刘文伟

(中油辽河工程有限公司，辽宁 124010)

煤层气田地面集输工艺技术探讨

刘文伟

(中油辽河工程有限公司，辽宁 124010)

由于煤层气田“低产、低压、低渗”和地区地形复杂，相对高差较大的特点，不同程度地加大了工程设计与建设的难度，开采与输送成本相当较高。通过对煤层气田集输工艺特点的详尽分析和多年的现场试验及技术改进，坚持地面与地下充分结合的原则，基本形成了一套先进合理、经济适用并符合中国煤层气特点的煤层气田地面集输技术。在此，介绍了在煤层气田地面建设中所采用的“枝上枝状管网，阀组布站、手动/自动轮换计量，数据无线传输，阀组发电，压缩机余热采暖，站场集中增压”等新技术。新技术的应用取消了传统技术中需要建设的无数个有人值守的站，极大地简化了流程，为煤层气田的有效开发提供了借鉴。

煤层气 地面集输 低压 低产 低渗 节能

1 煤层气田地面建设开发的困难

煤层气田具有“低产、低压、低渗”和地区地形复杂，相对高差较大的地势特点，我国煤层气平均单井产气量只有2000m3/d，采用排水采气方式生产，井口套压0.2～1.0MPa(G)。要达到煤层气田高效低成本的规模性开发，实现我国煤层气工业自主创新的要求，就必须采用一套先进的全新工艺技术来指导目前及今后的煤层气田的地面工程建设。

2 煤层气田地面集输工艺的探索及形成

2.1 煤层气地面集输工艺技术的初步探索

自2005年以来，我们便针对“低压、低产、低渗”气田的地面集输工艺技术开展了大量的科研技术攻关工作，并将部分成果应用到了苏里格气田地面建设中。2007年在所承担的澳大利亚必和必拓 (BHPB)世界勘探公司的保德煤层甲烷气先导试验工程EPC项目中，开始了对煤层气田井口工艺技术的初步探索。此项目共有8口试验井 (4口直井，4口水平井)，产气量1.2×103m3/h，产水量7m3/h，井口用抽水泵将煤层水采出通过PE管道排至储水池，经检验合格、符合国家的标准后用污水提升泵排放到黄河;煤层气在井场经分离器分离和流量计计量后经PE管道进入火炬坑内火炬系统燃烧。在1口井场设有柴油发电设施为本工程提供电源。但此时并没有进行大规模的地面集输系统建设，而且能耗和投资较高，集输系统还有待于优化。

2.2 煤层气地面集输工艺技术的形成

2009年所承担的“十一五”国家科技重大专项和国家重大科技专项示范工程—沁南煤层气开发高技术产业化示范工程，为煤层气田地面集输工艺技术的研究提供了良好的契机。随着研究的深入、创新及多年现场实践，逐渐形成了一套具有“枝上枝状管网，阀组布站、手动/自动轮换计量，数据无线传输，阀组发电，压缩机余热采暖，站场集中增压”等多项特点的煤层气地面集输工艺技术。

2.2.1 煤层气地面集输工艺新技术

由于传统布站方式投资高，占地面积大，很难做到煤层气田的效益开发，因此紧紧围绕煤层气集输工艺技术开展了大量的创新、研究、比选等工程技术攻关工作，研究出了一套先进合理、经济适用并符合中国煤层气特点的煤层气田地面集输技术—“枝上枝'阀组布站'”工艺技术。新技术是对传统分散增压和集中增压布站技术的挑战，它将集气计量站改为阀组，而阀组在天然气集气干管与大量采气支线之间形成了结点，通过这个节点将若干条采气管道中的天然气集中到集气干管中，即经井口-集气节点 (阀组)-集气中枢增压站 (处理站)-外输用户。该技术布置灵活、工艺简单的集气节点取代了传统的集气站，即由“点”取代了传统的“面”。该一级布站技术极大地简化了工艺流程，有效的降低了单井投资，同时扩大了天然气集输半径，使煤层气集输半径增加到20km以上。

图1 地面集输工艺新技术原理示意图

2.2.2 煤层气地面集输工艺技术的优化

(1)井口工艺的优化

在煤层气刚开发初期，均在井口设置了分离器来分离煤层气中的游离水。但根据运行数据显示，井口采出的煤层气几乎不含游离水，因此，在井口处取消了分离器的设置，既节省了投资又节省了占地。图2是优化后的井口流程示意图。煤层气井采用排水降压采气工艺，通过抽油机把地下煤层里的水从油管里抽出，直接排放到井场附近的晾水坑，进行晾晒，自然蒸发;煤层气随地下水的采出地层压力降低而不断的析出，当套管压力被节流到0.2MPa(G)时，通过采气管道，进入煤层气采集系统。

(2)集输管网及阀组工艺的优化

图2 井口采气原理示意图

鉴于已建管网均采用枝状管网，井口均设有放空管，当管线发生事故时，整个相连通的管网均会受到影响。因此，通过大量计算模拟，采用了枝上枝状管网，并取消了井口放空，由阀组统一放空(图3)。此外，井口设置流量计进行计量不仅投资高，而且维护量大，因此通过优化改用阀组进行总计量和单井轮换计量。阀组的总流量以及温度、压力参数通过RTU利用无线传输系统传输至增压站。同时在借鉴城镇燃气工程经验，在集输管道低点设置凝水缸有效得避免了集输过程中可能在低点会出现积水的情况。

图3 阀组工艺原理示意图

(3)集中增压站工艺的优化

在进站汇管上设有紧急关断和紧急放空阀，当出现事故时立即关闭紧急关断阀，同时打开紧急放空阀，进入火炬系统。在进、出站煤层气管道上的温度、压力、流量等参数以及压缩机的运行等参数进入仪表间的过程控制系统，进行检测、显示。

2.2.3 互换式烟气节能转换技术研究

为了实现煤层气田的节能降耗，针对所采用燃气驱动压缩机的特点，研究出了可回收压缩机余热的互换式烟气节能转换技术。该技术是通过烟气采集、废热锅炉换热，并配以驱动泵，让水在换热系统中循环来吸收烟气热能来达到废热利用的目的。完成换热后的热水或者水蒸汽用可用来采暖或者做功，从而提高了燃气的利用率，以达到节约燃气的目的。

2.2.4 管道材质的优选用

由于煤层气井产出的煤层气节流后的压力为0.2MPa(最大 0.4MPa)、温度≤20℃，因此，合理的选用采气管道的材料对降低工程造价，提高施工速度起着关键的作用，根据目前生产实际情况，采用PE管道和钢制管道在技术上均是可行的。我们在经济上对两种管道材料进行了对比，由PE管、钢管管道投资对比表及管径与管道总投资关联曲线看出，当采、集气管道的公称直径DN≤250，采用PE管道材料等级为PE100更为经济，当公称直径DN＞300采用钢制管道更为经济。

2.2.5 水力学计算的优化选择

根据大量研究数据发现，由于油气集输设计规范 (GB 50350-2005)中所用Weymouth公式的管内壁粗糙度较大 (0.0508mm)，且忽略了管线起伏变化过程中压降的加速成分，因此，计算结果较保守。鉴于以上情况，通过对多种软件及经验公式开展大量的研究对比得出以下结论:

(1)对于计算软件，PIPELINE STUDIO是专业计算调峰和水击计算的，其优势是动态分析，尽管内部具有压降计算方法，但方法有限，且有使用限制。而PIPEPHASE是专业计算管道压降，段塞流和水合物的软件，内置公式较多，通用性较强，且具有经过大量工程验证的校正系数，故本研究最终确定选用PIPEPHASE作为煤层气田水力学计算软件。

(2)对于水力学计算方法，根据上述对比表明 Mukherjee-Brill、Dukler-Eaton、Beggs，Brill ＆Moody、Beggs＆Brill计算结果一样，均可作为煤层气田的水力学计算方法。但使用过程建议首选Beggs，Brill＆Moody公式，因为其具有经大量工程验证和被行业普遍采用的管道起伏校正因子，可使结果更接近实际情况，其次在不知道选择何种计算方法时可以选择Mukherjee-Brill，因为该方法适合使用到山区地形变化起伏的管道上，该水力学计算方法是唯一适合所有流体构造的计算流体状态的模型。

2.2.6 复杂地理环境下多种通讯方式在SCADA系统中的融合

煤层气田复杂的地理环境及投入产出比低的特点决定了通讯系统不能采用单一的通讯方式。在满足系统要求的前提下尽可能降低成本的目标下，根据现场自然环境和移动运营商网络覆盖情况的不同，井口、阀组与集气站站控系统通讯方式采用了3种不同的通讯方式。在有移动信号覆盖的区域，采用了成本最低的GPRS通讯;在无移动信号覆盖且地貌恶劣区域，采用了无线传输网络通讯;在通讯主干道、大数据量传输的情况下，采用了光缆通讯;集气站与调控中心采用光缆通讯。实现了基于无线、光缆、电缆等多种通讯方式在SCADA系统中的融合，适合了煤层气井地处偏远、井多、井密、低压、低产等特点。降低了煤层气田信息化建设和维护过程中自控系统的投资。系统在中联煤层气有限责任公司国家煤层气高技术产业化示范工程中使用，取得了较好的应用效果。

3 煤层气田地面集输工艺技术的发展趋势

3.1 小型增压设备的研制

由于煤层气田具有“低压、低产、低渗”的特点，因此集输半径便是制约该气田集输系统的瓶颈。特别是对于比较偏远的井口或阀组由于压力低无法进入整个集输系统，针对该情况便需要通过某些途径来增加这些井口及阀组的压力以适应整个气田的集输系统。在这种情况下结合整个气田集输系统的布局研究出了一种投资小的小型增压设备便是十分必要的。

3.2 撬装液化装置的研制

煤层气源所具有的低压、单井产量低和气源偏散的特色决定了其地面集输工艺将与传统高压天然气源具有很大差别。其中适用于传统高压天然气源的集中式大型低温液化工厂的集输方式已经不再适合煤层气资源特色，而以撬装液化装置集群使用所形成分布式的液化中心将是一种重要的煤层气集输工艺方式。因此，对撬装式煤层气液化装置研制可以满足不同产量的煤层气单井 (或井群)需求，实现井口液化集输，对于边际气田、偏散井气源以及部分气井的早期开采阶段的气源采收具有重要意义。以多套撬装式液化装置在区域性集群应用，通过对液化煤层气的输运，可扩展煤层气资源利用的地域辐射范围，增强煤层气资源的有效利用率和社会影响，进而拓展和完善煤层气地面集输技术的效能，是地面管道集输方案的重要补充和完善，可以提高煤层气的综合采收利用率。目前中科院理化所已针对煤层气田研制的1×104m3/d的撬装液化设备将通过现场试验已验证其性能。

3.3 除尘设备的研究

煤层气生产过程中集输系统存在的粉尘，这些粉尘的存在大大降低了管道内煤层气的输送效率，还会磨蚀阀门和仪表等各类器件。当一些粒径在8μm以上的超细粉尘进入输气压缩机，引起气缸和活塞的磨蚀，造成生产事故。目前，常规重力分离器能够分离粒径大于50μm的颗粒;常规旋风分离器可以分离大于10～20μm的颗粒，但是适用范围窄、较大的气量波动对分离效率产生较大影响。因此，细小颗粒粉尘的高效分离对于煤层气的集输和安全生产有重要意义，必须开发适合煤层气特性的、满足生产安全运行的低压降超细煤粉高效分离技术。在沁水盆地的煤层气压缩机便因为粉尘的聚集造成压缩机停转的现象，对除尘设备的研究迫在眉睫。

3.4 煤层气田地面集输网络化技术研究

煤层气田地面集输行业是地理信息系统的一个较新应用领域，如何把地理信息系统与集输管理综合信息系统的优点集成在一起，形成煤层气田地面集输网络化技术及应用软件，这在国内尚属首次。目前存在的主要技术问题是:未建立煤层气田地面集输系统的基础数据管理的规范;因此，针对现有煤层气地面集输信息管理技术的缺点，研发能够保障煤层气田地面集输系统安全运行和优质管理的网络信息化技术，形成完全自主版权的煤层气田地面集输网络化管理软件，形成煤层气田地面集输交换数据规范是未来的发展趋势。目前中科院已取得了相应的阶段性成果，有待于在具体项目中加以应用。

［1］裴红，吴建光，等.用于煤层气田的煤层气集输系统 ［P］.中国 ZL201020194223.3，2010-5-10.

［2］王荧光，裴红，刘文伟.低压、低产煤层气田井口集输工艺技术 ［J］.石油工程建设，2010，36(6):1-5.

［3］裴红，刘文伟.煤层气集输工程设计思想及在潘河项目中的实践 ［C］.2008年煤层气学术研讨会论文集。地质出版社，2008年，418-425.

［4］裴红，刘文伟.“枝上枝”集输工艺在大型低渗、低产天然气田及煤层气田建设中的应用 ［J］.石油规划设计，2010，21(2):12-15.

Discussion on Technology of Surface Gathering and Transmission Systems in CBM Field

LIU Wenwei
(PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co.，Ltd，Liaoning 124010)

Given the low producitivity，low pressure，low permeation and the complicated geography as well as the large relative height difference of CBM fields，it is more difficult to conduct engineering design and constuction and the costs of mining and transport are very high.An advanced，reasonable and costeffective surface gathering and transmission technology that can meet the features of the CBM in China has been developed based on the detailed analysis of the characteristics of CBM gathering and transmission processes，years of on-site tests and technical improvements and the principle of thorough combination of surface and underground technologies.In this thesis，various new technologies used in the surface construction of CBM fields will be introduced，such as branch-on-branch network，valve group stations，manual/automatic rotation measurement，wireless data transmission，valve group generation，heating with compressor waste heat and centralized pressurization of stations.The new technologies have eliminated the construction of the great number of stations requiring manual operations，significantly simplified the process and provided references for the effective development of CBM fields.

CBM;surface gathering and transmission;low pressure;low productivity;low permeation;energy conservation

国家科技重大专项项目-煤层气田地面集输工艺及监测技术 (编号:2009ZX05039和2011ZX05039)

刘文伟，高级工程师，学士学位，现主要从事石油天然气工程设计及研究工作。

(责任编辑 桑逢云)