王荧光

中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦124010

0 引言

格瑞克是一家上游气体能源生产公司，在中国格瑞克专门从事煤层气资源的开发。在与中联煤层气有限责任公司（以下简称中联煤）合作进行大规模煤层气商业化开发方面，格瑞克已成为外资企业的先驱之一，目前是中联煤最大的外方合作者。格瑞克已与中联煤签署了五个区块的煤层气勘探与开采产品分成合同，其中三个区块位于山西省沁水盆地：柿庄南枣园、柿庄北和沁源，煤层气资源总量高于1.6万亿m3。柿庄南枣园煤层气项目地面建设工程位于山西省晋城市沁水县境内，是格瑞克先期的实验性工程。为了进一步促进煤层气开采的发展，拟对该工程的现有系统进行更新改造，这不仅关系着格瑞克在以后各区块的发展，而且影响着中国煤层气的大规模开发建设。现结合该气田集输管网的现状，考虑到气田远期的发展，运用PIPEPHASE数值模拟软件，研究出了经济适用的“井间串接、阀组简易计量、低压集气、集中增压‘枝上枝’阀组布站”[2]的环形集输工艺新技术。该技术可望满足格瑞克柿庄南枣园煤层气的高效、低成本大规模开发需要，真正做到满足技术要求下的最低成本要求。

1 柿庄南枣园煤层气田集输系统现状

目前共有16口煤层气井通过已建的集气管道进入CNG站，其中包括15口老井和1口新井。采气工艺为排水采气，单井最大产量3 000m3/d，井口井流物关井最大套管压力1.6MPa，井口压力0.35MPa（A）；单井采气管道采用规格为DN63mm×5.8mm的PE管道，总长度2.5 km，敷设高差64 m。单井采气管道采用枝状方式与PE集气汇管相连接。PE集气汇管共有2条，规格均为DN160mm×14.6mm，总长度4.4 km，敷设高差38 m。我们应用先进的管道模拟软件PIPEPHASE对柿庄南枣园煤层气田原有集输系统进行校核（见图1），从计算结果可以看出，在原采气井16口、井口压力为0.35 MPa（A）、单井最大产气量为3 000m3/d的工况下，进站压力为0.33MPa（A），能够满足生产要求。

图1 原有集输系统核算示意

2 柿庄南枣园煤层气田集输系统的优化研究

2.1 柿庄南枣园煤层气田集输系统优化技术

集中增压“枝上枝”阀组布站工艺技术是对传统布站技术的挑战，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。集气站的外输管道就像是树干，阀组到集气站的集气支线就像是树枝，每一个阀组又像树枝上的结点，而所有与结点连接的采气管道就像是小的树枝，因此称之为“枝上枝”。该技术曾在苏里格气田苏10井区首次得到实际大规模应用，取得了较好的经济效益。

2.2 柿庄南枣园煤层气田新集输系统的核算及问题的提出

因柿庄南枣园煤层气生产的需要，现采用“枝上枝”阀组布站工艺技术将新增35口采气井并入原有集气系统，采用PIPEPHASE对该系统进行工艺模拟计算（见图2），核算结果表明，进站压力变为0.143MPa（A），小于压缩机入口压力0.25 MPa（A）的要求，不能满足51口井的生产需要。因此，需在利用原有设施的基础上，对新集输系统进行重新优化设计。

图2 新集输系统核算示意

2.3 柿庄南枣园煤层气田初步方案的优化设计

在充分利用已建系统管网的设计原则基础上，针对目前的51口采气井，提出了2种可行的系统管网方案（“枝上枝”布站方案）和1种分散增压布站方案。

2.3.1 采气、集气系统重建“枝上枝”布站方案

设7个集气阀组，每个阀组5～9口井，阀组集气管道就近接入已建A、B集气管道。原有采气管道与已建A、B集气管道断开。在A集气管道靠近已建CNG站处新建一条集气管道，将A集气管道与B集气管道末端连接起来，使之形成环状管网。取消单井放空，放空集中设在阀组。对该系统进行PIPEPHASE工艺模拟计算的结果见图3。

图3 采气、集气系统重建“枝上枝”布站系统示意

2.3.2 采气系统不变，集气系统重建“枝上枝”布站方案

设5个集气阀组，每个阀组5～9口井，阀组集气管道就近接入已建A、B集气管道。原有采气管道保持原状不变。在A集气管道靠近CNG站处新建一条集气管道，将A集气管道与B集气管道末端连接起来，使之形成环状管网。

改造后新井取消单井放空，放空设在阀组，老井保持原状不变。采用PIPEPHASE对该系统进行工艺模拟计算的结果见图4。

图4 采气系统不变，集气系统重建“枝上枝”布站系统示意

2.3.3 采气、集气系统重建分散增压布站方案

设7个分散增压站，每个增压站5～9口井，增压站集气管道就近接入已建A、B集气管道。原有采气管道与已建A、B集气管道断开。在A集气管道靠近已建CNG站处新建一条集气管道，将A集气管道与B集气管道末端连接起来，使之形成环状管网。取消单井放空，放空集中设在各增压站内，每个增压站内配置1台往复式压缩机及各辅助设施。采用PIPEPHASE对该系统进行工艺模拟计算的结果见图5。

图5 采气、集气系统重建分散增压布站系统示意

2.3.4 柿庄南枣园煤层气田初步方案的选择（见表1）

表1 采集气系统方案对比

从表1可以看到，对于分散增压方案，由于压缩机、占地面积、操作人员和辅助设施的增加，因而其投资会明显较“枝上枝”阀组布站方案多，且由于设备和人员的增多，管理极不方便。从“枝上枝”阀组布站方案来看，尽管采气系统重建方案的工程量比原采气系统不变方案多了2个阀组和3.5 km的采集气管道，但原采气系统不变方案中已建16口井是直接与集气汇管相连接的，这样在管道发生泄漏事故时便会造成整个集输系统瘫痪，影响生产。而采气系统重建方案中各井口采气管道相应进入各阀组，当发生泄漏事故时，通过关闭阀组相应阀门和进行阀组放空便可解决问题。此外，由于采气系统重建方案中操作管理人员和设备均集中在增压站内，集气阀组同采气井口只采取定期巡检的方式。因此，综合考虑优化研究结果，推荐采用采气、集气系统重建“枝上枝”阀组布站方案。

2.4 柿庄南枣园煤层气田采集气管道材质的优选（见图6）

煤层气井产出的煤层气节流后的压力为0.35 MPa（最大0.5MPa）、温度≤20℃，因此，合理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管道和钢质管道在技术上均是可行的。因此，我们在经济上对PE管道与钢质管道综合造价进行了对比。从PE管与钢管管道投资对比图（图6）中可以看到，当公称直径大于350mm时，PE管道的安装费大于钢质管道；当公称直径大于150mm时，PE管道的主材费开始大于钢质管道；而从总体投资上来看，当公称直径小于250 mm时，PE管道的总投资要明显小于钢质管道。因本工程采气管道规格为DN63mm，集气管道为DN160mm，所以经优选，确定采气、集气管道均选用PE管。

3 柿庄南枣园煤层气环形集输系统优势分析

3.1 投资省、见效快

“枝上枝”阀组布站的环形集输系统可充分利用原有集输系统，减少了不必要的浪费。此外同传统方案相比，在完成同样生产规模任务的条件下，节省投资，可以大幅度提高煤层气田的建设速度。

3.2 减少集气站数量，便于管理

操作管理人员均集中在增压站内，集气阀组同采气井口只采取定期巡检的方式，大大减少了分散的操作管理人员的数量，而且生活设施集中一处设置，极大地简化了生产和日常生活管理工作，人工成本大大降低。

3.3 设备集中，便于管理与维护

“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”的设备集中设置在集中增压站一处，几乎可以成倍地减少大型设备数量，方便管理，尤其是大型设备如煤层气压缩机组的维修，专业维修队伍可只在一处就完成全部维修工作，而不需要四处奔波于各集气站之间，减少了维修成本，提高了维修速度，保证了生产的高效安全运行。

3.4 煤层气田建设十分灵活

图6 管材投资对比

“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”的最大优点是建设灵活。它可以很好地适应煤层气田滚动开发的特点。被称之为“树干”的集中增压站和输气管道建成后，“树枝”的阀组和采气井口，可随时根据钻井、完井工作的进度进行地面建设，完全可以实现完成一个阀组投产一个阀组，真正实现了在丝毫不影响正常生产运行的情况下不断扩大生产规模、提高整个煤层气田产量的目的。

3.5 节能

能耗低是“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”的另一特点。分散增压布站方案的每个站均需设置压缩机，为满足压缩机平稳运行要求，压缩机的流量范围只能在80%～120%之间波动，煤层气井不可能大批量地一次建成投产，往往是建设一口投产一口，尤其是在投产初期，无法满足压缩机稳定流量的要求，因此只能通过打循环来满足压缩机运行要求，这势必增加压缩机的动力消耗，而且建站就需要有操作人员，就必须上相应的配套设施，消耗一定的水、电等，也增加了能耗。“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”是将整个产气区的煤层气集中增压，可以通过调整增压站内压缩机运行的数量来满足煤层气田初期和集气支线流量的变化，而保持单台压缩机流量的稳定，保证设备的高效运行，避免了由于打回流而增加能耗。

3.6 环保

“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”只建设一个站，因此占地比分散增压布站方案明显减少，对自然环境的破坏也随之大大减小，符合国家保护土地资源的要求，同时由于操作人员的减少，也减少了由于人员生活等对周围环境的影响。

3.7 减少占地

“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”的1个阀组占地平均为15m×12m，合计占地0.13万m2；如采用分散增压布站，1座增压站占地约60m×50m，7座增压站合计2.1万m2，“集中增压‘枝上枝’阀组布站方案”同分散增压布站方案相比减少占地1.97万m2，减少投资约207万元。

3.8 易于推广，具有较好的应用前景

目前，柿庄南枣园煤层气田现有的CNG站由于安全许可证和交通等原因一直停运。新建CNG站势在必行。此外，该煤层气田开发规模的不断扩大，也导致气源外输成了问题。而“枝上枝”阀组布站的环形集输系统可充分满足该气田以后的改扩建要求，且阀组复制性强。该技术已在具有“低孔（8.95%）、低渗（0.73m d）、低产（1万～3万m3/d）、低丰度（1.3亿m3/km2）、低饱和度（50%～60%）、低压（28 MPa）”六低特征的苏里格气田和山西沁南煤层气端郑采气区地面建设工程中得到成功的应用。

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