摘要：煤層氣在氣質(zhì)組分、賦存條件、生產(chǎn)規(guī)律等方面均不同于常規(guī)天然氣，具有典型的“低滲、低壓、低產(chǎn)”的特點(diǎn)，國內(nèi)還沒有大規(guī)模整體開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，煤層氣地面開采面臨著前所未有的諸多困難。為此，介紹了沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊單井進(jìn)站方式、增壓工藝及壓力系統(tǒng)優(yōu)化等地面集輸工藝的優(yōu)化技術(shù)，總結(jié)了優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并提出了針對國內(nèi)煤層氣田開發(fā)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化、數(shù)字化3點(diǎn)建議，對國內(nèi)其他煤層氣田及類似氣田的開發(fā)有借鑒作用。

關(guān)鍵詞：沁水盆地；樊莊區(qū)塊煤層氣田；集輸系統(tǒng)；優(yōu)化；應(yīng)用

   2001年沁水盆地東南部樊莊地區(qū)探明含氣面積182.22km²，探明地質(zhì)儲(chǔ)量352.26×10⁸m³，具備了煤層氣開發(fā)的基礎(chǔ)。經(jīng)過幾年的開發(fā)建設(shè)，沁水煤層氣形成了“排水采氣、低壓集氣、井口計(jì)量、井間串接、復(fù)合材質(zhì)、站場分離、兩地增壓、集中處理、無線傳輸、數(shù)字管理”等適合于煤層氣開發(fā)的地面工藝技術(shù)^[1]。樊莊區(qū)塊地面集輸與處理一期工程于2009年11月16日正式投產(chǎn)向西氣東輸管道供氣，目前輸氣規(guī)模已經(jīng)超過90×10⁴m³/d。

   目前，樊莊區(qū)塊已投產(chǎn)集氣站6座，分別為樊1、樊3、樊4、樊5、樊6和樊9站，其中樊南區(qū)4座，樊北區(qū)2座；建井440口，集氣管網(wǎng)48.7km，采氣管網(wǎng)230km。煤層氣系統(tǒng)總流程為氣井低壓煤層氣通過井間串接匯集到采氣干管，通過采氣干管進(jìn)入集氣站，進(jìn)入集氣支線，各支線最后通過集氣干線進(jìn)入中央處理廠，在中央處理廠經(jīng)集中增壓脫水后滿足5.7MPa壓力和5℃(夏季)或-15℃(冬季)水露點(diǎn)條件下進(jìn)入“西氣東輸”工程干線管道首站^[2～4]。集氣管網(wǎng)連接示意圖見圖1，系統(tǒng)總流程框圖見圖2。

樊莊區(qū)塊煤層氣地面集輸系統(tǒng)的優(yōu)化需要根據(jù)煤層氣井特有的產(chǎn)量、壓力、溫度、井距、組分、產(chǎn)品氣流向、開發(fā)年限以及自然條件等因素綜合考慮確定，優(yōu)化內(nèi)容包括單井進(jìn)站方式、站場規(guī)模及數(shù)量優(yōu)化，增壓工藝優(yōu)化、壓力系統(tǒng)優(yōu)化，集輸管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及管徑優(yōu)化、鋼級選擇優(yōu)化等內(nèi)容。下面重點(diǎn)介紹單井進(jìn)站方式、增壓工藝及壓力系統(tǒng)的優(yōu)化。

 

    閥組進(jìn)站即把相鄰的幾口單井集中輸送至附近閥組，在閥組對氣體進(jìn)行初步處理后再輸送至集氣站，其工藝流程如圖4所示。這種進(jìn)站方式特點(diǎn)是轄井?dāng)?shù)多，簡化了采氣管網(wǎng)的建設(shè)，但管線壓降較大，管理點(diǎn)增多。

串接進(jìn)站即把相鄰的幾口氣井相互串接，氣井匯合后通過采氣干管進(jìn)站^[5]，其工藝流程見圖5。自2005年以來，該方式在長慶的蘇里格氣田已經(jīng)大量成功應(yīng)用，目前，在蘇里格氣田采用串接方式的單井長度超過3000km，且運(yùn)行良好。這種進(jìn)站方式特點(diǎn)是簡化了采氣管網(wǎng)的建設(shè)，增加了集氣站轄井?dāng)?shù)量，串接靈活，采氣管線流量較大，流速較高，攜液能力強(qiáng)，相對壓降小，適應(yīng)低壓、低產(chǎn)氣田的開發(fā)，大大提高了集氣站的轄井?dāng)?shù)量，簡化了采氣管網(wǎng)，降低了工程投資。3種方案綜合對比見表1。

 

最終煤層氣井進(jìn)站模式選擇了串接進(jìn)站方式。2008～2009年間，樊莊區(qū)塊共建設(shè)串接采氣管網(wǎng)230km，同時(shí)，根據(jù)地勢高差起伏大的實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)置了低點(diǎn)排液裝置，以解決采氣管線冬季積液凍堵的問題。實(shí)踐證明單井串接方式能較好地適用于低壓低產(chǎn)的煤層氣井的進(jìn)站，以該技術(shù)為代表的“煤層氣非金屬管線多井串接裝置”已經(jīng)于2009年9月獲得國家實(shí)用新增發(fā)明專利。

    優(yōu)化增壓方案的最終目標(biāo)是降低增壓設(shè)施的工程建設(shè)投資額和增壓生產(chǎn)過程的運(yùn)行費(fèi)用，并使之有利于生產(chǎn)管理。優(yōu)化工作的重點(diǎn)是增壓站的分散或集中設(shè)置，增壓點(diǎn)的位置，總壓比、壓縮機(jī)的級數(shù)和各級間的壓比分配，壓縮機(jī)的機(jī)型和動(dòng)力配置等。在此重點(diǎn)介紹集中增壓和分散增壓兩種方案在煤層氣田的優(yōu)化選擇。

   集中增壓，即區(qū)塊內(nèi)在南區(qū)和北區(qū)分別設(shè)置1座集中增壓站，其他站場通過低壓集氣管線輸送至集中增壓站一次增壓滿足外輸壓力要求，然后輸送至中央處理廠。分散增壓，即區(qū)塊內(nèi)各集氣站分別完成增壓，然后通過集氣管線輸送至中央處理廠進(jìn)行二次增壓。

   對于集中增壓，根據(jù)氣田壓力系統(tǒng)的論證，結(jié)合各站的相對位置及管網(wǎng)長度，集氣站外輸壓力為0.05MPa，進(jìn)集中增壓站壓力為0.02MPa，增壓后外輸壓力為1.2MPa，進(jìn)中央處理廠壓力為1.0MPa。

   對于分散增壓，根據(jù)氣田壓力系統(tǒng)的論證，結(jié)合各站的相對位置及管網(wǎng)長度，進(jìn)集氣站增壓前的最低壓力為0.05MPa，最遠(yuǎn)端集氣站增壓后外輸壓力為1.4MPa，進(jìn)中央處理廠壓力為1.0MPa。集中增壓方案15年全壽命費(fèi)用現(xiàn)值折現(xiàn)高達(dá)500萬元，而分散增壓不僅投資低，而且集氣站增壓功率小，機(jī)組選型容易，運(yùn)行靈活，集氣管網(wǎng)管徑較小。

   因此，采用了分散增壓，即集氣站和處理廠兩地增壓方式。

   樊莊區(qū)塊煤層氣井口的正常生產(chǎn)壓力為0.2～0.5MPa；而根據(jù)西氣東輸協(xié)議的相關(guān)規(guī)定，交氣地點(diǎn)為中央處理廠，交氣壓力為5.7MPa；根據(jù)采氣管線的長度及經(jīng)濟(jì)壓降，確定采氣管線的進(jìn)站壓力不低于0.08MPa。

   樊莊區(qū)塊的增壓工藝采用集氣站和處理廠“兩地增壓”，因此，區(qū)塊內(nèi)需要確定的是集氣站的出站壓力，同時(shí)根據(jù)集氣干線的經(jīng)濟(jì)壓降(集氣管線最長20km，流速8～10m/s，確定經(jīng)濟(jì)壓降為0.2～0.4MPa)確定中央處理廠的進(jìn)廠壓力。

   集氣站的出站壓力直接關(guān)系到集氣站和中央處理廠“兩地”增壓的壓比分配、“兩地”壓縮機(jī)組的投資及運(yùn)行費(fèi)用，對集輸管網(wǎng)管徑的影響較大，對降低地面工程投資起著重要作用。因此，設(shè)計(jì)了3種集氣站出站壓力方案：

    1) 集氣站壓縮機(jī)出口壓力為1.6MPa，進(jìn)口壓力為0.05～0.08MPa，壓比為9.4～11.3；中央處理廠最低進(jìn)廠壓力為1.2MPa，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為1.1MPa，出口壓力為6.0MPa，壓比為5.1。

    2) 集氣站壓縮機(jī)出口壓力為1.4MPa，進(jìn)口壓力為0.05～0.08MPa，壓比為8.3～9.9；中央處理廠最低進(jìn)廠壓力為1.0MPa，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為0.9MPa，出口壓力為6.0MPa，壓比為6.1。

    3) 集氣站壓縮機(jī)出口壓力為1.2MPa，進(jìn)口壓力為0.05～0.08MPa，壓比為7.2～8.6；中央處理廠最低進(jìn)廠壓力為0.8MPa，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為0.7MPa，出口壓力為6.0MPa，壓比為8.7。

    以上3種方案對壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、管網(wǎng)投資及綜合對比，第2種方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)最合理，比第1種方案低3000萬元，比第3種方案低15500萬元，因此，最終確定采用第2種方案，集氣站壓縮機(jī)出口壓力為1.4MPa，進(jìn)口壓力為0.05～0.08MPa，壓比為8.3～9.9；中央處理廠最低迸廠壓力為1.0MPa，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為0.9MPa，出口壓力為6.0MPa，壓比為6.1。

    1) 加快煤層氣田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化建設(shè)的進(jìn)程，以適應(yīng)煤層氣田快速發(fā)展的要求。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是根據(jù)井站的功能和流程，設(shè)計(jì)一套通用的、標(biāo)準(zhǔn)的、相對穩(wěn)定的指導(dǎo)性和可操作性文件^[6]，可以實(shí)現(xiàn)對主要設(shè)備、材料提前進(jìn)行采購與組裝預(yù)配，以適應(yīng)煤層氣田大規(guī)

模開發(fā)建設(shè)的需要。模塊化則是標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)一步深化，按不同的使用功能將井站內(nèi)生產(chǎn)裝置分解為若干能獨(dú)立組合應(yīng)用的模塊，再按組成不同生產(chǎn)規(guī)模的要求使每一種模塊的尺寸系列化。借鑒蘇里格氣田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，在煤層氣田全面實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化建設(shè)，從根本上解決煤層氣場站選址晚、建期緊的實(shí)際問題，降低建設(shè)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高建設(shè)質(zhì)量和施工效率。

    2) 提高煤層氣氣液分離和過濾的效果，減少集氣管線清管工作。目前的站內(nèi)氣一液分離是采用重力沉降原理來實(shí)現(xiàn)的，從實(shí)際運(yùn)行來看，由于站內(nèi)煤層氣壓力低、流速高，分離效果并不理想。因此，合理確定分離器的結(jié)構(gòu)，采用必要的內(nèi)構(gòu)件人為調(diào)整煤層氣在分離器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，使其有利于沉降過程的進(jìn)行，提高分離效果，才能保證壓縮機(jī)高效運(yùn)行和減少集氣管線清管工作。同時(shí)對于現(xiàn)場應(yīng)用效果較好的設(shè)備如分離器、壓縮機(jī)等進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，以便于統(tǒng)一采購及維護(hù)氣田設(shè)備，加快煤層氣田的建設(shè)速度，提高煤層氣田開發(fā)效益。

    3) 加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)在煤層氣田的應(yīng)用，創(chuàng)建數(shù)字化煤層氣大氣田^[7～8]。數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用有利于全面整合數(shù)據(jù)資源，提高數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性，增強(qiáng)采集、處理及應(yīng)用的即時(shí)性，也正在改變著氣田集輸工程的建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行管理的工作方式。煤層氣田大都位于地形條件異常復(fù)雜的山區(qū)，應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)具有以下優(yōu)勢：①數(shù)字化勘察技術(shù)，可以高效準(zhǔn)確地完成集輸管道、工藝站場及周邊相當(dāng)范圍內(nèi)居民、建筑物的安全性評估，對站場選址、線路走向的確定、事故緊急預(yù)案的制訂將發(fā)揮傳統(tǒng)勘察手段不可比擬的作用；②通過數(shù)字化技術(shù)還可以將氣田各單井的井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘹庹竞涂傉{(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、電子巡井、自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程開(關(guān))井等功能，達(dá)到精簡組織機(jī)構(gòu)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少操作成本、保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境和提高整個(gè)煤層氣田建設(shè)管理水平的目的。

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