王荧光
( 中油辽河工程有限公司 辽宁盘锦 124010)
摘 要: 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。如继续沿用传统技术和石油天然气工程相关标准，将无法大幅度降低工程投资、减少操作成本、节省土地，无法实现煤层气田的效益开发。根据煤层气田集输工艺特点，坚持地面与地下充分结合的原则，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。并从集输半径、压缩机的选型、管材的选择、节能和水力学等方面进行了研究。结果表明新技术的应用极大地改善了流体流动环境，简化了流程。
关键词: 煤层气 地面集输 低压 低产 低渗 节能
基金项目: 国家科技重大专项项目 39 ( 20092 ×05039) 资助。国家高技术发展项目 “沁南煤层气开发利用高技术产业化示范工程”资助。
作者简介: 王荧光，男，工程师，2005 年毕业于辽宁石油化工大学，化学工程与工艺专业，硕士学位，现主要从事石油天然气工程设计及研究工作。地址: ( 124010) 辽宁省盘锦市兴隆台区石油大街 93 号。电话: ( 0427)7806753，15842701850; E mail: wangyingguang7@ 126. com.
Ground Gathering and Transportation Technology of Coal bed Methane ( CBM)
WANG Yingguang
( PetroChina Liaohe Petroleum Engineering Co. ，Ltd. ，Panjin 124010，Liaoning ，China)
Abstract: Exploitation and construction of CBM field has just started up stage in china. Neither specification nor successful experience can be learnt for design of CBM field yet. It is inevitable that copying indiscriminately the Petrleum Industial Standards leads to increase project investment，which Lowers the whole economic benefit of the CBM field. Technologies of independent Innovation are formed in Panhe CBM field in the South Qinshui basin in accordance with the characteristics of low yield，low pressure，low permeability，relative complicated topography and large height difference，etc. The main contribution includes the following aspects: diamond well spacing，run- ning in tandem between two wells，simple measurement at valve block，gas collection under low pressure，cent ral- ized turbocharged，which is called“multi branch manifold”disposal station to own its special ground const ruc- tion style. The new technology is character by low investment，quick results，convenient for managing and maintai- ning，fewer operators ＆ equipments and less energy consumed，active organization，environmental protection and less land occupation，etc.
Keywords: coal bed methane，ground gathering and transportation，low pressure，low production，low per- meability，energy saving
引言
我国油气资源短缺，2010年中国天然气供需缺口达到(210～250)×108m3，而成分、热值与常规天然气相似，且资源丰富的煤层气自然是目前最现实的天然气接替资源。目前，煤层气地面已实现大规模商业化开采的国家仅为美国和加拿大，其中美国是煤层气商业化开发最为成功、煤层气产量最高的国家。我国由于煤层气田“低产、低压、低渗”和地区地形复杂，相对高差较大的地势特点，如继续沿用传统的集输技术，将无法实现煤层气田的效益开发，减慢了我国煤层气产业进入实质性商业化生产的进程。所有这一切，都说明，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，就必须研究出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。因此根据国内煤层气资源和开发情况，以实现大幅度降低煤层气田地面建设工程投资、减少操作成本、节省土地和煤层气田的效益开发为目标。通过对煤层气田集输工艺特点的详尽分析，坚持地面与地下充分结合的原则，紧紧围绕煤层气集输工艺技术开展大量的创新、研究、比选等工程技术攻关工作，研究出了一套先进合理、经济适用并符合我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。新技术突破了从我国解放到现在的60多年间标准规范中一直规定的采气管道长度不宜大于5km的限制，极大地降低了投资、能耗和操作复杂程度，多项指标均处于国际先进水平。
1 煤层气地面集输工艺新技术
1.1 “枝上枝'阀组布站'”工艺技术的原理［1］
图1“枝上枝'阀组布站'”工艺技术原理图
1.1 “枝上枝'阀组布站'”工艺技术的原理［1］
“枝上枝'阀组布站'”工艺技术(图1)是对传统的布站技术的挑战，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。新技术与传统技术之间的本质区别在于:传统技术是用一个站(有值班间、仪表、电气、设备、门卫、维修、围墙及大门等有人值守的站)，把10～20口采气管道汇集在一起;新技术是用一个阀组(通常位于采气井口周边，相当于一个普通管件)把大量的采气管道汇集在一起，理论上讲，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，最重要的是极大地简化了流程和投资。
1.2 “枝上枝'阀组布站'”工艺技术的理论验证
1.2.1 按允许压降计算出的采气半径
采用国内公认的《油气集输设计规范》中规定使用的威莫斯(Weymouth)公式，根据实际压降计算得:“枝上枝”阀组布站中采气井口至阀组部分长度8.3km，阀组至集气站23.5km，采气管道总长31.8km;传统布站中采气管道总长11.3km(图2)。
图2 不同布站方式采气半径计算示意图
1.2.2 “枝上枝”阀组布站采气半径较传统布站方式增加的原因分析
(1)阀组布站与传统分散增压布站非共有管段的采气管道长度之比Y/Z的理论推导。管道共有段根据《油气集输设计规范》的威莫斯(Weymouth)公式:
中国煤层气技术进展: 2011 年煤层气学术研讨会论文集
将其两侧平方并变形得到如下公式:
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在本计算中两种布站方法管道共有段的5033.112(P12－P22)/△ZT可看成常数，因此根据实际计算数据得“枝上枝”阀组布站(d8/3)1/传统布站(d8/3)2为
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“枝上枝”阀组布站(1/qv)1/传统布站(1/qv)2得
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最后得［(d8/3/qv)1/(d8/3/qv)2］2=(35.63/12)2=8.8，即Y/Z=8.8。
(2)“枝上枝”阀组布站阀组至集气增压站采气管道长度与共有段采气管道长度之比Y/X的理论推导。
管道共有段根据《油气集输设计规范》的威莫斯(Weymouth)公式:
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将其两侧平方并变形得到如下公式:
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在本计算中取决于(d8/3/qv)2与(P12－P22)/T。将实际数据带入得
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得Y/X=3.3
解方程组:
图3“枝上枝”阀组布站与传统分散增压布站采气半径计算示意图
Y/X=3.3，Y/Z=8.8得(X+Y)/(X+Z)=3.13
即“枝上枝”阀组布站采气管道长度是传统分散增压采气管道长度的3.13倍。
(3)“枝上枝”阀组布站与传统的集中增压布站之间的比较。
图4“枝上枝”阀组布站与传统集中增压布站采气半径计算示意图
管道共有段根据《油气集输设计规范》的威莫斯(Weymouth)公式:
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将其两侧平方并变形得到如下公式:
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在本计算中取决于(d8/3/qv)2与(P12－P22)/T。将实际数据带入得
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得Y/X=3.3。
则得(Y+X)/X=4.3，即“枝上枝”阀组布站采气管道长度是传统集中增压采气管道长度的4.3倍。
1.3 “枝上枝”阀组布站工艺技术的创新点
(1)新技术极大地简化了流程。与传统的三级布站或二级布站相比，一步简化成一级布站;
(2)由节点技术取代了集气计量站，使得工艺得到实质性的简化，取消了所有建筑、容器设备、值班人员，阀组占地小于井口占地，投资得到大幅度降低，新技术与传统技术相比投资降低了55%;
(3)采气半径由规范规定的小于5km，延长到3倍以上，不仅进一步简化了采集气系统，投资得到进一步降低，而且产能规模成倍扩大;
(4)新技术使气田能耗仅为5431.56MJ/104m3，远低于国内6949MJ/104m3能耗先进指标;
(5)新技术使气田占地面积由67.8亩减少到42.3亩，减幅达37.6%;
(6)操作人员由63人减少到21人，减幅达66.7%。
1.4 井口集输工艺
煤层气井采用排水降压采气工艺(图5)，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。
图5 井口采气原理示意图
1.5 集气阀组工艺
由于目前煤层气中含水量很少，故阀组不设分离器，既节约了占地又节省了投资。
井口来的煤层气到达集气阀组后压力为0.15MPa(G)，进入集气阀组的生产汇管，经总计量后进入集气管道;在集气阀组设置单井轮换计量，可以根据需要轮换计量每口井的产气量。每口井的采气管道在集气阀组都有放空流程，当采气管道检修时，打开放空阀，进入放空汇管，经放空管排入大气;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。生产阀组汇管上设有安全阀，当采、集气管道压力达到0.4MPa(G)安全阀起跳，将超压部分气体排放至放空管(图6)。
图6 阀组工艺原理示意图
1.6 集中增压站工艺
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、出站煤层气管道上设有温度、压力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。在集气站的外输管道上设有流量计量装置，煤层气的外输气量进入仪表间的过程控制系统，进行检测、显示。在压缩机的进、出口分离器设有液位计及液体自动排污装置，进入仪表间的过程控制系统，进行检测、显示(图7)。
图7 集气增压站工艺流程示意图
2 煤层气田地面集输其他配套技术
2.1 互换式烟气节能转换技术研究［2］
对燃气发电机的废热利用是通过烟气采集、废热锅炉换热，再配以驱动泵，让水在换热系统中循环来吸收烟气热能这一途径来达到废热利用的目的。完成换热后的热水或者水蒸汽用来采暖或者做功，其实质就是提高燃气的利用率，以达到节约燃气的目的。
互换式烟气节能转换系统主要由两部分组成。第一，采热装置:热交换器。第二，动力设备:循环水驱动泵(如果集气站比较大，可增设能量转换装置，如蒸汽发电机及乏汽回收装置冷凝塔)。将上述设备利用管路连接，循环水在其间循环流动，构成废热利用系统。完成热交换后的烟气还可以送入吸收式空调(溴化锂空调)，完成供暖或制冷。
发动机烟气和循环水同时通过热交换器，进行热交换，达到温度要求后的循环水在动力泵的作用下进入循环，提供采暖和生活用水，在水源缺乏的地区，废水回收处理后可进入系统进行循环利用。换热器内设有换热管，水在换热管内循环，发动机排放的烟气通过换热管间隙，在对流过程中完成换热，对烟气的热能进行利用。
2.2 煤层气增压设备的优选［2］
压缩机的种类有很多、分类的方法各异，按工作原理的不同可分为两大类:容积式压缩机和速度式压缩机。在容积式压缩机中，气体压力的提高是由于压缩过程中气体的体积密度增加所造成的;而速度型压缩机是先使气体在动力作用下达到很高的速度(动能)，然后在扩散器中急剧降速，使气体的动能转化为压力能(势能)，提高被压缩气体的动力。在煤层气矿场集输中，一般经常采用的是容积型的往复式压缩机或速度型的离心式压缩机。
2.2.1 压缩机的比较
从表1可以看出，往复式压缩机与离心式压缩机相比，其特点为:
(1)压力适用范围广:从低压到超高压都可适用，目前工业上使用到350MPa，实验室中使用的压力更高。
(2)效率高:由于活塞两侧高、低压流体间的密封性好，往复式压缩机的效率比离心式压缩机高得多。
(3)适应性强:往复式压缩机的排气量可在大范围内变动，气体的密度变化对压缩机工作的影响不如速度型的显著，对负荷变动和气质变化的适应能力都强。
目前煤层气矿场增压的处理量小，压比波动幅度大，因此多采用往复式压缩机。为了适应矿场的实际工作环境的条件，以天然气为燃料，由燃气发动机提供的一体化活塞式压缩机组在矿场增压中得到了广泛应用。
表1 压缩机优缺点对比表
2.2.2 压缩机原动机的比较
在煤层气田上使用的往复式压缩机，以燃气发动机和电动机为驱动力为宜。
最终采取何种驱动方式应作技术经济对比后才能确定。方案对比应包括设备自身投资、供电线路投资、管理方便等方面。如果外供电条件好，应优先选用电机驱动，电机驱动具有操作简单、管理方便的优点。燃气驱动更适用于无外供电条件或外供电条件差的情况(表2)。
表2 压缩机机驱动方式综合对比表
2.3 管道材质的选用［3］
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。
2.4 水力学计算的优化选择
(1)根据大量研究数据发现，由于油气集输设计规范(GB503502005)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。同时，由于管道使用一段时间后，其粗糙度较新管道越来越大，计算结果也会较符合实际情况。
(2)对于计算软件，PIPELINESTUDIO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是专业进算管道压降，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。
(3)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。
3 煤层地面集输工艺技术的应用效果
3.1 应用情况
“枝上枝'阀组布站'”工艺技术已应用推广到我国两大煤层气产业基地建设中，如:沁南煤层气开发高技术产业化示范工程、山西沁水盆地南部煤层气直井开发示范工程、山西柿庄南项目2011年集输系统、柿庄南区块总体开发规划、鄂东气田韩城区块5亿产能建设工程、韩城市煤层气集输工程(二期)。推广速度较快，推广范围较大。其中“十一五”期间国家重大科技专项示范工程项目———沁南煤层气开发高技术产业化示范工程于2009年9月28日全部建成，一次投产成功，年创收入1.6亿元，经济效益显著。通过实际生产运行，各项参数均表明:该工程所采用的“多点接入，柔性集输”地面集输工艺技术已达到国际水平，为国内今后煤层气田的大规模开发提供了良好的经验，同时也对大型天然气气田的开发建设有着十分重要的指导意义。
3.2 经济效益
沁南煤层气开发高技术产业化示范工程及韩城市煤层气集输工程(二期)分别于2009年和2010年建成投产。沁南煤层气开发高技术产业化示范工程年创收入1.6亿元，应用新技术后，节省工程投资1.97亿元，使建设工期提前了6个月，提前投产带来的销售收入达0.8亿元。韩城市煤层气集输工程(二期)应用新技术后节省工程投资0.08亿元，使建设工期提前了3个月，提前投产带来的销售收入达0.063亿元。
4 结论
煤层气“枝上枝'阀组布站'”工艺技术地面技术工艺技术就在经济和社会效益中取得如此成效，其技术优势特别明显［4］，为煤层气田实现规模化开发提供了技术保障，在具有明显的经济效益的同时，具有显著的社会效益。此外，煤层气田及页岩气田在我国属于刚刚起步阶段。煤层气田资源总量约为31.46×1012m3，与陆上常规天然气资源量相当;页岩气田在我国分布广泛，总资源量可达100×1012m3，相当于天然气储量的3倍。“枝上枝'阀组布站'”工艺技术完全可以在上述各类气田开发建设中发挥作用，应用前景十分广阔。
参考文献
［1］裴红，刘文伟.2010.“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，石油规划设计，21(2)，12～15
［2］王荧光，裴红，刘文伟等.2010.煤层气田地面集输技术研究.辽宁:中油辽河工程有限公司(研究报告)
［3］裴红，刘文伟.2008.煤层气集输工程设计思想及在潘河项目中的实践.北京:2008年煤层气学术研讨会论文集
［4］王荧光.2009.苏里格气田苏10井区地面建设优化方案，天然气工业，29(4)，89～92