陆上石油天然气开采过程中减污降碳协同管控

杜永亮; 汪扬; 何少林; 苑宏英; 徐薇; 宋阳; 刘博; 徐英俊

doi:10.12153/j.issn.1674-991X.20230478

陆上石油天然气开采过程中减污降碳协同管控

doi: 10.12153/j.issn.1674-991X.20230478

杜永亮^{1, 2,},
汪扬^{1, 2},
何少林^{3, 4},
苑宏英^{1, 2, 4, ,},
徐薇^{3, 4},
宋阳^{3, 4},
刘博^{3, 4},
徐英俊^{3, 4}

1.
天津城建大学环境与市政工程学院
2.
天津市水质科学与技术重点实验室
3.
北京中陆咨询有限公司（中国石油规划总院）
4.
国家油页岩生态环境分中心

基金项目: 国家重点研发计划项目（2019YFA0705500）

详细信息

作者简介:
杜永亮（1985—），男，讲师，博士，研究方向为污水污泥处理与固废资源化处置，du.smile@163.com

通讯作者:
苑宏英（1974—），女，教授，博士，研究方向为污水污泥处理及资源化，yuanhy_00@163.com

中图分类号: X51
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出版历程
- 收稿日期: 2023-06-27
- 录用日期: 2023-10-09
- 修回日期: 2023-09-23

Collaborative control of pollution and carbon reduction in the process of onshore oil and gas exploitation

DU Yongliang^{1, 2
,},
WANG Yang^{1, 2},
HE Shaolin^{3, 4},
YUAN Hongying^{1, 2, 4
, ,},
XU Wei^{3, 4},
SONG Yang^{3, 4},
LIU Bo^{3, 4},
XU Yingjun^{3, 4}

1.
Environment and Municipal Engineering College of Tianjin Chengjian University
2.
Tianjin Key Laboratory of Water Quality Science and Technology
3.
Beijing Zhonglu Consulting Co., Ltd. (China Petroleum Planning Institute)
4.
National Oil Shale Ecological Environment Sub-Center

摘要

摘要:
石油天然气行业是挥发性有机物（VOCs）排放的重要源头，也是甲烷（CH₄）的最大工业释放源。在石油天然气开采中对VOCs与CH₄进行协同管控，实现减污降碳，对我国大气环境治理和“双碳”目标实现具有重要意义。石油天然气开采过程中大部分VOCs和CH₄释放源具有同根同源性，其中工艺有组织排放和火炬排放分别为最大的VOCs释放源和CH₄释放源；在加入新型网络化监测的协同管控路径基础上，选择适宜的管控措施，可提高污染物协同管控的效率；治理成本效益核算中多污染物成本效益法具有更高的经济效益，吸收法和吸附法是技术成熟度和经济性较高的VOCs治理技术，而减少压缩机和发动机启动次数是最经济的CH₄减排措施。
- 石油天然气开采 /
- VOCs /
- CH₄ /
- 协同管控 /
- 减污降碳
Abstract:
The oil and gas industry is an important source of volatile organic compounds (VOCs) emissions and the largest industrial release source of methane (CH₄). The coordinated control of VOCs and CH₄ in oil and gas exploitation to achieve pollution reduction and carbon reduction is of great significance to China's atmospheric environmental governance and the realization of the "double carbon" goal. Most of the VOCs and CH₄ emission sources in the process of oil and gas exploitation have the same root homology, and the organized emission of processes and the torch emission are the largest VOCs emission source and CH₄ emission source, respectively. On the basis of adding the collaborative control path of new networked monitoring, selecting appropriate control measures can improve the efficiency of collaborative control of pollutants. The multi-pollutant cost-benefit method in the cost-benefit accounting of pollution control has higher economic benefits. The absorption method and adsorption method are VOCs treatment technologies with higher technical maturity and economy, and reducing the number of compressor and engine start-ups is the most economical CH₄ emission reduction measure.
- oil and gas exploitation /
- volatile organic compounds (VOCs) /
- methane /
- coordinated control /
- reduction of pollution and carbon emissions

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图 1 协同管控路径流程^[29-30]

Figure 1. Flow chart of collaborative control path

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表 1 石油天然气开采活动过程中VOCs与CH₄释放源^[8-15]

Table 1. VOCs and methane release sources in the process of oil and gas exploitation

释放源类型	释放源描述	VOCs释放量占比/%	CH₄释放量占比/%
工艺有组织排放	各生产工艺生产过程中所排放的气体	43	19
燃烧烟气排放	锅炉、熔炉、内燃机和燃气轮机等燃烧过程中排放的气体	6	14
火炬排放	火炬放空系统在清管、检修和紧急情况下排放的气体	3	38
设备动静密封点排放	设备与管线组件排放的气体	16	8
有机液体储存与调和挥发排放	挥发性有机液体储罐泄漏排放的气体	8	7
有机液体装卸挥发排放	液体有机原料及产品装车、装船、灌装环节排放的气体	5	2
废水集输、储存、处理处置过程排放	集中于废水处理以及废水收集环节排放的气体	4	4
冷却塔、循环水冷却系统排放	冷却塔、循环冷却水系统无组织逸散排放的气体	15
燃气发动机排放	发动机发动排放的气体		14

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表 2 US EPA已出台的油气开采释放源和控制标准^[24]

Table 2. Release sources and control standards for oil and gas exploitation issued by US EPA

VOCs与CH₄释放源	释放情况	2016年	2021年
石油和天然气井场	水力压裂完井	√	√
	集中储罐群的压缩机	—	√
	无组织排放	√	√
	井口排液	—	√
	气动控制器	√	√
	气动泵	√	√
	储罐	○	√
	油井伴生气	—	√
天然气集输加压站	压缩机	√	√
	无组织排放	√	√
	气动控制器	√	√
	气动泵	√	√
	储罐	○	√
天然气加工	压缩机	√	√
	无组织排放	—	√
	气动控制器	√	√
	气动泵	√	√
	储罐	○	√
长输和储运	压缩机	√	√
	无组织排放	√	√
	气动控制器	√	√
	气动泵	—	√
	储罐	○	√
注：○表示仅涵盖VOCs排放；√表示涵盖VOCs与CH₄排放；—表示标准中未设立对该释放源的管控。

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表 3 US EPA《新建、重建和改建释放源的性能标准以及现有释放源的排放指南：石油和天然气部门形势回顾》中受控制释放源相关控制技术方法

Table 3. Related control technical methods for controlled release sources in US EPA Standards of Performance for New, Reconstructed, and Modified Sources and Emissions Guidelines for Existing Sources: Oil and Natural Gas Sector Climate Review

受控制的释放源	控制技术方法
加压站和井场的无组织排放	每2个月采用先进技术排查，每年进行光学气体成像（OGI）检测
往复式压缩机	开展年检，如排放率超过0.056 m³/min，则替换盘根或将气体在负压状态下导入封闭系统
天然气加工厂气动泵	更换零排放隔膜和活塞气动泵
完井：非初探井、非定界井	保证现场配有分离器，将返排液导入储罐或储蓄池进行气液分离，最后需要将气体回收利用或回注地下
完井：初探井、定界井、低压井	保持持续燃除或导入集中分离器处理燃除，不要求现场配有分离器
天然气加工厂设备泄漏	每2个月进行OGI检测
油井伴生气排放	回收利用

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表 4 协同管控策略^[38-43]

Table 4. Coordinated control strategies

释放源或释放过程	协同管控策略
储罐	使用具有极高安全性的封闭燃烧系统进行处理，废气用作直接燃烧的燃料
压缩机	1）更换往复式压缩机活塞杆组合件；2）在负压状态下通过封闭排气系统将尾气排放到回收装置
气动阀	1）更换大流量气动阀，使用低流量气动阀；2）使用仪表风来替换气动阀
气动泵	1）用电能、太阳能、仪表空气装置代替天然气气动泵；2）收集废气并注入石油和天然气回收系统或燃烧系统中
设备泄漏及逸散	1）在油气处理站采用LDAR技术；2）在油气转接站采用OGI技术进行无组织排放的定性检测，如果检测到泄漏，使用氢离子火焰探测器再次进行定量检测
挥发性有机液体储存	用固定顶罐代替不稳定的原油罐和应急油罐，对于2号稳定轻烃，若使用固定顶罐，应采取氮气密封
挥发性有机液体装载	1）在罐装过程中采用底部或顶部浸入，在接受顶部浸入装载时，输出管口距离罐（槽）底部高度应小于200 mm；2）密闭装载天然气凝析油、液化气和1号稳定轻烃，灌装设备的气相管线必须与储罐的气相管路连接
废水集输与处理系统排放	1）通过封闭管道收集和运输所有废水，进水口和出口应采取与环境空气隔离措施，以避免无组织排放；2）如果敞开液体表面排放的VOCs（包括CH₄）浓度≥100 μmol/mol，通过加盖收集废气
有组织排放	1）采用物理回收方法，如冷凝、吸附和吸收等；2）通过生化反应（如燃烧和生物方法），将废气氧化分解为无毒或低毒物质
无组织排放	1）对于控制设备和管道部件的无组织排放，采用更新设备的方式，例如使用双轴密封（或无轴密封）设备组件，并加强对无组织排放组件的筛选、测试和维护；2）对于挥发性有机液体的储运过程，要优化设备操作流程（如在液体顶端使用罐体密封）和污染控制系统（如安装蒸汽收集系统并将其排放到废水处理厂或蒸汽平衡系统中）
其他排放	1）实现气田内气井和采出井产物的收集、处理和运输过程的全密闭；2）将天然气净化处理厂安全阀放出的易燃有毒气体密闭输送到火焰系统中进行统一处理；3）提取油气田释放的天然气，并对可以燃烧但不能回收或难以使用的气体，按照生产安全要求进行燃烧后释放，对未燃烧直接排放的，应该通知生态环境主管部门登记；4）对于伴生气体和套管气量，通过压缩天然气和发电等方式回收

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表 5 协同管控治理成本效益法

Table 5. Cost-benefit method of coordinated control

定义	原理	优点	缺点
单一污染物成本效益法	所有减排成本分配给1种污染物	容易实施监测且管理成本较低；可与其他措施相结合	无法考虑不同污染物的综合影响
多污染物成本效益法	控制成本按污染物比例均分	提高控制效率和经济效益；实现资源的有效利用；减少管理的复杂性	技术投资高，需协调多个部门和机构的合作与利益

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表 6 VOCs处理技术评估对比^[45-48]

Table 6. VOCs treatment technologies evaluation and comparison

处理技术	技术成熟度	优点	缺点	适用范围
等离子体法	较高	低能源消耗，易于安装，占地面积小	难以完全去除某些有机物质，容易导致二次污染	高浓度稳定的无氯有机废气
吸附法	高	可以有效处理几乎所有的有机物，投资成本适中，且能够实现高效去除VOCs	一次性吸附操作成本高，使用的吸附剂必须作为固体废物单独处理	稳定且具有平均沸点的中低浓度有机废气
吸收法	高	在水中溶解度好，投资成本低，耐冲击，运行成本低，易于维护和控制，安全性好	净化效率中等，不能提纯水溶性差的物质，容易氧化，易与酸碱反应	低至中浓度的有机废气
直接燃烧法或蓄热式催化燃烧（RTO）法	中	清洁效率高，可处理对象范围广	运行成本高	无氯有机废气

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表 7 VOCs处理技术相关经济指标^[49-53]

Table 7. Related economic indicators of VOCs treatment technologies

处理技术	设备名称	风量/ （m³/h）	经济指标/万元
处理技术	设备名称	风量/ （m³/h）	投入资金	运行资金
等离子体法	低温等离子体反应器	28 000	150	50
等离子体法	低温等离子体反应器	20 000	34	25
吸附法	吸附罐	4 000	20	37
	吸附塔	10 000	31.1	31
	吸附器+再生器	1 000	6	2
吸收法	碱性吸收塔	20 000	20	10
	碱性吸收塔+ 尾气塔	20 000	10	8
	吸收塔	37 000	20	12
	吸收塔	15 000	15	10
直接燃烧法	燃烧炉	20 000	200	320
蓄热式催化燃烧（RTO）法	RTO	30 000	560	240

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表 8 US EPA天然气之星计划减少CH₄排放的推荐措施^[54-57]

Table 8. Recommended technologies for the US EPA Gas Star Program to reduce methane emissions

释放源	措施	资金成本/美元	预计回报时间/a	适用环节
压缩机/发动机	安装湿式密封油脱气回收系统	33 000（1台压缩机）， 90 000（4台压缩机）	0~1	生产、采集加工、传播、分配
	用空气或者氮气代替气体启动机	<1000	0~1	生产、采集加工、传播
	减少压缩机和发动机启动及点火次数	<1000	0~1	生产、采集加工、传播、分配
	安装电动机起动器	1000~10000	1~3	生产、采集加工、传播
	将排污气体注入低压电源或燃气系统	1000~10000	1~3	传播、分配
脱水机	用甲醇注射液取代乙二醇脱水装置	1 000~10 000	0~1	生产、采集加工、传播
	减少不必要的设备系统	1 000~10 000	0~1	生产、采集加工、传播、分配
	将气动装置转换为机械控制装置	1 000~10 000	1~3	生产、采集加工、传播、分配
设备泄漏	在远程站点进行定向检查和维护	<1000	0~1	传播、分配
	对闸门站和地面设施进行定期检查和维护	1 000~10 000	0~1	传播、分配
	对压缩机进行定向检查和维护	10 000~50 000	0~1	传播、分配
	对气体加工厂和增压站进行定向检查和维护	10 000~50 000	1~3	采集加工
管道	采用无泄漏管道的复合包装	1 000~10 000	0~1	传播、分配
	在管道更换期间执行阀门泄漏修复	1 000~10 000	0~1	传播、分配
	使用惰性气体和清扫器进行管道吹扫	0	1~3	生产、采集加工、传播、分配

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