，增強工程技術的可復制性和可推廣性，按照標準化設計、標準化施工、標準化采購、信息化管理，編制形成一系列標準化建設規范和技術要求。

4 結論與建議

1）我國頁巖氣開發與集輸技術已經取得了一定的進展，但與國外相比還存在很大的差距，且沒有形成相關完整的體系。我國頁巖氣田吸取國外頁巖氣開采經驗，堅持“綠色低碳”的發展理念，重視生態環境保護，建立青山綠水工程。采用“叢式井”設計、“井工廠”施工模式、“標準化”站場設計及施工后復耕等措施，大幅降低土地征用面積，節約單井征地面積，切實保護了周圍的綠水青山，保護當地的生態環境。

2）推行頁巖氣地面工程標準化設計，創新了頁巖氣田地面設計理念，是適應頁巖氣田特殊性和地面建設的需要。以破除大而全、小而全為設計原則，以建立靈活、實用、可靠的地面生產體系為原則，地上地下統籌優化，體現了優質、高效、安全、超前的工程建設理念，也是大規模油氣田地面建設的發展趨勢。國內頁巖氣地面集輸工程技術將向占地集約化、流程標準化、裝置系列化、設備通用化、單體橇裝化和管理信息化的方向發展。

參 考 文 獻

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（修改回稿日期 2015-11-09 編輯 何 明）

Standardized surface engineering design of shale gas reservoirs

Liang Guangchuan, Yu Yuhang, Peng Xingyu
(School of Oil & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR．GAS IND．VOLUME 36，ISSUE 1，pp.115-122， 1/25/2016．(ISSN 1000-0976；In Chinese)

Abstract:Due to the special physical properties of shale gas reservoirs, it is necessary to adopt unconventional and standardized technologies for its surface engineering construction. In addition, the surface engineering design of shale gas reservoirs in China faces many difficulties, such as high uncertainty of the gathering and transportation scale, poor adaptability of pipe network and station layout, difficult matching of the process equipments, and boosting production at the late stage. In view of these problems, the surface engineering construction of shale gas reservoirs should follow the principles of “standardized design, modularized construction and skid mounted equipment”. In this paper, standardized surface engineering design technologies for shale gas reservoirs were developed with the “standardized well station layout, universal process, modular function zoning, skid mounted equipment selection, intensive site design, digitized production management” as the core, after literature analysis and technology exploration were carried out. Then its application background and surface technology route were discussed with a typical shale gas field in Sichuan-Chongqing area as an example. Its surface gathering system was designed in a standardized way, including standardized process, the modularized gathering and transportation station, serialized dehydration unit and intensive layout, and remarkable effects were achieved. A flexible, practical and reliable ground production system was built, and a series of standardized technology and modularized design were completed, including cluster well platform, set station, supporting projects. In this way, a system applicable to domestic shale gas surface engineering construction is developed.

Keywords:Shale gas; Unconventional; Surface engineering; Gathering system; Surface technology; Standardized design; Cluster wells; Integration

作者簡介：梁光川，1972年生，教授，博士；長期從事油氣地面集輸工藝優化、天然氣地下儲氣庫優化、油氣管道輸送理論及技術研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區新都大道8號西南石油大學石油與天然氣工程學院。電話：13981827236。ORCID:0000-0002-3346-6021。E-mail:lgcdjr@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.015