煤層氣田地面集輸方式以及增壓方式優(yōu)化

摘 要

摘要：對(duì)煤層氣的幾種集輸方式和增壓方式進(jìn)行了分析比較，總結(jié)了它們適用的氣田條件，給出了工程實(shí)例。關(guān)鍵詞：煤層氣；集輸；增壓Optimization of Surface Gathering Modes and Boosti
摘要：對(duì)煤層氣的幾種集輸方式和增壓方式進(jìn)行了分析比較，總結(jié)了它們適用的氣田條件，給出了工程實(shí)例。
關(guān)鍵詞：煤層氣；集輸；增壓
Optimization of Surface Gathering Modes and Boosting Modes in Coal-bed Methane Field
HU Nan，HU Shijie，JIANG Hao，SHAO Jian
Abstract：Several gathering modes and boosting modes of coal-bed methane are analyzed and compared.Their applicable conditions are summarized，and all engineering case is gjven.
Key words：coal-bed methane；gathering；boosting
1 概述
    我國(guó)開展煤層氣研究已有20年，在地面集輸方面也取得了重大突破，一些地區(qū)的煤層氣田已經(jīng)建成地面集輸系統(tǒng)，進(jìn)入小規(guī)模商業(yè)開發(fā)階段。截至2009年，由中油遼河工程有限公司設(shè)計(jì)的山西晉城沁水盆地南部沁南煤層氣端鄭采氣區(qū)地面工程總產(chǎn)量已達(dá)到40×104m3/d，于2009年12月21日成功進(jìn)入西氣東輸管道，并于23日到達(dá)上海白鶴門站，向長(zhǎng)江三角洲地區(qū)的用戶供氣[1]。
    在地面集輸方面，美國(guó)處于世界領(lǐng)先地位，位于美國(guó)西部科羅拉多州西南部的圣胡安盆地煤層氣田與位于美國(guó)東部密西西比州東北部的黑勇士煤層氣田的地面集輸工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟[2]。而我國(guó)的煤層氣開發(fā)較晚，地面集輸工藝還處于起步階段。我國(guó)的煤層氣田大多具有低壓、低滲、低產(chǎn)的“三低”特點(diǎn)，和國(guó)外的中壓、中產(chǎn)氣田相比地面集輸有很大區(qū)別，尤其表現(xiàn)在集輸系統(tǒng)和增壓方式的選擇上。由于目前國(guó)內(nèi)沒有專門的煤層氣田集輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)規(guī)范可供執(zhí)行，很多單位在設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，都是參照油氣田集輸規(guī)范，造成了很大的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。因此，本文重點(diǎn)對(duì)煤層氣地面集輸方式以及增壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出適合于煤層氣的幾種集輸和增壓方式。
2 集輸方式的優(yōu)化
    煤層氣田跟天然氣田一樣，采出氣需通過集氣、凈化處理、增壓等環(huán)節(jié)滿足外輸要求。一般總體工藝流程為：井場(chǎng)采出氣通過采氣支管匯集到采氣干管，由采氣干管到達(dá)集氣站，在集氣站進(jìn)行初步氣水分離脫水后，氣體再由各集氣支管通過集氣干管到中央處理廠進(jìn)行增壓、凈化(例如脫水、脫硫、脫碳、脫氧)處理，再通過外輸管道外輸。集氣站一般設(shè)有計(jì)量分離器、氣液兩相分離器、供水、供電、值班用房等生產(chǎn)及輔助設(shè)施，有的集氣站也有增壓設(shè)備。
    煤層氣與天然氣相比具有低壓低產(chǎn)的特點(diǎn)，常規(guī)天然氣開采中氣液兩相分離器放在井場(chǎng)的居多，在煤層氣開采中考慮到經(jīng)濟(jì)性及氣液分離的效果，這里選擇把氣液兩相分離器放在集氣站。根據(jù)SY/T 0010—1996《氣田集氣工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)分離器設(shè)在集氣站時(shí)宜采用輻射一枝狀組合管網(wǎng)?？紤]以上因素，把井場(chǎng)到集氣站管道的連接形式分為直接進(jìn)站式、串接進(jìn)站式和集氣閥組進(jìn)站式[3]。
2.1 直接進(jìn)站式
   直接進(jìn)站式即每口氣井(單井)通過各自獨(dú)立的合適的采氣支管直接進(jìn)入集氣站，見圖1。這種進(jìn)站方式的特點(diǎn)是氣井間相互獨(dú)立，沒有聯(lián)系，相互影響小。適合于高壓高產(chǎn)的單井，且采氣管道長(zhǎng)，造價(jià)高，管道建設(shè)工程量大，管理困難。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性和集氣方式的適應(yīng)性，這種方式對(duì)低產(chǎn)、井距小、低壓的煤層氣井并不適用。
 

2.2 串接進(jìn)站式
    串接進(jìn)站式即用采氣支管把相鄰的幾口氣井匯合后通過采氣干管進(jìn)入集氣站，見圖2。這種進(jìn)站方式特點(diǎn)是簡(jiǎn)化了采氣管網(wǎng)的建設(shè)，降低了工程造價(jià)，增加了集氣站轄井?dāng)?shù)量，連接靈活，采氣管道流量較大，流速較高，攜液能力強(qiáng)，適應(yīng)低壓、低產(chǎn)氣田的開發(fā)[4]。
 

2.3 集氣閥組進(jìn)站式
   集氣閥組進(jìn)站式是指相鄰的井口氣直接通過采氣支管進(jìn)入集氣閥組，在集氣閥組處對(duì)氣體進(jìn)行初步處理，集氣閥組處有氣液兩相分離器，重點(diǎn)脫除煤層氣中的游離水、泥沙，減少集氣過程中的壓力降，再通過集氣支管輸送到集中增壓站增壓。集氣閥組在煤層氣集氣支管與大量采氣支管之間形成結(jié)點(diǎn)，通過這個(gè)節(jié)點(diǎn)將若干條采氣支管中的煤層氣集中到集氣支管中。集中增壓站到中央處理廠的管道就像是樹干，集氣閥組到集中增壓站的集氣支管就像是樹枝，每一個(gè)閥組就像樹枝上的結(jié)點(diǎn)，而所有與結(jié)點(diǎn)連接的采氣支管就是小的樹枝。集氣閥組進(jìn)站式見圖3。這種集氣方式流程簡(jiǎn)單，用集氣閥組代替集氣站的集氣作用，集氣閥組處只需設(shè)置氣液兩相分離器，無需操作人員進(jìn)行操作，操作人員集中在集中增壓站內(nèi)。集氣閥組只需定期巡檢，減少了操作人員的數(shù)量，不需要為集氣閥組建設(shè)廠房。當(dāng)集氣閥組處氣體不能在自身壓力下輸送到集中增壓站時(shí)，需要在集氣閥組處用橇裝式壓縮機(jī)對(duì)氣體進(jìn)行增壓以滿足輸送要求。
 

2.4 各種集輸方式的比較分析
    直接進(jìn)站式雖然能在一定程度上滿足煤層氣集氣的要求，但是由于其造價(jià)比較高，生產(chǎn)運(yùn)行管理比較復(fù)雜，不適于低壓、低產(chǎn)氣田。
    串接進(jìn)站式縮短了采氣管道長(zhǎng)度，提高了采氣管網(wǎng)布置對(duì)滾動(dòng)開發(fā)的適應(yīng)性，能夠較大幅度節(jié)約采氣管道建設(shè)成本，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好。
    集氣閥組進(jìn)站式將井口的氣體直接輸送到集氣閥組，大大簡(jiǎn)化了工藝流程，最主要的特點(diǎn)是集氣閥組處無人值守，只需要定期巡檢即可，減少了操作人員數(shù)量，對(duì)處于惡劣環(huán)境的氣田尤其適用。目前，串接進(jìn)站和集氣閥組進(jìn)站已經(jīng)較多地運(yùn)用到實(shí)際工程中，實(shí)踐證明能較好地達(dá)到集氣的目的。
2.5 存在的不足及解決辦法
    采用串接進(jìn)站和集氣閥組進(jìn)站集輸系統(tǒng)開發(fā)煤層氣時(shí)，在氣田開發(fā)初期同一條采氣管道上的單井之間不存在由于壓力不同而相互影響的問題。隨著氣田的開發(fā)，氣井壓力不斷下降，后期就會(huì)存在單井壓力下降速率不同導(dǎo)致采氣管道壓力不平衡而不能正常工作的情況出現(xiàn)[5]。
    當(dāng)井口壓力不能達(dá)到采氣干管的壓力時(shí)，采氣干管中的煤層氣將反輸?shù)降蛪壕纬?ldquo;倒灌”現(xiàn)象，造成采氣干管有效輸氣量大大減少。針對(duì)這種問題，可以采取以下措施來增強(qiáng)串接進(jìn)站和集氣閥組進(jìn)站在氣田的適應(yīng)性，盡量使它們更加適應(yīng)氣田的后期開發(fā)。
    ① 考慮在低壓?jiǎn)尉谠O(shè)置小型橇裝式增壓裝置進(jìn)行單井增壓，使壓降速率較快的低壓?jiǎn)尉簩託饽軌蜻M(jìn)入采氣干管。
    ② 將具有相同壓力、相同氣質(zhì)、同一批次氣井盡量串接進(jìn)同一條采氣干管。
    ③ 在井口處設(shè)置止回閥，保證采氣干管的氣不倒灌至低壓井。
    ④ 利用引射器，使高壓井煤層氣帶動(dòng)低壓井煤層氣，使氣田的壽命延長(zhǎng)。
    ⑤ 當(dāng)集氣閥組的壓力不能達(dá)到輸送壓力要求時(shí)，考慮在集氣閥組添加橇裝式增壓設(shè)備。
    ⑥ 如果能在集氣閥組處設(shè)置引風(fēng)機(jī)，集氣閥組集氣效果將會(huì)更好，將會(huì)延長(zhǎng)氣田的壽命和提高氣井采收率。
3 增壓方式的選擇
    煤層氣由于壓力比較低，有的不能通過自身的壓力輸送到集氣站，有的不能輸送到中央處理廠進(jìn)行凈化處理，因此需要通過增壓來滿足輸送要求。增壓方式有多種，為了降低增壓設(shè)施的工程造價(jià)，并使之有利于生產(chǎn)管理，優(yōu)化選擇增壓方式是必不可少的工作。優(yōu)化工作的重點(diǎn)是增壓站的分散或集中，在此重點(diǎn)介紹增壓的優(yōu)化選擇形式[6]。
3.1 單井增壓
    單井增壓是指采出氣在井場(chǎng)通過加壓輸送到集氣站。目前這種情況僅用于老氣田產(chǎn)氣后期的改造，由于增壓設(shè)備投資、管理、運(yùn)行比較復(fù)雜，而且大多氣井此時(shí)產(chǎn)量較低，這種方式不能收到很好的經(jīng)濟(jì)效果，對(duì)新開發(fā)的氣田已經(jīng)不再采用。
3.2 集中增壓
    集中增壓是指在集中增壓站設(shè)置壓縮機(jī)進(jìn)行增壓，讓集氣閥組的氣體通過集氣支管輸送至集中增壓站增壓，一次增壓滿足管道外輸壓力要求的方法。這種情況適用于井口壓力能滿足不需要加壓就能達(dá)到集中增壓站的氣田。如晉城沁南煤層氣田端鄭采氣區(qū)就是利用集中增壓方式實(shí)現(xiàn)低壓氣田地面集輸?shù)?。其布站方式為井?集氣閥組-集中增壓站-LNG站。沁南煤層氣田端鄭采氣區(qū)工藝流程見圖4。
 

3.3 兩級(jí)增壓
    兩級(jí)增壓是指在集氣站和中央處理廠進(jìn)行兩次增壓，通過優(yōu)化壓比，減小管道造價(jià)和能耗費(fèi)用。這種工藝目前應(yīng)用比較廣泛，在晉城潘莊煤層氣開發(fā)項(xiàng)目和沁水煤層氣田中都得到了很好的應(yīng)用，被實(shí)踐證明為一種很好的增壓方式。
3.4 確定增壓方式
    總的來說，兩級(jí)增壓和集中增壓在煤層氣田開發(fā)中都得到了很好的運(yùn)用，有效地滿足了煤層氣田地面集輸?shù)囊?。與集中增壓相比，兩級(jí)增壓在同樣滿足氣體輸送的情況下更好地利用了氣體的壓力，合理地選擇管材，減小了管道造價(jià)，更好地節(jié)約了成本，且能更好地減少井間的影響，提高煤層氣產(chǎn)能。集中增壓管理、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，更好地適合于大面積開發(fā)的氣田。在優(yōu)化選擇不同增壓方式時(shí)，要根據(jù)不同氣田壓力特點(diǎn)、氣田地形特征、輸送壓力要求、外輸方式和經(jīng)濟(jì)性分析進(jìn)行綜合優(yōu)化選擇。
    確定增壓方式后，根據(jù)煤層氣壓力低和氣源不穩(wěn)定的特性選取壓縮機(jī)。對(duì)于氣源不穩(wěn)定的煤層氣宜選用往復(fù)式壓縮機(jī)。如果進(jìn)氣壓力比較平穩(wěn)，可以選用螺桿式壓縮機(jī)。當(dāng)貧氣較多時(shí)，應(yīng)選用噴油螺桿式壓縮機(jī)。由于煤層氣田多在偏遠(yuǎn)的山區(qū)，當(dāng)有電網(wǎng)通過時(shí)，采用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)。當(dāng)沒有電網(wǎng)通過時(shí)，原動(dòng)機(jī)宜選用煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)[6]。
4 沁水盆地煤層氣集輸工藝比較
    山西沁水盆地南部是一個(gè)大型整裝煤層氣田，總面積為3523.32km2，已探明煤層氣儲(chǔ)量面積為346.4km2，探明煤層氣地質(zhì)儲(chǔ)量為861×108m3。沁水盆地是目前我國(guó)煤層氣開發(fā)規(guī)模最大的地區(qū)，中國(guó)石油、晉城煤業(yè)集團(tuán)、亞美大陸煤炭公司、中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司等進(jìn)入該地區(qū)開展煤層氣勘探開發(fā)工作。其中尤以西安長(zhǎng)慶科技工程公司為中國(guó)石油旗下華北煤層氣公司設(shè)計(jì)的沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊集輸工藝和中油遼河工程有限公司為中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)開發(fā)的沁南煤層氣端鄭采氣區(qū)地面集輸工藝具有代表性，在此進(jìn)行對(duì)比[7]。
    西安長(zhǎng)慶科技工程公司在沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊設(shè)計(jì)上，確定了“井口-采氣管網(wǎng)-集氣站-中央處理廠-外輸”適合于煤層氣的總體工藝流程。采用串接進(jìn)站式集氣、兩級(jí)增壓方式增壓的煤層氣地面工藝技術(shù)，見圖5。
 

中油遼河工程有限公司設(shè)計(jì)的沁南煤層氣端鄭采氣區(qū)地面集輸系統(tǒng)采用了集氣閥組進(jìn)站式、集中增壓流程。采用井口0.2MPa、集氣閥組出口0.15MPa、集中增壓站進(jìn)口0.05MPa三種壓力級(jí)制，一級(jí)布站，簡(jiǎn)化了工藝流程，設(shè)備集中布置，減少了運(yùn)行設(shè)備數(shù)量，降低了工程投資和運(yùn)行成本，便于集中管理，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。工藝流程見圖4。
    西安長(zhǎng)慶科技工程公司采用的串接進(jìn)站式集氣、兩級(jí)增壓形式和中油遼河工程有限公司采用的集氣閥組進(jìn)站集氣、集中增壓方式在滿足工程應(yīng)用的前提下，都具有各自的特點(diǎn)，形成了適合煤層氣田的煤層氣集輸工藝技術(shù)[8]。
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(本文作者：胡楠1 胡世杰2 蔣皓3 邵建4 1.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?北京 100101；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院 山東青島 266555；3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074；4.天津市華鋇燃?xì)鉄崃こ淘O(shè)計(jì)有限公司 天津 300074)