油气田开采流程的甲烷源项分析

李峰，刘陈晨，戴安国，赵风杰，卢磊

(1.中国石油大学(华东)化学与化工学院，山东 青岛 266580；2.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司，山东 青岛 266555)

0 引言

IPCC 在第六次评估报告中指出，由人为原因导致的甲烷排放已导致近30% 的温升，所以世界各国对甲烷减排越来越重视，更多的发达国家正在将其转变为国家战略，部分国家开始发起并倡导具体的减排行动。世界上有些国家已经发布了与甲烷减排相关的政策和计划。例如，加拿大和墨西哥两个国家在2018 年已经将控制甲烷排放纳入实现本国国家自主贡献中的甲烷减排承诺。欧盟委员会在2020 年发布了《欧盟甲烷战略》，提出了与甲烷减排相关的措施，并在2021 年推动立法，强制相关的企业进行泄漏检测与修复[1]。除此以外，为了便于掌握全球的甲烷排放或者泄漏情况，联合国环境署和欧盟委员会也在积极推进独立的国际甲烷排放观测站的规划。

我国是全球最大的二氧化碳排放国和甲烷排放国。对于我国温室气体的排放总量，甲烷占比是很大的。根据国际能源署统计数据可知[2]，从2018—2019 年期间，我国在农业方面甲烷排放量总共达到17 342 万吨左右；在2021 年期间，能源方面的甲烷排放量总共达到了28 327 万吨左右，固废方面的甲烷排放量达到了11 263 万吨左右，其他方面的甲烷排放量达到了1 512 万吨。考虑到我国目前的甲烷排放量较大，如果只把二氧化碳考虑在内，忽略甲烷的排放，对于把握我国总体温室气体的排放现状是十分不恰当的。因此，应该加快步伐，尽可能全面的了解甲烷排放源的分布状况及其减排能力，这对于实现温室气体减排具有重要意义。文章从油气田企业的开采流程开始分析甲烷排放源，把有可能产生甲烷的环节进行分析，对甲烷的排放特点和规律进行总给，找到油气田甲烷排放的主要来源，为后续制定相应的减排措施打下基础。

1 油气田甲烷分布与排放特点分析

1.1 甲烷分布特点

油气田包括很多区域，油气井和相应的生产设施集中在这些区域内，并伴随有甲烷的排放，说明了甲烷分布的广阔性[3]。

石油天然气的输送是通过集输管网将油田各处站点(联合站、处理站等)连接起来，站点分布范围广，管线纵横，这样的分布特点决定了甲烷的分散性[4]。

1.2 甲烷排放特点

在石油天然气开采的过程中产生甲烷排放的环节主要包括燃烧烟气、火炬及放空系统、动、静密封点的逸散以及设备在使用时的排放。

(1)燃烧烟气排放是重要的排放源，包括加热炉、焚烧炉等燃料不完全燃烧导致的甲烷排放。

(2)火炬及放空系统是最主要的甲烷排放源。其中天然气处理系统中，处理工艺的放空气所含的甲烷量较大；火炬的碳氧化率低导致甲烷不完全燃烧，带来的甲烷排放量也不容忽视。

(3)现场设备以及动、静密封点产生的甲烷气体排放量也是需要考虑的，主要是阀门门、法兰、连接件等组件密封性能差导致的甲烷逸散；内燃机、压缩机等设备工作时所用的燃料不完全燃烧导致的甲烷排放。

2 油气田工艺流程及甲烷源项分析

油气田主要工艺流程包括勘探、钻井、采油(气)、井下作业以及油气集输与油气处理等，其工艺流程见图1。

图1 油田工艺流程图

2.1 勘探

勘探主要是为了寻找和查明油气资源，而利用各种勘探手段了解地下的地质状况，确定油气聚集的有利地区，找到油气藏的过程。

勘探方法有多种，目前最常见最重要的勘探方法是地震法和钻探法[5]，适用于不同的勘探阶段。在使用钻探法的时候，有可能会接触到油气藏，导致甲烷气体的逸散，还有勘探人员的车辆排气以及与井场使用设备、人员和设备运输相关的移动排放源会导致甲烷的排放。

2.2 钻井

钻井过程甲烷排放包括动力设备、机械及车辆废气、泥浆脱气、伴生气、井喷、试井等。钻井示意图如图2 所示。

图2 钻井系统示意图

(1)车辆排气

钻井施工现场车辆的内燃设备在工作时会产生一定量的废气和烟尘，其中包含了二氧化碳、甲烷等温室气体。

(2)泥浆脱气

在钻井操作中，钻井液(又称为钻探泥浆) 用于很多方面，包括润滑和冷却钻头、除去钻头上的钻屑和保持井内的压力。在这些操作中，井孔出来的气体可能进入泥浆中，因此需要对泥浆进行脱气。在脱气过程中，泥浆中的气体被分离出来，直接排放到大气中[6]。废气污染物包括H2S、CH4、HAPs 等。

(3)伴生气

如果天然气压力足够高，在钻井的时候伴生气会通过环形空间向外逸散。在这种情况下，可能向周围排放CH4。

(4)洗井液

在钻井过程中，天然气还可用于清理累积的沉淀物或从井底排水。使用时，将压缩天然气泵入井筒，建立压力，然后通过环空迅速释放到地面。释放的天然气通常被直接燃烧(主要产生二氧化碳排放)或放空到大气中(排放CH4)。

(5)试井

一个井在开采初期，需要了解这个井的生产能力，需要向试井池里释放油气藏中的油或气，这个过程会向周围释放大量的CH4。

2.3 采油(气)

由于石油天然气不具备将自身从油气藏中排出的任何固有的能力，所以必须借助油(气)层的自身压力或者抽油泵等工艺方法，使油气从地下储油(气)层中产出的工艺过程。

在采油的过程中会有油田伴生气(主要是CH4)的逸散以及放空。在高压下溶解在原油中的天然气也会随着采油的过程逸散出来，造成甲烷的排放。在采气的过程中，也存在天然气的逸散和放空。

2.4 井下作业

井下作业分为维护作业、措施作业和检修作业，是油田勘探开发过程中保证油水井正常生产的技术手段。在进行井下作业时，会采用压裂、酸化、转抽、换泵、下泵、排水增气、洗井、修井等作业。开采前井下作业包括射孔、压裂、试油(气)等，油气泄漏或进入火炬、泥浆、废油罐，导致甲烷等轻烃排放；开采过程检维修作业包括洗井、修井、换取套管、套管整形等，油气泄漏进入大气或火炬，或进入油泥池，导致甲烷排放。

2.5 油气集输与处理

(1)油气集输部分

油气集输，作为油气田生产油气整体过程中的一个环节，在整体操作过程中，有着极其重要的作用。为了减少油气损失，在油气集输的工艺流程中最好采用密闭流程[7]。油气集输系统示意图如图3所示。据调研可知，目前油气田企业的集输系统不可能达到完全密闭，或多或少都会导致甲烷的排放，此外油气集输过程中的集输管道、设备、密封点等会出现泄漏情况；独立井套管气、临时储罐呼吸、收油车装卸等也会导致甲烷排放。

图3 油气集输系统示意图

(2)油气处理

油气处理部分主要是指油田联合站和天然气处理站。联合站是进行原油集输、处理和加工的中枢，天然气处理站是对天然气进行除杂、脱硫等一系列工艺，是十分重要的生产装置。油气处理的工艺流程图见图4。

图4 油气处理流程示意图

在联合站中，原油脱水过程中油水分离会产生含油废水，产生的含油废水通过管道集输到废水处理系统进行处理，在含油废水产生和处理过程中因其含有甲烷，从而逸散到环境中造成温室气体的增加；原油稳定是为了回收轻组分，以在常压状态下进行原油的储存，但原油稳定过程中的闪蒸、分馏中会产生一部分甲烷排放；原油在进站以及处理时，会利用加热炉进行加热，加热炉根据油田所处地区条件采用不同类型燃料，通常由于燃料的不完全燃烧会导致排放甲烷；为了清管、紧急情况下的放空和对设备进行检修，通常会有火炬放空系统，火炬燃烧产生的废气中含有甲烷气体；原油储存过程中，储罐在这个过程中的蒸发损失和收发物料时产生的工作损失会导致甲烷排放；原油通过汽车进行外输时，如果装卸车没有气体逸散的调控装置，也会导致甲烷进入大气环境中；联合站工艺过程中的动、静密封点泄漏时会导致甲烷的无组织排放，形成多个甲烷排放点。

在天然气处理站中，来自气井的原料气经过三相分离之后去除凝析液和水，去除的凝析液再送到轻烃回收工艺进行再处理。在这个过程中，污水里面会含有一定量的甲烷，在这个废水处理过程中会有甲烷的逸散，凝析液输送的过程中也会有甲烷的逸散。在进行气相分离时，天然气进行酸性组分脱除以及酸气的处理(硫磺回收)。在天然气进行脱酸性气体的时候，在管道的输送过程中会有甲烷的逸散以及CO2的放空的过程中，会有部分甲烷随之排放出来，造成温室气体的排放。在硫磺回收的部分，从酸气中回收硫磺时，此过程会受到反应条件的限制，使得硫磺回收率较低，尾气中尚含有少部分甲烷。当天然气处理再生器排放的废气中含有硫化氢等有害物质时，需要经过焚烧才能进行后续处理，在这个焚烧的过程中也有可能会有甲烷的排放。天然气脱水工艺部分，大部分水是在三相分离时通过比较简单的方法进行去除的，但是去除溶解在天然气中的水蒸气需要相对比较复杂的处理工艺，这个过程中会涉及到甲烷的逸散。经过了脱水处理的天然气会被输送到轻烃回收工艺，在这个过程中会有甲烷的泄漏。商品天然气进行对外输送以及回注过程中，也会有或多或少的甲烷逸散。

3 油气田甲烷管控环节分析

3.1 甲烷排放情况分析

在勘探钻井过程中动力器械钻到气藏时，还有地面的人员设备及车辆废气、泥浆脱气、试井以及原油开采前的井下作业和开采过程中的检维修作业等都会有甲烷的排放，其中甲烷排放的量非常小且难以实际测量，故可以忽略不计。勘探钻井过程中还有可能发生井喷，这种情况很少发生，但是如果发生了就属于无控制释放，产生的甲烷排放量也难以估算。

在采油过程中，当温度增加、压力降低时，溶解在原油中的天然气逸出积聚在油套环空中，形成“伴生气”，它的主要成分是甲烷[8]。目前油田对于距离联合站较近的油田伴生气不进行任何预处理，直接输送到联合站进行回收处理；对于距离联合站比较远的油田伴生气，在井口通常设有一定的预处理装置进行回收，再输送到联合站实施进一步的回收处理；另外，有一些井口的伴生气作为井场燃料或放空燃烧，因此油田伴生气产生甲烷的排放量也比较少，可以忽略不计。

油气集输过程中的甲烷排放主要是因为管道的集输不能够做到完全密闭以及集输设备泄漏、独立井套管气、临时储罐呼吸、收油车装卸产生的甲烷逸散，均为无组织排放源，由于运输距离过长导致调研困难，再加上本身排放量比较少，因此集输过程甲烷排放量可以忽略不计。

在油田中，油气处理过程中的甲烷排放主要来自原油脱水产生的含油废水在集中运输和处理过程的逸散排放；原油稳定过程中的闪蒸和分馏产生的甲烷排放；加热炉燃料不完全燃烧产生的甲烷排放；火炬燃烧产生的甲烷排放；原油储存过程中储罐静置损失和工作损失产生的甲烷排放；原油通过汽车外输置换排气时产生的甲烷排放以及工艺过程中设备与管线组件密封点泄漏产生的甲烷排放；排放形式以无组织排放为主[9-11]。

在气田中，油气处理过程中的甲烷排放主要来自天然气脱水系统中的工艺放空以及干气和闪蒸气在处理过程中的逸散排放，还有脱除的水中也含有一定量的甲烷；脱碳脱硫工艺中闪蒸气以及分流循环流程中的燃料气、净化气的排放，都会导致甲烷的排放；硫磺回收工艺中的反应炉的燃烧以及余热锅炉中的高压水蒸气的排放中都含有甲烷；轻烃回收工艺中的分馏，冷凝分离都会排放甲烷以及整个工艺流程中的设备与组件密封点泄漏都会造成甲烷的无组织排放。

根据调研及分析发现，油田和气田的联合站中甲烷排放源较多，且排放集中，排放量大，可确定为油气田主要的甲烷排放来源。

3.2 甲烷逸散分布节点

通过对油气田的现场调研与勘查，从所属油气田工艺流程、甲烷排放节点、排放方式、排放规律、排放量等方面分析，对油气田工艺流程的甲烷排放进行归类分析结果如表1所示。

表1 油气田生产过程甲烷逸散分布节点汇总

4 结果与讨论

通过对整个油气田工艺流程的分析以及甲烷排放源清单的建立，确定了油气田当中甲烷的排放主要来自集中处理站即联合站及天然气处理站。因此对油气田的集中处理站展开现场调研，并且对其整个流程以及甲烷排放源进行更具体的分析研究。

4.1 油田联合站工艺流程分析

通过现场调研以及结合油气田集中处理站资料对站内的主要工艺流程进行分析，首先是油田的联合站，站内的工艺主要有天然气处理、原油或者凝析油处理以及产品储运等。其工艺流程简图见图5。

图5 油田联合站工艺流程图

(1)天然气处理系统

包括原料气缓冲分离单元、分子筛脱水单元、冷冻分离单元、脱乙烷塔单元、液化气分馏单元。

(2)原油处理系统

自段塞流捕集器来的凝析油经流量比例调节并计量后，分别进入原油稳定装置，在一定条件下闪蒸，闪蒸气去闪蒸气压缩机入口分离罐；闪蒸罐分离出来的采出水与洗盐水汇合后去采出水处理站。闪蒸后的闪蒸气进入洗涤罐，后经计量，进入闪蒸气进气分离罐，经缓冲分离后，进入闪蒸气入口，经压缩冷却后，去天然气处理装置作为原料气。

(3)采出水处理系统

油区三相分离器来水进入接收罐，沉降除油，经升压泵进入压力除油器，最后经双滤料过滤器进入滤后水罐，进行注水。

(4)产品储运系统

产品运输系统分液化石油气罐区和稳定轻烃罐区，稳定轻烃自天然气处理装置内脱丁烷塔或脱戊烷塔单元来，分别进入稳定轻烃储罐储存，由稳定轻烃装车泵送至汽车装车场，装车外运。从汽车装车场引一条轻烃回流线，接入轻烃倒罐线。

(5)采出水处理系统

油区三相分离器来水进入接收罐，沉降除油，经升压泵进入压力除油器，最后经双滤料过滤器进入滤后水罐，进行注水。污水处理系统的接收水罐产生的污泥通过污泥泵进入站外蒸发池；站内水罐溢流水和放空产生水也排至站外含油污水蒸发池。

4.3 油气田联合站甲烷源项分析

4.3.1 设备与管线组件密封点

石油天然气行业中的设备部件泄漏是指各个设施类型中如阀门、法兰、泵、压缩机、泄压阀、取样口、工艺排水口、开口管线、连接件和其他各类部件所产生的设备泄漏[12-13]。企业一般会对这些设备部件进行检测，如果检测出来的泄漏点较多，那么这将是CH4的一个主要排放源。

4.3.2 油气储存

油气田中的原油储罐中的原油压力从分离器条件降低到大气压力时，通过闪蒸损失，排出CH4。压力降低越大，闪蒸排出的气体越多。这种情况主要出现在生产操作中；不过，石油管道清洗器也可能出现闪蒸排放。当原油达到大气压力，挥发性CH4被急骤蒸出。液体石油储罐也可能通过作业和贮存损失，产生排放气，造成CH4的排放，即工作损失和静置损失[14-18]。

4.3.3 有机液体装卸

用汽车、火车运输和装载石油或者液化天然气时，造成烃类蒸发损失[19]。在装载时会发生烃类排放，因为有机蒸气被装载的石油液体置换到大气中，从而造成CH4排放。

4.3.4 废水集输和处理

废水的集输和处理主要是生产水经管道收集至污水沉降罐除油，除油后的污水进入蒸发池，在集输过程中一般处于密闭状态[20]。在进行污水处理时通常采用厌氧处理，这个过程产甲烷菌会产生部分CH4。

4.3.5 燃烧烟气排放

燃烧烟气主要来自加热设备的燃烧，在联合站内基本上是利用天然气或原油作为能源的加热设施，燃烧产物以CO2为主，但是也会有部分燃料没有得到充分燃烧，从而导致CH4的排放[21]。CH4的排放量取决于联合站内排放的烟气量以及设备燃烧的效率。

4.3.6 火炬及放空系统

火炬被用于石油天然气工业的所有领域，用来通过燃烧日常运行中、波动或紧急情况下生成的烃类气体，管理不可回收天然气的处理工作。

而在生产过程中，由于各种原因，需要将某一部件、管段、装置中的油气放空排掉，例如天然气受到污染，或者其中CH4的含量过低等，排空的天然气进入大气。也有一些工艺过程中会需要进行放空，一般放空的气体会通过火炬燃烧掉[22]。CH4排放物则是因未充分燃烧而产生或是由于运行故障导致火炬喷嘴无火焰时而产生的物质。

5 结语

(1) 通过对油田和气田进行现场实践调研的方法，分析了石油天然气开采行业的工艺流程，总结出CH4的排放源和排放特点，并且列出了CH4的排放清单，确定了油气田的CH4排放主要来自油气处理部分即油气田联合站，在联合站里天然气处理系统又是主要排放源。

(2)通过对油气田联合站进行现场调研以及工艺流程分析，对联合站具体的CH4源项排放情况进行分析，给出源项分析结果，确定联合站主要的CH4排放源项为设备与管线组件密封点、燃烧烟气和火炬及放空部分。