摘 要：煤層氣原料氣中煤粉顆粒微小、含量較高，易造成管輸系統(tǒng)磨損，且嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的運(yùn)行效率和流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確率。為此，合理選取測(cè)試取樣點(diǎn)，采用濾筒捕集稱重方法測(cè)得了煤層氣原料氣中固體粉塵的平均濃度，采用在線檢測(cè)方法測(cè)得了煤層氣原料氣中固體粉塵濃度的動(dòng)態(tài)變化和粒徑分布，采用在線水露點(diǎn)儀和分子篩吸附等方法計(jì)算出水蒸氣含量和游離水含量，進(jìn)而分析得知煤層氣原料氣中固體粉塵的基本成分，計(jì)算出了固體粉塵顆粒物的平均分子量和密度，掌握各采氣區(qū)塊的氣體含雜質(zhì)狀況。利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)綜合分析的方法，可獲得小型煤層氣集輸管線系統(tǒng)中固體粉塵和水含量的運(yùn)移規(guī)律，了解閥組個(gè)體的工況狀態(tài)和集氣場(chǎng)站的運(yùn)行狀況，有助于對(duì)存在的問(wèn)題制訂出針對(duì)性的措施。該成果對(duì)沁水盆地煤層氣集輸管網(wǎng)平穩(wěn)高效運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：沁水盆地 煤層氣 煤粉 集輸管網(wǎng) 檢測(cè) 濾筒稱重法 在線測(cè)試法
Coal dust detection and analysis of the gathering and flow lines of the Qinshui CBM Gas Field
Abstract：CBM gas containing a high content of tiny coal dusts will be detrimental to gathering and flow lines and associated facilities，and have a bad impact on a compressor’s efficiency and a flowmeter’s accuracy．Therefore，a case studv was conducted in the Qinshui CBM Gas Field．First，selecting a proper testing point on the gathering and flow lines，we adopted a filter cartridge to capture and weigh the solid dusts and calculated their concentration in the CBM gas．Then，we applied the on-line testing method to obrain the variations of solid dust concentration and particle size distribution．We also calculated the in-line water vapor and free water content through a water dew-point meter，sieve absorber，etc．On this basis，we found out the basic constituents of solid dusts and further calculated the average molecular weight and density of solid dust particles．In this way，we could know the status of impurities contained in the produced gas at various CBM gas production blocks in this field．Through field investigation，scheme design，pilot test，and data analysis，we knew how solid dusts and water content are changing in a small pipeline system and how an individual valve group or a gas gathering station is working．Thus，we can work out targeted control measures and positive proposals．Providing an important guidance for the operators to ensure the steady，safe and high-efficiency operation of gathering and flow lines in the Qinshui CBM Gas Field．
Keywords：Qinshui CBM Gas Field，coal dust，gathering and flow lines，detection，filter cartridge，capturing and weighing method,online testing method
1 基本情況
在煤層氣開發(fā)過(guò)程中，部分煤層氣不但攜帶有固體粉塵，還會(huì)同時(shí)攜帶游離水等液體，有時(shí)甚至液體量遠(yuǎn)大于固體粉塵量[1-2]。這些煤粉和液滴會(huì)沉積在管道中，磨蝕閥門和儀表等設(shè)備[3]。相關(guān)研究結(jié)果表明：粒徑大于5mm的固體粉塵顆粒和液滴主要造成管輸系統(tǒng)磨損，且顆粒粒徑越大、濃度越高，磨損越嚴(yán)重；而粒徑為2～5mm的固體粉塵顆粒則主要沉積在壓縮機(jī)閥片、閥門以及流量計(jì)等部位，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的運(yùn)行效率以及流量計(jì)的準(zhǔn)確性[4]。
2 檢測(cè)分析方法與流程
針對(duì)煤層氣原料氣壓力為中低壓、所含粉塵顆粒微小、原料氣雜質(zhì)含量高等特點(diǎn)[5]，為了保證測(cè)試工作不影響正常生產(chǎn)，針對(duì)不同位置(井口和閥組、集氣站進(jìn)出口等)選取不同的取樣流程[6]。
2．1 測(cè)試方法
2．1．1取樣位置選擇
井口管道的直徑為63mm，站內(nèi)匯管管徑為500mm。考慮到站內(nèi)實(shí)際情況，井口的取樣位置選擇在流量計(jì)前的短接處，更換為專門加工帶有采樣孔的短接[7]；站內(nèi)匯管取樣位置首選能夠插入采樣嘴的位置，若無(wú)此類位置供選擇，就選擇壓力表口進(jìn)行取樣[8]。采樣裝置如圖1所示。
2．1．2管道內(nèi)固體粉塵顆粒物測(cè)量
在煤層氣井場(chǎng)，利用更換流量計(jì)前短接以加裝采樣嘴的方式來(lái)取樣，而在閥組和場(chǎng)站則通過(guò)壓力表口取樣。樣品氣通過(guò)流量控制器或浮子流量計(jì)采集，同時(shí)記錄樣品氣累積流量；然后樣品氣進(jìn)入高精度濾筒，固體粉塵顆粒被捕集；測(cè)試一段時(shí)間后對(duì)濾筒稱重記錄，待實(shí)驗(yàn)室干燥后再次稱重，得到被濾筒捕集的粉塵含量[9]。
流程示意圖如圖2所示，整套裝置由粉塵捕集器和游離水捕集器組成。含有水和固態(tài)粉塵顆粒的煤層氣先經(jīng)過(guò)粉塵捕集濾筒(過(guò)濾精度為0.3mm)將粉塵顆粒截留。
2．1．3固體粉塵在線檢測(cè)的流程
在線檢測(cè)儀器直接在線檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)粉塵粒徑分布和粉塵濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)(圖3)。
2．2 測(cè)試方案
固體粉塵在線檢測(cè)目標(biāo)是分析管網(wǎng)運(yùn)行中粉塵運(yùn)移情況，大體了解各集輸區(qū)塊內(nèi)粉塵含量，對(duì)管網(wǎng)內(nèi)不同季節(jié)的粉塵含量做相應(yīng)的對(duì)比。
總體工作區(qū)域如圖4所示，圖中黃色圓形表示各測(cè)試點(diǎn)。所選工作區(qū)域?qū)儆谇咚簩託馓飪?nèi)華北油田負(fù)責(zé)開采的區(qū)塊，測(cè)試點(diǎn)的選擇基本涵蓋了煤層氣井、閥組、集氣場(chǎng)站和交接點(diǎn)等位置。
2．2．1管線系統(tǒng)
區(qū)塊內(nèi)小型管線系統(tǒng)如圖5所示，共5個(gè)測(cè)試點(diǎn)(以黃色圓形表示)：華固18-2井(單井產(chǎn)氣量為516m3／d)、華固18-3井(單井產(chǎn)氣量為2774m3／d)、樊4集氣站的18號(hào)閥組采氣干線、樊4站進(jìn)口匯管、樊4站出口。
2．2．2閥組個(gè)體測(cè)試
成莊6號(hào)閥組有l個(gè)測(cè)試點(diǎn)(圖4)。該點(diǎn)上游氣體部分來(lái)自粉塵含量較大的潘河區(qū)塊[10]，通過(guò)測(cè)試可獲知其氣質(zhì)狀況。
2．2．3集氣站測(cè)試
樊9站和樊10站的進(jìn)氣匯管和出口，共6個(gè)測(cè)試點(diǎn)(圖4)。在生產(chǎn)過(guò)程中，兩站均存在粉塵量較大的情況。以樊10站為例，按照其粉塵過(guò)濾器濾芯工藝要求，當(dāng)差壓達(dá)到15kPa時(shí)需更換濾芯[11]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際更換頻率約為10d，存在工作量大、成本較高的問(wèn)題。需要測(cè)試進(jìn)出口粉塵濃度，根據(jù)詳細(xì)數(shù)據(jù)，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)濾分離裝備的使用情況，找出存在的問(wèn)題，以指導(dǎo)場(chǎng)站的改造和保證安全生產(chǎn)。
3 檢測(cè)結(jié)果及分析
依據(jù)測(cè)試方案，將檢測(cè)結(jié)果分固體粉塵含量、固體粉塵成分、天然氣含量和游離水含量對(duì)比分析[12-13]。
3．1 固體粉塵含量分析
分別采用光學(xué)儀器在線測(cè)試和離線濾筒捕集稱重兩種方法對(duì)比測(cè)試(表1)。
3．1．1結(jié)果對(duì)比
固體粉塵在一定的濃度范圍內(nèi)(0～30mg／m3)兩種方法的結(jié)果較為吻合，能夠較真實(shí)地反映出測(cè)試點(diǎn)粉塵濃度的平均值。而在鄭村2號(hào)閥組、鄭村8號(hào)閥組、鄭村11號(hào)閥組和成莊6號(hào)閥組等粉塵濃度較高的測(cè)試點(diǎn)，兩種測(cè)試方法的結(jié)果差別較大。分析認(rèn)為離線濾筒捕集稱重法能夠基本反映l個(gè)測(cè)試點(diǎn)粉塵濃度的平均水平，但無(wú)法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)粉塵濃度變化，而在線測(cè)試方法有一定的測(cè)試濃度范圍和粒徑范圍，當(dāng)超出儀器量程后，將難以得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這也是上述4個(gè)閥組位置測(cè)試結(jié)果差別較大的原因。
3．1．2粉塵從單井到集氣站出口的運(yùn)移規(guī)律
以管線較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)為例，兩個(gè)單井的粉塵濃度為0.1g／m3，而進(jìn)入集氣站18號(hào)閥組出口位置的粉塵濃度降至0.03g／m3，說(shuō)明在不經(jīng)過(guò)濾分離且氣量相對(duì)穩(wěn)定的采氣管道內(nèi)，粉塵會(huì)存在沉積現(xiàn)象；集氣站進(jìn)站匯管的粉塵濃度又相對(duì)l8號(hào)閥組的粉塵濃度略高，說(shuō)明與樊4站的整體進(jìn)氣相比，18號(hào)閥組來(lái)氣的氣質(zhì)較好；在并入其他集氣管道的氣體后，進(jìn)氣匯管也能保持較低粉塵濃度，說(shuō)明該集氣站上游區(qū)塊的整體粉塵含量較小。經(jīng)壓縮后的氣體(絕對(duì)壓力從130kPa升至1050kPa)單位體積的粉塵數(shù)量增大，使得出站氣體粉塵濃度反而升高。原因在于過(guò)濾分離設(shè)備對(duì)較低濃度尤其是較小粒徑的粉塵不能起到理想的分離效果[14]。
3．1．3設(shè)備運(yùn)行情況分析
測(cè)試中，分別對(duì)樊3站、樊4站、樊9站和樊10站的進(jìn)口匯管和出口的粉塵濃度進(jìn)行測(cè)試，期望得到各站的進(jìn)出口的粉塵濃度水平，間接分析場(chǎng)站過(guò)濾分離設(shè)備和壓縮機(jī)的運(yùn)行情況。由分析可知，在考慮到氣體壓力狀態(tài)的情況下，樊3站、樊9站和樊l0站都能對(duì)進(jìn)站氣體進(jìn)行較有效的分離，但同時(shí)出口處的粉塵濃度尚有較大的降低空間。以樊9站為例，通過(guò)比較濾芯的最佳過(guò)濾氣速和實(shí)際過(guò)濾氣速可知，由于生產(chǎn)氣量的增大超出了過(guò)濾設(shè)備的最佳處理氣量，該站的濾芯處于超負(fù)荷運(yùn)行，同時(shí)由于樊9站進(jìn)氣粉塵濃度處在較高的水平，從而使得站內(nèi)濾芯更換頻率較高。
成莊6號(hào)閥組的游離水含量和水蒸氣含量相對(duì)應(yīng)，目前為止，該閥組是最干燥的、固體雜質(zhì)較多的測(cè)試點(diǎn)，建議在此處增加煤粉過(guò)濾器，解決后部工藝流程受煤粉影響大、濾芯更換頻繁的問(wèn)題。
3．2 固體粉塵顆粒成分分析
固體粉塵顆粒主要以石英、斜長(zhǎng)石等礦物質(zhì)為主。一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的樣品成分差別較小，該分析方法較為可靠；樊3站和樊9站系統(tǒng)的固體粉塵顆粒成分差別在于是否存在綠泥石、方解石、磁鐵礦和石膏等礦物質(zhì)，這與采氣區(qū)塊的地質(zhì)情況有較大關(guān)系[15]。
4 結(jié)束語(yǔ)
利用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)綜合分析的方法，研究了沁水煤層氣田典型管線系統(tǒng)、閥組個(gè)體和集氣場(chǎng)站工藝氣體中的雜質(zhì)含量，分別檢測(cè)了不同測(cè)試點(diǎn)的固體粉塵含量、水蒸氣含量和游離水含量，以評(píng)價(jià)煤層氣井、集氣閥組和集氣場(chǎng)站的氣質(zhì)水平，較全面地得到各采氣區(qū)塊的氣體含雜質(zhì)狀況，初步分析管道粉塵和液體運(yùn)移規(guī)律、場(chǎng)站過(guò)濾分離設(shè)備的運(yùn)行狀況，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)提出一些問(wèn)題及建議。
1)測(cè)試方案規(guī)劃。測(cè)試點(diǎn)包括煤層氣井口、集氣閥組匯管、集氣站進(jìn)出口和采氣交接點(diǎn)等各節(jié)點(diǎn)，能夠基本反映出各采氣區(qū)塊的氣質(zhì)狀況和場(chǎng)站設(shè)備的運(yùn)行狀況。
2)測(cè)試流程設(shè)計(jì)。采用濾筒捕集稱重方法獲得固體粉塵平均濃度，采用在線檢測(cè)方法得到氣質(zhì)粉塵動(dòng)態(tài)變化和粒徑分布，采用在線水露點(diǎn)儀和分子篩吸附等方法計(jì)算出水蒸氣含量和游離水含量，分析得知粉塵成分的基本組成，計(jì)算出固體粉塵顆粒物的平均分子量和密度，便于數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，檢測(cè)工作也存在一定的局限性：難以得到較高濃度固體粉塵含量的精確值，不能通過(guò)在線捕集方法在一個(gè)測(cè)試周期內(nèi)得到固體粉塵顆粒成分所需的樣品量等。
3)結(jié)果分析。通過(guò)分析固體粉塵顆粒含量、固體粉塵顆粒成分、水蒸氣含量和游離水含量的基本情況，從整體上得出初步結(jié)論；通過(guò)分析各工作區(qū)域的詳細(xì)數(shù)據(jù)，得到小型管線系統(tǒng)的固體粉塵和水含量的初步運(yùn)移規(guī)律、閥組個(gè)體的工況狀態(tài)和集氣場(chǎng)站的運(yùn)行狀況，有助于對(duì)存在的問(wèn)題制訂有針對(duì)性的措施。
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本文作者：郭簡(jiǎn) 梅永貴 王景悅 薛占新 李雪琴
作者單位：中國(guó)石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司
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