頁巖氣開采放空氣回收處理與利用研究

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分公司，天津 300450；2.海洋石油高效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100027；3.中國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)境保護意識的增強，人們越來越重視新能源的開發(fā)。近年來，伴隨人們對頁巖氣地質(zhì)認識的提高以及開采技術不斷進步，在油氣資源結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一個新星-頁巖氣，它是一種賦存于富有機質(zhì)泥頁巖及其夾層中，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)初步評價，全球頁巖氣資源量高達456×1012m3，與全球常規(guī)天然氣的資源量472×1012m3相當，且中國的常規(guī)天然氣為32×1012m3，非常規(guī)天然氣的儲量更是達到48×1012m3。因此中國未來將更多依賴自身資源滿足不斷增加的天然氣供應[1]。然而對于頁巖氣在試采階段的放空氣，目前并未采取相應的合理措施，造成環(huán)境污染，資源浪費。因此合理回收利用天然氣資源也成為當務之急。

1 頁巖氣開采放空氣回收利用意義

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

據(jù)文獻顯示，頁巖氣的組成近似于常規(guī)天然氣和地面鉆井開采煤層氣，如美國六大頁巖地層的頁巖氣組成[3]（見表2）。

同時，美國曾對溫室氣體的排放做了評估，發(fā)現(xiàn)頁巖地層中通過水力壓裂方式獲得的天然氣對溫室效應影響最大，尤其是放空或泄漏的甲烷的影響。并且發(fā)現(xiàn)頁巖氣甲烷泄漏量達到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，其溫室效應是CO2的20倍以上[4]。因此回收利用頁巖氣開采放空氣資源，對于調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、增加能源利用率、改善頁巖礦區(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 開采放空氣回收利用方案研究

表1 中國頁巖氣有利區(qū)資源分布

由于國內(nèi)頁巖氣資源的開發(fā)起步較晚，基礎數(shù)據(jù)不完善，開采放空氣量少、利用率低，缺乏合理的開采放空氣綜合開發(fā)模式和相應配套設施。而常規(guī)天然氣的油氣資源的開采回收利用技術，卻經(jīng)歷了百年的歷史；非常規(guī)資源的煤層氣，也經(jīng)過了十多年的努力初具規(guī)模。因此對于頁巖氣回收利用，可以復制或者創(chuàng)新應用常規(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。

2.1 常規(guī)天然氣放空氣回收利用技術

表2 美國六大頁巖地層頁巖氣組成

全球范圍內(nèi)，對于伴生氣量小而分散或遠離城市及工業(yè)的油氣田，尤其是對不能或暫時不能并入管網(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有配套設施只能長期放空。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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，相當于全球半個月或德國和法國的全年用氣量。而且在國內(nèi)油氣田每年放空天然氣量達10×108m3，其中尤以新疆等西北地區(qū)放空最為嚴重[5]。針對此情況，國內(nèi)采取的天然氣放空的主要回收利用方案（見表3）。

表3 放空天然氣利用方向

2.2 煤層氣回收利用技術

近年來，隨著煤層氣的大量開發(fā)，到1994年我國煤層氣的產(chǎn)量已達到5.6×1012m3，利用率不足70%，這說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，人們越來越重視煤層氣的加工利用。目前根據(jù)國內(nèi)外煤層氣的發(fā)展趨勢來看，煤層氣的回收利用方案（見表4）。

表4 煤層氣的利用方向

3 頁巖氣開采放空氣回收利用方案選擇

目前頁巖氣氣藏的開發(fā)仍處于初期，開采技術不成熟，而優(yōu)質(zhì)頁巖又多分布在蜀南、鄂西、貴州、重慶等地區(qū)，地表條件復雜[6]。周圍基本沒有可支撐的地面設施。并且氣田試采采用最普遍的方式直接放空，試采時間一般不少于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，資源浪費量相當可觀[7]。因此可對一些有規(guī)律可循、可控制的放空進行回收處理。結(jié)合上述常規(guī)天然氣放空氣以及開采煤層氣的回收利用方案可知，采用技術成熟的無管網(wǎng)運輸?shù)腃NG（壓縮天然氣）技術即成為頁巖氣開采放空氣回收利用較為合適的方案。

3.1 CNG技術基本原理

CNG技術是20世紀60年代初期開始在我國開發(fā)的一種新興的天然氣儲存、運輸技術[8]。該技術是將原料氣經(jīng)過分離器分離、按不同壓力等級（中、低壓）調(diào)壓穩(wěn)壓后，在進行脫硫、脫水脫烴后，再進入壓縮機進行三級壓縮，使氣體壓力達到25 MPa，通過加氣柱給轉(zhuǎn)運拖車充氣或給特質(zhì)的鋼瓶充氣進行貯存，給居民或公共用戶供氣[9]，CNG回收工藝流程（見圖1）。

3.2 CNG技術特點

（1）對距離城鎮(zhèn)居民或者其他商業(yè)用戶4 000 km以內(nèi)的氣田來說，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準體積的1/200。相對于LNG技術，它無需液化裝置和再氣化終端等昂貴的設施，投資費用明顯低于LNG，另外項目工期相對于LNG技術短[10]。

（3）平面布置緊湊，壓縮機采用撬裝占地面積小。

（4）所需的處理設施如壓縮機、冷卻器等都是標準的工業(yè)設備，維護方便[11]。

3.3 CNG裝置介紹

CNG技術包括加氣系統(tǒng)和泄氣系統(tǒng)。前者主要是天然氣脫除水等雜質(zhì)達到CNG運輸標準后，通過壓縮機增壓充裝到CNG拖車的過程；后者是CNG拖車將增壓的天然氣通過卸氣柱，由調(diào)壓器減壓，輸入輸氣干線或者作為汽車燃料供應用戶。

圖1 CNG回收工藝流程簡圖

3.3.1 脫水裝置 CNG技術壓縮壓力要達到25 MPa，因此需對天然氣進行深度脫水，嚴格控制水露點，通常要求在常壓下水露點需達到-60℃。脫水方式根據(jù)脫水裝置在工藝流程中設置的位置，分為前置低壓脫水（壓縮機前）和后置高壓脫水（或級間脫水）（壓縮機后）[12]。前置脫水的優(yōu)點是考慮壓縮機，保護壓縮機不受腐蝕，壓縮機機組中無需設置冷凝水導出系統(tǒng)。由于操作壓力較低，對容器制造工藝要求低；缺點是脫水設備體積較大，且脫水量大，所需再生能耗較大；后置脫水（或級間脫水）的優(yōu)點是干燥器設備體積小、再生氣量少、干燥后的氣體露點低等；但缺點是由于壓力高達25 MPa，對容器制造工藝要求高，需設置可靠的冷凝水導出系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)復雜性。另外，進入壓縮機的天然氣未經(jīng)干燥，對壓縮機的汽缸等部位產(chǎn)生一定腐蝕，影響壓縮機的使用壽命。

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，通過制冷將天然氣冷卻到一定溫度，從而將沸點較高的烴類（較重的烴）冷凝分離。該工藝成熟可靠、操作簡單，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。溶劑吸收法是利用對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。即采用對較重烴類吸收能力好的溶劑來脫除其中的重烴，從而降低天然氣的烴露點，屬于物理吸收過程。該法對重烴的吸收率低，能耗大，因此目前較少用于對天然氣烴露點的控制。

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烴工藝方法[14]，該方法包括吸附過程和再生過程。吸附過程是指來氣通過換熱器，氣液分離罐，經(jīng)過旋進漩渦流量計，進入吸附塔，出口氣經(jīng)過換熱器接入自用氣管路；再生過程是指來氣經(jīng)加熱后進入吸附塔，對塔內(nèi)進行加熱，再生氣經(jīng)換熱器后，進入氣液分離罐，然后接入自用氣管路。當吸附塔出口氣溫度達到150℃時停止進氣，并自然冷卻。或者關閉加熱器，利用濕氣進行冷吹冷卻。該吸附分離法靈活便捷、適應性強、基礎投資少、操作簡單，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。但是目前還未實施工業(yè)化。還有，20世紀90年代興起的一種新型膜分離技術正在逐漸應用于石化行業(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散性能差異性，在一定的壓差推動下，優(yōu)先溶解滲透的分子先通過膜，從而達到分離，降低天然氣的烴露點的目的。分離膜撬裝設備分兩個系列：天然氣露點調(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 天然氣壓縮機是CNG加氣站最主要的核心設備，它的選型對CNG加氣站的建設投資影響很大。而按氣缸布局方式的不同天然氣壓縮機分為L型、D型、W型、V型等型號[16]。根據(jù)頁巖氣放空氣的組成、進氣壓力、排氣壓力等參數(shù)，結(jié)合頁巖氣的分布，現(xiàn)場環(huán)境條件等因素，可以選定V型撬裝風冷電驅(qū)壓縮機，它是一種集壓縮機、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)點就是拆卸移動靈活、組裝調(diào)試簡單。

3.4 CNG回收方案效益估算

若選定CNG撬裝裝置，其設備投資約300萬元（不包括CNG拖車和下游泄放）。回收的放空氣按經(jīng)濟評價，壓縮天然氣氣價（2～4）元/立方米計算，5×104m3/d的CNG裝置一天回收的天然氣價值10～20萬元，年回收天然氣價值（3 500～7 000）萬元，經(jīng)濟效益可觀[17]。

3.5 頁巖氣開采放空氣CNG回收技術分析

首先根據(jù)頁巖氣的分布、組成以及放空氣量的大小可知，頁巖氣開采放空氣的點多、面廣、氣量零散，因此基本可以確定CNG回收技術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，放空點不集中，給回收帶來一定難度，因此回收項目的完成很大程度上取決于管理以及運作方式，即CNG充氣站的建設、產(chǎn)品的運輸和銷售、各個裝置的維護與操作。因此，結(jié)合上述的特點也需要解決以下幾點問題：

（1）鑒于回收裝置集中化，頁巖氣開采放空氣盡量變多點放空為一點放空，這對放空氣的收集有重大意義。

（2）由于目前頁巖氣開采放空氣回收項目并未進行大規(guī)模實施，頁巖氣放空氣基礎數(shù)據(jù)不完善，設備運行參數(shù)缺失，因此需要對CNG回收方案進行深入研究，多方案比選，確定一個經(jīng)濟效益高、裝置運行模式簡單的方案。

4 結(jié)語

面對不斷攀升的能源需求和氣候變化的壓力，頁巖氣作為一種清潔能源正在改變著當今的能源結(jié)構(gòu)，給能源的利用注入了新的血液。但在頁巖氣開采過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。因此，因地制宜，合理回收利用頁巖氣開采放空氣也是迫在眉睫。在回收技術方面，大力發(fā)展CNG不但可提升經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，同時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)濟效益的提高。