沁南潘河煤層氣田“分片集輸一級增壓”集輸技術

摘 要

摘要：為加快沁水盆地南部煤層氣開發進程，針對煤層氣多井、低壓及低產的特點，中聯煤層氣有限責任公司采用“分片集輸一級增壓”的管網布置方式，對傳統的集輸工藝進行了
摘要：為加快沁水盆地南部煤層氣開發進程，針對煤層氣多井、低壓及低產的特點，中聯煤層氣有限責任公司采用“分片集輸一級增壓”的管網布置方式，對傳統的集輸工藝進行了改進優化，由1個簡單閥組替代了集氣站作為采氣和集氣的轉換環節，同時引入GPRS移動無線數據傳輸技術，大大簡化了集輸流程，減少了生產設施，方便了運行管理，顯著降低了工程投資，為沁水盆地南部煤層氣田全面進入商業化開發奠定了堅實的基礎，也為其他地區的煤層氣開發利用提供了參考。
關鍵詞：沁水盆地；南部；潘河煤層氣田；分片集輸一級增壓；地面集輸；示范工程
    中國煤層氣資源十分豐富，全國埋深2000m以淺的煤層氣地質資源量為36.81×1012m3，超過了天然氣的地質資源量(35×1012m3)；埋深1500m以淺的煤層氣可采資源量為10.87×1012m3，約為天然氣可采資源量的二分之一[1]。截至2009年底，全國探明煤層氣地質儲量為1852.4×108m3，其中沁水盆地南部為1317×108m3，占總量的67%[2]。中國石油天然氣股份公司已于2008年在山西沁水盆地樊莊區塊建設“十一五”重點項目——山西沁水盆地煤層氣田產能建設工程。該工程產能建設規模(包括樊莊和鄭莊2個區塊)為15×108m3/a，其中一期樊莊區塊產能建設為6×108m3/a，中央處理廠規模為30×108m3/a(其中一期為10×108m3/a[3]。
   2009年10月，中聯煤層氣有限責任公司承擔的“沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程”成功完成了投產試運行工作[4～5]。項目實施過程中，形成了一系列適合煤層氣行業開發的獨特技術，產能為1×108m3/a的地面集輸系統充分適應了煤層氣多井、低壓和低產的特點，實現了煤層氣田開發的低成本戰略[6]。
1 集輸系統工藝流程
    美國整裝開發的煤層氣田大都采用中心壓縮系統，即利用井口壓力，通過合適口徑的管道，將天然氣集中到集氣壓縮中心站[7]。而該示范工程地面集輸系統建設分兩期完成，前期40口井為先導性試驗項目，其集輸工藝流程采用石油天然氣常規流程，每10口井設立1個閥組，閥組匯總到集氣站后，在集氣站進行增壓，然后輸送至CNG站加壓銷售。后期110口井的集輸系統由中國石油遼河工程有限公司設計，在總結先導性試驗項目經驗的基礎上，根據煤層氣低壓、低產的特點，對集輸工藝進行了改進優化，提出了“分片集輸一級增壓”的管網布置方式，由1個簡單閥組替代了集氣站作為采氣和集氣的轉換環節，從而大幅度地簡化了工藝流程，技術上有重大突破。整個地面集輸系統工藝流程主要分為井口工藝、采氣管道、閥組工藝、集氣管道和增壓站工藝。井口套管產出的煤層氣經油嘴節流后，壓力變為0.1～0.2MPa，隨后進入采氣管道(采氣管道主要采用PE100聚乙烯管道)，各井產氣由采氣管道匯集到集氣閥組進行集中，完成單井計量和閥組總計量，然后通過集氣管道到達集氣增壓站(集氣增壓站入口壓力約為0.05MPa)，煤層氣在集氣增壓站經過簡單過濾分離處理后，增壓外輸，外輸壓力為0.6MPa[5]。其主要工藝流程如圖1所示。
 

    整個集輸系統中，閥組不設壓縮機，只在集氣增壓站進行增壓，系統中只進行一次增壓，減少了增壓級數，從而減少了巡檢和管理的工作量，降低了系統能耗，同時也大大降低了工程投資。
1.1 井口工藝流程
    40口先導性試驗項目井的井口流程中，煤層氣從井口套管中產出，然后進入采氣管道，往閥組匯集。采氣管道前裝有安全閥，采氣管道壓力達到0.4MPa后，安全閥跳起，超壓氣體進入放空管放空，避免系統超壓而產生危險。產出水從油管中產出，首先經過氣水分離器進行分離，分離出來的氣體由放空管進行放空，分離后產出水進行流量計量，然后排放到井口污水池。該井口工藝流程如圖2所示。
 

    后期的110口井，在總結前40口先導性試驗項目井的基礎上，進行了流程優化，減少了部分設備，簡化了流程，取消了氣水分離器、安全閥和壓力變送器，產出水流量計量也由原來的固定式計量改為流動式計量，井口僅有機械式壓力表就地顯示壓力數據，所有遠傳數據在閥組進行集中采集并遠傳。
    在該段流程中，水通過抽油機從油管中抽出，直接排放到井場附近的排污池，自然蒸發。煤層氣從套管和油管間的環形空間產出，通過采氣管道，進入煤層氣采集系統，系統壓力為0.2MPa。當采氣系統檢修時，打開放空閥，通過放空管把井口里的煤層氣連續排放到大氣中。該井口工藝流程及如圖3所示。
 

1.2 閥組工藝流程
    40口先導性試驗項目井中，氣體進入閥組后，首先經過調壓閥調壓，壓力調整為0.2MPa，單井產氣可利用閥門倒換流程，進行單井產氣輪換計量。所有氣體匯集到生產匯管后進入集氣管道，輸至集氣站。在生產匯管上安裝有安全閥，當壓力超過0.4MPa時，安全閥自動跳起。閥組中單井流量數據通過光纜傳輸至監控中心。該工藝流程如圖4所示。
 

    后期施工井的閥組取消了調壓閥，井口來的煤層氣到達集氣閥組后，進入集氣閥組的生產匯管，經總計量后直接進入管道，整個集氣系統從井口到增壓站為1個封閉系統，集輸壓力通過系統自動調整平衡。單井煤層氣計量時，首先進入計量匯管，經流量計計量后，再進入生產匯管。每口井的采氣管道在集氣閥組都有放空流程，當采氣管道檢修時，打開放空閥，進入放空匯管，經放空管放空。生產閥組匯管上設有安全閥，當采、集氣管道壓力達到0.4MPa時安全閥起跳，將超壓部分氣體排放至放空管。該閥組工藝流程如圖5所示。

1.3 集氣增壓站工藝流程
    40口先導性試驗項目井中，在氣田內建設集氣站，增壓到0.6MPa后經過外輸管道輸送到CNG加氣站，通過CNG罐車外銷。由于集氣站建設在氣田內，所以集氣站內建設有1個閥組，氣體進入閥組后，首先調壓，壓力調整為0.2MPa，單井產氣可利用閥門倒換流程進行單井輪換計量。集氣站閥組產氣和其他閥組來氣在匯管進行匯合，經過過濾分離、總計量和調壓后進入集氣站壓縮機增壓，壓力增加到0.6MPa后，進入外輸管道，送往CNG站。該集氣站主要流程如圖6所示。
 

   后期110口井增壓站不在氣田內部，氣井產出氣體通過集氣管道靠井口壓力輸送到增壓站，從集氣閥組來的煤層氣進入增壓站的進站管道，壓力為0.05MPa，經2臺高效旋流立式分離器進行氣、液分離，分離后的煤層氣進入壓縮機進行增壓，增壓至0.7MPa，經計量后外輸。
   在分離器的入口管道上設有緊急關斷閥和緊急放空閥，當出現事故時立即關閉緊急關斷閥，同時打開緊急放空閥，使煤層氣進入放空系統。當壓縮機的進氣量不能滿足壓縮機進氣要求時，打開壓縮機的旁通閥，使壓縮機的出口煤層氣回流至壓縮機入口，進行流量調節。壓縮機組的進口匯管設有調壓放空系統，壓縮機事故停機時，導致壓縮機入口壓力增高，通過調壓放空閥將超壓部分的煤層氣及時放空去放空系統，從而保持其他壓縮機組的正常運行。該增壓站主要工藝流程如圖7所示。
 

    后期110口井的地面集輸工程大膽采用了“分片集輸一級增壓”集輸新工藝，是對傳統集輸工藝技術的創新，將集氣站改為閥組，大大簡化了工藝流程，省去了傳統流程中集氣計量站中的計量分離器、生產分離器、供水、供電、值班用房等生產及輔助設施，在減低能耗的同時大大降低了工程投資。該系統投產后運行情況良好。
1.4 采集氣管道管材
    工程設計階段，對PE100聚乙烯管和無縫鋼管投資情況進行了詳細的比較，主要比較了公稱直徑50～600mm的PE100聚乙烯管和無縫鋼管的安裝費、建筑費、主材費、預制費和總造價等。由于穿越工程和水工保護隨現場情況變化較大，在比較過程中未考慮穿越工程和水工保護費用。各規格PE100聚乙烯管和無縫鋼管的比較數據見表1[8]。

    將表1中數據繪制成管徑與管線總投資關系曲線如圖8所示。由圖8可知，當采氣、集氣管道的公稱直徑不大于200mm時，采用PE100聚乙烯管道投資低。當采氣、集氣管道的公稱直徑大于200mm時，采用鋼制管道投資低。該示范工程施工中采用了PE100聚乙烯管道與鋼管相結合的方案，采氣管道和部分集氣管道采用了PE100聚乙烯管道，明顯降低了工程管道的投資。
2 數據采集和傳輸
    監控與數據采集(SCADA)系統，由增壓站站控系統、14個閥組遠程終端單元及增壓站站控系統組成，前期先導性試驗項目40口井的遠程數據傳輸單元(RTU)通過光纜將信號傳輸至相應閥組RTU，14個閥組RTU與增壓站站控系統之間的數據傳輸方式采用GPRS無線傳輸，是GPRS無線傳輸在煤層氣行業的首次應用，能夠大大降低數據傳輸建設及維護成本。井口閥組的工藝數據通過計算機通訊電纜上傳至RTU，RTU將現場工藝數據通過GPRS無線網絡上傳至增壓站站控系統，增壓站站控系統與遠程監控終端通過網絡進行數據通訊。CNG站與增壓站站控系統之間的數據傳輸采用光纜。
    數據采集主要檢測參數包括以下2個方面：
    1) 井口數據主要采取就地顯示方式，不進行遠程傳輸。主要參數有井口采氣管道壓力。
    2) 閥組設置RTU，將流量計監測到的參數通過GPRS方式傳輸到增壓站監控中心，實現遠程監測，同時提供上述參數的就地顯示。主要監測數據有閥組單井瞬時流量、累積流量、管道溫度、壓力和閥組匯管瞬時流量及累積流量。
3 結束語
    “沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程”在集輸工藝、數據傳輸及自動控制方面均進行了技術創新。通過示范工程地面集輸系統的建設和施工管理，基本掌握了煤層氣氣田地面集輸工程建設的程序、技術、成本及管理方法，為沁南煤層氣氣田全面進入商業化開發奠定了堅實的基礎，為其他地區煤層氣開發利用提供參考，對促進煤層氣資源利用、加速煤層氣資源開發具有積極意義。
參考文獻
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[3] 王紅霞，陶永，楊艷，等.沁水盆地煤層氣田與蘇里格氣田的集輸工藝對比[J].天然氣工業，2009，29(11)：104-108.
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[5] 中聯煤層氣有限責任公司.沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程和技術研發報告[R].北京：中聯煤層氣有限責任公司，2010.
[6] 中聯會計師事務所有限公司.沁南煤層氣開發利用高技術產業化示范工程竣工決算審計報告[R].北京：中聯會計師事務所有限公司，2010.
[7] 肖燕，孟慶華，羅剛強，等.美國煤層氣地面集輸工藝技術[J].天然氣工業，2008，28(3)：111-113.
[8] 裴紅，劉文偉.煤層氣集輸工程設計思想及在潘河項目中的實踐[C]∥2008年煤層氣學術研討會.井岡山：中國煤炭學會煤層氣專業委員會，中國石油學會石油地質專業委員會，2008.
 
(本文作者：陳仕林 李建春 中聯煤層氣有限責任公司)