川頁巖氣田試采放空氣回收利用工藝技術探討

摘?要：南川頁巖氣田在勘探開發前期壓裂試氣放噴過程中有大量的放空頁巖氣被火炬燃燒，若不能對這部分頁巖氣進行有效回收利用，不僅造成資源浪費，也會產生一系列問題。本文著重探討壓裂試氣放噴求產過程中頁巖氣的回收利用，針對南川頁巖氣田開發現狀，利用移動回收式設備處理成CNG，通過CNG槽車轉運，回注進入輸氣管網，從而達到回收利用的目的。該工藝技術可充分釋放外圍邊遠零散井產能，提高氣藏采收率，降低放空帶來的安全隱患，減少環境污染。

關鍵詞：南川頁巖氣；放噴氣回收；CNG轉運回注

頁巖氣新井壓裂試氣求產時間長，且在氣田產能建設初期，地面集輸系統受地勢影響，管網建設滯后于新井試氣投產，外圍邊遠零散區塊井集輸管網不能及時鋪設到位且存在單井銷售利用不暢等問題，致使頁巖氣井在試氣求產階段點火放空處理，不僅造成頁巖氣資源浪費，也會產生一系列安全隱患和環境污染問題，因此，急需對放空頁巖氣進行回收利用，真正做到“顆粒歸倉”［1］。

1?南川頁巖氣田放噴工藝概況

頁巖氣新井經過壓裂、鉆塞后，試采放噴流程主要通過井口依次進入對應壓力級別的補屑器、油嘴管匯臺、試采一體化管匯撬，針對放噴初期出液量大、含砂量高的問題，放噴前三天不經分離器直接進行排液放空，三天后則進入氣水兩相分離器，進行氣液分離、氣體計量、除砂后，井內攜液氣體通過放噴管線進入放噴池在火炬處點火燃燒，測試倒換制度在地面進行，通過調換管匯臺的油嘴大小、分離器孔板大小進行工作制度倒換，錄取系統測試資料。

隨著南川頁巖氣產能建設的快速提升，井工廠模式的不斷成熟應用，對試氣放噴工藝也提出了更高的要求，試氣放噴工藝要做到快速放噴排液快速投產進入管網，隨之而來的各類風險不斷提升、工藝流程也更為復雜；頁巖氣井放噴排液初期氣體瞬時流量大，最大瞬時流量可達5000?Nm3/h以上；出液量大，含砂量高，且液性復雜包含壓裂液、返排液、地層水，需要完全回收，流程中需多級氣液分離；地層出砂易造成地面流程、設備沖蝕穿孔、泄漏，危險系數極高；出液大條件下投產易出現因分離效果不好導致管網進液腐蝕管網、輸壓增大［24］。

2?試采放空氣回收工藝篩選

目前，國內放空天然氣回收利用技術主要包括以下幾大類［5］：壓縮天然氣（CNG）、液化天然氣（LNG）、吸附天然氣（ANG）、水合物（NGH）、天然氣發電（GTW）、溴化鋰直燃機等。回收后的主要利用模式主要有直接增壓后輸送到站內（地面集輸系統、管網建設提前鋪設）、在井場加工成CNG、LNG后外銷、經井口移動壓縮機壓縮至CNG槽車轉運到回注點回注管網等。考慮到南川頁巖氣田產能建設現狀，試氣求產放空氣遠離城市配備有外輸系統且沒有低壓氣用戶，同時試氣求產周期較短，選擇移動式、壓縮比高、瞬時排量高、流程簡單的移動壓縮機工藝回收放空氣，試氣求產放空流程工藝可對天然氣初步凈化，滿足壓縮氣質要求。本文主要探討井口移動壓縮機CNG槽車回收回注工藝技術。

3?試采放空氣回收工藝設計

3.1?回收系統壓力設計

試氣放噴求產流程中，井口來氣經過油嘴管匯臺降壓、調節截流后進入氣液兩相分離器，南川頁巖氣工區分離器應用壓力普遍為6.3MPa。根據如圖1所示的流量與油嘴節流降壓之間的關系曲線，結合南川頁巖氣田試氣測試制度，判斷經過高壓管匯臺二級降壓和分離器后放空壓力不大于1.5MPa［6］，所以選取進氣壓力為0.3～1.5MPa的車載式壓縮機為回收工藝系統的起點壓力。

CNG槽車的工作壓力為25MPa，平臺管網壓力一般為4.5～5.0MPa，固在回注點增加減壓裝置，減壓回注進入管網外銷。

3.2?取氣點位置選取

考慮到放空氣需經過移動壓縮機增壓至CNG槽車轉運處理，因此需要將氣體提前進行脫水凈化，結合現有的放噴工藝流程，選取在試氣流程分離器上的孔板流量計后的放空管線作為取氣點；主要有以下原因：（1）經過試氣流程降壓和分離器計量裝置后，放空壓力滿足壓縮機進氣壓力，且該壓力較為穩定；（2）目前南川工區配套使用的分離器經過預分離元件→波紋聚集分離元件→出口絲網捕霧裝置三次分離后滿足分離氣體中液滴直徑大于300μm的工藝設計條件；（3）分離器和放噴池火炬間安裝有阻火器，可實現試氣求產、放空兩個系統隨時切換。

3.3?回注點位置選取

移動回收的放空氣經CNG槽車轉運至回注點減壓回注進入管網，考慮到運輸距離產生的成本費用、安全風險等因素，選取距離取氣點30千米為半徑的單井進站管線作為回注點，結合多數試氣求產放空氣現場情況和南川頁巖氣田的滾動開發模式，在單井進站管線上預留閥門為回注點最佳。

3.4?回收系統核心設備選取

為了進一步脫水凈化氣體，在進入壓縮機前先經過分子篩二次脫水。經過對往復式壓縮機、離心式壓縮機、螺桿壓縮機的各自優缺點及適用范圍的分析比較，決定選用車載往復活塞式壓縮機。壓縮機進氣壓力可在0.5～6MPa間進行調整，最大限度滿足放噴測試要求；出氣壓力為20～25MPa，滿足增壓至CNG槽車要求，其壓縮機設備最大處理能力為5萬m3/d。

選取罐體容積為25.4m3的CNG槽車進行轉運，其在標準狀態下最大裝氣量為5000m3；CNG槽車轉運至回注點后經過減壓撬減壓至管網壓力回注進入管網外銷。

3.5?放噴氣回收系統工藝流程

如圖2所示，井口高壓天然氣依次經過補屑器進行井筒一次除砂、管匯臺油嘴調節降壓、氣液兩相分離器一次脫水分離、二次除砂、計量，在分離器的孔板流量計后加裝三通、閥門，與回收裝置的分子篩連接進行二次脫水，經過車載式四級往復式壓縮機增壓至25MPa處理成CNG產品，充裝進入CNG槽車進行轉運，轉運至管網回注點后經過減壓撬減壓，最終經過回注點流量計計量后接入管網進行外銷。若放空氣體量較大，回收裝置處理能力不夠時，氣體通過原流程放空進入放噴池，做到應收盡收的原則。

回收設備的啟停、各級溫度和壓力、瞬時流量、總流量、電壓電流、總功率等參數可遠程操作，實時監管，進一步降低施工風險。

3.6?風險防控及措施

天然氣是一種易燃易爆氣體，和空氣混合后，溫度達到550℃即可燃燒，天然氣爆炸范圍很小，當濃度達到5%～15%就會爆炸。因此，回收系統重點需要防控三方面的風險。

（1）防控空氣混入管道：根據每口井實際放空量選擇合適處理能力的設備，當來氣量超過壓縮機處理能力時可邊放空邊回收。回收系統工作時，放噴管線閘門關閉，若回收系統壓力超過設計值，回收系統關閉，放噴管線閥門自動打開。

（2）防控天然氣泄漏：現場選用的配套設備全部為防爆產品，電控箱與設備安裝符合防爆距離要求，并實現遠程監控設備運行狀態，設備有故障會及時報警，出現險情可及時自停或人工停機。對于回收回注現場通過安裝視頻監控、氣體檢測儀、槽車運行督查、現場專人巡查、定期檢查等方式提高回收回注安全管理水平，降低安全運行風險。

（3）防控火炬回火：保留原放噴管線的阻火器，滿足在進行回收作業的同時低壓系統放空點火，因此需要保留原有的阻火器防止回火。在分離器出口管道上安裝定壓閥，既可以阻擋回火，也能防止回收系統超壓時無法放空。

4?放空氣回收系統現場應用效果及經濟效益評價

4.1?現場應用效果

NC6井為中石化重慶頁巖氣有限公司部署在南川頁巖氣田道真區塊的一口風險探井，分27段進行壓裂儲層改造，改造段長為1900m，壓裂累計總液量為61302.65m3，支撐劑總量為4786.43m3。由于該井為該區塊第一口風險探井，且地面集輸系統受地勢影響，管網建設相對滯后，因此在2021年8月完成最后一段壓裂，依次經過連續油管鉆塞、各項油嘴制度測試系統資料后采取放空氣回收措施，放空氣回收之前放噴總液量為4530.1m3，返排率為739%，套壓為21MPa，試氣放噴測試曲線圖如圖3所示，前期放空天然氣量約89萬m3，每天放空氣量約為5萬m3，固選取最大處理能力為5萬m3/天的放空氣回收系統進行回收處理。

該井于2021年8月31日—2021年9月15日采用5mm油嘴進行放空氣回收，考慮夜間施工安全等因素，只在白天上午8點至下午5點進行回收處理，累計回收天然氣29.4萬m3，若不考慮夜間放空氣量，回收率接近100%。

4.2?經濟效益評價

放空氣回收系統服務費用為0.96元/m3，包含氣體增壓處理、CNG槽車運輸、管網回注等各項綜合費用，按照144元/m3（不含稅）氣價進行銷售，NC6井共產生經濟效益14.11萬元；若在NC6井放噴期間全時段回收天然氣，可累計回收天然氣105.39萬m3，產生經濟效益50.59萬元。

若該套回收系統在南川頁巖氣田推廣應用，以NC6井為例，每天放空天然氣量約為5萬m3/天，試氣周期按照15天計，每年回收15口井，可增加天然氣產量1125萬m3，產生直接經濟效益為540萬元；每年減排二氧化碳198萬噸，大幅減少了溫室氣體的排放，同時也減少了試氣求產放噴對周圍環境造成的影響，達到了保護環境、節約資源的目的，實現了氣田的清潔生產。

5?下步推廣思路

針對南川頁巖氣田開發現狀，實施“一井一策、一平臺一策、一片區一策”，充分對壓裂試氣放噴求產過程中頁巖氣進行回收利用，真正做到“顆粒歸倉”。

5.1?產建區新井試采放空氣回收利用

5.1.1?針對平橋南及東勝區塊平臺集氣管網已建成的新井

在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通，利用現有井場區域安裝撬裝或車載壓縮機組，井口產氣通過測試流程初脫水后進入壓縮機組壓縮后進入集氣管網外輸。建議采用車載燃氣壓縮機為佳，設備之間采用快速連接，實現放空氣當天回收進管網。

5.1.2?針對東勝及陽春溝區塊平臺集氣管網未建成的新井

在試氣放噴流程分離器流量計后加裝三通，利用現有井場區域安裝撬裝或車載一體化回收設備，井口產氣通過測試流程初脫水后進入分離器撬+壓縮脫水充裝撬，處理增壓至25MPa左右進入槽車外運至周邊回注點。

5.2?外圍探井及零散井

根據單井及片區的產能情況和回收設備，要綜合考慮井場周圍地面交通運輸環境、需求市場等各項情況。對于周邊有穩定市場但管網不具備接入條件的，建議落實回收單位建設回收裝置加工成CNG后直銷；對于周邊沒有穩定市場的，建議落實客戶自建撬裝CNG直銷或CNG回注具備條件的回注點。

6?結論及建議

（1）經過各項論證分析和現場實際應用，試采放空天然氣CNG回收回注工藝技術是安全可靠可行的；

（2）頁巖氣的勘探開發生產各環節均存在大量放空天然氣，充分回收利用既可氣田增產，又可減少溫室氣體排放，具有巨大的經濟和社會效益，應大力推廣應用；

（3）試氣后期開展作業時，可以將放空氣回收利用工序一并開展，有效延長試氣作業時間，充分獲取地層系統測試資料，同時井場統一規劃平面布局，最大限度回收利用放空氣；

（4）建議在產建區塊集輸管網末端預留CNG回注接入口，方便后期外圍井產氣回收回注。

參考文獻：

［1］劉璟，方亮，師煜凱，等.淺析天然氣壓裂放噴氣回收應用［C］//.第31屆全國天然氣學術年會（2019）論文集（06儲運安全環保及綜合），［出版者不詳］，20191030：498501.

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［3］李俊，許多，鄭杰.油田放空天然氣回收利用探討［J］.油氣田地面工程，2010，29（03）：5859.

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［6］黃永章，蔣成銀，朱禮明，等.放噴天然氣回收技術現場試驗效果與評價［J］.石油化工應用，2020，39（07）：2832.

作者簡介：陳吉平（1982—?），男，漢族，湖北蘄春人，本科，工程師，研究方向：零散氣回收。