摘要：煤層氣田開發(fā)是一種高投入、高風險、低產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)，因而“低成本、大規(guī)模開發(fā)”成為開發(fā)沁水盆地煤層氣田的重要戰(zhàn)略。為此，重點介紹了沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊煤層氣水合物防治技術(shù)、低壓輸送不注醇集氣工藝、多井單管串接技術(shù)、低壓采氣管網(wǎng)管徑的確定、新型材料聚乙烯管(PE管)和柔性復合管的應用等采氣管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)。該配套技術(shù)的成功應用，優(yōu)化簡化了采氣管網(wǎng)建設，有效控制了采氣管網(wǎng)投資，為我國煤層氣田的工業(yè)化開發(fā)和建設提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：沁水盆地；樊莊區(qū)塊；集氣工藝；采氣管網(wǎng)；優(yōu)化；多井單管串接；管線材質(zhì)選擇；煤層氣水合物

    煤層氣田單井產(chǎn)量少、井口套管壓力低，初期油管產(chǎn)水較大，水型以NaHCO₃型為主，具有低滲、低壓、低產(chǎn)、低飽和等特點，行業(yè)內(nèi)稱作“四低”氣田。煤層氣田開發(fā)是一種高投入、高風險、低產(chǎn)出的產(chǎn)業(yè)。因此，“低成本、大規(guī)模開發(fā)”就成為開發(fā)沁水盆地煤層氣田的重要戰(zhàn)略，而采取合理集氣工藝技術(shù)、優(yōu)化簡化采氣管網(wǎng)、有效控制采氣管網(wǎng)投資成為實現(xiàn)沁水盆地煤層氣田低成本、大規(guī)模開發(fā)的重要組成部分。為此，重點介紹沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊采氣管網(wǎng)特有的煤層氣水合物防治技術(shù)、多井單管串接技術(shù)、低壓采氣管網(wǎng)管徑的確定及新型材料聚乙烯管(PE管)和柔性復合管的應用等，以期為我國煤層氣田的工業(yè)化開發(fā)和建設提供借鑒。

   低壓輸送不注醇集氣工藝是充分利用煤層氣井口0.2～0.5MPa的壓力能，將采氣管線首末點壓力損失控制在0.15MPa，采氣過程不需加熱或注入煤層氣水合物抑制劑，采氣管線埋設于最大凍土層以下(防止生成煤層氣水合物)的低壓采集氣工藝^[1]。通過低壓輸送不注醇的集氣工藝，可以降低管線運行壓力，控制生產(chǎn)壓差，節(jié)約能耗材耗、減少管網(wǎng)運行成本。

    采氣管線工藝模型分兩步建立。首先，采用氣體管線穩(wěn)態(tài)模擬計算軟件《PIPELINE STUDIO FOR GAS TGNET》，取井口壓力0.2～0.5MPa、進站壓力不小于0.05～0.15MPa、直井產(chǎn)量0.2×10⁴m³/d建立采氣管網(wǎng)低壓輸送計算模型^[2]，將采氣干管流速控制在4～6m/s，采氣支管流速控制在4～10m/s，計算采氣管線長度，優(yōu)化管線壓降，簡化采氣管網(wǎng)。

    其次，根據(jù)煤層氣組成，在不同工況條件下采用HYSYS軟件模擬氣井井口煤層氣水合物生成溫度，并以采氣輸送過程中煤層氣水合物形成溫度低于環(huán)境溫度的壓力作為設計壓力，結(jié)果如表1所示，樊莊區(qū)塊采氣管網(wǎng)設計壓力取1.0MPa。

    從表1可以看出，樊莊區(qū)塊井口氣在0.2～0.5MPa時，采氣管線一年四季均不會形成煤層氣水合物，故在整個采氣輸送過程中都不會形成煤層氣水合物，不需加熱或注入煤層氣水合物抑制劑。

    隨著采氣管線輸送距離的增加，煤層氣溫度逐步降低，在采氣管線中產(chǎn)生一定量的游離水，并在管線的水平轉(zhuǎn)角及縱向低點積聚，從而降低管線攜液和輸送能力，增加管輸能耗，所以應根據(jù)地形條件及采氣管線輸送能力在每條采氣管線的最低點處設置不同規(guī)格的線路分水器，并將線路分水器埋設在最大凍土層以下。由于煤層氣不含H₂S和C₂⁺烴類，線路分水器定期排出的是凝結(jié)水，不含油，無污染，不經(jīng)處理即可就地排放。因此，巡檢人員可根據(jù)采氣管線運行情況，定期排放凝結(jié)水，保證采氣管線安全平穩(wěn)運行。

    線路分水器及閥門井安裝示意圖如圖1所示。

 

    多井單管串接技術(shù)是采氣管網(wǎng)優(yōu)化簡化的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)樊莊區(qū)塊井數(shù)多、井距小等特點，通過采氣支管把相鄰的幾口單井煤層氣串接到采氣干管，在采氣干管中匯合后集中進入集氣站，其管線連接示意圖見圖2。采用多井單管串接集氣工藝，一般每條干管串接氣井數(shù)為10～20口，每座集氣站轄井數(shù)量不少于80口。

 

    此種串接方式優(yōu)化了管網(wǎng)布置，縮短了采氣管線長度，增加了集氣站轄井數(shù)量，降低了管網(wǎng)投資，減少了對生態(tài)環(huán)境的破壞，適應低壓、低產(chǎn)的煤層氣田大規(guī)模開發(fā)。

3.1.1 采氣干管

    采氣干管管徑選擇宜綜合考慮，既要考慮以后串接新井的可能性，又要考慮接入干管的單井在生產(chǎn)過程中壓力和產(chǎn)氣量下降的情況，盡量降低單井之間的相互影響，并將采氣干管流速控制在4～6m/s范圍內(nèi)，一般采用DN100～150mm的管徑。

3.1.2 采氣支管

    根據(jù)GB 50350—2005《油氣集輸設計規(guī)范》中管徑計算公式，按照單井井口壓力0.2MPa，最小進站壓力0.05MPa，直井平均配產(chǎn)0.2×10⁴m³/d的工作條件，確定采氣支管管徑。由于樊莊區(qū)塊煤層氣單井壓力和產(chǎn)氣量低，其在生產(chǎn)過程中的還有下降的情況，采氣支管管徑不宜考慮過大，一般應為DN50～100mm，以防止后期由于單井產(chǎn)量低、流速慢而導致單井采氣管線內(nèi)產(chǎn)生大量積液，降低管輸能力。

    采氣管線主要采用聚乙烯管(PE管)和柔性復合管兩種管材^[3]。這兩種管材不僅是“經(jīng)濟、實用的鋼材替代品”，而且很好地解決了金屬管道耐壓不耐腐蝕，非金屬管道耐腐蝕不耐壓的缺點，在燃氣、給排水管道中得到了廣泛的應用，并在樊莊區(qū)塊產(chǎn)能建設中取得了良好的效果。其優(yōu)良性能主要表現(xiàn)在：

    1) 采用此兩種管材，不僅耗量少、費用低，而且還能保證管道的安全使用。沁水盆地多山體、夏季多雨水、巖石風化度高，氣體輸送中鋼管、鑄鐵管在山體滑坡段與河流沖刷段易造成腐蝕和管道與彎頭接頭處泄露，而聚乙烯管和柔性復合管以其耐腐蝕、高柔性等優(yōu)點圓滿解決了傳統(tǒng)管道的腐蝕和接頭泄漏兩大難題。

   2) 聚乙烯管和柔性復合管具有高撓性、重量輕等特點，極大地增強了材料對于管線工程的價值。沁水盆地山體多、植被多、征地困難等問題常造成線路改線，使用聚乙烯管和柔性復合管的管線走向較容易依照現(xiàn)場需要、施工要求進行調(diào)整，并可根據(jù)聚乙烯管和柔性復合管優(yōu)良的撓性進行盤卷，以較長長度供應，減少各種連接管件，有效縮短工程周期，施工維修方便。

   3) 耐腐蝕。聚乙烯管和柔性復合管內(nèi)壁光滑且不結(jié)垢，摩擦系數(shù)低，可降低摩擦阻力損失，節(jié)約壓力能；外壁無需防腐層，避免了使用鋼材等在山體施工時造成的外防腐層的刮傷，施工方便，節(jié)省材料，節(jié)約時間。

   在樊莊區(qū)塊產(chǎn)能建設中，根據(jù)經(jīng)濟性能比選，對于公稱直徑DN50～100mm的采氣支管，選擇聚乙烯管；對于公稱直徑DN100～150mm的采氣干管，采用柔性復合管。為保證接口處連接質(zhì)量，管徑不大于DN100mm的PE管應采用電熱熔連接。

   對于管線穿越段，由于無縫鋼管相對于有縫鋼管和復合管有承受壓力更高、不帶焊縫、不存在螺旋縫鋼管焊縫質(zhì)量問題及高頻焊管產(chǎn)生溝狀腐蝕問題、延伸率較低、適用于口徑較小的管線等特點，采氣管線穿越段采用20#無縫鋼管。聚乙烯管、柔性復合管與無縫鋼管的連接處使用鋼塑過渡接頭連接。

    目前樊莊區(qū)塊地面集輸工程已建成。我們將不斷在實踐中總結(jié)經(jīng)驗教訓，以便為今后我國煤層氣田的開發(fā)建設提供一些借鑒。

   另一方面，結(jié)合我國煤層氣田開發(fā)建設中的經(jīng)驗教訓，認為還應該著重研究解決以下問題：

   1) 隨著煤層氣田的開發(fā)，井口壓力不斷下降，當關(guān)井壓力不能達到采氣干管系統(tǒng)的壓力時，干管中煤層氣反輸至低壓氣井，在低壓井形成“倒灌”現(xiàn)象，造成干管有效輸氣量大大減少^[4]。并且，井口壓力的降低還將導致氣體流速下降，造成管道內(nèi)液態(tài)水增加，加大巡線工人工作力度。如何解決因井口壓力下降而造成的這些問題，合理確定采氣管線管徑，提高采氣管網(wǎng)在后期的適用性，值得進一步的研究思考。

    2) 采氣干管一般只可串接10～20口氣井。在氣田開發(fā)末期，可能會有部分地區(qū)由于氣井過于密集，而導致單井采氣管線不能就近接入采氣干管，造成采氣管網(wǎng)連接雜亂，不便巡線維修^[5]，增加建設投資。應更好地將“地上與地下”相結(jié)合，預先考慮到后期建設情況。

    3) 聚乙烯管和柔性復合管管體為非金屬復合物，抗沖擊性能弱，抗紫外線性能弱，不宜長期在陽光下暴曬。在現(xiàn)場施工中，若管溝不能及時回填，勢必造成管體變形。這就需要進一步尋找更加適合于沁水盆地煤層氣這種多山體、低壓、低腐蝕、易施工、少投資的優(yōu)質(zhì)管材。

    4) 柔性復合管是一個新的材料，雖然SY/T 6716—2008《石油天然氣工業(yè)用高壓柔性復合高壓輸送管》已經(jīng)頒布，但不適用于壓力較低的煤層氣管線。由于目前還沒有合適的國家或行業(yè)標準可以執(zhí)行，為保證不影響工程的安全和質(zhì)量，建議國家相關(guān)部門盡快出臺相應的標準。

    綜上所述，采氣管網(wǎng)低壓輸送不注醇集氣工藝、多井單管串接技術(shù)、低壓采氣管網(wǎng)管徑的確定及新型材料聚乙烯管和柔性復合管的應用，對實現(xiàn)煤層氣“低成本、大規(guī)模開發(fā)”戰(zhàn)略具有很大意義。結(jié)合現(xiàn)場實踐情況，提出一些問題建議，希望能對煤層氣田的建設及與煤層氣田類似的低壓、低產(chǎn)、建井數(shù)多的氣田開發(fā)提供借鑒。

[1] 王紅霞，劉棉，王登海，等.沁水盆地煤層氣地面工藝技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2008，28(3)：109-110.

[2] 王紅霞，劉神，王登海，等.山西沁水盆地煤層氣地面集輸工藝的實踐與認識[C]∥2008年煤層氣學術(shù)研討會論文集.北京：地質(zhì)出版社，2008.

[3] 王紅霞，陶永.非金屬管道在煤層氣氣田工程中的應用[J].中國煤層氣，2009，6(2)：35～37.

[4] 楊光，劉棉，王登海，等.蘇里格氣田單井采氣管網(wǎng)串接技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2007，27(12)：128-129.

[5] 呂永杰，關(guān)丹慶，田景隆，等.蘇里格氣田低壓集氣工藝模式[J].天然氣工業(yè)，2008，28(增刊B)：118-120.

 

(本文作者：許茜 薛崗 王紅霞 王遇冬 李倩 西安長慶科技工程有限責任公司)