國內(nèi)煤層氣地面集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀及簡析

薛 崗 許 茜 王紅霞 王遇冬 劉子兵

(西安長慶科技工程有限責(zé)任公司, 陜西 710021)

自2005 年以來, 國內(nèi)煤層氣田特別是山西沁水盆地煤層氣田開發(fā)建設(shè)速度明顯加快。2009 年11 月, 我國首個數(shù)字化規(guī)模化的煤層氣田示范工程在沁水建成投產(chǎn), 商品煤層氣源源不斷地輸入國家西氣東輸一線管道, 實現(xiàn)了我國第一個煤層氣田的規(guī)?；虡I(yè)運營。這是我國煤層氣田勘探開發(fā)史上里程碑式的示范工程, 也是我國非常規(guī)油氣資源開發(fā)建設(shè)的典型代表。

目前, 中石油鄭莊區(qū)塊9 ×108m3/a 產(chǎn)能即將建成, 同時在建的煤層氣田建設(shè)項目還有鄂東煤層氣田韓城區(qū)塊、柳林煤層氣田、寧武盆地煤層氣田工程, 及韓渭西 (韓城- 渭南- 西安) 和臨縣- 柳林- 臨汾煤層氣長輸管道等項目。與此同時, 國內(nèi)其他各煤層氣田的開發(fā)建設(shè)也分別形成了具有自身特點的煤層氣集輸工藝, 如串接集氣、分散增壓和集中處理等, 下面以中石油樊莊和鄭莊區(qū)塊煤層氣田為重點, 同時結(jié)合國內(nèi)其他典型煤層氣田開發(fā)建設(shè)實踐, 簡要介紹其集輸系統(tǒng)。

1 我國典型煤層氣田集輸系統(tǒng)

1．1 中石油沁水盆地樊莊及鄭莊區(qū)塊煤層氣集輸系統(tǒng)

(1) 集輸系統(tǒng)構(gòu)成

目前, 樊莊區(qū)塊6 ×108m3/a 產(chǎn)能的集氣系統(tǒng)及30×108m3/a 中央處理廠 (一期10×108m3/a, 體積計量標準為： 20 ℃, 101．325kPa, 下同) 已經(jīng)建成投產(chǎn), 實現(xiàn)了年產(chǎn)煤層氣6×108m3。該區(qū)塊共建直井522 口, 水平井48 口, 集氣站6 座, 采氣管線332km, 集氣管線43．5km。鄭莊區(qū)塊共在建集氣站5 座, 集氣管線46．64km, 采氣管線410．88km,計劃2012 年全部建成投產(chǎn)。兩個區(qū)塊具體建設(shè)示意圖見圖1, 圖2。

圖1 樊莊區(qū)塊煤層氣集輸系統(tǒng)示意圖

圖2 鄭莊區(qū)塊煤層氣集輸系統(tǒng)示意圖

(2) 主體工藝技術(shù)

兩個區(qū)塊集輸系統(tǒng)總流程為： 通過排水采氣采出的低壓煤層氣, 經(jīng)井間串接匯集到采氣干管進入集氣站, 在集氣站經(jīng)過分離、增壓、計量后進入集氣支線, 各支線最后通過集氣干線進入中央處理廠, 經(jīng)二次增壓和集中脫水滿足外輸壓力(5．7MPa) 和水露點 (夏季5 ℃/冬季- 15 ℃) 要求后進入西氣東輸一線沁水壓氣站, 詳見圖3。

總體工藝流程可以概括為“排水采氣、井口簡易計量、串接與閥組相結(jié)合, 低壓集氣、站場二級分離、兩地增壓、集中處理”。經(jīng)近兩年在沁水盆地的應(yīng)用, 認為該技術(shù)管理方便、施工快捷、流程合理、運行平穩(wěn)、安全可靠、環(huán)境保護措施得當,并且已獲得國家實用新型專利3 項。

(3) 集氣站工藝流程

集氣站采用“采氣干管來氣→分離器 (過濾分離) →壓縮機 (增壓) →二次分離 (過濾分離) →外輸”的工藝流程, 詳見圖3。

圖3 集氣站典型集氣工藝流程示意圖

(4) 中央處理廠工藝流程

山西沁水盆地煤層氣中央處理廠又稱為中石油山西煤層氣處理中心。設(shè)計總處理規(guī)模30×108m3/a。2009 年一期工程建成的規(guī)模為10×108m3/a, 目前正在進行二期工程建設(shè)。主要設(shè)備有： 增壓裝置用的電驅(qū)往復(fù)式壓縮機組4 臺 (電機功率為4800kW 和1600kW 各兩臺, 單機排量分別為150×104m3/d 和50 ×104m3/d。其中, 4800kW 電動機驅(qū)動的煤層氣往復(fù)式壓縮機組是亞洲最大功率的煤層氣往復(fù)式壓縮機) ; 三甘醇脫水裝置2 套 (單套處理規(guī)模150×104m3/d) 及相應(yīng)的公用和配套系統(tǒng)。

廠內(nèi)采用先增壓后脫水的主體工藝流程。各區(qū)塊集氣干線來氣首先進入集配氣系統(tǒng)清管接收, 再進入過濾分離系統(tǒng)進行氣液分離, 然后進入增壓裝置, 將壓力由1．0MPa (絕壓, 下同) 增壓至6．0MPa 后進入三甘醇脫水裝置脫水, 以確保外輸氣的水露點, 最后經(jīng)計量后輸往西氣東輸一線管道。

1．2 潘莊煤層氣田集輸系統(tǒng)

山西晉城潘莊煤層氣項目位于山西省晉城市西北約80km 處, 地面集輸系統(tǒng)主要包括采氣井場、集氣管網(wǎng)、集氣站和集中處理增壓站4 個部分。整個項目設(shè)集氣站8 座, 每座集氣站處理能力為4．0×104m3/d; 集中處理增壓站1 座, 設(shè)計處理能力為30×104m3/d。

主體工藝流程為： 井場 (初步分離、計量) 、采氣管網(wǎng)、集氣站 (二次分離、調(diào)壓、計量、一級增壓) 、集氣支線、集氣干線、集中處理增壓站(脫水、處理、調(diào)壓、計量、二級增壓) 、外輸管道。

壓力級制： 集氣站前管網(wǎng)操作壓力為0．1～0．3MPa, 集氣站至集中處理增壓站管網(wǎng)操作壓力為0．9～1．2MPa (一級增壓) , 集中處理增壓站后管網(wǎng)操作壓力為6．0～7．0MPa (二級增壓) 。

集氣站： 一般情況下, 集氣站只設(shè)置1 臺分離器, 煤層氣經(jīng)采氣干管直接進入分離器分離。若采氣干管分高、低壓分別進站, 則站內(nèi)設(shè)高、低壓分離器各1 臺。低壓采氣干管煤層氣進入低壓分離器分離, 高壓采氣干管煤層氣進人高壓分離器分離并調(diào)壓后與低壓煤層氣匯合進入集氣匯管, 再經(jīng)壓縮機增壓 (一級增壓, 電動螺桿壓縮機組) 、計量后去集氣支干線。集氣站工藝流程見圖4。

圖4 潘莊集氣站工藝流程框圖

集中處理增壓站： 集中處理增壓站的功能主要是將來自集氣站的煤層氣進行分離、處理后分為兩路： 一路去已建的CNG 站; 另一路進行增壓、脫水和計量后進入外輸管道。集中處理增壓站工藝流程見圖5。

圖5 潘莊集中處理站工藝流程框圖

1．3 鄂東煤層氣田韓城區(qū)塊煤層氣集輸系統(tǒng)

鄂東煤層氣田韓城區(qū)塊煤層氣位于陜西韓城板橋鄉(xiāng)和薛峰鄉(xiāng), 距韓城10km。規(guī)劃產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模5×108m3/a, 水平井產(chǎn)能為17000m3/d, 直井產(chǎn)能為2500m3/d; 正在建設(shè)的有集氣站1 座, 采氣管線209．5km, 集氣聯(lián)絡(luò)線5．06km, 中央處理廠1 座。集輸系統(tǒng)采用“單井計量、多井串接、二地增壓、集中處理”的主體工藝流程, 見圖6。

圖6 韓城煤層氣集輸系統(tǒng)工藝流程框圖

中央處理廠處理能力為10 ×108m3/a, 遠期預(yù)留規(guī)模為10 ×108m3/a, 采用與山西沁水盆地煤層氣中央處理廠相同的集輸工藝, 即先增壓后脫水的主體工藝流程。全廠共設(shè)往復(fù)式壓縮機組5 套, 其中50 ×104m3/d 兩臺, 100 ×104m3/d 3 臺; 三甘醇脫水裝置2 套 (100 ×104m3/d、200 ×104m3/d 裝置各1 套) 。

2 國內(nèi)典型煤層氣長輸管道系統(tǒng)

2．1 西氣東輸一線沁水煤層氣管道

該工程是我國開工建設(shè)的首條煤層氣輸氣管道, 管道地處山西沁水縣境內(nèi), 管道起點為山西沁水煤層氣中央處理廠 (端氏首站) , 終點為沁水壓氣站 (沁水末站) , 與西氣東輸一線管道相接。線路全長35km, 鋼管采用φ610mm×8．8mm×65 材質(zhì)的螺旋縫埋弧焊鋼管, 干線設(shè)計壓力6．3MPa。管道外防腐均采用聚乙烯三層結(jié)構(gòu)防腐層。

2．2 陜西韓渭西煤層氣管道工程

韓渭西 (韓城- 渭南- 西安) 煤層氣管道起點為陜西韓城首站, 終點為西安高陵的西安末站, 工程分為兩期建設(shè)。其中, 一期建設(shè)1 條干線和2 條支線。干線管道全長191．6km, 管徑為φ559mm,設(shè)計壓力4．0MPa。臨渭潼 (臨潼—渭南—潼關(guān))支線, 起點位于干線管道的大荔分輸站, 管道全長96km, 管徑φ273mm, 設(shè)計壓力1．6MPa。蒲白 (蒲城—白水) 支線, 起點位于管道干線的鹵陽湖分輸站, 終點為白水末站, 管道全長48km, 管徑φ219．1mm, 設(shè)計壓力1．6MPa。

一期工程設(shè)計輸量為14．6 ×108m3/a, 其中蒲白支線設(shè)計輸量為1．0 ×108m3/a, 臨渭潼支線為1．4×108m3/a; 二期工程設(shè)計輸量為19．5 ×108m3/a。

2．3 山西林縣- 柳林- 臨汾煤層氣管道工程

管道位于山西省呂梁市和臨汾市境內(nèi), 初期接收陜京三線管道天然氣, 為下游用戶供應(yīng)天然氣,伴隨呂梁和臨汾境內(nèi)煤層氣的開發(fā), 管道將用于輸送煤層氣。

管道設(shè)計輸氣規(guī)模為4．99 ×108m3/a, 工程包括一條干線及石口支線。干線管徑φ508mm 長度467．65km, 支線管徑φ219．1mm 長度45．32km。管道系統(tǒng)設(shè)計壓力6．3MPa。

3 國內(nèi)煤層氣地面工程存在的問題

3．1 我國煤層氣田地質(zhì)條件異常復(fù)雜, 有效開發(fā)難度大

國內(nèi)煤層氣田地質(zhì)情況復(fù)雜, 非均質(zhì)性強, 有效儲層難以預(yù)測, 具有低壓、低產(chǎn)、低滲、低飽和的“四低”特點, 主要體現(xiàn)在：

(1) 單井產(chǎn)量低, 平均約為2000m3/d 左右;井口壓力低, 0．2～0．5MPa, 氣井壽命期為20 年左右, 甚至更低, 單位產(chǎn)能建井數(shù)多, 單位產(chǎn)能投資高;

(2) 整個煤層氣田處于低壓生產(chǎn), 需要增壓外輸, 能耗高, 系統(tǒng)投資高;

(3) 氣井初期單井產(chǎn)水較大, 經(jīng)濟適用的水處理工藝選擇困難;

(4) 煤層氣田邊開發(fā)邊落實動態(tài)儲量, 及時調(diào)整開發(fā)方案的工作制度, 給集輸系統(tǒng)的建設(shè)帶來很大困難, 對降低地面工程綜合投資也非常不利。

3．2 沒有針對煤層氣田集輸系統(tǒng)的設(shè)計、施工及驗收標準

多年來, 國內(nèi)在煤層氣地面集輸設(shè)計及施工管理等方面一直借鑒天然氣的相關(guān)標準 (如GB50183和GB0422 等) 。由于煤層氣生產(chǎn)不同于常規(guī)天然氣的特殊性, 存在工藝流程設(shè)置、材料的選用、參數(shù)的選取等明顯要求過高。因此, 國家或行業(yè)的標準缺失, 已經(jīng)成為阻礙煤層氣企業(yè)和煤層氣工業(yè)快速、健康發(fā)展的重要因素之一。

3．3 煤層氣田總體開發(fā)投資高, 地面建設(shè)優(yōu)化簡化難度大

目前煤層氣開發(fā)的主要矛盾之一就是單井產(chǎn)量低、建井太多, 單靠地面工程的優(yōu)化, 并不能完全解決煤層氣開發(fā)的總體效益, 地面工程應(yīng)與開發(fā)方案相結(jié)合, 堅持“地上地下一體化優(yōu)化”。對直井、羽狀水平井、分支井等開采方式進行多方案的綜合優(yōu)選, 對地面工程方案的建設(shè)規(guī)模、投資大小、主體技術(shù)、主要設(shè)備、占地面積、系統(tǒng)工程等做出總體優(yōu)化, 才能提高煤層氣開發(fā)的整體經(jīng)濟效益。

3．4 對采出水處理還沒有有效的防范措施

對于煤層氣采出水, 已建的項目基本采用在井口建設(shè)污水蒸發(fā)池的做法, 隨著煤層氣大規(guī)模的開發(fā)建設(shè), 采出水量將逐年增加, 直接排放不但會造成水資源的浪費, 而且也不符合國家有關(guān)環(huán)保和灌溉標準的要求。因此應(yīng)盡快進行井口采出水的井口分離凈化或集中凈化 (如膜分離技術(shù)等) 及輸送工藝研究。

4 措施與建議

4．1 提高煤層氣田集輸系統(tǒng)的適應(yīng)性, 確保煤層氣田長期有效運行

煤層氣田的生產(chǎn)周期一般在10 年以上, 且煤層氣的生產(chǎn)具有緩慢增加然后逐漸遞減的生產(chǎn)規(guī)律, 在煤層氣田開發(fā)前期和后期, 應(yīng)充分考慮集輸系統(tǒng)包括管線輸送能力、增壓壓縮機對變工況運行的適應(yīng)性等問題, 同時應(yīng)進一步研究適合低壓煤層氣的分離設(shè)備 (如試驗填料分離、在線旋轉(zhuǎn)分離設(shè)備等) 和螺桿式壓縮機等新設(shè)備的開發(fā)。

4．2 在低成本開發(fā)的基礎(chǔ)上, 積極開展標準化設(shè)計, 模塊化建設(shè), 盡可能提高煤層氣田自控水平

鑒于國內(nèi)各煤層氣田具有井站數(shù)量多, 工藝參數(shù)相近, 部分設(shè)備和流程基本可以通用的特點, 應(yīng)積極開展標準化設(shè)計工作, 采用模塊化施工、規(guī)模化采購, 加快建設(shè)速度, 提高工程質(zhì)量、降低工程投資。同時還應(yīng)進一步提高煤層氣田地面工程的自控水平, 以實現(xiàn)更加的節(jié)能降耗、降低投資和運行成本的目的。

4．3 加快煤層氣長輸管道的建設(shè)速度

國內(nèi)煤層氣田一般采取就近供氣、CNG、LNG等方式外輸, 而煤層氣長輸管道建設(shè)則較少。為了與國內(nèi)煤層氣大規(guī)模建設(shè)相匹配, 應(yīng)盡快進行煤層氣長輸管道總體規(guī)劃, 以保證附近及沿海大中城市的用氣及調(diào)峰需求, 為即將或已經(jīng)大規(guī)模開采的煤層氣做好地面建設(shè)的技術(shù)儲備。

4．4 加快煤層氣集輸標準建設(shè)

目前, 《煤層氣地面開采防火防爆安全規(guī)程》AQ1081 和《煤層氣集輸安全規(guī)程》AQ1082 兩項國家安全生產(chǎn)行業(yè)標準已經(jīng)于2011 年5 月1 日正式實施, 但是還應(yīng)盡快制定煤層氣行業(yè)有關(guān)設(shè)計及施工驗收標準, 以規(guī)范煤層氣設(shè)計和施工, 促進煤層氣產(chǎn)業(yè)規(guī)范有序開發(fā)。

[1] 中聯(lián)煤層氣有限公司．AQ1081- 2010 煤層氣地面開采防火防爆安全規(guī)程[S]．北京：煤炭工業(yè)出版社,2010．

[2] 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司．RQ1082 - 2010 煤層氣集輸安全規(guī)程 [S] ．北京： 煤炭工業(yè)出版社, 2010．

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

[4] 薛崗等．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．