沁水盆地煤層氣開采初期集輸工藝優(yōu)化研究

梅永貴，郭簡，薛占新，王景悅，屈麗彬，杜曉冬

中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城048000

沁水盆地煤層氣開采初期集輸工藝優(yōu)化研究

梅永貴，郭簡，薛占新，王景悅，屈麗彬，杜曉冬

中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西晉城048000

山西沁水盆地高階煤煤層氣具有低壓、低滲、高豐度的特點(diǎn)，決定了煤層氣必須經(jīng)過1～2年的排采期，才能達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)氣量。華北油田山西煤層氣分公司在樊莊及鄭莊區(qū)塊開采初期，因產(chǎn)氣量小、氣量上升慢，無法滿足集氣站壓縮機(jī)啟運(yùn)的最低排氣量要求。為了解決該問題，使產(chǎn)氣能夠正常增壓外輸，提出了越站集輸、集氣站中低壓連通流程改造方案，應(yīng)用中壓集輸站外輸線輸送低壓氣、下游集氣站集中增壓、壓縮機(jī)單作用運(yùn)行等辦法，很好地解決了開采初期的低產(chǎn)氣量集輸升壓問題。

沁水盆地；煤層氣；集輸工藝；低壓輸送；越站集輸；開采初期

1 沁水盆地煤層氣集輸工藝現(xiàn)狀分析

2009年9月15日我國第一座數(shù)字化煤層氣處理中心在華北油田成功投產(chǎn)，標(biāo)志著華北油田建成了管道輸送、氣體集中處理外輸?shù)恼酌簩託馓锏孛婕斚到y(tǒng)。合理的集輸工藝是油田產(chǎn)氣高效外輸?shù)谋Ｕ希疚慕榻B了關(guān)于山西沁水盆地煤層氣開采初期集輸工藝的優(yōu)化研究工作。

1.1 煤層氣特性

煤層氣屬于非常規(guī)天然氣，其投產(chǎn)初期一般產(chǎn)量較低，沁水盆地煤層氣平均單井日產(chǎn)不足1 500 m3；井口壓力低，一般不超過0.5 MPa，樊莊區(qū)塊多數(shù)維持在0.1 MPa左右，需要在集氣站增壓外輸；生產(chǎn)周期長，單井壽命15～20年。

1.2 煤層氣常規(guī)工藝流程

沁水盆地煤層氣集輸工藝流程：單井產(chǎn)氣（設(shè)計(jì)壓力0.1～0.3 MPa）經(jīng)過單井采氣管道進(jìn)入集氣站，在集氣站過濾、增壓至1.4 MPa左右，通過干線輸送至處理中心處理外輸。

外輸可采用進(jìn)入管網(wǎng)長輸、壓縮（CNG）和液化（LNG）等三種處理方法，目前樊莊區(qū)塊均采用進(jìn)入管網(wǎng)長輸?shù)奶幚砟Ｊ?，將產(chǎn)氣全部接入西氣東輸管道[1]，集輸工藝流程見圖1。該煤層氣集輸系統(tǒng)由11座集氣站、9條集氣支干線和1座處理中心組成[2]，單井產(chǎn)氣均由集氣站增壓后輸送至處理中心統(tǒng)一處理外輸。

圖1 樊莊煤層氣集輸工藝流程示意

1.3 存在問題

投產(chǎn)初期，部分集氣站出現(xiàn)了區(qū)塊產(chǎn)氣量遠(yuǎn)低于壓縮機(jī)最低啟輸量的情況，該區(qū)塊產(chǎn)氣量無法通過壓縮機(jī)增壓后外輸至其他集氣站或處理中心。為了防止井口憋壓破壞儲(chǔ)層，只能通過集氣站放空火炬燃燒的方式處理采出的煤層氣，造成資源的大量浪費(fèi)。

1.3.1 樊6集氣站

原設(shè)計(jì)集輸工藝：單井來氣經(jīng)樊6集氣站增壓后，輸?shù)椒?站至處理中心的管道，與樊4集氣站增壓后的煤層氣匯合后去煤層氣處理中心。每座集氣站安裝2臺(tái)壓縮機(jī)，型號(hào)為DTY500L，處理能力為9.3萬～16萬m3/d。2009年9月集輸系統(tǒng)投產(chǎn)時(shí)，樊6集氣站所轄單井產(chǎn)氣量合計(jì)3.6萬m3/d，遠(yuǎn)未達(dá)到壓縮機(jī)開啟最低氣量要求，壓縮機(jī)不能正常開啟。

1.3.2 鄭3集氣站

原設(shè)計(jì)集輸工藝：鄭3集氣站所轄單井來氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓后，輸?shù)洁?站至處理中心的管道，與鄭4集氣站增壓后的煤層氣匯合后去煤層氣處理中心。每座集氣站安裝3臺(tái)壓縮機(jī)，包括DTY1000型壓縮機(jī)2臺(tái)、DTY1600型壓縮機(jī)1臺(tái)，處理能力為35萬～64萬m3/d。2012年12月，鄭4站所轄單井產(chǎn)氣量逐步上升至6.6萬m3/d，而鄭3站所轄單井產(chǎn)氣量合計(jì)3.4萬m3/d，雖然鄭4站已滿足壓縮機(jī)最小啟輸量，但鄭3站產(chǎn)氣量距啟輸量還存在較大差距。如果只開啟鄭4站壓縮機(jī)，鄭4站高壓外輸氣量壓力大于鄭3站低壓外輸壓力，使得鄭3站產(chǎn)氣量無法順利外輸，甚至出現(xiàn)鄭4站來氣倒灌入鄭3站的現(xiàn)象。因此鄭3、鄭4集氣站均無法開啟壓縮機(jī)，單井產(chǎn)氣無法正常外輸。

2 投產(chǎn)初期集輸工藝優(yōu)化改造

為了使沁水盆地煤層氣區(qū)塊投產(chǎn)初期單井產(chǎn)氣順利外輸，提出了越站集輸?shù)墓に囁悸?，即將上游集氣站增壓單元跨接，使其功能上僅相當(dāng)于閥組，由下游集氣站壓縮機(jī)集中增壓外輸。

具體改造方案如下：在集氣站進(jìn)站匯管與外輸匯管之間建立高低壓連通流程，將集氣站內(nèi)分離器、過濾器、壓縮機(jī)等處理單元跨接。低壓單井產(chǎn)氣通過集氣站外輸管道輸送至下游集氣站，并匯入進(jìn)站匯管，再由下游集氣站壓縮機(jī)集中增壓外輸。

改造的技術(shù)難點(diǎn)在于優(yōu)選高低壓連通線管徑，管徑過小會(huì)造成低壓輸氣積液以及局部節(jié)流產(chǎn)生較大壓損，危害集輸系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此通過Pipeline Studio軟件以及天然氣管道威莫斯公式[3]計(jì)算表核算各節(jié)點(diǎn)壓力值并優(yōu)選管徑。

式中Q——在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量/（m3/h）；

D——管道內(nèi)徑/cm；

p1——管道計(jì)算段起點(diǎn)壓力/MPa；

p2——管道計(jì)算段終點(diǎn)壓力/MPa；

Z——壓縮系數(shù)；

γ——輸送氣質(zhì)的平均相對(duì)密度；

T——輸送氣質(zhì)的平均溫度/K；

L——管道計(jì)算段的長度/km。

2.1 樊6-樊4集氣站改造

遵循上述工藝優(yōu)化思路的指導(dǎo)，將樊6集氣站產(chǎn)氣低壓輸送至樊4集氣站集中處理。利用天然氣管道威莫斯公式計(jì)算低氣量下各節(jié)點(diǎn)壓力值，經(jīng)分析認(rèn)為改造方案可行。

據(jù)此進(jìn)行了必要的流程改造，如圖2所示，其中粗實(shí)線為改造線路，圖中省略了分離器、計(jì)量設(shè)備等。通過在站內(nèi)增設(shè)低壓流程倒改管道，可依據(jù)當(dāng)時(shí)氣量，靈活選擇輸送方式，實(shí)現(xiàn)氣量輸送優(yōu)化管理。

圖2 樊6站－樊4站－處理中心工藝流程示意

下面對(duì)倒改流程[4-5]作具體說明。樊6站投產(chǎn)初期，產(chǎn)氣量較低無法開啟壓縮機(jī)，故采用低壓輸送方式：關(guān)閉2、4號(hào)閥門，開啟1、3號(hào)閥門；樊6站單井來氣進(jìn)入進(jìn)站匯管，然后低壓輸送至樊4站進(jìn)站匯管，與樊4站單井來氣一起采用中壓輸送方式：關(guān)閉1、3號(hào)閥門，開啟2、4號(hào)閥門；樊6站單井來氣進(jìn)入進(jìn)站匯管，然后過濾分離，進(jìn)入樊6站壓縮機(jī)增壓，中壓輸送至處理中心。

2.2 鄭4-鄭3集氣站改造

與樊6站至樊4站至處理中心工藝改造不同，鄭3集氣站的外輸線插入在鄭4站至處理廠外輸管道上，因此，需增建一條插入點(diǎn)至鄭3站進(jìn)站匯管的管道，以實(shí)現(xiàn)鄭3站開啟壓縮機(jī)集中壓縮鄭3站、鄭4站氣量的目的。如圖3所示。

經(jīng)過分析計(jì)算，閥1、閥2處管道選用D273 mm ×6 mm即可滿足要求。此外，為了保證鄭3站、鄭4站恢復(fù)正常流程后清管作業(yè)的順利實(shí)施，閥3應(yīng)為全通徑球閥，閥2處新建管道連接處應(yīng)做預(yù)留擋條三通處理。

圖3 鄭4站－鄭3站－鄭1站工藝流程改造示意

3 應(yīng)用效果

樊6集氣站2009年9月10日完成改造，開始低壓輸氣運(yùn)行。3.6萬m3/d產(chǎn)氣量，通過樊6站-樊4站管道低壓輸送至樊4集氣站，由樊4站一同處理，外輸至處理廠。2010年6月8日，樊6站產(chǎn)氣量上升到9萬m3/d，開啟壓縮機(jī)，按照正常設(shè)計(jì)流程運(yùn)行。

2013年3月完成了鄭4集氣站越站集輸流程和鄭3站中低壓連通流程改造，將鄭4站、鄭3站的氣集中到鄭3站升壓外輸至鄭1站。截止2014年6月11日鄭4站正式啟機(jī)實(shí)現(xiàn)增壓外輸，累計(jì)外輸2 414萬m3。

通過采用越站集輸、集氣站中低壓連通、氣量集中處理等輸送模式，可實(shí)現(xiàn)區(qū)塊產(chǎn)氣從投產(chǎn)初期的低產(chǎn)期，到產(chǎn)量上升后所有氣量全部產(chǎn)生效益。既為建設(shè)贏得時(shí)間，為生產(chǎn)管理帶來方便，使運(yùn)行成本降低，同時(shí)也保護(hù)了單井和地層，為區(qū)塊增產(chǎn)提供了先決條件。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

生產(chǎn)初期，低產(chǎn)氣量滿足不了壓縮機(jī)開啟條件，不能實(shí)現(xiàn)增壓外輸。集輸工藝流程倒改試驗(yàn)的成功，確立了低壓輸送氣量至相鄰集氣站合并處理的煤層氣投產(chǎn)初期的集輸模式，其優(yōu)勢如下：

（1）取代了因產(chǎn)量低而采用產(chǎn)氣放空點(diǎn)燃的處理方法，減少了產(chǎn)量損失和能源浪費(fèi)。

（2）保證了單井氣量順利外輸，避免造成井口憋壓，影響單井產(chǎn)量。

（3）煤層氣是典型地面地下一體化氣田，合理的地面集輸工藝能極大地降低對(duì)地下儲(chǔ)層的影響。4.2建議

通過對(duì)沁水盆地煤層氣開采初期集輸工藝的優(yōu)化研究得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）在設(shè)計(jì)之初，需要對(duì)各集氣站內(nèi)集氣工藝設(shè)置低壓、中壓輸送兩套流程，可根據(jù)生產(chǎn)情況靈活使用。

（2）新區(qū)塊開發(fā)規(guī)劃過程中要充分考慮開采初期氣量低、增產(chǎn)慢、集氣站無法投用的情況下集輸流程的設(shè)計(jì)，避免投產(chǎn)后二次改造。

（3）根據(jù)各集氣站所轄單井實(shí)際產(chǎn)氣量決定氣量外輸方式。

（4）相鄰集氣站產(chǎn)氣經(jīng)低壓輸送、合并外輸，必要時(shí)壓縮機(jī)單作用運(yùn)行。

[1]田煒，陳洪明，梅永貴，等.沁水盆地南部樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化與思考[J].天然氣工業(yè)，2011，31（11）：30-33.

[2]陳彰兵，蘇欣，張琳.低壓氣集輸工藝[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2009，28（3）：1-3.

[3]王紅霞，王遇冬，薛崗等.山西沁水煤層氣地面集輸工藝的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)[C]//2008年煤層氣學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京：地質(zhì)出版社，2008:426-433.

[4]王紅霞，劉祎，王登海，等.沁水盆地煤層氣地面工藝技術(shù)[J].天然氣工業(yè)，2008，28（3）：109-110.

[5]王紅霞，李娜，張璞等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊集氣站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[J].天然氣工業(yè)，2010，30（6）：84-86.

Optimization Research of Qinshui Basin CBM Initial Gathering and Transportation Technology

MeiYonggui，Guo Jian，Xue Zhanxin，Wang Jingyue，Qu Libin，Du Xiaodong
PetroChina HuabeiOilfield CBM Branch Company，Jincheng 048000，China

High-rank coal CBM in Qinshui Basin in Shanxi Province is characterized by low pressure，low permeability and high abundance，which determines that it would reach its designed gas production by taking 1 to 2 years for row mining.During the initial stage of Fanzhuang Block and Zhengzhuang Block exploitations by Huabei Oilfield CBM Branch Company，the lowest air displacing gas rate of the compressor in gathering station cannot be satisfied because of the low gas production and slow gas increase.In order to solve this problem and make pressurization of gas for transmission，Huabei Oilfield CBM Branch Company puts forward the reformation plan of over-station gathering and transportation plus medium and low pressure process linkage at station，and applies the method of low pressure gas transported by medium-pressure pipeline of medium-pressure station，pressurization by downstream station，single-cylinder working of twin cylinder compressor，and so on.The pressure boosting problem in low yield gas gathering and transportation in initial production stage is overcome smoothly.

Qinshui Basin；coal bed methane（CBM）；gathering and transportation process；lowpressure transmission；over-station gathering；initialproduction

圖片報(bào)道：某煤層氣處理中心

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（示范工程）“山西沁水盆地煤層氣水平井開發(fā)示范工程”（2011ZX05061）；中國石油天然氣股份有限公司科技重大專項(xiàng)《煤層氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究及示范工程》（2010E-2206）

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.009

梅永貴（1966-），男，重慶人，高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事煤層氣開發(fā)研究工作。

2014-12-09