非金屬管材在煤層氣采出水集輸管網(wǎng)中的應用

杜邵先

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司公用工程室，河北 062552)

目前，隨著煤層氣氣田的不斷開發(fā)，伴隨著大量的高礦化度、高鹽度的地下采出水，金屬管材用于煤層氣采出水集輸管網(wǎng)，耐腐蝕性差、投資高、施工周期長、運輸安裝不便等缺點逐漸顯露出來，我國適宜大規(guī)模開發(fā)煤層氣的地區(qū)多分布在華北、西北干旱地區(qū)，而這些地區(qū)大多為濕陷性黃土地區(qū)及地形復雜的山地丘陵地區(qū)，金屬管道可能產(chǎn)生斷裂及大量滲漏而引起的土壤污染和水資源的浪費。在當?shù)孛簩託獠沙鏊粌H是污染物而且是寶貴的水資源，因此煤層氣氣田技術人員已經(jīng)開始把眼光投向了非金屬管材。

1 煤層氣采出水集輸現(xiàn)狀

2012年CPE華北分公司對我國煤層氣開發(fā)的主要地區(qū)進行調研，主要有長治、晉城、吉縣、保德四個區(qū)塊?，F(xiàn)對不同區(qū)塊的煤層氣采出水水量和集輸現(xiàn)狀進行描述。

1.1 長治區(qū)塊

長治區(qū)塊共開井80多口，井深約700～800m。每座井場只有1口井，均為直井。排采初期水量大約10m3/d，持續(xù)約20至30天水量下降，中后期約2m3/d。采出水溫度3～25℃，采出水排入井場附近水池進行自然蒸發(fā)或者拉運處理，無集輸管網(wǎng)。

1.2 晉城區(qū)塊

晉城區(qū)塊共開井1600多口，井深約600～700m。每座井場只有1口井，均為直井。排采初期水量大約20～40m3/d，中后期約2m3/d。采出水排入井場附近水池進行自然蒸發(fā)或者拉運處理，無集輸管網(wǎng)。

1.3 吉縣區(qū)塊

吉縣區(qū)塊共開井200多口，井深約600～700m。每個井場2～4口井不等，多為叢式井。排采初期水量大約20m2/d，中后期約2m2/d。采出水排入井場附近水池進行自然蒸發(fā)或者拉運處理，無集輸管網(wǎng)。

1.4 保德區(qū)塊

保德區(qū)塊共開井200多口，井深約1000m。每個井場2～8口井，多為叢式井。排采初期單井水量大約35m3/d，有的甚至高達180m3/d，中后期水量減少，約10m3/d。每座井場均有采出水管線，通過集輸管網(wǎng)輸送至水處理站進行集中處理。

根據(jù)調研，不同地區(qū)煤層氣井的排水量有著顯著差異，從1m3/d到200m3/d不等，多數(shù)井場位于交通不方便的山坡上，分布較為分散。目前大多區(qū)塊無煤層氣采出水集輸管網(wǎng)，大量的煤層氣采出水散排到山溝。

2 煤層氣采出水管材比選

2.1 管材選擇考慮因素分析及優(yōu)先序確定

影響管材選擇的因素很多，比如管道直徑、工作壓力、工程地質、地形、外荷載狀況、工程的工期要求、資金的控制等諸多方面。不同管材，在上述種種因素下，差異較大。以往實際工程應用中，多以經(jīng)濟性因素作為管材選擇的最終評價指標，存在一定的局限性。選用何種管材，應首先應確定哪些因素作為主要因素，哪些因素作為次要因素，通過綜合評價確定。

煤層氣采出水能否順利收集排出直接影響到周邊環(huán)境以及煤層氣氣田的產(chǎn)氣量，防止爆管、防止漏損是氣田能安全穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展的重要因素。因此，安全性應該是采出水管材選擇的首要考慮因素。所選管道材質，首先應滿足安全要求，不爆管，不漏損，保證不會對周邊環(huán)境和土壤造成污染。其次，應具有良好的力學性能，能夠最大限度地滿足管道敷設環(huán)境下各種可能出現(xiàn)的內外荷載情況，管道及施工安裝等質量容易控制，從而保證管線的安全運行。再次，因為煤層氣氣田一般位于山區(qū)地帶，交通不便，管材運輸車輛安全性及費用顯得較為重要。在保證安全以及維修、維護方便的基礎上，再考慮投資與運行成本的合理性等。

管材選擇考慮因素，按重要性從高到低排列為:(1)耐腐蝕性能好;(2)足夠的韌性和機械強度，滿足當?shù)氐刭|情況及實際運行工況的要求;(3)便于運輸，安裝;(4)綜合成本合理;(5)阻力小，能耗低;(6)制造和施工容易控制，管材性能可靠;(7)壽命長，維修量小，便于管理。

本次研究根據(jù)對煤層氣采出水水質水量特點的了解，主要研究鋼管、鋼絲網(wǎng)與孔網(wǎng)狀鋼骨架聚乙烯塑料復合管、普通PE管、U－PVC塑料管。

2.2 管材綜合性能對比

2.2.1 普通鋼管

普通鋼管廣泛用于輸送流體。其優(yōu)點為強度高，承壓能力強，其缺點為管材耐腐蝕性能差，需做內外防腐處理，施工過程中需增加較多管件來避開障礙物，另外對于交通不便的山區(qū)，鋼管重量較大，運輸困難，施工周期較長。

2.2.2 聚乙烯管 (PE)

常用給水PE管一般分PE63、PE80和PE100三個等級，在煤層氣采出水管網(wǎng)工程中，因為采出水管線設計壓力為1.6MPa，根據(jù)最小強度一般選用PE100等級PE管。PE管的性能及特點有以下幾點:

(1)連接可靠、不泄漏

PE管道在煤層氣采出水管網(wǎng)工程中主要采用電熔連接，實現(xiàn)了管體與接頭的一體化，抗拉強度以及抗爆破強度不亞于管材本身。

(2)耐腐蝕性，使用壽命長

化學穩(wěn)定性好，內外均能抗各種酸類、堿類腐蝕，一般情況下，PE管的性能可以保持50年不變，一般不需要維護。

(3)重量輕，運輸安裝方便

PE管比鋼管質量輕，不需要大型吊車設備，減輕施工人員的勞動強度，對于交通不便的山區(qū)，卡車一次性運輸管線長度遠大于鋼管，節(jié)省運輸投資和施工周期。

(4)內壁光滑，水頭損失小

PE管內壁絕對粗造度為0.01，遠小于鋼管，對于長輸管線減少了壓力損失和能耗。

(5)柔韌性好

PE管斷裂伸長率350%以上，可隨地形變化敷設，尤其對于煤層氣采出水管網(wǎng)所在的山區(qū)或濕陷性黃土地帶，PE管柔韌性好的優(yōu)越性更能得到充分體現(xiàn)。

PE管的缺點體現(xiàn)在:

(1)PE管剛性較低，管道易損傷。

(2)PE管抗紫外線能力弱，在陽光的直接照射下容易老化。

2.2.3 鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯塑料復合管

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯塑料復合管 (簡稱鋼塑復合管)是以優(yōu)質低碳鋼絲網(wǎng)為增強相、高密度聚乙烯為基體，連續(xù)擠出成型的新型雙面防腐壓力管，其成型過程是在生產(chǎn)線上首先制成PE內膽，在內膽的外層纏繞具有熱熔粘結和憎水性能包覆層的高強度鋼絲，按左右螺旋方向纏繞成型，兩個纏繞方向的鋼絲形成規(guī)則排列的菱形。鋼絲網(wǎng)鋼骨架聚乙烯塑料復合管的性能及特點如下:

(1)耐腐蝕性，使用壽命長

由于其特殊的材質、結構及生產(chǎn)工藝，既具有普通鋼管的強度，又具有塑料復合管優(yōu)良的耐化學腐蝕性。

(2)抗蠕變性能好，持久機械強度高

將網(wǎng)狀鋼絲骨架與塑料復合后，鋼絲網(wǎng)骨架可有效地約束塑料的蠕變，使塑料本身的持久強度也大大地提高。

(3)重量輕，運輸安裝方便

鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯塑料復合管比鋼管質量輕，不需要大型吊車設備，減輕施工人員的勞動強度，對于交通不便的山區(qū)，卡車一次性運輸管線長度原大于鋼管，節(jié)省運輸投資和施工周期。

(4)剛性、抗沖擊性好，同時具有一定的柔性

鋼的彈性模量通常是塑料的200倍，由于鋼絲網(wǎng)骨架的增強作用，可使復合管的剛性、抗沖擊性及尺寸的穩(wěn)定性均優(yōu)于任何一種純塑管。同時由于網(wǎng)狀鋼骨架本身又是一種柔性結構，從而使復合管在軸向上具有一定的柔性，使管道具備剛柔相濟，可有效地承擔由于地質沉降、溫差變化、滑移、荷載等引起的對管道的破壞，尤其在作直埋式用管時，可隨地勢起伏蜿蜒敷設布置，自然補償，節(jié)省管配件 (膨脹節(jié))。

(5)優(yōu)良的耐磨性能

復合管的耐腐蝕能力為普通鋼管的4～6倍以上，為不銹鋼或襯塑管的3倍以上，為玻璃鋼管的2～3倍以上。

(6)內壁光滑，降低能耗

該管道的粗糙系數(shù)為0.009(鋼管的粗糙系數(shù)為0.012)，管道內部不易結垢，流體阻力損失小。流損比鋼管小三分之一，從而降低了輸送介質的能耗。

鋼絲網(wǎng)鋼骨架聚乙烯塑料復合管的缺點和PE管類似，管材易刮傷，抗紫外線能力弱。

2.2.4 孔網(wǎng)狀鋼骨架聚乙烯塑料復合管

孔網(wǎng)狀鋼骨架塑料復合管簡稱孔網(wǎng)鋼塑管(簡寫SP管)，是以氬弧焊對接成型的多孔薄壁鋼管為增強體，外層和內層雙面復合熱塑性塑料的一種新型復合管道。

孔網(wǎng)狀鋼骨架塑料復合管性能上的的優(yōu)缺點與鋼絲網(wǎng)骨架復合大體相同，既具有金屬管的堅硬、剛直不易變形、耐熱、耐壓、抗靜電等優(yōu)點，又具有塑料管的質輕、耐腐蝕、不生銹、不易漬垢、管壁光滑、保溫性能好、無毒、施工簡易、維修方便、使用壽命長等優(yōu)點，其優(yōu)點與PE管和鋼絲網(wǎng)鋼骨架聚乙烯塑料復合管類似。

2.2.5 PVC塑料管

PVC管 (UPVC管)硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯樹脂與穩(wěn)定劑、潤滑劑等配合后用熱壓法擠壓成型，是最早得到開發(fā)應用的塑料管材。

PVC管是當今世界上深受喜愛、頗為流行并且也被廣泛應用的一種合成材料。它的全球使用量在各種合成材料中高居第二。據(jù)統(tǒng)計，僅僅1995年一年，PVC在歐洲的生產(chǎn)量就有500萬t左右，而其消費量則為530萬t。在德國，PVC的生產(chǎn)量和消費量平均為140萬t。

UPVC管優(yōu)點為抗腐蝕能力強、易于粘接、質量輕便于運輸，但是由于有UPVC單體和添加劑滲出，只適用于輸送溫度不超過45℃的給排水系統(tǒng)中，而煤層氣采出水溫度為20℃左右，可以作為輸送煤層氣采出水的管材。

因UPVC管質地堅硬，因此不適用于土地凹凸不平的山區(qū)丘陵地帶煤層氣采出水的輸送。

2.3 管材經(jīng)濟性對比

由于煤層氣采出水管網(wǎng)井場壓力一般不高于1.0MPa，結合煤層氣采出水性質和現(xiàn)場實際情況。采出水管網(wǎng)的設計壓力一般為1.6MPa，在此設計壓力下，對不同材質制造廠進行詢價，得出各種輸水管材的費用情況見表1。

表1 管材經(jīng)濟性對比表

從以上各個方面的對比來看，非金屬管材相比金屬管，耐腐蝕，摩阻小，管材質量輕，施工周期短，管材費用低，PVC塑料管是作為輸送地形平坦地帶煤層氣氣田采出水的最佳管材;PE管是輸送山區(qū)丘陵地帶煤層氣氣田采出水的最合適管材;對于地形特別陡峭，高程超過100m的“U”型的特殊壓力地段，為了防止爆管建議使用鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯塑料復合管。

3 非金屬管材在煤層氣采出水工程中的實際應用及施工注意問題

2012年華北分公司對長治、晉城、吉縣、保德四個區(qū)塊的調研得知，長治、晉城、吉縣三個區(qū)塊無煤層氣采出水集輸管網(wǎng)，只有保德區(qū)塊建設煤層氣采出水管網(wǎng)，管材大多為設計壓力1.6MPa的輸水用PE管，部分地段為PVC管和鋼絲網(wǎng)骨架聚乙烯塑料復合管。

煤層氣氣田一般地勢復雜，采出水集輸管網(wǎng)一般敷設于山谷和河谷地帶，隨著時間的推移，PE管和PVC管在煤層氣采出水集輸管網(wǎng)中的應用將更加廣泛。

(1)PE管和PVC管相對于金屬管道剛性較低，在運輸以及安裝過程中應避免管道損傷。

(2)PE管和PVC管在陽光的直接照射下容易老化，因此要避免管道在陽光下的暴曬，管道試壓完成后應盡早回填。

(3)對于PE管熱熔連接時焊接面要平行，管材切割要平整，焊接時應嚴禁高強度擠壓接口，避免接口處縮徑。

(4)考慮到PE管和PVC管的抗沖擊能力較弱，建議穿越處盡量不要采用。

4 結論

非金屬管與金屬管相比具有一定的強度、剛度、柔韌性、抗沖擊性、耐腐蝕性、耐磨性等、質量輕便于運輸?shù)刃阅?而PE管和PVC管造價低于鋼塑復合管，因此在地形平淡地帶建議使用PVC管，在山區(qū)丘陵地帶建議使用PE管，地形特別崎嶇陡峭的地帶使用鋼絲網(wǎng)鋼骨架聚乙烯塑料復合管。

隨著時間的推移，PE管和PVC管在煤層氣氣田領域應用的安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性諸多優(yōu)點將會顯現(xiàn)出來，優(yōu)勢越發(fā)明顯，在煤層氣氣田中的應用也必然越來越廣泛。

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