沁水盆地南部樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化與思考

摘 要

摘要：中國石油天然氣股份有限公司“十一五”期間在沒有任何經(jīng)驗可借鑒的情況下在山西沁水盆地南部建成了我國第一個規(guī)?；?、商業(yè)化、數(shù)字化的煤層氣田，該氣田邊試驗
摘要：中國石油天然氣股份有限公司“十一五”期間在沒有任何經(jīng)驗可借鑒的情況下在山西沁水盆地南部建成了我國第一個規(guī)模化、商業(yè)化、數(shù)字化的煤層氣田，該氣田邊試驗、邊開發(fā)、邊建設(shè)的發(fā)展模式給地面集輸系統(tǒng)的合理布局帶來了新的難題。為此，根據(jù)煤層氣田的地質(zhì)、氣藏特征及氣質(zhì)組分特點，通過理論研究及現(xiàn)場試驗，提出了地面建設(shè)新模式和地面集輸工藝的優(yōu)化措施：①簡化低壓集氣工藝；②成功應(yīng)用非金屬管材；③采用井間枝上枝串接工藝；④采用越站集輸工藝；⑤實現(xiàn)自動化控制及數(shù)字化管理；⑥應(yīng)用三甘醇脫水技術(shù)；⑦采用集成過濾分離器；⑧煤層氣集中處理、規(guī)?；廨?；⑨實行低成本開發(fā)。同時，還對在實際生產(chǎn)中暴露出來的采氣管線積水問題、氣質(zhì)凈化問題、壓縮機的適應(yīng)性問題、濕氣計量問題、山區(qū)電力線路與采氣管線的敷設(shè)問題、地理信息系統(tǒng)建設(shè)問題、采氣半徑與集氣站數(shù)量的關(guān)系問題、煤層氣田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計及模塊化建設(shè)問題、壓縮機的備用問題和煤層氣銷售市場定位問題進行了探討，并給出了相應(yīng)的建議。
關(guān)鍵詞：沁水盆地南部；樊莊區(qū)塊；煤層氣；地面集輸；工藝優(yōu)化；探討；建議
1 樊莊區(qū)塊煤層氣田產(chǎn)能建設(shè)概況
    根據(jù)國家大力發(fā)展新能源的戰(zhàn)略要求，“十一五”期間中國石油天然氣股份有限公司在山西沁水盆地樊莊區(qū)塊開始規(guī)模開發(fā)煤層氣田，該區(qū)域位于山西省東南部、太行山西麓沁水盆地南部，行政隸屬于山西省晉城市沁水縣。樊莊區(qū)塊煤層氣田產(chǎn)能建設(shè)目標(biāo)為6.0×108m3/a，地面系統(tǒng)共建采氣井400余口、集氣站6個，天然氣中央處理廠一期建設(shè)規(guī)模為10×108m3/a。2009年9月15日，天然氣中央處理廠產(chǎn)品氣開始源源不斷地輸送至“西氣東輸”管網(wǎng)，樊莊區(qū)塊煤層氣田6.0×108m3/a產(chǎn)能建設(shè)完成，我國第一個規(guī)?；_發(fā)、商業(yè)化運營的煤層氣示范工程進入試生產(chǎn)階段。圖1為樊莊區(qū)塊煤層氣田生產(chǎn)總工藝流程圖。
    但樊莊區(qū)塊煤層氣田的開發(fā)建設(shè)也存在以下難點。
    1) 地處太行山麓沁水盆地，屬于山地丘陵地帶，溝谷切割，基巖出露，地形條件異常復(fù)雜，氣田開發(fā)建設(shè)條件差。
   2) 單井產(chǎn)量低，井口壓力低，氣田單位產(chǎn)能建井?dāng)?shù)增多，投資控制難度增大。
   3) 初期單井產(chǎn)水較多，水型以NaHC03型為主，隨著開采時間的延續(xù)，產(chǎn)水量逐步減少。
   4) 煤層氣中飽和水含量較高，隨著輸送距離的增加會產(chǎn)生一定的游離水，需增加分離和脫水裝置，將使得投資增加。
    5) 氣田邊試驗、邊開發(fā)、邊建設(shè)的發(fā)展模式為集輸系統(tǒng)的合理布局帶來新的難點。
2 地面集輸工藝優(yōu)化
    煤層氣開發(fā)是一種高投入、低產(chǎn)出、高風(fēng)險的產(chǎn)業(yè)，與常規(guī)天然氣田相比，煤層氣田具有低滲、低壓、低產(chǎn)和低飽和的特點，業(yè)內(nèi)稱作“四低”氣田，其地面集輸工藝也較常規(guī)天然氣氣田開發(fā)的地面集輸工藝有很大差異。根據(jù)山西沁水煤層氣田的地質(zhì)特征、氣藏特征及氣質(zhì)組分特點，通過理論研究及現(xiàn)場試驗，提出了“排水采氣、井口計量、井間串接，低壓集氣、復(fù)合材質(zhì)、站場分離、兩級增壓、集中處理、自動控制”的煤層氣地面建設(shè)新模式[1～3]。
2.1 簡化低壓集氣工藝
在工程建設(shè)過程中，根據(jù)對煤層地質(zhì)構(gòu)造及煤層氣富集規(guī)律認(rèn)識的不斷深化，適當(dāng)調(diào)整了井位部署。地面集輸工藝建設(shè)采用串接形式，做出了優(yōu)化減少3座集氣站建設(shè)的決定，節(jié)約了建設(shè)投資。圖2為樊莊區(qū)塊煤層氣田集氣站的工藝流程圖。圖3為樊莊區(qū)塊煤層氣田天然氣中央處理廠的工藝流程圖。
 

2.2 成功應(yīng)用非金屬管材
根據(jù)鋼管與PE管綜合投資對比，管道內(nèi)徑200mm是臨界值，小于200mm時PE管材投資低，大于200mm時鋼制管材投資低；PE管材具有一定強度、柔性好、抗蠕變性強、耐磨、內(nèi)壁光滑且不結(jié)垢、節(jié)能效果好、壓力損失小、無污染、施工維修方便、使用壽命長等特點，適應(yīng)于煤層氣田低壓小管徑采氣系統(tǒng)。很好地解決了金屬管道耐壓不耐腐，非金屬管道耐腐不耐壓的缺點。簡化了施工程序，節(jié)約了工程投資[4]。
2.3 采用井間枝上枝串接工藝
    首次在煤層氣氣田工程中采用了多種井間串接方式，單井不必直接敷設(shè)進站，而是根據(jù)地形、地貌、井型等情況，通過采氣支管把相鄰的幾口氣井靈活串接到采氣干管，匯合后集中進站。這種井間枝上枝的串接工藝縮短了采氣管線長度，增加了集氣站的集氣半徑，降低了管網(wǎng)投資，減少了對植被的破壞，提高了采氣管網(wǎng)對氣田滾動開發(fā)的適應(yīng)性。圖4為井間枝上枝串接工藝流程簡圖。

2.4 采用越站集輸工藝
    煤層氣具有初期產(chǎn)氣量很低的特點，這決定了分集氣站投產(chǎn)初期氣量不能滿足壓縮機最低起輸量要求，為此，在集輸工藝上采取了上游集氣站和下游氣站的高、低壓進出口互聯(lián)的辦法，當(dāng)上、下游集氣所轄井氣量不足時，上游集氣站氣量低壓集輸至下集氣站，滿足下游集氣站的運行；當(dāng)上、下游集氣站足壓縮機最低起輸量時，上游集氣站可直接跨越下集氣站把煤層氣輸送至天然氣中央處理廠。樊3、6集氣站集氣支線應(yīng)用中壓集輸線輸送低壓氣，樊5集氣站雙缸壓縮機采取單缸運行，很好地解決了排采初期的低產(chǎn)氣量集輸升壓問題，并為集輸工藝設(shè)計和生產(chǎn)運行提出了新思路[5]。
2.5 實現(xiàn)自動化控制及數(shù)字化管理
    天然氣中央處理廠采用了基于計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)系統(tǒng)，該系統(tǒng)負責(zé)對全區(qū)塊的生產(chǎn)運行情況進行集中監(jiān)控和運營管理。集氣站采用以計算機控制技術(shù)為核心的站控系統(tǒng)(SCS)，完成站場內(nèi)工藝過程的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控任務(wù)。采氣井場設(shè)置SCADA系統(tǒng)遠程終端裝置(RTU)，將井口數(shù)據(jù)通過無線寬帶+光纜傳輸?shù)姆绞絺髦撂烊粴庵醒胩幚韽S的數(shù)據(jù)中心。該系統(tǒng)滿足了煤層氣田低成本發(fā)展的要求[6～7]，適應(yīng)了沁水盆地山高溝深的自然環(huán)境要求，實現(xiàn)了“井多人少”的目標(biāo)，達到了提高效益的目的。
2.6 應(yīng)用三甘醇脫水技術(shù)
    首次在煤層氣領(lǐng)域較大規(guī)模地應(yīng)用三甘醇脫水技術(shù)，其溶液循環(huán)量小，露點降大，易于再生，溶液損耗小，操作費用低。該技術(shù)工藝成熟，工藝流程短，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，運行安全可靠，比較適合煤層氣井排采周期長的特點。
2.7 采用集成過濾分離器
    天然氣中央處理廠創(chuàng)新地采用了集成過濾分離器，其由重力分離段、液體緩沖段、過濾段和儲液段組成，具有段塞流捕集、氣液分離及顆粒過濾等功能。該過濾分離器代替了常規(guī)的三大過濾設(shè)備，大大簡化了流程，具有處理量大、分離效果好等優(yōu)點。集成過濾分離器上設(shè)置高、低液位報警，實現(xiàn)了正常工作狀態(tài)下的自動排液，減少了人工的頻繁操作，同時可避免誤操作造成分離效果不佳的情況。
2.8 煤層氣集中處理、規(guī)?；廨?/span>
    所有樊莊區(qū)塊煤層氣通過采氣管網(wǎng)收集到集氣站，再由集氣站增壓輸送到天然氣中央處理廠，經(jīng)集中凈化處理后輸送到“西氣東輸”主干道。煤層氣集中處理，提高了處理系統(tǒng)的規(guī)模效果；煤層氣規(guī)模化外輸，有利于資源統(tǒng)一調(diào)配，充分利用好煤層氣資源[8]。
2.9 實行低成本開發(fā)
    針對煤層氣田低壓和低密度的特點，在開發(fā)中通過采用簡易井口、縮小安全間距和取消井口安全自動控制裝置等措施，使樊莊區(qū)塊煤層氣田地面建設(shè)投資比預(yù)期降低了1/3，為有效開發(fā)“四低”煤層氣田提供了一種先進可靠的工藝模式，將給其他區(qū)塊的煤層氣田地面工程設(shè)計提供參考。
3 問題與建議
    樊莊區(qū)塊煤層氣田地面集輸工藝示范工程經(jīng)過1年的系統(tǒng)整體運行，實現(xiàn)了煤層氣安全、平穩(wěn)、高效生產(chǎn)的目標(biāo)，為其他煤層氣田的建設(shè)提供了經(jīng)驗，但也暴露了一些問題，值得在今后的建設(shè)中共同探討。
3.1 采氣管線積水問題
    煤層氣試采期間對氣質(zhì)進行過分析，分析結(jié)果顯示所采煤層氣中含水量低，當(dāng)時認(rèn)為其在管道內(nèi)的流動過程中不會析出水，因此地面集輸系統(tǒng)初步設(shè)計時沒有對管道積水做任何考慮。但實際運行情況顯示管線積水嚴(yán)重，積水量隨著井深、壓力和溫度的變化而變化，造成部分井口憋壓、部分采。氣計量閥組冬季凍堵[9]。后期在采氣管線低洼處加裝了凝液缸，并在井口工藝設(shè)計時增加了反掃排水功能，基本緩解了濕氣輸送過程中的段塞流影響和冬季凍堵問題。
    凝液缸雖然極大地緩解了管網(wǎng)積水問題，但由于地形復(fù)雜，此舉還是無法徹底解決管網(wǎng)積水問題，此外，滿山遍野的凝液缸無形增加了現(xiàn)場管理的難度。因此，建議就如何有效消除段塞流影響，以保證整個集輸系統(tǒng)的安全運行加強技術(shù)攻關(guān)。
3.2 氣質(zhì)凈化問題
    煤層氣開采與常規(guī)天然氣開采重要區(qū)別之一就是有大量粉煤灰產(chǎn)生，地面集輸系統(tǒng)設(shè)計之初對這個問題認(rèn)識不夠，集氣站沒有設(shè)計過濾裝置，粉煤灰與煤層氣一起被采出到地面，經(jīng)過采氣管網(wǎng)進入壓縮機，造成壓縮機的活塞和缸套等部件嚴(yán)重磨損。建議在分離器與壓縮機之間加裝進站過濾器，將粒徑5μm以上的顆粒濾除；在壓縮機與出站計量閥組之間加裝出站分離器，減輕天然氣處理廠的處理負擔(dān)。
3.3 壓縮機的適應(yīng)性問題
    目前樊莊區(qū)塊壓縮機全部采用活塞式壓縮機，其具有適用于高壓力環(huán)境及便于調(diào)節(jié)排氣量的特點，滿足了樊莊區(qū)塊煤層氣的生產(chǎn)需求，但其高昂的運行費用、頻繁的故障率也為煤層氣日常生產(chǎn)帶來不小的困難。因此，需要進一步全面分析，研究壓縮機的合理匹配問題，考慮集氣站(中壓環(huán)境)配套使用螺桿壓縮機組、天然氣中央處理廠(高壓環(huán)境)應(yīng)用電驅(qū)活塞式壓縮機組的組合方案是否可行。
3.4 濕氣計量問題
    煤層氣雖然甲烷含量(體積分?jǐn)?shù))超過98%，但其與水一起從煤層流出來，未經(jīng)脫水之前，煤層氣皆處于飽和含水狀態(tài)，屬于濕氣。甲烷中水對計量的影響不在于其量的大小，而在于其流態(tài)的變化，其流態(tài)變化較之常規(guī)天然氣重組分的存在對計量的影響更大。天然氣重組分以氣態(tài)形式流動，而濕煤層氣中的水以液態(tài)形式流動，冬季還可能以固態(tài)形式附著于集輸管內(nèi)。建議在常規(guī)天然氣濕氣計量修正的基礎(chǔ)上，對含飽和水的煤層氣計量作專題研究。
3.5 山區(qū)電力線路與采氣管線的敷設(shè)問題
    沁水盆地南部煤層氣開發(fā)區(qū)域絕大多數(shù)處于山區(qū)，雨季雷擊頻繁影響系統(tǒng)供電。井口除了排采設(shè)備用電外，還有自動化采集傳輸設(shè)備用電，電器元件受雷擊損壞比較嚴(yán)重。山區(qū)電力線路架設(shè)和管道管溝開挖的施工難度都很大，其投資為總體投資的重要組成部分。為了最大限度地避免雷擊、節(jié)省建設(shè)投資，建議380V電力線路與采氣管線同溝敷設(shè)，或采用同溝敷設(shè)與架空敷設(shè)相結(jié)合的方式，減少雷擊概率，節(jié)約建設(shè)投資。
3.6 地理信息系統(tǒng)建設(shè)問題
    沁水盆地地南部處山區(qū)和林區(qū)，自然環(huán)境復(fù)雜，在此進行煤層氣開發(fā)建設(shè)存在許多潛在的風(fēng)險。以地面采氣管線為例，一個山頭可能有多家公司的幾十口井管線；夏季易遭遇山洪、泥石流等，管溝標(biāo)示樁極易被掩埋或沖倒；河道內(nèi)情況更為復(fù)雜，再加上人為破壞因素，給煤層氣日常生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。煤層氣低成本開發(fā)的要求不可能使用大量的人力，如何有效、高效地管理好井站生產(chǎn)也是地面集輸系統(tǒng)建設(shè)需要認(rèn)真考慮的現(xiàn)實問題。為此，建議建立一套實用的地理信息系統(tǒng)，輔助山區(qū)煤層氣田的日常生產(chǎn)管理。
3.7 采氣半徑與集氣站數(shù)量的關(guān)系問題
    采氣半徑與集氣站數(shù)量的確定需要根據(jù)工程狀況進行技術(shù)經(jīng)濟比較后予以確定。樊莊區(qū)塊煤層氣田的實際運行經(jīng)驗表明煤層氣田可適當(dāng)減少站場數(shù)量、擴大站場規(guī)模、降低工程投資，實現(xiàn)低成本開發(fā)目標(biāo)。但是為了滿足氣田后期開發(fā)的需要，結(jié)合“擴徑降壓”的經(jīng)濟性要求，建議集輸半徑控制在1Okm以內(nèi)，流速不小于5m/s為宜。
3.8 煤層氣田標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化建設(shè)問題
    借鑒中國石油長慶油田公司在蘇里格氣田的建設(shè)經(jīng)驗，煤層氣田的建設(shè)也具備采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、模塊化建設(shè)的條件?？赏ㄟ^統(tǒng)一工藝流程、統(tǒng)一設(shè)備選型、統(tǒng)一建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一單體安裝尺寸等措施，實現(xiàn)集氣站的功能統(tǒng)一和操作統(tǒng)一。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計思路，可提前對站場的設(shè)備和材料進行規(guī)?；少彛奖泐A(yù)制和組配，從而加快煤層氣田的建設(shè)速度，保證工程建設(shè)的優(yōu)質(zhì)、高效和安全[10]。
3.9 壓縮機的備用問題
    目前集氣站的設(shè)計沒有考慮備用壓縮機，而實際運行情況表明壓縮機故障停機比較頻繁。以樊9集氣站為例，3臺壓縮機半年累計故障停機44次，停機時間達116h。而一旦壓縮機故障停機、檢修，就會造成采氣管網(wǎng)憋壓，嚴(yán)重影響單井產(chǎn)氣量。為有效解決此問題，建議在今后的生產(chǎn)建設(shè)中采取以下措施：①增加移動式增壓機組，各集氣站預(yù)留工藝快速接頭和電力配套設(shè)施；②集氣站管網(wǎng)互通互聯(lián)，最大限度地發(fā)揮管網(wǎng)自身的調(diào)峰功能。
3.10 煤層氣銷售市場定位問題
    煤層氣低產(chǎn)、低壓的特點導(dǎo)致其生產(chǎn)成本要比常規(guī)天然氣的生產(chǎn)成本高，要想獲得好的效益必須降低煤層氣生產(chǎn)成本。從地面集輸系統(tǒng)來說，目前的兩級壓縮模式實現(xiàn)了煤層氣的遠距離輸送，但同時也增加了成本。如果煤層氣銷售的市場定位不是遠端，而是就近銷售，那么一級增壓就能滿足要求，同時還增強了企地聯(lián)系，有利于企業(yè)的快速發(fā)展。
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(本文作者：田煒 陳洪明 梅永貴 李新彩 中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司)