煤層氣地面集輸管網(wǎng)優(yōu)化

蔣 洪 張 黎 任廣欣 陳思錠

1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500

2.中國(guó)石化西北油田分公司塔河采油二廠，新疆 庫(kù)爾勒 841604

0 前言

目前， 我國(guó)煤層氣田已進(jìn)入到規(guī)?；_發(fā)階段，具有“低產(chǎn)、低壓、低滲、井多”等特點(diǎn)［1］，其地面集輸管網(wǎng)極其復(fù)雜。 國(guó)內(nèi)煤層氣田的開發(fā)總體尚處起步階段，其地面集輸工程設(shè)計(jì)主要參考蘇里格氣田等低壓氣田的成熟經(jīng)驗(yàn)。 現(xiàn)有煤層氣地面集輸工程設(shè)計(jì)主要存在集輸管網(wǎng)布局及工藝參數(shù)不合理、投資較大、能耗較高等問題，煤層氣集輸管網(wǎng)設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

1 煤層氣地面集輸工藝及特點(diǎn)

經(jīng)過多年煤層氣田開發(fā)與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)逐漸形成了一套有別于常規(guī)天然氣田的獨(dú)特集輸工藝技術(shù)，主要采用“分片集輸、多井低壓集氣、單井簡(jiǎn)易計(jì)量、多井單管串接、集中增壓、集中脫水處理和外輸”的煤層氣集輸工藝［2］，采用“井場(chǎng)—采集氣管網(wǎng)—增壓站—中央處理廠-外輸”的集輸工藝流程，見圖1。

圖1 煤層氣集輸系統(tǒng)組成

井口套管產(chǎn)出的煤層氣經(jīng)油嘴節(jié)流、計(jì)量后進(jìn)入集輸管網(wǎng)，靠自身壓力輸送到集氣閥組和增壓站，在增壓站內(nèi)進(jìn)行過濾、分離、增壓等預(yù)處理后，通過增壓站外輸管線輸送至中央處理廠進(jìn)行過濾、分離、增壓和深度脫水等處理，合格的天然氣外輸。 煤層氣田開發(fā)具有低產(chǎn)（2 500～5 000 m3/d）、低壓（0.2～0.5 MPa）、低滲等特點(diǎn)，導(dǎo)致氣田單位產(chǎn)能建井?dāng)?shù)多，井網(wǎng)密集，整個(gè)氣田處于低壓生產(chǎn)狀態(tài)，開發(fā)投入高、產(chǎn)出低、風(fēng)險(xiǎn)大。 通過大量煤層氣采集氣管道水力模擬計(jì)算表明：

a）當(dāng)井口壓力在0.2～0.5 MPa 時(shí)， 水合物形成溫度一般介于-55～-40 ℃。在集輸壓力下，其水合物形成溫度低于環(huán)境溫度，集輸管道內(nèi)不會(huì)形成水合物。

b）采集氣管道流速宜控制在20 m/s 以下，以減少管道積液，減少摩阻損失，降低PE 管靜電風(fēng)險(xiǎn)，合理利用壓差。

c）煤層氣采集輸管線高差＜100 m 時(shí)，高程對(duì)采集輸管線壓降的影響較小， 可以忽略不計(jì)； 當(dāng)高差≥100 m時(shí)，應(yīng)考慮高程對(duì)管道壓降的影響。

2 煤層氣集輸管網(wǎng)適應(yīng)性分析

煤層氣地面集輸管網(wǎng)的布局問題較為復(fù)雜，其管網(wǎng)形式主要與氣田地形地貌、井位布置、集輸半徑、集氣站規(guī)模以及所在地區(qū)的交通、環(huán)境等因素有關(guān)。 煤層氣地面集輸管網(wǎng)的形式主要可分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。 實(shí)際工程中，煤層氣集輸管網(wǎng)類型并不是單一類型，而常常是兩種或多種管網(wǎng)形式的組合［3］。

2.1 枝狀管網(wǎng)

圖2 煤層氣集輸管網(wǎng)布局形式

枝狀管網(wǎng)形同樹枝狀，有一條貫穿于氣田長(zhǎng)軸方向的集氣干線，將分布在干線兩側(cè)的煤層氣井場(chǎng)通過采氣干線和集氣支線納入集氣干線， 由集氣干線輸至增壓站，管網(wǎng)布局見圖2-a）。 而近年來提出的“枝上枝”管網(wǎng)是枝狀管網(wǎng)中一種較為特殊的地面集輸管網(wǎng)布局形式。其較普通的枝狀管網(wǎng)僅多了集氣閥組，集氣閥組通常建在井場(chǎng)相對(duì)位置較為集中的小區(qū)塊，承接該小區(qū)塊的井場(chǎng)來氣，管網(wǎng)布局見圖2-b）?！爸ι现Α惫芫W(wǎng)已成功應(yīng)用于山西沁南煤層氣田樊莊區(qū)塊、 鄭莊區(qū)塊及山西沁南潘河煤層氣田等地面建設(shè)工程中， 證明了適用性和經(jīng)濟(jì)性［4］。

當(dāng)煤層氣井場(chǎng)分布在狹長(zhǎng)的帶狀區(qū)域內(nèi)， 井場(chǎng)位置相對(duì)分散且井網(wǎng)距離較大時(shí)，宜采用枝狀管網(wǎng)。 枝狀管網(wǎng)縮短了采氣管線長(zhǎng)度，氣田建設(shè)十分靈活且便于擴(kuò)展，可滿足煤層氣田滾動(dòng)開發(fā)和分期建設(shè)的需要。 陜西韓城煤層氣田已建區(qū)塊采用了枝狀管網(wǎng)，該區(qū)塊呈帶狀分布、南北走向，氣井之間位置相對(duì)較分散，地形起伏較大。

2.2 環(huán)狀管網(wǎng)

環(huán)狀管網(wǎng)是將集氣干線布置成環(huán)狀，周圍井場(chǎng)通過采氣干線就近插入集氣干線，在環(huán)狀管網(wǎng)上適當(dāng)位置引出采氣干線至增壓站，管網(wǎng)布局見圖2-c）。 環(huán)狀管網(wǎng)調(diào)度氣量方便，氣壓穩(wěn)定，局部發(fā)生事故時(shí)影響面小。 環(huán)狀管網(wǎng)壓降較小， 充分利用壓力能延長(zhǎng)煤層氣輸送距離，增加集輸半徑，提高管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。 環(huán)狀管網(wǎng)主要適用于構(gòu)造面積較大的山區(qū)［5］。

3 煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化方法

煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化目標(biāo)是使集輸管網(wǎng)系統(tǒng)費(fèi)用最省，包括井場(chǎng)、采氣管線、集氣閥組、集氣管線、增壓站、中央處理廠等投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。 該優(yōu)化數(shù)學(xué)模型屬于約束非線性混合變量?jī)?yōu)化問題，其中涉及到連續(xù)變量（如管長(zhǎng)、壓力等）和大量離散變量（如管徑、壁厚等）等多種類型的變量，加之影響增壓站及中央處理廠投資主要因素（如地形、交通及環(huán)境條件等）的約束條件無法量化，若采用常規(guī)約束非線性優(yōu)化求解方法，優(yōu)化結(jié)果將偏離工程實(shí)際，無法滿足工程設(shè)計(jì)要求。 因此，結(jié)合煤層氣開發(fā)方案及集輸工藝特點(diǎn)，提出適合煤層氣集輸管網(wǎng)的分級(jí)優(yōu)化方法，將優(yōu)化問題劃分為布局優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化兩個(gè)獨(dú)立的子問題分別求解。 煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化具體實(shí)施步驟見圖3。

3.1 布局優(yōu)化

煤層氣集輸管網(wǎng)布局優(yōu)化關(guān)鍵在于有效利用壓差，確定合理的管網(wǎng)布局，增加集輸半徑，減少中間場(chǎng)站，降低管網(wǎng)成本。 由于煤層氣井口到增壓站距離較長(zhǎng)，可利用的有效壓差較?。?00 kPa 左右），要減少地面集輸管網(wǎng)投資，須盡量增加集輸半徑，主要措施有：

a）采集氣管道應(yīng)選用非金屬管道。 非金屬管道較鋼管摩阻小，成本低，可較好適應(yīng)低壓煤層氣集輸要求。 經(jīng)過比較， 當(dāng)內(nèi)徑＜300 mm， 可選用PE 管； 當(dāng)內(nèi)徑≥300 mm，可選用螺旋縫埋弧焊鋼管。

圖3 煤層氣采集管網(wǎng)優(yōu)化具體實(shí)施步驟

b）減少管線積液。在采集輸管線最低點(diǎn)處設(shè)置分水器，并增大采集輸管線的氣體流速，提高氣體的攜液能力以減少積液。

c）采用合理的管網(wǎng)布局。 平坦地區(qū)可采用“枝上枝”管網(wǎng)形式，采用集氣閥組代替集氣站，閥組間可實(shí)現(xiàn)串接，增大集輸半徑（可達(dá)17 km）。

通過以上措施，結(jié)合煤層氣田地形地貌、開發(fā)方案及集氣站集氣規(guī)模等因素， 確定煤層氣田管網(wǎng)布局形式。 進(jìn)一步采用分級(jí)優(yōu)化方法，優(yōu)化井間串接和站址。

井間串接優(yōu)化： 根據(jù)煤層氣田開發(fā)方案和井位布置，在電子地圖上對(duì)需連接的2～6 口井從較遠(yuǎn)單井開始逐步連接，最終確定若干符合工程實(shí)際（綜合地形地貌及施工難度等考慮）的連接方案，再按線路最短原則進(jìn)行方案比選。

站址優(yōu)化：根據(jù)煤層氣區(qū)塊所處位置、布井方案和總體規(guī)劃圖，對(duì)場(chǎng)站（集氣閥組、增壓站和中央處理廠）站址分別提出若干個(gè)可行且相對(duì)較優(yōu)的站址備選方案，通過進(jìn)行可行性和經(jīng)濟(jì)投資的多方案比選，合理優(yōu)化布站方案。

3.2 參數(shù)優(yōu)化

煤層氣田集輸管網(wǎng)參數(shù)主要包括壓力等級(jí)優(yōu)化和采集輸管道優(yōu)化，目的是在滿足用戶所需流量、壓力等約束條件下，對(duì)系統(tǒng)壓力等級(jí)和采集輸管道管徑進(jìn)行優(yōu)化。

壓力等級(jí)優(yōu)化： 確定煤層氣處理工藝和外輸壓力后，在增壓站和中央處理廠進(jìn)行壓力等級(jí)優(yōu)化，有利于降低其集輸管網(wǎng)成本。 為增壓站和中央處理廠建立多種壓力等級(jí)方案，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化增壓站出站壓力和中央處理廠工作壓力。

采集輸管道管徑優(yōu)化：管徑優(yōu)化問題屬于約束非線性離散變量?jī)?yōu)化問題，煤層氣田采集輸管道類型和規(guī)格較多，不宜直接采用常規(guī)約束非線性優(yōu)化求解。 在工程應(yīng)用中，基于煤層氣集輸管網(wǎng)布置圖，根據(jù)節(jié)點(diǎn)壓力和流量平衡原則對(duì)集輸管網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立集輸管網(wǎng)的水力模擬等效圖（見圖4），逐步優(yōu)化采集輸管道管徑。其優(yōu)化方法如下：

圖4 管網(wǎng)等效模型

a）管網(wǎng)最遠(yuǎn)端井口壓力應(yīng)≤200，而增壓站和中央處理廠的進(jìn)站壓力則不應(yīng)低于各自允許的最小進(jìn)站壓力。

b）采集氣管道流速宜控制在20 m/s 以下，集氣干線應(yīng)盡可能選用較小管徑，以在其上分配較多壓降，降低管網(wǎng)成本。

c）集輸管網(wǎng)中的采氣干線和集氣干線應(yīng)盡量統(tǒng)一管道規(guī)格，以便施工和清管作業(yè)。

煤層氣集輸管網(wǎng)管徑優(yōu)化方法：依據(jù)集輸管網(wǎng)水力模擬等效圖，設(shè)定采集輸管道的節(jié)點(diǎn)壓力和流量，逐步從中央處理廠開始由近及遠(yuǎn)反算集氣干線、集氣支線和采氣干線的管徑， 確定各采集氣管道的初步管徑方案。若確定的管徑規(guī)格過多，則根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)一干線管徑規(guī)格，確定出調(diào)整后的管徑方案。 利用多相流管網(wǎng)模擬軟件建立煤層氣集輸管網(wǎng)模型，對(duì)初選的管道規(guī)格管網(wǎng)方案進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)不符合要求的管道管徑再次進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)進(jìn)行管網(wǎng)模擬計(jì)算，直至最終優(yōu)選出滿足要求的采集輸管道管徑。

4 煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化實(shí)例

4.1 H 煤層氣區(qū)塊集輸管網(wǎng)布局

H 煤層氣區(qū)塊地處黃土高原，所處地區(qū)的地形地貌多樣，相對(duì)高差300 m，地勢(shì)西北高東南低，區(qū)塊集氣量150×104m3/d，轄單井645 口，單井平均產(chǎn)量2 200 m3/d，共129 座5 井式叢式井場(chǎng)。 該區(qū)塊分為東集氣管網(wǎng)和西集氣管網(wǎng)，分別轄井場(chǎng)62 座和67 座。 根據(jù)H 區(qū)塊地形和周邊環(huán)境，綜合考慮三種管網(wǎng)形式，選擇枝狀-環(huán)狀組合式管網(wǎng)，見圖5。

圖5 H 煤層氣區(qū)塊集輸管網(wǎng)

4.2 布局優(yōu)化

H 煤層氣區(qū)塊均為5 井式叢式井場(chǎng)，進(jìn)行井間串接，在合適的位置設(shè)立井場(chǎng)。 對(duì)H 增壓站選址提出兩種方案，方案比選見表1。

表1 增壓站選址方案比選

綜合比較兩種方案，推薦采用方案一。 同理，中央處理廠的位置可參考增壓站的選擇進(jìn)行方案比選。 在東、西兩區(qū)各建1 條集氣干線，東區(qū)塊設(shè)7 條集氣支線，西區(qū)塊設(shè)5 條集氣支線。 井場(chǎng)通過采氣干線就近接入集氣支線。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

集輸管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化主要包括壓力等級(jí)優(yōu)化和采集輸管道優(yōu)化。

在增壓站和中央處理廠分別進(jìn)行增壓，提出了三種壓力等級(jí)優(yōu)化方案，壓力等級(jí)優(yōu)化比較見表2。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，確定集氣站的出站壓力1.5 MPa，中央處理廠進(jìn)廠壓力1.2 MPa，出廠壓力3.8 MPa。

建立集輸管網(wǎng)的水力模擬等效模型， 根據(jù)煤層氣集輸管網(wǎng)管徑優(yōu)化方法，優(yōu)化采集輸管道管徑。集氣支線可選用變徑管，集氣干線由于清管需要，一般選用通徑管，且盡可能減少采集輸管道規(guī)格。管線參數(shù)優(yōu)選見表3。

表2 壓力等級(jí)優(yōu)化比較

表3 管線參數(shù)優(yōu)選

5 結(jié)論

a） 煤層氣地面集輸管網(wǎng)的形式主要可分為枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)。 枝狀管網(wǎng)較適用于狹長(zhǎng)帶狀區(qū)域內(nèi)分布的且井網(wǎng)距離較大的井場(chǎng)，也適合于地形起伏較大的山地與丘陵地帶。 而環(huán)狀管網(wǎng)則主要適用于構(gòu)造面積較大的山區(qū)。

b） 采集氣管道宜選用PE 管，流速宜<20 m/s，在管線最低點(diǎn)處設(shè)置分水器。

c）依據(jù)煤層氣集輸管網(wǎng)特點(diǎn)，將集輸管網(wǎng)優(yōu)化問題分為布局優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化，提出煤層氣集輸管網(wǎng)工程性優(yōu)化方法。

d） 提出煤層氣集輸管網(wǎng)水力模擬的等效模型及采集輸管網(wǎng)管徑優(yōu)化方法，為煤層氣田地面集輸工程設(shè)計(jì)提供快速有效的技術(shù)手段。

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