页岩气开采放空气回收处理与利用研究

张军辉 ，白 聪 ，张 丹 ，樊 虹 ，孔丽萍 ，吴晓燕 ，季 闻

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450；2.海洋石油高效开发国家重点实验室，北京 100027；3.中国石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300450）

随着人类生活需求以及环境保护意识的增强，人们越来越重视新能源的开发。近年来，伴随人们对页岩气地质认识的提高以及开采技术不断进步，在油气资源结构出现了一个新星-页岩气，它是一种赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态存在的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源。据初步评价，全球页岩气资源量高达456×1012m3，与全球常规天然气的资源量472×1012m3相当，且中国的常规天然气为32×1012m3，非常规天然气的储量更是达到48×1012m3。因此中国未来将更多依赖自身资源满足不断增加的天然气供应[1]。然而对于页岩气在试采阶段的放空气，目前并未采取相应的合理措施，造成环境污染，资源浪费。因此合理回收利用天然气资源也成为当务之急。

1 页岩气开采放空气回收利用意义

我国页岩气资源类型多、分布广、潜力大。据估算，页岩气资源量为100×1012m3，可采资源量大约30×1012m3。其中南方扬子地区、华北地区、西部陆相盆地及东部盆地各自占页岩气可采资源总量的43.93%、17.57%、18.97%和 19.52%[2]，分布情况（见表1）。

据文献显示，页岩气的组成近似于常规天然气和地面钻井开采煤层气，如美国六大页岩地层的页岩气组成[3]（见表2）。

同时，美国曾对温室气体的排放做了评估，发现页岩地层中通过水力压裂方式获得的天然气对温室效应影响最大，尤其是放空或泄漏的甲烷的影响。并且发现页岩气甲烷泄漏量达到3.6%～7.9%，是常规天然气的30%以上，甚至两倍。更重要的是甲烷也是一种温室气体，其温室效应是CO2的20倍以上[4]。因此回收利用页岩气开采放空气资源，对于调整能源结构、增加能源利用率、改善页岩矿区安全生产条件以及减少温室气体排放，具有十分重要的意义。

2 开采放空气回收利用方案研究

表1 中国页岩气有利区资源分布

由于国内页岩气资源的开发起步较晚，基础数据不完善，开采放空气量少、利用率低，缺乏合理的开采放空气综合开发模式和相应配套设施。而常规天然气的油气资源的开采回收利用技术，却经历了百年的历史；非常规资源的煤层气，也经过了十多年的努力初具规模。因此对于页岩气回收利用，可以复制或者创新应用常规天然气的油田放空气和非常规天然气的煤层气的回收利用技术。

2.1 常规天然气放空气回收利用技术

表2 美国六大页岩地层页岩气组成

全球范围内，对于伴生气量小而分散或远离城市及工业的油气田，尤其是对不能或暂时不能并入管网的零散气源，利用率低，经常选择放空。另外，试采的天然气由于没有配套设施只能长期放空。据数据统计，2002年全球天然气产量为32 500×108m3，其中2.5%～3.0%（800×108m3～1 000×108m3）消耗于火炬燃烧，相当于全球半个月或德国和法国的全年用气量。而且在国内油气田每年放空天然气量达10×108m3，其中尤以新疆等西北地区放空最为严重[5]。针对此情况，国内采取的天然气放空的主要回收利用方案（见表3）。

表3 放空天然气利用方向

2.2 煤层气回收利用技术

近年来，随着煤层气的大量开发，到1994年我国煤层气的产量已达到5.6×1012m3，利用率不足70%，这说明以附近居民为主的煤层气利用方式已经不能完全消化不断增加的煤层气量，人们越来越重视煤层气的加工利用。目前根据国内外煤层气的发展趋势来看，煤层气的回收利用方案（见表4）。

表4 煤层气的利用方向

3 页岩气开采放空气回收利用方案选择

目前页岩气气藏的开发仍处于初期，开采技术不成熟，而优质页岩又多分布在蜀南、鄂西、贵州、重庆等地区，地表条件复杂[6]。周围基本没有可支撑的地面设施。并且气田试采采用最普遍的方式直接放空，试采时间一般不少于10 d，试采压力也较小，一般在0.08 MPa～0.3 MPa，放空气量一般在 5×104m3/d～30×104m3/d，资源浪费量相当可观[7]。因此可对一些有规律可循、可控制的放空进行回收处理。结合上述常规天然气放空气以及开采煤层气的回收利用方案可知，采用技术成熟的无管网运输的CNG（压缩天然气）技术即成为页岩气开采放空气回收利用较为合适的方案。

3.1 CNG技术基本原理

CNG技术是20世纪60年代初期开始在我国开发的一种新兴的天然气储存、运输技术[8]。该技术是将原料气经过分离器分离、按不同压力等级（中、低压）调压稳压后，在进行脱硫、脱水脱烃后，再进入压缩机进行三级压缩，使气体压力达到25 MPa，通过加气柱给转运拖车充气或给特质的钢瓶充气进行贮存，给居民或公共用户供气[9]，CNG回收工艺流程（见图1）。

3.2 CNG技术特点

（1）对距离城镇居民或者其他商业用户4 000 km以内的气田来说，试采气量小，采用CNG回收工艺投资低、效益高。

（2）CNG 在压力 8 MPa～31.3 MPa呈气态，体积可减至天然气标准体积的1/200。相对于LNG技术，它无需液化装置和再气化终端等昂贵的设施，投资费用明显低于LNG，另外项目工期相对于LNG技术短[10]。

（3）平面布置紧凑，压缩机采用撬装占地面积小。

（4）所需的处理设施如压缩机、冷却器等都是标准的工业设备，维护方便[11]。

3.3 CNG装置介绍

CNG技术包括加气系统和泄气系统。前者主要是天然气脱除水等杂质达到CNG运输标准后，通过压缩机增压充装到CNG拖车的过程；后者是CNG拖车将增压的天然气通过卸气柱，由调压器减压，输入输气干线或者作为汽车燃料供应用户。

图1 CNG回收工艺流程简图

3.3.1 脱水装置 CNG技术压缩压力要达到25 MPa，因此需对天然气进行深度脱水，严格控制水露点，通常要求在常压下水露点需达到-60℃。脱水方式根据脱水装置在工艺流程中设置的位置，分为前置低压脱水（压缩机前）和后置高压脱水（或级间脱水）（压缩机后）[12]。前置脱水的优点是考虑压缩机，保护压缩机不受腐蚀，压缩机机组中无需设置冷凝水导出系统。由于操作压力较低，对容器制造工艺要求低；缺点是脱水设备体积较大，且脱水量大，所需再生能耗较大；后置脱水（或级间脱水）的优点是干燥器设备体积小、再生气量少、干燥后的气体露点低等；但缺点是由于压力高达25 MPa，对容器制造工艺要求高，需设置可靠的冷凝水导出系统，增加了系统复杂性。另外，进入压缩机的天然气未经干燥，对压缩机的汽缸等部位产生一定腐蚀，影响压缩机的使用寿命。

3.3.2 脱烃装置 天然气脱烃工艺方法主要是低温分离法和溶剂吸收法。低温分离法是利用天然气中各烃类组分冷凝温度不同，通过制冷将天然气冷却到一定温度，从而将沸点较高的烃类（较重的烃）冷凝分离。该工艺成熟可靠、操作简单，在国内外得到了广泛应用。溶剂吸收法是利用对天然气中各组分在吸收剂中的溶解度的差异而使不同烃类气体得以分离。即采用对较重烃类吸收能力好的溶剂来脱除其中的重烃，从而降低天然气的烃露点，属于物理吸收过程。该法对重烃的吸收率低，能耗大，因此目前较少用于对天然气烃露点的控制。

目前普遍采用的是低温分离法中外部制冷脱烃、膨胀制冷脱烃或两个工艺相结合的脱烃方法。如大港油田的南一联天然气装置采用丙烷制冷脱烃；胜利油田的现河首站采用氨制冷脱烃；而浦海装置采用丙烷外冷+膨胀制冷脱烃[13]。

但是，近期有人提出了一种新型脱水脱重烃工艺方法[14]，该方法包括吸附过程和再生过程。吸附过程是指来气通过换热器，气液分离罐，经过旋进漩涡流量计，进入吸附塔，出口气经过换热器接入自用气管路；再生过程是指来气经加热后进入吸附塔，对塔内进行加热，再生气经换热器后，进入气液分离罐，然后接入自用气管路。当吸附塔出口气温度达到150℃时停止进气，并自然冷却。或者关闭加热器，利用湿气进行冷吹冷却。该吸附分离法灵活便捷、适应性强、基础投资少、操作简单，适于中小规模天然气的处理；适于杂质含量较低气体的深度处理，处理后的产品气纯度高。但是目前还未实施工业化。还有，20世纪90年代兴起的一种新型膜分离技术正在逐渐应用于石化行业中乙烯、丙烯、氯乙烯及其他烷烯烃的回收和液化气（LPG）。其原理是气体分子在膜中的溶解扩散性能差异性，在一定的压差推动下，优先溶解渗透的分子先通过膜，从而达到分离，降低天然气的烃露点的目的。分离膜撬装设备分两个系列：天然气露点调节膜法装置；天然气富集C3+膜法装置[15]。

3.3.3 CNG压缩机 天然气压缩机是CNG加气站最主要的核心设备，它的选型对CNG加气站的建设投资影响很大。而按气缸布局方式的不同天然气压缩机分为L型、D型、W型、V型等型号[16]。根据页岩气放空气的组成、进气压力、排气压力等参数，结合页岩气的分布，现场环境条件等因素，可以选定V型撬装风冷电驱压缩机，它是一种集压缩机、净化器、冷却装置、控制系统为一体的撬装装置，其最大的优点就是拆卸移动灵活、组装调试简单。

3.4 CNG回收方案效益估算

若选定CNG撬装装置，其设备投资约300万元（不包括CNG拖车和下游泄放）。回收的放空气按经济评价，压缩天然气气价（2～4）元/立方米计算，5×104m3/d的CNG装置一天回收的天然气价值10～20万元，年回收天然气价值（3 500～7 000）万元，经济效益可观[17]。

3.5 页岩气开采放空气CNG回收技术分析

首先根据页岩气的分布、组成以及放空气量的大小可知，页岩气开采放空气的点多、面广、气量零散，因此基本可以确定CNG回收技术是目前比较合适的回收方式。其次由于放空气的回收规模不大，放空点不集中，给回收带来一定难度，因此回收项目的完成很大程度上取决于管理以及运作方式，即CNG充气站的建设、产品的运输和销售、各个装置的维护与操作。因此，结合上述的特点也需要解决以下几点问题：

（1）鉴于回收装置集中化，页岩气开采放空气尽量变多点放空为一点放空，这对放空气的收集有重大意义。

（2）由于目前页岩气开采放空气回收项目并未进行大规模实施，页岩气放空气基础数据不完善，设备运行参数缺失，因此需要对CNG回收方案进行深入研究，多方案比选，确定一个经济效益高、装置运行模式简单的方案。

4 结语

面对不断攀升的能源需求和气候变化的压力，页岩气作为一种清洁能源正在改变着当今的能源结构，给能源的利用注入了新的血液。但在页岩气开采过程中放空气仍采用陈旧的直接放空方式，造成环境污染，资源极大的浪费。因此，因地制宜，合理回收利用页岩气开采放空气也是迫在眉睫。在回收技术方面，大力发展CNG不但可提升经济的可持续发展，创造良好的生存环境，同时也有利于天然气供需平衡和能源的合理利用及企业经济效益的提高。