格瑞克柿莊南棗園煤層氣集輸管網(wǎng)優(yōu)化的PIPEPHASE數(shù)值模擬研究

王熒光

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

0 引言

格瑞克是一家上游氣體能源生產(chǎn)公司，在中國格瑞克專門從事煤層氣資源的開發(fā)。在與中聯(lián)煤層氣有限責任公司（以下簡稱中聯(lián)煤）合作進行大規(guī)模煤層氣商業(yè)化開發(fā)方面，格瑞克已成為外資企業(yè)的先驅(qū)之一，目前是中聯(lián)煤最大的外方合作者。格瑞克已與中聯(lián)煤簽署了五個區(qū)塊的煤層氣勘探與開采產(chǎn)品分成合同，其中三個區(qū)塊位于山西省沁水盆地：柿莊南棗園、柿莊北和沁源，煤層氣資源總量高于1.6萬億m3。柿莊南棗園煤層氣項目地面建設工程位于山西省晉城市沁水縣境內(nèi)，是格瑞克先期的實驗性工程。為了進一步促進煤層氣開采的發(fā)展，擬對該工程的現(xiàn)有系統(tǒng)進行更新改造，這不僅關系著格瑞克在以后各區(qū)塊的發(fā)展，而且影響著中國煤層氣的大規(guī)模開發(fā)建設?，F(xiàn)結合該氣田集輸管網(wǎng)的現(xiàn)狀，考慮到氣田遠期的發(fā)展，運用PIPEPHASE數(shù)值模擬軟件，研究出了經(jīng)濟適用的“井間串接、閥組簡易計量、低壓集氣、集中增壓‘枝上枝’閥組布站”[2]的環(huán)形集輸工藝新技術。該技術可望滿足格瑞克柿莊南棗園煤層氣的高效、低成本大規(guī)模開發(fā)需要，真正做到滿足技術要求下的最低成本要求。

1 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前共有16口煤層氣井通過已建的集氣管道進入CNG站，其中包括15口老井和1口新井。采氣工藝為排水采氣，單井最大產(chǎn)量3 000m3/d，井口井流物關井最大套管壓力1.6MPa，井口壓力0.35MPa（A）；單井采氣管道采用規(guī)格為DN63mm×5.8mm的PE管道，總長度2.5 km，敷設高差64 m。單井采氣管道采用枝狀方式與PE集氣匯管相連接。PE集氣匯管共有2條，規(guī)格均為DN160mm×14.6mm，總長度4.4 km，敷設高差38 m。我們應用先進的管道模擬軟件PIPEPHASE對柿莊南棗園煤層氣田原有集輸系統(tǒng)進行校核（見圖1），從計算結果可以看出，在原采氣井16口、井口壓力為0.35 MPa（A）、單井最大產(chǎn)氣量為3 000m3/d的工況下，進站壓力為0.33MPa（A），能夠滿足生產(chǎn)要求。

圖1 原有集輸系統(tǒng)核算示意

2 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統(tǒng)的優(yōu)化研究

2.1 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統(tǒng)優(yōu)化技術

集中增壓“枝上枝”閥組布站工藝技術是對傳統(tǒng)布站技術的挑戰(zhàn)，它將集氣計量站改為閥組，而閥組在天然氣集氣干管與大量采氣支線之間形成了結點，通過這個節(jié)點將若干條采氣管道中的天然氣集中到集氣干管中。集氣站的外輸管道就像是樹干，閥組到集氣站的集氣支線就像是樹枝，每一個閥組又像樹枝上的結點，而所有與結點連接的采氣管道就像是小的樹枝，因此稱之為“枝上枝”。該技術曾在蘇里格氣田蘇10井區(qū)首次得到實際大規(guī)模應用，取得了較好的經(jīng)濟效益。

2.2 柿莊南棗園煤層氣田新集輸系統(tǒng)的核算及問題的提出

因柿莊南棗園煤層氣生產(chǎn)的需要，現(xiàn)采用“枝上枝”閥組布站工藝技術將新增35口采氣井并入原有集氣系統(tǒng)，采用PIPEPHASE對該系統(tǒng)進行工藝模擬計算（見圖2），核算結果表明，進站壓力變?yōu)?.143MPa（A），小于壓縮機入口壓力0.25 MPa（A）的要求，不能滿足51口井的生產(chǎn)需要。因此，需在利用原有設施的基礎上，對新集輸系統(tǒng)進行重新優(yōu)化設計。

圖2 新集輸系統(tǒng)核算示意

2.3 柿莊南棗園煤層氣田初步方案的優(yōu)化設計

在充分利用已建系統(tǒng)管網(wǎng)的設計原則基礎上，針對目前的51口采氣井，提出了2種可行的系統(tǒng)管網(wǎng)方案（“枝上枝”布站方案）和1種分散增壓布站方案。

2.3.1 采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站方案

設7個集氣閥組，每個閥組5～9口井，閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。取消單井放空，放空集中設在閥組。對該系統(tǒng)進行PIPEPHASE工藝模擬計算的結果見圖3。

圖3 采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站系統(tǒng)示意

2.3.2 采氣系統(tǒng)不變，集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站方案

設5個集氣閥組，每個閥組5～9口井，閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道保持原狀不變。在A集氣管道靠近CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。

改造后新井取消單井放空，放空設在閥組，老井保持原狀不變。采用PIPEPHASE對該系統(tǒng)進行工藝模擬計算的結果見圖4。

圖4 采氣系統(tǒng)不變，集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站系統(tǒng)示意

2.3.3 采氣、集氣系統(tǒng)重建分散增壓布站方案

設7個分散增壓站，每個增壓站5～9口井，增壓站集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。取消單井放空，放空集中設在各增壓站內(nèi)，每個增壓站內(nèi)配置1臺往復式壓縮機及各輔助設施。采用PIPEPHASE對該系統(tǒng)進行工藝模擬計算的結果見圖5。

圖5 采氣、集氣系統(tǒng)重建分散增壓布站系統(tǒng)示意

2.3.4 柿莊南棗園煤層氣田初步方案的選擇（見表1）

表1 采集氣系統(tǒng)方案對比

從表1可以看到，對于分散增壓方案，由于壓縮機、占地面積、操作人員和輔助設施的增加，因而其投資會明顯較“枝上枝”閥組布站方案多，且由于設備和人員的增多，管理極不方便。從“枝上枝”閥組布站方案來看，盡管采氣系統(tǒng)重建方案的工程量比原采氣系統(tǒng)不變方案多了2個閥組和3.5 km的采集氣管道，但原采氣系統(tǒng)不變方案中已建16口井是直接與集氣匯管相連接的，這樣在管道發(fā)生泄漏事故時便會造成整個集輸系統(tǒng)癱瘓，影響生產(chǎn)。而采氣系統(tǒng)重建方案中各井口采氣管道相應進入各閥組，當發(fā)生泄漏事故時，通過關閉閥組相應閥門和進行閥組放空便可解決問題。此外，由于采氣系統(tǒng)重建方案中操作管理人員和設備均集中在增壓站內(nèi)，集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式。因此，綜合考慮優(yōu)化研究結果，推薦采用采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”閥組布站方案。

2.4 柿莊南棗園煤層氣田采集氣管道材質(zhì)的優(yōu)選（見圖6）

煤層氣井產(chǎn)出的煤層氣節(jié)流后的壓力為0.35 MPa（最大0.5MPa）、溫度≤20℃，因此，合理選用采氣管道的材料對降低工程造價、提高施工速度起著關鍵的作用，根據(jù)目前生產(chǎn)實際情況，采用PE管道和鋼質(zhì)管道在技術上均是可行的。因此，我們在經(jīng)濟上對PE管道與鋼質(zhì)管道綜合造價進行了對比。從PE管與鋼管管道投資對比圖（圖6）中可以看到，當公稱直徑大于350mm時，PE管道的安裝費大于鋼質(zhì)管道；當公稱直徑大于150mm時，PE管道的主材費開始大于鋼質(zhì)管道；而從總體投資上來看，當公稱直徑小于250 mm時，PE管道的總投資要明顯小于鋼質(zhì)管道。因本工程采氣管道規(guī)格為DN63mm，集氣管道為DN160mm，所以經(jīng)優(yōu)選，確定采氣、集氣管道均選用PE管。

3 柿莊南棗園煤層氣環(huán)形集輸系統(tǒng)優(yōu)勢分析

3.1 投資省、見效快

“枝上枝”閥組布站的環(huán)形集輸系統(tǒng)可充分利用原有集輸系統(tǒng)，減少了不必要的浪費。此外同傳統(tǒng)方案相比，在完成同樣生產(chǎn)規(guī)模任務的條件下，節(jié)省投資，可以大幅度提高煤層氣田的建設速度。

3.2 減少集氣站數(shù)量，便于管理

操作管理人員均集中在增壓站內(nèi)，集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式，大大減少了分散的操作管理人員的數(shù)量，而且生活設施集中一處設置，極大地簡化了生產(chǎn)和日常生活管理工作，人工成本大大降低。

3.3 設備集中，便于管理與維護

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的設備集中設置在集中增壓站一處，幾乎可以成倍地減少大型設備數(shù)量，方便管理，尤其是大型設備如煤層氣壓縮機組的維修，專業(yè)維修隊伍可只在一處就完成全部維修工作，而不需要四處奔波于各集氣站之間，減少了維修成本，提高了維修速度，保證了生產(chǎn)的高效安全運行。

3.4 煤層氣田建設十分靈活

圖6 管材投資對比

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的最大優(yōu)點是建設靈活。它可以很好地適應煤層氣田滾動開發(fā)的特點。被稱之為“樹干”的集中增壓站和輸氣管道建成后，“樹枝”的閥組和采氣井口，可隨時根據(jù)鉆井、完井工作的進度進行地面建設，完全可以實現(xiàn)完成一個閥組投產(chǎn)一個閥組，真正實現(xiàn)了在絲毫不影響正常生產(chǎn)運行的情況下不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模、提高整個煤層氣田產(chǎn)量的目的。

3.5 節(jié)能

能耗低是“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的另一特點。分散增壓布站方案的每個站均需設置壓縮機，為滿足壓縮機平穩(wěn)運行要求，壓縮機的流量范圍只能在80%～120%之間波動，煤層氣井不可能大批量地一次建成投產(chǎn)，往往是建設一口投產(chǎn)一口，尤其是在投產(chǎn)初期，無法滿足壓縮機穩(wěn)定流量的要求，因此只能通過打循環(huán)來滿足壓縮機運行要求，這勢必增加壓縮機的動力消耗，而且建站就需要有操作人員，就必須上相應的配套設施，消耗一定的水、電等，也增加了能耗?！凹性鰤骸ι现Αy組布站方案”是將整個產(chǎn)氣區(qū)的煤層氣集中增壓，可以通過調(diào)整增壓站內(nèi)壓縮機運行的數(shù)量來滿足煤層氣田初期和集氣支線流量的變化，而保持單臺壓縮機流量的穩(wěn)定，保證設備的高效運行，避免了由于打回流而增加能耗。

3.6 環(huán)保

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”只建設一個站，因此占地比分散增壓布站方案明顯減少，對自然環(huán)境的破壞也隨之大大減小，符合國家保護土地資源的要求，同時由于操作人員的減少，也減少了由于人員生活等對周圍環(huán)境的影響。

3.7 減少占地

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的1個閥組占地平均為15m×12m，合計占地0.13萬m2；如采用分散增壓布站，1座增壓站占地約60m×50m，7座增壓站合計2.1萬m2，“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”同分散增壓布站方案相比減少占地1.97萬m2，減少投資約207萬元。

3.8 易于推廣，具有較好的應用前景

目前，柿莊南棗園煤層氣田現(xiàn)有的CNG站由于安全許可證和交通等原因一直停運。新建CNG站勢在必行。此外，該煤層氣田開發(fā)規(guī)模的不斷擴大，也導致氣源外輸成了問題。而“枝上枝”閥組布站的環(huán)形集輸系統(tǒng)可充分滿足該氣田以后的改擴建要求，且閥組復制性強。該技術已在具有“低孔（8.95%）、低滲（0.73m d）、低產(chǎn)（1萬～3萬m3/d）、低豐度（1.3億m3/km2）、低飽和度（50%～60%）、低壓（28 MPa）”六低特征的蘇里格氣田和山西沁南煤層氣端鄭采氣區(qū)地面建設工程中得到成功的應用。

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