摘要：煤層氣在氣質組分、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，國內還沒有大規(guī)模整體開發(fā)的經(jīng)驗可以借鑒，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，總結了優(yōu)化設計經(jīng)驗，并提出了針對國內煤層氣田開發(fā)建設的標準化、統(tǒng)一化、數(shù)字化3點建議，對國內其他煤層氣田及類似氣田的開發(fā)有借鑒作用。

關鍵詞：沁水盆地；樊莊區(qū)塊煤層氣田；集輸系統(tǒng)；優(yōu)化；應用

   2001年沁水盆地東南部樊莊地區(qū)探明含氣面積182.22km²，探明地質儲量352.26×10⁸m³，具備了煤層氣開發(fā)的基礎。經(jīng)過幾年的開發(fā)建設，沁水煤層氣形成了“排水采氣、低壓集氣、井口計量、井間串接、復合材質、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^[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，通過采氣干管進入集氣站，進入集氣支線，各支線最后通過集氣干線進入中央處理廠，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)水露點條件下進入“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)化內容包括單井進站方式、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)結構及管徑優(yōu)化、鋼級選擇優(yōu)化等內容。下面重點介紹單井進站方式、增壓工藝及壓力系統(tǒng)的優(yōu)化。

 

    閥組進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。這種進站方式特點是轄井數(shù)多，簡化了采氣管網(wǎng)的建設，但管線壓降較大，管理點增多。

串接進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，且運行良好。這種進站方式特點是簡化了采氣管網(wǎng)的建設，增加了集氣站轄井數(shù)量，串接靈活，采氣管線流量較大，流速較高，攜液能力強，相對壓降小，適應低壓、低產(chǎn)氣田的開發(fā)，大大提高了集氣站的轄井數(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。

 

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

    優(yōu)化增壓方案的最終目標是降低增壓設施的工程建設投資額和增壓生產(chǎn)過程的運行費用，并使之有利于生產(chǎn)管理。優(yōu)化工作的重點是增壓站的分散或集中設置，增壓點的位置，總壓比、壓縮機的級數(shù)和各級間的壓比分配，壓縮機的機型和動力配置等。在此重點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)塊內在南區(qū)和北區(qū)分別設置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，進集中增壓站壓力為0.02MPa，增壓后外輸壓力為1.2MPa，進中央處理廠壓力為1.0MPa。

   對于分散增壓，根據(jù)氣田壓力系統(tǒng)的論證，結合各站的相對位置及管網(wǎng)長度，進集氣站增壓前的最低壓力為0.05MPa，最遠端集氣站增壓后外輸壓力為1.4MPa，進中央處理廠壓力為1.0MPa。集中增壓方案15年全壽命費用現(xiàn)值折現(xiàn)高達500萬元，而分散增壓不僅投資低，而且集氣站增壓功率小，機組選型容易，運行靈活，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)議的相關規(guī)定，交氣地點為中央處理廠，交氣壓力為5.7MPa；根據(jù)采氣管線的長度及經(jīng)濟壓降，確定采氣管線的進站壓力不低于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)塊內需要確定的是集氣站的出站壓力，同時根據(jù)集氣干線的經(jīng)濟壓降(集氣管線最長20km，流速8～10m/s，確定經(jīng)濟壓降為0.2～0.4MPa)確定中央處理廠的進廠壓力。

   集氣站的出站壓力直接關系到集氣站和中央處理廠“兩地”增壓的壓比分配、“兩地”壓縮機組的投資及運行費用，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，設計了3種集氣站出站壓力方案：

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

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

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

    以上3種方案對壓縮機組運行參數(shù)、管網(wǎng)投資及綜合對比，第2種方案技術經(jīng)濟最合理，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，集氣站壓縮機出口壓力為1.4MPa，進口壓力為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，壓縮機進口壓力為0.9MPa，出口壓力為6.0MPa，壓比為6.1。

    1) 加快煤層氣田標準化設計、模塊化建設的進程，以適應煤層氣田快速發(fā)展的要求。標準化設計是根據(jù)井站的功能和流程，設計一套通用的、標準的、相對穩(wěn)定的指導性和可操作性文件^[6]，可以實現(xiàn)對主要設備、材料提前進行采購與組裝預配，以適應煤層氣田大規(guī)

模開發(fā)建設的需要。模塊化則是標準化的進一步深化，按不同的使用功能將井站內生產(chǎn)裝置分解為若干能獨立組合應用的模塊，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。借鑒蘇里格氣田標準化設計的成功經(jīng)驗，在煤層氣田全面實行標準化設計、模塊化建設，從根本上解決煤層氣場站選址晚、建期緊的實際問題，降低建設成本和安全風險，提高建設質量和施工效率。

    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。目前的站內氣一液分離是采用重力沉降原理來實現(xiàn)的，從實際運行來看，由于站內煤層氣壓力低、流速高，分離效果并不理想。因此，合理確定分離器的結構，采用必要的內構件人為調整煤層氣在分離器內的流動狀態(tài)，使其有利于沉降過程的進行，提高分離效果，才能保證壓縮機高效運行和減少集氣管線清管工作。同時對于現(xiàn)場應用效果較好的設備如分離器、壓縮機等進行統(tǒng)一設置，以便于統(tǒng)一采購及維護氣田設備，加快煤層氣田的建設速度，提高煤層氣田開發(fā)效益。

    3) 加強數(shù)字化技術在煤層氣田的應用，創(chuàng)建數(shù)字化煤層氣大氣田^[7～8]。數(shù)字化技術的應用有利于全面整合數(shù)據(jù)資源，提高數(shù)據(jù)的完整性、準確性，增強采集、處理及應用的即時性，也正在改變著氣田集輸工程的建設和生產(chǎn)運行管理的工作方式。煤層氣田大都位于地形條件異常復雜的山區(qū)，應用數(shù)字化技術具有以下優(yōu)勢：①數(shù)字化勘察技術，可以高效準確地完成集輸管道、工藝站場及周邊相當范圍內居民、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{度中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、電子巡井、自動報警、遠程開(關)井等功能，達到精簡組織機構、降低勞動強度、減少操作成本、保護自然生態(tài)環(huán)境和提高整個煤層氣田建設管理水平的目的。

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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任公司)