页岩气地面工程标准化设计

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大学石油与天然气工程学院

梁光川等.页岩气地面工程标准化设计.天然气工业，2016，36（1）:115-122．



页岩气地面工程标准化设计

梁光川 余雨航 彭星煜

西南石油大学石油与天然气工程学院

梁光川等.页岩气地面工程标准化设计.天然气工业，2016，36（1）:115-122．

摘 要页岩气藏的特殊物性决定了其地面工程建设必须采用非常规、标准化的技术手段，加之我国页岩气藏地面工程设计面临集输规模不确定性强、管网和站场布局适应性差、工艺设备配套难度大及后期需考虑增压开采等诸多难点，因此要求页岩气地面工程建设必须向“标准化设计、模块化建设、橇装化配备”的方向发展。为此，在文献调研和技术探索的基础上，形成了以“标准化井场布局、通用化工艺流程、模块化功能分区、橇装化设备选型、集约化场地设计、数字化生产管理”为核心的页岩气地面工程标准化设计技术；并以国内川渝地区典型页岩气田为例，讨论其应用背景和地面工艺技术路线，对地面集输系统进行标准化设计，包括标准化工艺流程、模块化集输站场、系列化脱水装置、集约化平面布置，取得了显著的效果。建立了灵活、实用、可靠的地面生产体系，完成了丛式井平台、集气站、配套工程等一系列标准化工艺及模块的设计，形成了一套适应于国内页岩气田地面工程建设的技术体系。

关键词页岩气 非常规 地面工程 集输系统 地面工艺 标准化设计 丛式井 一体化

页岩气是以吸附和游离状态同时赋存泥岩及页岩等地层中的天然气[1-3]，与致密砂岩气不同，具有开采寿命长、生产周期长、压力和产能衰减速率快等特点。页岩气单井产量较低，但井口压力高，部分含气田水和凝析油。其显著特点区别于常规天然气的气藏特征和井口物性参数，是直接影响地面工艺技术的关键，导致其地面工程建设也具有不同于常规气田的特殊性[4]。

由于页岩气田开采前期与中后期相比，压力和产量变化较大，地面设备需要一定的适应性，为满足国内页岩气规模化与高效低成本的开发要求，对页岩气地面工程建设采取“标准化设计、模块化建设”的设计理念和设计手段，采用优化简化的工作模式以适应国内页岩气田的开发[5-7]。

1 页岩气地面工程设计难点

我国页岩气的开发处于起步阶段，目前的开发思路借鉴了常规天然气开发的模式，地面集输技术发展滞后，没有完整的管理体系，缺少相应的行业标准，对于地面配套技术的发展还需经过一定的探索阶段和经验总结。在进行页岩气田地面工程设计时，需考虑以下设计难点。

1.1 集输规模不确定性强

页岩气田普遍具有初期产量高、后期衰减快速和前后期产量变化较大等显著特点。美国多个页岩气田数据表示，页岩气单井约80%的产量可在10年内开采完，剩余总产量小但产能稳定，这不同于常规天然气田产量总体比较稳定且衰减缓慢的特点[8-9]。因此，地面集输系统的设计规模不易确定是设计难点所在。针对页岩气田采用的滚动开发模式，后期新增产能很难准确评估，增加了地面集输设计规模的确定难度。

1.2 管网和站场布局适应性差

常规气田的地面工程设计，对集输管网和站场进行规划是依据气田开发方案和气井动态资料而定，相对容易确定。但页岩气田开发和稳产周期内产能变化很大，地面集输规模和站场布置需进行不断地调整以适应产能变化的要求，导致集输管网和站场布局不易确定，且对长远期开发需进行不断地适应和调整。

1.3 工艺设备配套难度大

页岩气地面工程配套技术的关键与气藏特点紧密相关，为保证生产，页岩气田需进行大面积、规模化开发并实施“工厂化”连续作业，地面工程建设需同时进行紧密匹配。由于页岩气开采前后期压力和产量变化较大，集输设备的处理量也随之变化，工艺设备的配套较难固定，需要采用具有一定适应性的设备[10]。因此，采用便于组合和搬迁的橇装设备，并对地面工艺进行标准化、模块化设计，可快速调整以适应站场的处理能力，具有操作弹性。

1.4 后期需考虑增压

页岩气田开采初期井口压力很高，后期衰减很快，与常规气田差距很大。页岩气田后期将长时间处于低压生产的状态，考虑增压开采是难点所在，页岩气新井的初期压力应该合理充分利用[11]。由于气田压力和产量的变化，集输系统的设计规模和设计压力也需做相应的调整，以适应后期压力变化和平衡各站之间的气量。

2 页岩气标准化设计的核心技术

地面工程标准化设计是一种能够有效缩短地面工程建设周期、降低投资成本、确保工程质量的优化简化设计方式[12-13]。针对油气田地面建设中同类型的站场布局、工艺流程和装置设备，结合地面具体实际情况，进行统一施工标准、规范工艺流程、装置模块划分的设计工作，形成一套标准化、规范化、系列化和通用化的设计图样。

页岩气地面集输工程标准化设计是根据“丛式井场—集气站—中心处理站—外输”的总工艺流程，以及“高压采气、中压集气、井口加热节流、井丛来气进站、集中脱水、后期增压”等地面工艺技术，借鉴美国页岩气田地面集输设计经验和油气田中采用标准化设计的成功经验，编制出一套适合国内页岩气田地面集输工艺的标准化设计方案，以实现页岩气田的高效配产和低成本开发。其核心技术为：标准化的井站布局、通用化的工艺流程、模块化的功能分区、橇装化的设备选型、系列化的装置组合、集约化的场地设计、数字化的生产管理。

2.1 标准化的井场布局

根据开发页岩气所推行的“井工厂”作业模式，井场设置2～6井式的丛式水平井平台。针对井场的规划和布局，在满足站场功能、减少占地和节省投资的基础上，进行标准化井场布局规划，包括各个井场和集气站的工艺装置区的位置、规模、配套设备以及场地标识，统一进行规划和建设[14]，实现一体化组织、流程化作业、标准化现场。

2.2 通用化的工艺流程

页岩气田实行试验区块优先开采的原则，并实行整体部署、滚动开发的方针，在“井工厂”作业模式下的标准化丛式井场，以实现高效集输的目标，针对地面集输工艺，进行通用化的工艺流程设计。针对不同井数的丛式井平台，优化、简化井场和集气站的工艺流程，并使井场和集气站具有统一的工艺流程和建设规模，设备选型一致，便于后期的规划和管理。

2.3 模块化的功能分区

为实现高效配产、降低施工周期、节省投资成本，根据井场及集气站的标准化流程，进行集输站场模块化设计，将各个丛式井平台和集气站按照功能分区划分为独立的模块，且划分的模块具有通用性，可实现标准化的小型模块化管理，也有利于设计图纸的模块化组合。另外，还可采用三维软件对站场模块进行三维配管优化设计[15]。

2.4 橇装化的设备选型

页岩气开发的地面配套工艺技术关键点与气藏特点紧密相关。橇装化设备具有小型、便于组合、适应搬迁等特点，针对页岩气田前后期压力和产量变化较大的显著特征，建设橇装化可移动的地面设施是适应页岩气田开发的一种有效手段[16]。对丛式井场和集气站的所有工艺设施最大限度地采用橇装化设备，实现工艺设备的高效利用。对橇装化设备选型，使用统一标准的管阀配件、外形尺寸和技术参数，为规模化的采购奠定基础。

2.5 系列化的装置组合

页岩气田地面集输设计规模不易确定，可设计系列化的工艺处理装置，例如设定规模为10×104t/a、15×104t/a、30×104t/a的单体工程，再根据产量变化情况和处理介质范围分期实施、灵活组合、装置成列设置，可有效降低建设成本并满足长远期的集输规划要求，是适合页岩气田地面工程建设的关键技术，应大力发展。

2.6 集约化的场地设计

坚持“绿色低碳”的发展理念，对场地设计采用集约化原则，集中建产，合理利用资源，合理规划地面建设，最大限度地高效使用集输工艺设备设施，以实现地面工程建设的低投入、低消耗、高产出。并对所有站场的场地设计进行标准化建设和管理，包括站场标识、路面结构、平面布置、道路建设，实现与周围环境的和谐发展[17]。

2.7 数字化的生产管理

实现对页岩气田的自动化、信息化和现代化管理，提高安全生产管理水平，降低人工成本。数字化油气田建设已经成为油气田勘探开发的配套工程，有利于协同工作提高效率、运行监控优化生产、改善HSE、降低生产成本提高投资回报率、积淀资产和知识。建立综合数据库、信息化管理平台、完整性管理系统、三维可视化展示系统，实现地面集输系统的数据采集和实时监控，实现地面工程全生命周期管理的“一体化”管理和辅助决策平台。

3 标准化设计在国内页岩气田地面工程的应用

3.1 国内页岩气地面工程标准化设计背景

川渝地区页岩气田勘探开发进程远远领先于国内其他地区，其在借鉴吸收国外页岩气田成功经验的基础上，广泛采用当前较为先进的标准化设计方法，开展对页岩气田标准化设计的理念学习和方法研究，全面推行页岩气田地面工程“标准化＋模块化＋橇装化”设计，形成一套适应国内页岩气田的体系，完成了丛式井平台、集气站、配套工程等一系列标准化工艺及模块的设计，对国内未来页岩气田的技术发展具有重要意义，也将作为国内页岩气资源低成本、大规模开发的典范。下面将以川渝地区某页岩气田为例，详细阐述标准化设计在页岩气地面工程的应用。

根据页岩气项目部对页岩区域产能建设的总体规划和要求，地面工程标准化设计在满足区域地质条件和页岩气物性参数的基础上，进行总体设计和分期滚动建设，遵从满足一期、兼顾后期、上下游统筹规划的原则，强调安全、环保、高效的理念，结合气田区块的实际条件进行地面工程标准化设计，以实现页岩气田地面工程占地集约化、流程标准化、装置系列化、设备通用化、单体橇装化、管理信息化的整体标准化建设。

3.2 页岩气地面工程技术路线

3.2.1 集输流程

井口天然气通过采气管线输送到集气站，经两级加热、两级节流、计量分离后出站，再经集气支线进入集气干线，再输送至中心处理站进行集中分离、加热、TEG脱水处理，干气计量后由进天然气分公司输配站外输。

3.2.2 集输工艺

采用湿气输送工艺，通过集气站加热天然气防止天然气水合物生成，同时集气站预留注醇接口。井口采用除砂工艺，采用轮换式计量。集气站内污水进高架水罐后车运至二级供水泵站回用，集输管网中设置注醇设施和清管设施。集输站场工艺设备采用橇装式和模块化设计，工艺流程采用标准化流程设计。

3.2.3 集输管网

根据气藏分布和开发部署方案，为适应页岩气田压力变化的不确定性，推荐采用“辐射＋环形”管网布局方式。该方式整体安全性好，灵活度较高，符合气田情况，特别是可有效的平衡脱水站之间的气量，符合页岩气田开发的长远规划。

3.3 标准化工艺流程设计

在井场和集气站场均采用标准化流程，实现一体化组织、流程化作业、标准化现场。针对各平台井位部署情况，设置2井式、4井式、5井式、6井式标准化集气站。站场工艺标准化流程框图如图1所示。

图1 井口集气工艺流程框图

3.3.1 2井式平台标准化流程

2井式集气站设备按单列配置，即井口来气→加热→分离→计量，1口井配套1套处理设备。站内加热炉为双盘管，加热负荷为200 kW；设置2具管径为800 mm的计量分离器用于气液分离和计量。2井式井口及集气站标准化流程见图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台400 kW四盘管加热炉，6井式采用3 台400 kW四盘管加热炉。4井式和6井式均设置一套计量分离器（管径为800 mm），负责单井的计量；设置一套生产分离器（管径为1 200 mm），用于其他井的气液分离。4井式和6井式井口及集气站标准化流程见图3。

图3 4井式、6井式集气站标准化流程图

3.4 模块化集输站场设计

为实现高效配产，降低施工周期，节省投资成本，标准化井场设计均采用通用化模块和橇装化模块。丛式井场来气进入站内来气汇集模块，根据压力大小考虑是否增压，再进行气液分离、天然气计量后输至脱水站处理。站场流程根据功能需要选择工艺模块进行组合，集气站模块化工艺流程如图4所示。

根据井口及集气站标准化流程，将井口、集气站中相同的部分划分为模块，每个功能分区做成独立的、标准的小型模块，各模块之间相互独立，通过管网连接，利于设计图纸的模块化组合和施工预制。井口及集气站部分共划分为井口安装、除砂器、加热炉、计量分离器、生产分离器、注醇、燃气调压、增压组、污水罐、汇管、发球筒等11个模块，其中加热炉、分离器、注醇为采用橇装，对所有模块进行三维配管设计。井场工艺模块划分及功能分区如表1所示。

图4 集气站模块化流程框图

表1 井口、集气站工艺模块划分表

3.5 系列化脱水装置设计

脱水站工艺流程：集气站来气通过集输管线管输至脱水站后进行净化处理，脱水采用TEG脱水装置。天然气首先进入过滤分离装置，尽可能除去可能携带的游离液体和机械杂质，然后进入加热炉加热到20 ℃，再进入脱水装置，经脱水装置脱水后的干净化气经调压计量之后输送到用户。

定型的单体处理装置通过组装、拼接就可以形成不同类型、不同规模的系列化处理装置。脱水站的脱水装置成列设置，主要设备全部橇装化，根据产量情况分期实施，灵活组合，脱水装置采用15×108m3/a和40×108m3/a这2个处理规模进行装置组合系列化设计。

总处理规模15×108m3/a的脱水站，建立2列脱水装置进行组合使用。建立10×108m3/a脱水装置1列，再预留10×108m3/a脱水装置1列，具体配置见图5。

根据总体规划方案，扩大处理规模后，40×108m3/a脱水站的装置配置采用10×108m3/a的脱水系列。采用3列10×108m3/a的脱水装置进行组合，预留1列10×108m3/a的脱水装置，配置见图6。自投入运行以来，脱水工艺水露点可达到-17 ℃。

图5 15×108m3/a脱水站标准化流程图

图6 40×108m3/a脱水站标准化流程图

3.6 集约化场地平面布置

国内川渝地区页岩气田吸取国外经验，实现集约化场地设计，集中建产，合理规划，减少占地，保护环境。针对“井工厂”丛式井场的井位平面图，根据钻井、试气运行要求，在满足规范要求下，提出了井场＋集气站合建区域布置图（“L”形和矩形）。井场与集气站合建可以有效地减少占地面积，降低井场和集气站的管理难度。

页岩气田集气站场属于五级站场，所以总平面布置时工艺装置防火间距按五级站场设计，并根据生产工艺特点、火灾危险性等级、功能要求，结合地形、风向等条件确定。标准化集气站平面布置见图7、8。

图7 2×2、2+2井场及集气站布局图

图8 2×3、3+3井场及集气站布局图

3.7 标准化设计成效

通过推行川渝地区页岩气田地面工程标准化设计工作，针对非常规气田以打破常规、创新模式的设计原则，进行设计时采用“工程服从地质、地面服从地下；地质兼顾工程、地下兼顾地面”的指导思想，力求做到地面工程与勘探开发的一体化。

目前，该页岩区块已全面建立了“井工厂”的钻井平台，采用工厂化的作业模式，标准化的集气站建设随钻井平台扩展。已建连接平台、集气站和脱水站的集输管网，采用“辐射＋环状”集气管网，新建的集气管网输气能力达到50×108m3/a。整体页岩区块地面集输工程采用“采气丛式井场—集气站—脱水站”的两级布站模式。形成了标准化、橇装化的采气集输流程，整套采气、集输流程采用二级降压、二级脱水工艺，由8个独立功能标准化模块组合而成。用“少用地多办事，少占地建示范区”的原则，单井土地征用面积节约30%以上。同时，气田全力推进“四化”建设，增强工程技术的可复制性和可推广性，按照标准化设计、标准化施工、标准化采购、信息化管理，编制形成一系列标准化建设规范和技术要求。

4 结论与建议

1）我国页岩气开发与集输技术已经取得了一定的进展，但与国外相比还存在很大的差距，且没有形成相关完整的体系。我国页岩气田吸取国外页岩气开采经验，坚持“绿色低碳”的发展理念，重视生态环境保护，建立青山绿水工程。采用“丛式井”设计、“井工厂”施工模式、“标准化”站场设计及施工后复耕等措施，大幅降低土地征用面积，节约单井征地面积，切实保护了周围的绿水青山，保护当地的生态环境。

2）推行页岩气地面工程标准化设计，创新了页岩气田地面设计理念，是适应页岩气田特殊性和地面建设的需要。以破除大而全、小而全为设计原则，以建立灵活、实用、可靠的地面生产体系为原则，地上地下统筹优化，体现了优质、高效、安全、超前的工程建设理念，也是大规模油气田地面建设的发展趋势。国内页岩气地面集输工程技术将向占地集约化、流程标准化、装置系列化、设备通用化、单体橇装化和管理信息化的方向发展。

参 考 文 献

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（修改回稿日期 2015-11-09 编辑 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

作者简介：梁光川，1972年生，教授，博士；长期从事油气地面集输工艺优化、天然气地下储气库优化、油气管道输送理论及技术研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学石油与天然气工程学院。电话：13981827236。ORCID:0000-0002-3346-6021。E-mail:lgcdjr@163.com

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2016.01.015