煤層氣計(jì)量影響因素分析及采取措施的探討

李瑞峰 程星萍 梅永貴 陳勇智

1.中國石油華北油田分公司質(zhì)量安全環(huán)保處（河北任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司山西煤層氣分公司（山西晉城048000）

煤層氣計(jì)量影響因素分析及采取措施的探討

李瑞峰1程星萍1梅永貴2陳勇智2

1.中國石油華北油田分公司質(zhì)量安全環(huán)保處（河北任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司山西煤層氣分公司（山西晉城048000）

對(duì)于石油行業(yè)來講，煤層氣的開發(fā)與生產(chǎn)是一個(gè)新能源領(lǐng)域的嘗試，國內(nèi)尚無規(guī)?；a(chǎn)的成熟經(jīng)驗(yàn)和集輸處理工藝流程，尤其是在煤層氣生產(chǎn)計(jì)量問題上。通過對(duì)華北油田公司正式向西氣東輸主干線進(jìn)行商業(yè)化輸送煤層氣一年多來生產(chǎn)中出現(xiàn)計(jì)量問題的分析和研究，總結(jié)出了計(jì)量準(zhǔn)確性的幾個(gè)方面影響因素，并探討采取相應(yīng)措施，改進(jìn)生產(chǎn)工藝流程的可行性。

煤層氣濕氣計(jì)量影響因素

煤層氣，俗稱煤礦瓦斯，即非正常天然氣。它是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷，甲烷含量一般為90%~99%。每噸褐煤能生成38~50m3煤層氣，無煙煤可生成346~422m3煤層氣。按熱值計(jì)算,甲烷的熱值為33.5~33.7kJ，比1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量還要高。1 000m3標(biāo)準(zhǔn)甲烷相當(dāng)于1t標(biāo)準(zhǔn)煤。

2009年10月，華北油田經(jīng)過短短3年多時(shí)間，在山西沁水盆地建成國內(nèi)第一個(gè)數(shù)字化、規(guī)模化煤層氣田，掌握了煤層氣成藏規(guī)律和產(chǎn)氣機(jī)理，形成了樊莊、鄭莊國內(nèi)第一個(gè)千億立方米規(guī)模儲(chǔ)量區(qū)，實(shí)現(xiàn)煤層氣商業(yè)化運(yùn)營，并依托西氣東輸主干線，在國內(nèi)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)煤層氣大規(guī)模管網(wǎng)外輸。

1 煤層氣領(lǐng)域中濕氣對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確的影響

1.1 濕氣概念

在油氣田上游的開采過程中，大多數(shù)情況下，天然氣的產(chǎn)出總是伴隨著液態(tài)烴、游離水、飽和水蒸汽以及為防止水合物形成人工加入的注劑等。這些油氣田采出的未經(jīng)處理的含有少量凝析水或油、飽和水蒸汽及輕烴類或其他液體的天然氣，在嚴(yán)格意義上講，這種流體應(yīng)屬于兩相流的范圍。但是，在國內(nèi)外的油氣工業(yè)中，通常把含有油、氣、水的兩相流稱為多相流，而濕氣也是這種兩相流或多相流的一個(gè)分支。國際上（如美國、挪威等國）通常將濕氣定義為L(zhǎng)ockhart Martineli數(shù)不大于0.3的天然氣，即：0≤XLM≤0.3。

1.2 油氣田內(nèi)部集輸過程中的天然氣計(jì)量中大多屬于濕氣計(jì)量

對(duì)于凝析氣井、伴生氣井和一些開發(fā)后期的氣井而言，無論采用什么的計(jì)量工藝，即使在計(jì)量前端都配備有分離器，但由于工況條件（壓力、溫度等）的變化、分離器跑油、間斷計(jì)量時(shí)油水在計(jì)量管路中沉積等因素，經(jīng)分離后的氣體中還是不可避免地含有液體。因此，油氣田內(nèi)部集輸中的計(jì)量大多是濕氣計(jì)量，煤層氣中央處理中心進(jìn)行外輸脫水處理前的煤層氣也屬于濕氣。

1.3 濕氣對(duì)計(jì)量器具選型和計(jì)量準(zhǔn)確的影響

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記載，濕氣的計(jì)量與干氣的計(jì)量有很大的不同，采用干氣計(jì)量的計(jì)量器具來計(jì)量濕氣，若未采取處理措施或處理不徹底，所引起的附加誤差會(huì)達(dá)到±15%，一些嚴(yán)重情況下甚至可達(dá)到100%。由于煤層氣的主要采出方式為排水采氣法，煤層氣直接從水中分離，決定了其屬于濕氣計(jì)量領(lǐng)域。

目前國內(nèi)外的濕氣計(jì)量技術(shù)均不夠成熟，國內(nèi)對(duì)濕氣計(jì)量器具的研究尚處于起步階段，據(jù)了解，國內(nèi)僅有中國石油于2009年開始著手對(duì)濕氣計(jì)量問題進(jìn)行專題調(diào)研。因此，提高濕氣計(jì)量技術(shù)水平，保障濕氣計(jì)量準(zhǔn)確可靠，對(duì)煤層氣生產(chǎn)計(jì)量有重要意義，對(duì)國內(nèi)濕氣計(jì)量技術(shù)研究也有很好的指導(dǎo)意義，這方面的工作有待我們做進(jìn)一步探討和研究。

2 影響因素分析

由于目前煤層氣的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)尚無相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，工藝流程和處理設(shè)備均采用天然氣標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，國內(nèi)也沒有規(guī)?；a(chǎn)的成熟經(jīng)驗(yàn)和集輸處理工藝流程，因此造成在天然氣生產(chǎn)中運(yùn)行正常的計(jì)量方式，在煤層氣生產(chǎn)中就出現(xiàn)了很大的差異，如：?jiǎn)尉a(chǎn)計(jì)量誤差大且不穩(wěn)定、內(nèi)部輸差變化大、計(jì)量器具誤差變化無規(guī)律等問題。針對(duì)這些情況，我們進(jìn)行了初步的研究和探討，通過一段時(shí)間實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累和對(duì)現(xiàn)象的分析，我們歸納總結(jié)出了以下幾個(gè)方面影響煤層氣計(jì)量準(zhǔn)確的因素：

2.1 壓力變化對(duì)計(jì)量的影響

由于集氣站壓縮機(jī)和處理中心壓縮機(jī)都有停機(jī)檢修、調(diào)節(jié)排量等操作，使得單井到集氣站采氣管線、集氣站到處理中心的集氣支干線內(nèi)的氣體壓力有所波動(dòng)，對(duì)于一些低壓低產(chǎn)井可能會(huì)出現(xiàn)反注現(xiàn)象，表現(xiàn)為單井流量之和與集氣站流量之和，以及與處理中心進(jìn)站流量之和出現(xiàn)比較大的輸差變化。

2.2 煤層氣中雜質(zhì)對(duì)計(jì)量的影響

由于采出氣中除煤層氣外，還夾雜一定量的煤粉以及輸送管道中殘存的其他顆粒，粒徑比較小，在計(jì)量器具內(nèi)部和主要生產(chǎn)設(shè)備中產(chǎn)生大量的雜質(zhì)附著。目前設(shè)計(jì)的煤層氣處理工藝只考慮了在集氣站過濾5μm以上的顆粒，經(jīng)過處理設(shè)備一年多的運(yùn)行，證明確實(shí)處理掉了5μm以上的絕大部分顆粒，但小粒徑的煤粉依然會(huì)附著在氣體超聲流量計(jì)探頭等計(jì)量器具測(cè)量部件上，影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，需要頻繁擦洗。同時(shí)，由于小于5μm固體顆粒的存在，也加大了壓縮機(jī)缸體等機(jī)械部件的磨損，影響到設(shè)備的安全運(yùn)行

2.3 煤層氣中水分對(duì)計(jì)量的影響

華北油田山西煤層氣分公司采出煤層氣氣體組份如表1。

從表1我們可以看到，原料氣的含水量冬季和夏季分別為0.497 5mol%和0.500 0mol%，根據(jù)國際上通行的LM系數(shù)計(jì)算公式：

式中XLM—LM系數(shù)；

Qml—液體質(zhì)量流量；

Qmg—?dú)怏w質(zhì)量流量；

ρGas—?dú)怏w密度；

ρliquid—液體密度；

Qvl—液體體積流量；

Qvg—?dú)怏w體積流量；

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況數(shù)據(jù)計(jì)算后，其XLM數(shù)雖均小于0.3，在濕氣定義范圍內(nèi)，但季節(jié)引起的變化率已達(dá)到0.5%，因此，在用計(jì)量器具的補(bǔ)償修正參數(shù)需要定期調(diào)整。

2.4 環(huán)境溫度對(duì)計(jì)量的影響

由于山西沁水盆地晝夜溫差較大，冬季夜間氣溫在零度以下，白天氣溫在零上幾度。煤層氣單井濕氣的計(jì)量表現(xiàn)出下半夜和上午產(chǎn)氣量高，下午和上半夜產(chǎn)量低的現(xiàn)象。經(jīng)分析認(rèn)為，未做保溫處理的計(jì)量閥組，在低溫環(huán)境下，濕氣中的水分在速度式流量計(jì)表體內(nèi)壁結(jié)冰，過流面減小，流速增加，表現(xiàn)出產(chǎn)量增加；白天氣溫升高，在流動(dòng)介質(zhì)熱量影響下，表體內(nèi)壁的冰溶化，過流面恢復(fù)，流速降低，表現(xiàn)出產(chǎn)量降低。經(jīng)采取措施后證實(shí)，中等產(chǎn)氣量的單井流量變化明顯，經(jīng)保溫后產(chǎn)氣量比較穩(wěn)定。沁水盆地冬季低溫環(huán)境下，溫度對(duì)煤層氣計(jì)量準(zhǔn)確影響很大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，最大可達(dá)到50%。

表1 華北油田山西煤層氣分公司采出煤層氣氣體組份

3 采取措施探討

針對(duì)以上幾個(gè)方面計(jì)量影響因素的分析和探討，可有針對(duì)性地采取以下處理措施：

（1）生產(chǎn)工藝中增加除濕除雜的流程。對(duì)于煤層氣采出過程中攜帶的水分和雜質(zhì)，目前僅在中央處理中心外輸前進(jìn)行了有效脫水處理，集氣站的氣液分離器目前沒起到有效作用，所有生產(chǎn)工藝中尚無除雜方面的設(shè)計(jì)考慮。我們認(rèn)為，今后的工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮增加相應(yīng)的處理流程，建議增加兩級(jí)處理工藝，即：?jiǎn)尉谶M(jìn)行氣固液的初級(jí)分離處理，集輸站進(jìn)行二級(jí)氣固液分離處理。這樣既可有效減少輸送管網(wǎng)出現(xiàn)液體段塞的幾率，也可大大減小中央處理中心外輸脫水裝置的負(fù)荷，保證脫水的有效性，又能夠減少煤粉等固體雜質(zhì)對(duì)計(jì)量器具準(zhǔn)確性的不利影響，還能夠有效減輕對(duì)壓縮機(jī)缸體等機(jī)械部件的損害，同時(shí)，對(duì)保證單井計(jì)量器具的計(jì)量準(zhǔn)確也大有益處。

（2）選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)量器具。在單井工藝流程采取必要的處理措施前提下，通過對(duì)不同類型流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，篩選出適合現(xiàn)場(chǎng)工況的流量計(jì)。根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，建議單井井口計(jì)量器具可從差壓式和速度式兩種類型計(jì)量器具中選擇，也可探索采用組合式計(jì)量器具的可行性。

（3）對(duì)流量計(jì)采取保溫措施是克服煤層氣計(jì)量器具冬季表體內(nèi)壁結(jié)冰，提高計(jì)量精度的有效措施。針對(duì)這一情況，我們已經(jīng)對(duì)可能結(jié)冰的單井采取了保溫措施，新井建設(shè)進(jìn)行了保溫設(shè)計(jì)，把溫度對(duì)煤層氣單井計(jì)量的影響降到最低。

（4）對(duì)于集氣支干線內(nèi)壓力波動(dòng)，引起低壓低產(chǎn)井出現(xiàn)反注問題，建議可在井口設(shè)計(jì)加裝單流閥，以控制反注現(xiàn)象發(fā)生，減少輸差。

4 結(jié)論

由于目前國內(nèi)對(duì)天然氣的濕氣計(jì)量尚無標(biāo)準(zhǔn)可遵循，煤層氣領(lǐng)域濕氣的計(jì)量問題目前仍處于探索階段，面對(duì)煤層氣領(lǐng)域與濕氣計(jì)量相關(guān)的計(jì)量器具的濕氣修正系數(shù)如何測(cè)量、如何修正、如何選型等一系列問題，我們應(yīng)積極摸索和積累經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)煤層氣專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立與規(guī)范。

從本文的研究分析及采取措施中可以發(fā)現(xiàn)，煤層氣生產(chǎn)具有一定的特殊性，決定了生產(chǎn)工藝流程必須有別于常規(guī)天然氣生產(chǎn)，我們須針對(duì)目前煤層氣生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀，探索切合實(shí)際的煤層氣各階段生產(chǎn)的處理工藝流程，積極采用新的處理技術(shù)，研制開發(fā)適用的井口綜合處理裝置和集氣站處理工藝，解決煤層氣生產(chǎn)過程中計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、減少對(duì)設(shè)備運(yùn)行的不利影響等問題。如何通過我們的努力，促進(jìn)煤層氣生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，都是擺在我們面前亟待解決的新課題。

The development and production of CBM is an attempt of new energy field for petroleum industry,for there are no mature experiences of large-scale production and the technological flow of gathering and transportation,especially on the problems of CBM production measurement.Based on the analysis and research on the measuring problems appearing in the formal commercial transportation of CBM to“west-east gas transmission”main lines by Huabei oilfields company in one year,the paper summarizes several influencing factors about measurement accuracy,and also discusses the feasibility of improving the production technological process by applying corresponding methods.

CBM;wet gas;measurement;influencing factors

2010-11-02▎

李瑞峰（1962-），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要從事計(jì)量技術(shù)和計(jì)量管理工作。