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

沁水盆地南部樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化與思考

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

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)?；⑸虡I(yè)化、數(shù)字化的煤層氣田，該氣田邊試驗、邊開發(fā)、邊建設的發(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應用三甘醇脫水技術；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、壓縮機的適應性問題、濕氣計量問題、山區(qū)電力線路與采氣管線的敷設問題、地理信息系統(tǒng)建設問題、采氣半徑與集氣站數(shù)量的關系問題、煤層氣田標準化設計及模塊化建設問題、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，并給出了相應的建議。

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)能建設目標為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)能建設完成，我國第一個規(guī)模化開發(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。

圖1 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，地形條件異常復雜，氣田開發(fā)建設條件差。

2）單井產(chǎn)量低，井口壓力低，氣田單位產(chǎn)能建井數(shù)增多，投資控制難度增大。

3）初期單井產(chǎn)水較多，水型以Na HCO3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”的煤層氣地面建設新模式［1－3］。

2.1 簡化低壓集氣工藝

在工程建設過程中，根據(jù)對煤層地質(zhì)構(gòu)造及煤層氣富集規(guī)律認識的不斷深化，適當調(diào)整了井位部署。地面集輸工藝建設采用串接形式，做出了優(yōu)化減少3座集氣站建設的決定，節(jié)約了建設投資。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。

圖2 樊莊區(qū)塊煤層氣田集氣站的工藝流程圖

2.2 成功應用非金屬管材

根據(jù)鋼管與PE管綜合投資對比，管道內(nèi)徑200 mm是臨界值，小于200 mm時PE管材投資低，大于200 mm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］。

圖3 樊莊區(qū)塊煤層氣田天然氣中央處理廠的工藝流程圖

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)的適應性。圖4為井間枝上枝串接工藝流程簡圖。

圖4 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，這決定了部分集氣站投產(chǎn)初期氣量不能滿足壓縮機最低起輸量的要求，為此，在集輸工藝上采取了上游集氣站和下游集氣站的高、低壓進出口互聯(lián)的辦法，當上、下游集氣站所轄井氣量不足時，上游集氣站氣量低壓集輸至下游集氣站，滿足下游集氣站的運行；當上、下游集氣站滿足壓縮機最低起輸量時，上游集氣站可直接跨越下游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)絡技術的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。采氣井場設置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，達到了提高效益的目的。

2.6 應用三甘醇脫水技術

首次在煤層氣領域較大規(guī)模地應用三甘醇脫水技術，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?/p>

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)?；廨敚欣谫Y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投資比預期降低了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，為其他煤層氣田的建設提供了經(jīng)驗，但也暴露了一些問題，值得在今后的建設中共同探討。

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，當時認為其在管道內(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攻關。

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)設計之初對這個問題認識不夠，集氣站沒有設計過濾裝置，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。

3.3 壓縮機的適應性問題

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（體積分數(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。井口除了排采設備用電外，還有自動化采集傳輸設備用電，電器元件受雷擊損壞比較嚴重。山區(qū)電力線路架設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)省建設投資，建議380 V電力線路與采氣管線同溝敷設，或采用同溝敷設與架空敷設相結(jié)合的方式，減少雷擊概率，節(jié)約建設投資。

3.6 地理信息系統(tǒng)建設問題

沁水盆地地南部處山區(qū)和林區(qū)，自然環(huán)境復雜，在此進行煤層氣開發(fā)建設存在許多潛在的風險。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，管溝標示樁極易被掩埋或沖倒；河道內(nèi)情況更為復雜，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)建設需要認真考慮的現(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。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10 km以內(nèi)，流速不小于5 m／s為宜。

3.8 煤層氣田標準化設計、模塊化建設問題

借鑒中國石油長慶油田公司在蘇里格氣田的建設經(jīng)驗，煤層氣田的建設也具備采用標準化設計、模塊化建設的條件。可通過統(tǒng)一工藝流程、統(tǒng)一設備選型、統(tǒng)一建設標準和統(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)標準化設計思路，可提前對站場的設備和材料進行規(guī)?；少?，方便預制和組配，從而加快煤層氣田的建設速度，保證工程建設的優(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116 h。而一旦壓縮機故障停機、檢修，就會造成采氣管網(wǎng)憋壓，嚴重影響單井產(chǎn)氣量。為有效解決此問題，建議在今后的生產(chǎn)建設中采取以下措施：①增加移動式增壓機組，各集氣站預留工藝快速接頭和電力配套設施；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。

［1］王紅霞，劉祎，王登海，等.沁水盆地煤層氣地面工藝技術［J］.天然氣工業(yè)，2008，28（3）：109－110.

［2］薛崗，許茜，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：87－90.

［3］許茜，薛崗，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊采氣管網(wǎng)的優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：91－93.

［4］王紅霞，陶永.非金屬管道在煤層氣氣田工程中的應用［J］.中國煤層氣，2009，6（2）：35－37.

［5］廖曉蓉，孟慶華，楊宇，等.新場氣田運用高低壓分輸技術提高氣田采收率［J］.天然氣與石油，2003，21（2）：18－19.

［6］朱天壽，劉祎，周玉英，等.蘇里格氣田數(shù)字化集氣站建設管理模式［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（2）：9－11.

［7］趙勇，王曉榮，王憲文，等.蘇里格氣田地面工藝模式的形成與發(fā)展［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（2）：17－19.

［8］劉燁，巴璽立，劉忠付，等.煤層氣地面工程工藝技術和優(yōu)化分析［J］.石油規(guī)劃設計，2008，19（4）：34－37.

［9］王曉川，康勇，夏彬偉，等.加壓煤層氣集輸管道堵塞分析及防治［J］.煤氣與熱力，2010，30（12）：32－35.

［10］王紅霞，李娜，張璞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊集氣站標準化設計［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：84－86.

Optimization of ground surface gathering and transportation process in the Fanzhuang Block，southern Qinshui Basin

Tian Wei，Chen Hongming，Mei Yonggui，Li Xincai
（Shanxi Coalbed Methane Gas Exploration ＆Development Division，North China Oilfield Company，PetroChina，Jincheng，Shanxi 048000，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 11，pp.30－33，11／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Although without any available reference，the first large－scale，commercial，and digitalized CBM gas field in the Qinshui Basin，Shanxi Province，was successfully built by the PetroChina during the period of the Eleventh Five－Year Plan.However，the production of this field together with pilot tests or being under construction surely brings about problems for the reasonable layout of its ground surface gas gathering and transmission lines.In view of this，according to the characteristics of reservoirs，geological structures，and gas quality and components of this field，theoretical studies and field practices are performed.On this basis，the following optimization measures are presented for the ground construction and surface gas gathering process：（1）to simplify the lowpressure gas gathering process；（2）to smoothly use nonmetallic pipe materials；（3）to adopt the branch－by－branch cascade connection between wells；（4）to directly transport the low－pressure gases to the destination by stepping across some gathering stations；（5）to realize automatic control and digitalized management；（6）to apply the TEG dehydration system；（7）to use integrated filter separators；（8）to perform the centralized CBM treatment and commercial transportation services；（9）to practice low－cost development.Besides，a deep investigation was made into the following problems and the corresponding solutions in the actual production：water accumulation along gas gathering lines，coal ash mixed in the CBM gas，the adaptability of the existing compressors，the metering of wet gas，the laying mode of electric power lines and gas gathering lines in mountainous areas，the construction and use of Geographic Information System（GIS），the relationship between the radius（the distance from the well to the station）and the number of gas gathering stations，the standardized design and modularization of the field，the preparation of spare compressors，and shale gas sale market positioning，etc.This study provides reference for the rapid development of CBM fields in the next Twelfth Five－Year Plan in China.

Qinshui Basin，south，F(xiàn)anzhuang Block，CBM，ground surface gathering and transportation，optimization，discussion，proposal

田煒等.沁水盆地南部樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化與思考.天然氣工業(yè)，2011，31（11）：30－33.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.008

國家科技重大專項“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（編號：2008ZX05061）。

田煒，1970年生，高級工程師；中國石油華北油田煤層氣勘探開發(fā)分公司總工程師，主要從事油氣田地面建設及油田開發(fā)技術研究與管理工作。地址：（048000）山西省晉城市文博路969號。電話：（0356）2286697，15135672188。E－mail：mcq－twei＠petrochina.com.cn

2011－09－14 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.008

Tian Wei，senior engineer，born in 1970，is mainly engaged in research and management of ground surface construction of oil ＆gas fields and development technologies of oil and gas fields.

Add：No.969，Wenbo Rd.，Jincheng，Shanxi 048000，P.R.China

Tel：＋86－356－2286 697 Mobile：＋86－15135672188 E－mail：mcq－twei＠petrochina.com.cn