張亞慶 路興祿 羅 陽

(中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 062552)

1 概述

煤層氣屬于非均質(zhì)極強的低滲透氣藏，儲層之間連通性差，地質(zhì)情況復(fù)雜，有效儲層難以預(yù)測，具有低滲透、低壓、低豐度的“三低”特點，導(dǎo)致單井產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差、氣井壽命周期短、單位產(chǎn)能建井?dāng)?shù)多，且煤層氣田的建設(shè)大多采用整體部署、分期建設(shè)、滾動開發(fā)的方式，這些因素均導(dǎo)致地面工程投資壓力較大。因此橇裝化、模塊化的建設(shè)方式非常適合煤層氣田開發(fā)的需要。

本論文結(jié)合沁水煤層氣田馬必東4億方產(chǎn)能建設(shè)地面工程(以下簡稱“馬必4億方”)，對橇裝化、模塊化在煤層氣田地面工程上的應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹。

2 傳統(tǒng)建設(shè)與模塊化建設(shè)方式的區(qū)別

模塊化建設(shè)模式可以定義為：在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)工藝流程和總平面布置圖等，將站場設(shè)施按功能、單元或區(qū)域分解為若干模塊，根據(jù)其功能、安裝要求開展模塊設(shè)計，通過對模塊進(jìn)行定位拼接完成站場設(shè)計。依據(jù)設(shè)計模塊，預(yù)制單位可在不同地點的預(yù)制工廠分別對模塊進(jìn)行預(yù)制，再經(jīng)包裝后運輸至建設(shè)現(xiàn)場進(jìn)行組裝。

2.1 設(shè)計層面

模塊化建設(shè)模式下，設(shè)計是工程建設(shè)的靈魂，是模塊化得以實施的關(guān)鍵。模塊化設(shè)計過程中，首先須要理解工藝流程，具備模塊化意識及建模專業(yè)技術(shù)，了解模塊的預(yù)制、組裝、拆分、包裝、運輸和吊裝過程；其次，要考慮模塊的包裝、安裝方法，計算特殊受力情況；再次，還需考慮模塊的尺寸、重量以及與施工、運輸?shù)拿芮信浜系?。要達(dá)到模塊化的最佳預(yù)期效果，確保模塊在安裝過程中簡單易行、減少現(xiàn)場安裝工作量，這些都對設(shè)計人員提出了很高的要求。

2.2 施工層面

傳統(tǒng)建設(shè)模式下，所有施工作業(yè)全部在現(xiàn)場完成，現(xiàn)場作業(yè)點、交叉作業(yè)面多，存在較大的安全風(fēng)險；且現(xiàn)場配套設(shè)施多不完善，自動化機具缺乏，主要以手工電弧焊為主，導(dǎo)致焊縫一次成型率低、焊縫外觀較差、焊接質(zhì)量相對較低，焊縫一次合格率約93%。

模塊化建設(shè)模式作為一種工廠預(yù)制最大化、項目現(xiàn)場施工最小化的建設(shè)模式，實施過程中大量的工程建造在制造廠中進(jìn)行，待模塊組裝完成后運至項目現(xiàn)場，大大的縮短了項目現(xiàn)場安裝時間和現(xiàn)場各工種同時交叉作業(yè)的時間，降低了現(xiàn)場建造工人在危險環(huán)境的作業(yè)時間和項目運行風(fēng)險。

模塊化制造廠配備自動化設(shè)施、管道及鋼結(jié)構(gòu)，在自動化設(shè)施的協(xié)助下，完成下料、組隊、預(yù)制焊接、無損檢測、熱處理等步驟，管道及鋼結(jié)構(gòu)的焊縫成型率高，外觀完好，焊縫一次合格率可達(dá)98.7%，焊縫的整體質(zhì)量水平明顯提高，減少了現(xiàn)場焊接的返工量。

模塊化建設(shè)將工藝安裝、土建、調(diào)試等工序進(jìn)行深度交叉，在現(xiàn)場土建施工的同時，預(yù)制工廠內(nèi)可以進(jìn)行橇塊的加工。土建施工完畢后，即可將制造、檢測好的預(yù)制模塊運往現(xiàn)場進(jìn)行組裝，迅速完成現(xiàn)場施工作業(yè)(圖1)。

圖1 模塊化建設(shè)模式和傳統(tǒng)建設(shè)模式的工程建設(shè)進(jìn)度對比

3 模塊化建設(shè)基礎(chǔ)

3.1 站場工藝

以馬必4億方為例，由于煤層氣處理依托已建中央處理廠，所以工藝系統(tǒng)僅包括井場、集氣站。

井場工藝系統(tǒng)功能單一，通常采用排水降壓采氣工藝，煤層氣通過采氣樹套管，經(jīng)計量后進(jìn)入采氣管線。對于多井式叢式井場，各井口采出氣分別計量后，進(jìn)入井場匯管，再通過采氣管線統(tǒng)一外輸。

各井場采出的煤層氣經(jīng)采氣管道進(jìn)入集氣站，通過分離、壓縮、計量后出站。同時根據(jù)下游用戶的氣質(zhì)要求及下游站場的處理設(shè)備情況，分為濕氣輸送和干氣輸送。對于濕氣輸送，集氣站設(shè)置清管裝置； 采用干氣輸送方式， 則需在集氣站設(shè)置脫水裝置。

3.2 劃分原則

從工藝角度出發(fā)，對于工藝較復(fù)雜的站場，如集氣站或中央處理廠等，一般按不同功能區(qū)塊進(jìn)行優(yōu)化分解，確定各接口關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而將站場按專業(yè)功能劃分為不同的系統(tǒng)模塊；對于工藝較簡單的站場，如井場和閥組，可將站內(nèi)所有工藝設(shè)備整合至一個模塊上。

同時要考慮模塊建造、拆分、運輸和復(fù)裝的可行性，特別是汽車運輸能力的限制。在汽車運輸過程中，單體模塊的長度取決于道路的轉(zhuǎn)彎半徑，寬度取決于收費站路口的寬度，高度取決于涵洞、隧道、電線、跨越管道等的高度。汽車運輸?shù)某叽缦拗萍墑e可以分為三級，見表1所示。

A類尺寸極限范圍內(nèi)的單體模塊或集裝箱可以正常運輸，B類尺寸極限范圍內(nèi)的單體模塊或集裝箱需要辦理運輸許可證，且一般在夜間運輸，C類超大型模塊的運輸需要提前勘察運輸線路是否滿足運輸條件，在滿足運輸條件的情況下，還需要辦理運輸許可，并向道路運輸管理部門申請護(hù)衛(wèi)。

表1 汽車運輸極限尺寸分級

在劃分模塊時，應(yīng)盡可能使單體模塊的尺寸符合A、B類尺寸范圍；如果個別單體模塊的尺寸在C類尺寸范圍時，需要提前聯(lián)系采購、物流等部門，并勘察、優(yōu)選運輸路線；若道路運輸條件不符合要求，則需要重新考慮模塊的劃分。

3.3 模塊劃分

以馬必4億方為例，根據(jù)上述劃分原則將站場不同功能區(qū)域進(jìn)行模塊劃分：

井場工藝系統(tǒng)功能單一，將各井場計量閥組及井場匯管、出站閥組作為一個模塊。

集氣站工藝系統(tǒng)按照功能可劃分為進(jìn)站管匯區(qū)、壓縮機區(qū)、計量區(qū)、清管外輸區(qū)。將不同分區(qū)設(shè)備進(jìn)行模塊化、橇裝化，以 “重復(fù)利用率高、占地面積小、方便操作、利于維護(hù)”為原則，將進(jìn)站管匯區(qū)與計量區(qū)合并為一個模塊，壓縮機區(qū)和清管外輸區(qū)分別作為一個模塊。

3.4 工藝模塊預(yù)制

根據(jù)模塊化原則將工藝流程進(jìn)行劃分后，采用橇裝化、組合化相結(jié)合的方式對工藝模塊進(jìn)行預(yù)制。模塊預(yù)制原則如下：

(1)功能相對獨立的小型設(shè)備遵循“功能合并”的原則，采用橇裝化設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全。

(2)進(jìn)站、出站區(qū)等重量輕，焊接點多、重復(fù)安裝的采用工廠預(yù)制。

(3)重量和體積較大，配管安裝較簡單的設(shè)備，按照“提前預(yù)制，現(xiàn)場組裝”的準(zhǔn)則，對其接口、安裝等進(jìn)行全面的定型要求。

3.5 橇裝成果

以馬必4億方為例，井場及集氣站的典型工藝橇裝如圖2所示。

圖2 井場計量橇安裝示意圖

井場計量橇上集成了計量閥組及放空、排污管線，以兩個一組的型式布置，節(jié)約占地的同時也方便檢修，適用于生產(chǎn)周期較短的氣井井場(圖3)。

圖3 進(jìn)站管匯計量模塊、壓縮模塊、清管模塊安裝示意圖

進(jìn)站管匯計量橇上集成了進(jìn)站閥組、計量閥組及相應(yīng)的放空、排污管線，相當(dāng)于將進(jìn)站去功能與計量區(qū)功能進(jìn)行組合；清管模塊上集成了收發(fā)球筒及配套的旁通管線、放空排污管線，適用于小型化集氣站。

同時將本工程的建筑物均選用集裝箱式房，配套的35kV變電站也采用橇裝設(shè)計(圖4)。

圖4 集裝箱式房、橇裝35kV變電站示意圖

4 模塊的建造與施工

設(shè)計單位完成橇塊的劃分和設(shè)計圖紙后，由成橇商在廠房內(nèi)完成加工制造，進(jìn)行預(yù)組裝及初步調(diào)試，再通過海運或公路、鐵路運輸，將模塊運送到現(xiàn)場進(jìn)行安裝、調(diào)試并投產(chǎn)運行。主要有建造、調(diào)試、拆分、包裝、運輸、復(fù)裝等過程。

4.1 模塊的拆分

模塊的拆分主要包括兩個方面：鋼結(jié)構(gòu)的拆分和管道的拆分。

模塊間豎向連接節(jié)點采用高強螺栓等強連接，具有定位準(zhǔn)確、連接可靠、施工迅速的特點，較焊接連接具有極大的優(yōu)勢，是模塊間豎向連接采用的連接方式。

管道的拆分比較靈活，法蘭連接和預(yù)留焊口的情況都可以，需要考慮成本及方案的可行性。拆分時應(yīng)充分利用原有法蘭，或在上下層原有法蘭處進(jìn)行拆分或在模塊最近焊口處加拆分法蘭。模塊拆分方案確定后，需要在拆分方案基礎(chǔ)上，確定各橇間各橇塊之間管道的預(yù)留口位置和連接形式。預(yù)留接口的總體原則是宜留直口，留下不留上，宜留小口、長口。預(yù)留口的連接采用以下方式：

(1)盡量在橇塊的接口法蘭處進(jìn)行拆分；部分伸出橇外管線，隨橇裝卸運輸；

(2)部分無法依據(jù)以上原則拆分的焊口，在橇內(nèi)外連接處的最近焊口處斷開，現(xiàn)場焊接直管段；

(3)直穿兩個橇的管線， 在橇分界處加法蘭對。

4.2 模塊包裝及吊裝

通常施工現(xiàn)場距離工廠較遠(yuǎn)，橇塊運輸時中要經(jīng)過多次吊裝，還要考慮不同運輸方式對物件尺寸、重量的要求，這種情況下對包裝設(shè)計要求較高。另一方面，由于工期的原因，橇塊預(yù)制完成后留給包裝和吊裝設(shè)計的時間很少，吊裝設(shè)計還包括包裝前吊裝和包裝后吊裝。對大型橇塊，利用準(zhǔn)確、快捷的設(shè)計方法和設(shè)計軟件很重要，既能加快業(yè)主審核進(jìn)程，也能提高效率和減少失誤。

由于馬必4億方工程未涉及大型橇塊，此處借用其他工程經(jīng)驗進(jìn)行相關(guān)介紹。如應(yīng)用于某國外油田地面工程的橇塊，重約40t，長寬高均為13600mm×4300mm×6100mm。由于該橇塊要運輸?shù)胶Ｍ猓绻珠_運輸，現(xiàn)場再組裝，將極大的增加用工成本。而且運輸距離和周期均較長，且經(jīng)過高溫、高濕的海洋運輸，過程中要進(jìn)行多次裝卸，所以決定采用整體包裝、整體運輸?shù)姆桨?，使用包裝、吊裝一體化的鐵木箱框架結(jié)構(gòu)，包裝箱底部增加輔助底座與吊裝框架結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行整體包裝，利用包裝框架進(jìn)行吊裝(圖5)。

通過強度及受力計算，做好防雨和防潮處理后，得出設(shè)計完畢后的包裝箱尺寸為14000mm×5000mm×6900mm，包裝箱與橇的總重量約48t。

圖5 大型橇塊吊裝模型

4.3 模塊化施工

按照施工現(xiàn)場工序銜接，拉運到施工現(xiàn)場的預(yù)制橇塊最好直接吊裝就位，減少現(xiàn)場二次倒運對預(yù)制橇塊可能造成的變形或損毀。大型預(yù)制橇塊對現(xiàn)場吊裝技術(shù)提出較高要求，需根據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)要求，執(zhí)行詳細(xì)的吊裝運輸方案，同時進(jìn)行必要的風(fēng)險識別，在安全措施完全到位的前提下，再開始現(xiàn)場組裝，從而保證模塊化施工順利進(jìn)行。