摘 要：沁水盆地煤層氣田鄭村區(qū)塊2010年建成投產(chǎn)，采用的是同步建設的開發(fā)模式，因氣井產(chǎn)量受構(gòu)造、含氣量、壓裂及排采工藝等因素的影響，存在著單井產(chǎn)量差異大，區(qū)域產(chǎn)能不均，煤層氣井井口壓力低，產(chǎn)量對管網(wǎng)壓力敏感等問題。為此，首先優(yōu)選適合煤層氣集輸系統(tǒng)的水力計算方法，利用TGnet軟件對鄭村區(qū)塊集輸管網(wǎng)系統(tǒng)進行建模(狀態(tài)方程選用BWRS方程，流動方程選用Colebrook White方程)，通過模擬計算分析了集輸系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀。針對輸氣量超負荷、管線變徑較大導致有明顯節(jié)流現(xiàn)象的問題，在理論分析的基礎上，提出了集輸管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整措施：①集氣站擴容；②集氣站進口管線節(jié)流優(yōu)化改造；③安裝粉塵過濾器；④呆氣管線安裝凝水器；⑤增建復線。優(yōu)化調(diào)整實施后，解決了鄭村區(qū)塊集輸系統(tǒng)管壓過高、管線積水、粉煤灰影響集輸效率等問題，系統(tǒng)降壓明顯，管線輸送能力大大提高，釋放了區(qū)域煤層氣產(chǎn)能，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：沁水盆地 煤層氣田 鄭村區(qū)塊 集輸系統(tǒng) 優(yōu)化調(diào)整 集輸效率 措施 降壓 增產(chǎn)
Optimization and adj ustment of the CBM gas gathering and transportation system in the Zhengcun Block，Qinshui Basin
Abstract：Commereial production started in 2010 in the Zhengcun Block of the Qinshui Coalbed Methane Gas Field，where the synchronous construction development mode was adopted．However，due to many factors such as the geological structure，gas volume，fracturing，production means，single well productivity varied differently with a rather low wellhead pressure and posed an impact on the stress sensitivity of pipelines．In view of this，we first selected a proper hydraulic calculation method fit for a CBM gathering and transportation system，then adopted the simulator TGnet to build up a model in this case，for which the BWRS Equation of State and the Colebrook-White Equation of Flow were chosen．Thus，the present operating status of the gathering and transportation system in the Zhengeun was simulated and analyzed simultaneously．On this basis，finding that the partial throttle transformation was resulted from the overload of gas transmission volume or pipe diameters change，we also put forward the following countermeasures：capacity expansion of gathering stations．throttling optimization of the inlet piping of each gathering station，installation of a fly ash filter，a water condenset on each production line，and implementation of more double gathering lines to be built．Through the above optimization and adj ustment measures，the previous problems like the over high pipe pressure，pipeline effusion，low piping efficiency caused by coal ashes。etc．were solved in the Zhengcun CBM gathering and flow lines with good results achieved．
Keywords：Qinshui Basin，CBM，Zhengcun Block，gathering and transportation system，optimization and adjustment，piping efficiency，countermeasure，depressurization
沁水盆地煤層氣田鄭村區(qū)塊(簡稱鄭村區(qū)塊，下同)2010年建成投產(chǎn)，采用單井—閥組—集氣站集輸工藝，集氣半徑為10km，現(xiàn)有單井166口，閥組11座，產(chǎn)氣量為25×104～30×104m3／d，集氣站額定輸氣能力為30×104m3／d[1-4]。鄭村區(qū)塊現(xiàn)有集輸系統(tǒng)主要存在以下問題。
1)單井產(chǎn)量差異大，低效井不產(chǎn)氣，高效井氣量為0.8×104～1×104m3／d，有50％的井產(chǎn)氣量超過單井設計產(chǎn)氣量。
2)區(qū)域煤層氣產(chǎn)氣量不均，鄭村區(qū)塊南部產(chǎn)量明顯高于北部。
3)單井套壓差異大，井口壓力低，產(chǎn)氣量對管網(wǎng)壓力敏感。
4)煤層氣中含有飽和水，隨著輸送距離和溫度變化會產(chǎn)生冷凝水，由于井口壓力低，氣體攜液能力差，冷凝水聚集在采氣管線中，使管輸能力降低。
5)煤層氣特有的儲層條件導致煤層氣中含有大量的粉煤灰，由于粉煤灰顆粒極其細微，不易分離，對壓縮機、流量計穩(wěn)定運行影響大，容易造成壓縮機磨損速率加快，流量計計量誤差較大、準確率低等問題，不僅造成集輸系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，而且大大增加了運行成本。
6)集氣站壓縮機已滿負荷運轉(zhuǎn)，現(xiàn)有輸氣管線已超出集輸管網(wǎng)設計輸送能力，管網(wǎng)平均運行壓力已達0.21～0.23MPa，局部管網(wǎng)運行壓力達0.31～0.33MPa，遠高于0.2MPa的設計壓力，管網(wǎng)負荷嚴重不平衡，嚴重制約井口壓力，影響單井上產(chǎn)。
1 集輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整思路
1)優(yōu)選出適合煤層氣特點的水力計算方法[5]。
2)利用優(yōu)選的水力計算方法模擬分析集輸系統(tǒng)存在的問題。
3)結(jié)合生產(chǎn)過程中存在的實際問題制訂優(yōu)化調(diào)整措施。
4)現(xiàn)場實施階段。
5)理論和實際實施效果對比分析。
2 水力計算方法優(yōu)選
2．1 Weymouth經(jīng)驗公式
按照GB 50350—20054油氣集輸設計規(guī)范》，目前氣田集輸采氣和集氣管道流量采取的計算公式是美國威莫斯(Weymouth)經(jīng)驗公式[6-7]。
式中qv為管道計算流量，m3／d；d為管道內(nèi)徑，cm；p1為管道起點壓力(絕對壓力)，MPa；p2為管道終點壓力(絕對壓力)，MPa；D為氣體的相對密度(對空氣)；Z為氣體在計算管段壓縮因子；T為氣體的平均熱力學溫度，K；L為管道計算長度，km。
目前制管技術(shù)的進步已使鋼管內(nèi)表面的粗糙度較威莫斯經(jīng)驗公式提出時有較大改善，集氣站的氣液分離效果、氣體輸送過程的清管和腐蝕控制技術(shù)也有了很大的提高，這使得威莫斯公式的流量計算值常常比實際值低。因此不推薦使用威莫斯公式。
2．2 TGnet軟件
TGnet軟件可以模擬簡單的單管輸送模型，也可以模擬包括多個氣源和用戶、多個復雜循環(huán)管網(wǎng)、多臺壓縮機和冷卻器，以及其他影響管網(wǎng)操作和運行參數(shù)的設備閥門等在內(nèi)的大型區(qū)域性技術(shù)系統(tǒng)。該軟件提供了“Sarem”“BWRS”“Peng”3種狀態(tài)方程可供選擇，同時提供了“Aga”“Colebrook”“Pan(A)”“Pan(B)”“Weymouth”5種管線沿線壓降計算公式。通過分析3種狀態(tài)方程下的5種管線壓降計算公式在同一氣質(zhì)條件下的計算結(jié)果，得到適合煤層氣的狀態(tài)方程和氣體流動方程。
2．2．1狀態(tài)方程
1)Sarem方程主要用于簡單流體(氣體組分未知，僅輸入氣體相對密度、熱值和CO2含量)的計算，而BWRS和Peng方程則適用于復雜流體(氣體組分已知)的計算。
2)Sarem、Peng和BWRS方程有更寬的適用范圍，它們甚至還可用于液態(tài)烴和氣、液平衡計算。它們常常是模擬計算使用的公式。
3)從復雜性方面來說，BWRS方程最復雜，Sarem方程最簡單；從計算速度方面來說，BWRS方程最慢，Sarem方程最快。
4)從適用范圍方面來說，Sarem方程適用于干氣，通常應用于凈化氣的長輸管道；BWRS方程適用于濕氣，Peng-Robinson方程適用范圍更寬。
因此，在煤層氣的集輸計算中推薦采用BWRS方程和Peng-Robinson方程。
2．2．2管道內(nèi)氣體流動方程
1)推薦采用Colebrook White方程，它將光滑管道規(guī)律和粗糙管道規(guī)律相結(jié)合，對寬范圍的流量條件提供了優(yōu)良的精度。
2)Pan(A)方程對全紊流是不真實的，不適用于設計目的，因為有效系數(shù)只能從操作數(shù)據(jù)里獲得。不推薦在煤層氣集輸中采用該公式。
3)Pan(B)方程用于天然氣、煤層氣長輸管道和管徑大于600mm的工程設計。
4)Weymouth公式適用于全紊流的管徑大于900mm的管線。
3 集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
利用TGnet軟件對鄭村區(qū)塊管網(wǎng)進行建模計算，狀態(tài)方程選用BWRS方程，流動方程選用Colebrook-White方程。
經(jīng)模擬計算可知1號閥組經(jīng)2號閥組、3號閥組、4號閥組、節(jié)點l、節(jié)點2、9號閥組至11號閥組管線現(xiàn)有輸氣量均已超出各段管線設計輸氣量，尤其從1號閥組至節(jié)點2段管線，現(xiàn)有輸氣量均已超出管線設計輸氣量2倍之多。11號閥組至集氣站管線負荷率已達到90％，至集氣站進口處由于管線變徑較大，有明顯節(jié)流現(xiàn)象。
4 集輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整措施
4．1 集氣站擴容
根據(jù)產(chǎn)量預測，鄭村區(qū)塊總產(chǎn)氣量預計可達28×104～31×104m3／d，現(xiàn)有3臺壓縮機將無法滿足要求，集氣站需擴建壓縮機。經(jīng)過對比分析，選用橇裝式螺桿壓縮機，其占地面積小，移動靈活方便，只需要簡易基礎即可。
4．2 集氣站進口管線節(jié)流優(yōu)化
充分利用預留管線和與其他進站管線合并來增加有效過氣面積[8]，由原來l個進口增加至3個進口，徹底解決局部管網(wǎng)節(jié)流問題。
4．3 安裝粉塵過濾器
在煤層氣生產(chǎn)過程中，煤粉和液滴會進入集輸系統(tǒng)內(nèi)，現(xiàn)場研究結(jié)果表明，大于5mm的顆粒和液滴主要造成壓縮機、流量計以及儀表的磨損，且顆粒粒徑越大、濃度越高，磨損會越嚴重，而2～5mm的顆粒則主要引起顆粒沉積在壓縮機葉片、閥門以及流量計等部位，嚴重影響壓縮機的運行效率以及流量計的準確性[9]。為了解決煤粉對系統(tǒng)的影響，研制了新型粉煤灰過濾器，集氣站安裝了2套處理能力為17.5×104m3／d的粉煤灰過濾器。
4．4 采氣管線安裝凝水器
采氣管線輸送介質(zhì)為濕氣，容易在管線內(nèi)積液，由于采氣管線為聚乙烯管材，且采用多閥組串接方式，無法采用通球方式進行管網(wǎng)維護，為了提高管網(wǎng)輸送效率，在采氣管線上安裝凝水器，定期人工放水，該方法排水簡單、實用、操作性強[10-13]。
凝水器的布置原則和方法如下。
1)優(yōu)化給出管線中水含量的計算公式：W＝101.325A／p+B。其中p為壓力，A、B為系數(shù)。
2)根據(jù)溫降曲線、壓降曲線以及管線起點含飽和水情況，做出管道沿線氣體含水量變化曲線。
3)確定凝水器數(shù)量的計算公式：n＝KDWT／rV。其中n為凝水器個數(shù)；AW為管道沿線凝析水量，kg／m3；T為排放周期(凝水器的排放次數(shù)不宜過于頻繁，一般來說間隔應不小于7d)，h；r為水的密度，kg／m3；V為凝水器的有效容積，m3；K為考慮析水量變化和排放周期延誤的備用系數(shù)。
4)在管線高差較大時，還需要充分考慮地形條件增加一些凝水器，如果確定的凝水器位置剛好處于低洼點，則宜將凝水器布置在低洼點的上坡起點處。
凝水器的設置見圖1。
4．5 建復線
2號閥組—4號閥組—節(jié)點2—11號閥組建復線(圖2)，管網(wǎng)優(yōu)化前后壓力預測情況見表1。
由以上計算可知，在2號閥組經(jīng)3號閥組、4號閥組、節(jié)點l、節(jié)點2、9號閥組至ll號閥組新建一條采氣干線作為復線，該復線建設后，管網(wǎng)起點1號閥組壓力進行對比，壓力將從0.32MPa降低至0.22MPa，終端3號站進站壓力可從0.09MPa降至0.07MPa，系統(tǒng)運行壓力不均衡狀況得到大大的緩解。
5 集輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整效果
鄭村區(qū)塊管網(wǎng)壓力降低的效果很明顯，最遠端的1號閥組壓力從0.32MPa降至0.16MPa。閥組平均壓力由0.23MPa降至0.14MPa，降壓幅度達到39.9％。且實際降壓效果優(yōu)于模擬值(表2)。
優(yōu)化調(diào)整后鄭村區(qū)塊煤層氣井日產(chǎn)氣量明顯上升，平均日增產(chǎn)氣量2．5×101 m”，集氣站進站壓力明顯下降，由0.09MPa降至0.06～0.07MPa(圖3)。
6 結(jié)論
1)隨著開采時問延長，煤層氣井井口壓力持續(xù)降低，而低壓集輸系統(tǒng)不可能無限地降低管壓來滿足單井生產(chǎn)需要，在單井或閥組局部增壓也是集輸系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整方向。
2)煤層氣井產(chǎn)量成為關(guān)注焦點，而忽略了集輸系統(tǒng)的經(jīng)濟性，有必要開展集輸系統(tǒng)經(jīng)濟運行評價研究，明確壓力等級，制訂經(jīng)濟的運行參數(shù)。
3)煤層氣集氣管線內(nèi)積水嚴重，清管作業(yè)是煤層氣生產(chǎn)過程中去除集氣管線積水的主要措施，而清管作業(yè)頻繁成為生產(chǎn)中的弊病。研究冷凝水在管線內(nèi)聚集規(guī)律，制訂有效的排水方法是今后的研究方向。
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本文作者：陳洪明 梅永貴 薛占新 郭簡 王景悅
作者單位：中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司
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