煤層氣田節(jié)能降本增效的干管互通式管網(wǎng)設計新思路

孟凡華 何 卓 李曉平 王子輝 劉瑞娟

1.中國石油天然氣集團有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司 2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地3.中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

0 引言

在國家有關政策的激勵下，“十一五”和“十二五”期間，沁水盆地已經先后開發(fā)了兩大主要煤層氣產氣區(qū)塊——樊莊區(qū)塊和鄭莊區(qū)塊[1-3]，完成了中央處理廠等建設項目，建成煤層氣產能規(guī)模合計約17×108m3/a，主要采用單井位部署的開發(fā)模式。這是煤層氣田“三低”（低壓、低產量和低含氣飽和度）地面集輸工藝模式建立的基礎[4-8]。隨著氣田開發(fā)技術的持續(xù)發(fā)展和產能建設模式的逐漸改變，當前的煤層氣產能建設項目多采用多井井叢式部署。因此有針對性地研究具有管容利用率高、系統(tǒng)運行率高、系統(tǒng)擴展力強、系統(tǒng)適應力強的地面集輸技術，便成為適應近期煤層氣開發(fā)特點的迫切任務[9-13]。

1 設計理念的更新

“十三五”期間，隨著氣田開發(fā)技術的不斷提高，煤層氣開發(fā)采用多井叢式開發(fā)方式，為規(guī)避已建系統(tǒng)問題和開展集輸系統(tǒng)優(yōu)化技術研究提供了技術基礎。

以沁水盆地某區(qū)塊新建產能為例，產能建設規(guī)模約為4×108m3/a。針對新區(qū)塊建設大井叢開發(fā)、建井區(qū)域集中的兩個特點，實施“干管互通、橇裝分期建站”的設計思路。干管互通即采用建設采氣管道連通管線的方式，由原“枝狀集輸管網(wǎng)”（圖1-a）變成“干管互通式管網(wǎng)”（圖1-b），提高站場負荷率、降低設備閑置率；橇裝分期建站即產能建設區(qū)域的站場均采用橇裝式建設，同時根據(jù)需要一次設計、二期建設，確保區(qū)塊在滾動開發(fā)和生產運行階段都能達到效益最大化[14-16]。

圖1 枝狀串接管網(wǎng)和干管互通式管網(wǎng)圖

2 經濟模型的建立

按照區(qū)塊干管互通、橇裝分期式的建設方案，在滾動開發(fā)過程中，井數(shù)陸續(xù)增加，由于原有集輸模式站間未實施互聯(lián)互通，部分區(qū)塊已鉆氣井只有在該區(qū)塊所轄集氣站建完時才能產生經濟效益，建站過程中并不能產生收益；其次，在井數(shù)不多的情況下通過集氣站輸送，會出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，站場負荷率相對較低，設備總體利用率相對較低，是運行效率低、能耗高的關鍵所在。因此，思考采用建設連通管線的方式，使開發(fā)過程中已鉆氣井通過連通管線輸送到已有站場，不僅充分利用了已有集氣站，提高了利用率，還可以使氣井提前產生收益。

2.1 經濟效益概算

計算公式：

式中E表示經濟效益，元；Cv表示單位立方米的氣價，取1.65元/m3；Cd表示管線建設成本，元；Q表示氣量，m3/d；x表示管線數(shù)量，條；t表示開發(fā)時間，d。

由上式可以看出，收益與產量和開發(fā)時間密切相關。

2.2 盈虧平衡分析

盈虧平衡分析結果如表1所示。1、2、3條連通管線的盈虧平衡分別如圖2、3、4所示。

圖2、3、4中曲線以上（E＞0）的部分代表盈利，曲線以下（E＜0）的部分代表虧本，在曲線上的點代表剛好盈虧平衡。

2.3 具體計算

根據(jù)沁水盆地某區(qū)塊的分布式和分期式建設，將整個滾動開發(fā)過程大致分為12個階段，在這12個階段過程中井的數(shù)量在不斷增加，下面將主要列舉開發(fā)始末階段的有無連通管線的管網(wǎng)狀態(tài)。

表1 盈虧平衡分析表

圖2 1條連通管線的盈虧平衡圖

圖3 2條連通管線的盈虧平衡圖

初始狀態(tài)：只有沁某1所轄井場（圖5）。

最終狀態(tài)：沁某1、沁某2、沁某3全部建成（圖6、7）。

圖4 3條連通管線的盈虧平衡圖

圖5 初始狀態(tài)管網(wǎng)結構圖

2.4 計算結果對比

1）有無連通管線站場平均負荷率和產氣量對比如圖8、9所示。

2）有無連通管線能耗和收益對比如圖10、11所示。

圖6 有連通管線的最終狀態(tài)管網(wǎng)結構圖

圖7 無連通管線的最終狀態(tài)管網(wǎng)結構圖

圖8 有無連通管線站場平均負荷率對比圖

圖9 有無連通管線氣量對比圖

圖10 有無連通管線累計能耗對比圖

集輸系統(tǒng)最大的能耗消耗主要在站場內，站場內的主要能耗消耗在壓縮機上，根據(jù)沁水盆地某區(qū)塊集氣站的壓縮機臺數(shù)及功率等數(shù)據(jù)，通過數(shù)值模擬和計算，得出了累計總能耗對比（圖11）。

圖11 有無連通管線收益對比圖

從以上結果可以看出，在滾動開發(fā)過程中，這種建設方式提高了站場的平均負荷率，降低了系統(tǒng)能耗并且可以使?jié)L動開發(fā)過程中的井提前產生收益，增加了效益，達到了節(jié)能降本增效的目的。

3 效益模型的建立

原有集輸模式下，站場所轄區(qū)域固定，集輸區(qū)域的工藝布局及主要設備固定，使站場的集輸范圍、集輸設備等相對固定，各站場之間很難實現(xiàn)設備共享。當沁水盆地某集氣站現(xiàn)場檢修或停用時，該部分管網(wǎng)就會癱瘓，該站的所有井就會停產。而通過新的建設方式，可以通過連通管線將這些井輸送到其他站，使這些井全部正常生產或部分正常生產來繼續(xù)產生效益，實現(xiàn)了采氣系統(tǒng)的互通互聯(lián)，增加了管網(wǎng)靈活可變性。

3.1 建立數(shù)學模型

目標函數(shù)：

其中 ：

約束條件：

式中NPV表示凈現(xiàn)值；ic表示折現(xiàn)率，取8%；REVt表示t年收入；COSTt表示t年支出；Yt表示t年是否有連通管線；Qj表示j站停用時實際能增加的輸氣量；Cv表示單位立方米的氣價，取1.65元/m3；Xt表示t年是否建連通管線；Cdi表示單位管線i的建設費用，km；Li表示管線i的長度，km；Qsj表示j站停用時，模擬得到的增加的輸氣量（j站能正常生產的所有井的產量）；Qaj表示不停用時j站的設計輸量；qj表示j站的處理能力；ip表示產能到位率，取60% ；T 表示年限，20 a；i=1,2,3。

3.2 停站情況模擬

分別模擬有連通管線時3個站檢修或停用時的情況。

1）沁某1集氣站停用時：即在圖7的管網(wǎng)中去掉沁某1集氣站，結果顯示所有井都可以正常生產。

2）沁某2集氣站停用時：井不能全部生產，但可以保證大部分井正常生產（如圖12所示，紅色圈中的部分由于超壓不能正常生產的井）。

3）沁某3集氣站停用時：即在圖6的管網(wǎng)中去掉沁某3集氣站，結果顯示所有井都可以正常生產。

3.3 計算結果

計算考慮的是在停站的時間內，以沒有連通管線的時間內產量是零為基點，計算有連通管線比無連通管線可以增加的產量和多產生的收益（不考慮集氣站正常使用的時間內兩種情況產生的同等收益）。以每年每個集氣站檢修或停用2 d，期限20 a為例，計算20 a內有連通管線比無連通管線多產生的收益（凈現(xiàn)值），結果如表2所示。

計算結果表明，第一年建立連通管線，20年期限內能回收成本，建連通管線的最大凈現(xiàn)值為416 420.5萬元，比不建連通管線多收益2 184.32萬元。

4 現(xiàn)場應用

圖12 沁某2集氣站停用管網(wǎng)模擬圖

表2 模擬及計算數(shù)據(jù)表

該研究成果在以沁水盆地某區(qū)塊4×108m3/a新建產能中得以應用，完成了方案規(guī)劃與初步設計，建設方案執(zhí)行“分布式布站、標準化設計、橇裝化建設、集約化控制”，系統(tǒng)投資降低20%，系統(tǒng)運行效率預計提高10% ，運行能耗預計可降低20% 。形成了以“低壓集氣、井叢智控、干管互通、站場互備、集中處理”為技術核心的集約化地面集輸工藝模式，實現(xiàn)了管網(wǎng)“點控”到“群控”、 站場“單管”到“聯(lián)動”、建設按需分期的低耗高效示范模型。

5 結束語

以最簡模式實現(xiàn)最大集輸任務是煤層氣集輸系統(tǒng)優(yōu)化研究的努力方向。提高系統(tǒng)運行效率、降低系統(tǒng)能耗是集輸系統(tǒng)優(yōu)化研究的最終目標。轉變產能建設模式是轉變設計理念的前提與基礎，針對沁水盆地某區(qū)塊的產能建設模式，以“三高”（投資高、閑置高、能耗高）問題為導向，有針對性地開展新型系統(tǒng)模式的研究，綜合考慮產能建設階段、運行階段的投資、效率與運行能耗，取得了良好的效果。

該設計在“十三五”期間沁水盆地某區(qū)塊初步設計中進行實際應用并取得了明顯的效果，對今后煤層氣田新區(qū)塊開發(fā)建設具有重要的工程指導意義。