摘要：中國石油天然氣股份有限公司“十一五”期間在沒有任何經驗可借鑒的情況下在山西沁水盆地南部建成了我國第一個規模化、商業化、數字化的煤層氣田，該氣田邊試驗、邊開發、邊建設的發展模式給地面集輸系統的合理布局帶來了新的難題。為此，根據煤層氣田的地質、氣藏特征及氣質組分特點，通過理論研究及現場試驗，提出了地面建設新模式和地面集輸工藝的優化措施：①簡化低壓集氣工藝；②成功應用非金屬管材；③采用井間枝上枝串接工藝；④采用越站集輸工藝；⑤實現自動化控制及數字化管理；⑥應用三甘醇脫水技術；⑦采用集成過濾分離器；⑧煤層氣集中處理、規模化外輸；⑨實行低成本開發。同時，還對在實際生產中暴露出來的采氣管線積水問題、氣質凈化問題、壓縮機的適應性問題、濕氣計量問題、山區電力線路與采氣管線的敷設問題、地理信息系統建設問題、采氣半徑與集氣站數量的關系問題、煤層氣田標準化設計及模塊化建設問題、壓縮機的備用問題和煤層氣銷售市場定位問題進行了探討，并給出了相應的建議。
關鍵詞：沁水盆地南部；樊莊區塊；煤層氣；地面集輸；工藝優化；探討；建議
1 樊莊區塊煤層氣田產能建設概況
根據國家大力發展新能源的戰略要求，“十一五”期間中國石油天然氣股份有限公司在山西沁水盆地樊莊區塊開始規模開發煤層氣田，該區域位于山西省東南部、太行山西麓沁水盆地南部，行政隸屬于山西省晉城市沁水縣。樊莊區塊煤層氣田產能建設目標為6.0×108m3/a，地面系統共建采氣井400余口、集氣站6個，天然氣中央處理廠一期建設規模為10×108m3/a。2009年9月15日，天然氣中央處理廠產品氣開始源源不斷地輸送至“西氣東輸”管網，樊莊區塊煤層氣田6.0×108m3/a產能建設完成，我國第一個規模化開發、商業化運營的煤層氣示范工程進入試生產階段。圖1為樊莊區塊煤層氣田生產總工藝流程圖。
但樊莊區塊煤層氣田的開發建設也存在以下難點。
1) 地處太行山麓沁水盆地，屬于山地丘陵地帶，溝谷切割，基巖出露，地形條件異常復雜，氣田開發建設條件差。
2) 單井產量低，井口壓力低，氣田單位產能建井數增多，投資控制難度增大。
3) 初期單井產水較多，水型以NaHC03型為主，隨著開采時間的延續，產水量逐步減少。
4) 煤層氣中飽和水含量較高，隨著輸送距離的增加會產生一定的游離水，需增加分離和脫水裝置，將使得投資增加。
5) 氣田邊試驗、邊開發、邊建設的發展模式為集輸系統的合理布局帶來新的難點。
2 地面集輸工藝優化
煤層氣開發是一種高投入、低產出、高風險的產業，與常規天然氣田相比，煤層氣田具有低滲、低壓、低產和低飽和的特點，業內稱作“四低”氣田，其地面集輸工藝也較常規天然氣氣田開發的地面集輸工藝有很大差異。根據山西沁水煤層氣田的地質特征、氣藏特征及氣質組分特點，通過理論研究及現場試驗，提出了“排水采氣、井口計量、井間串接，低壓集氣、復合材質、站場分離、兩級增壓、集中處理、自動控制”的煤層氣地面建設新模式[1～3]。
2.1 簡化低壓集氣工藝
在工程建設過程中，根據對煤層地質構造及煤層氣富集規律認識的不斷深化，適當調整了井位部署。地面集輸工藝建設采用串接形式，做出了優化減少3座集氣站建設的決定，節約了建設投資。圖2為樊莊區塊煤層氣田集氣站的工藝流程圖。圖3為樊莊區塊煤層氣田天然氣中央處理廠的工藝流程圖。
2.2 成功應用非金屬管材
根據鋼管與PE管綜合投資對比，管道內徑200mm是臨界值，小于200mm時PE管材投資低，大于200mm時鋼制管材投資低；PE管材具有一定強度、柔性好、抗蠕變性強、耐磨、內壁光滑且不結垢、節能效果好、壓力損失小、無污染、施工維修方便、使用壽命長等特點，適應于煤層氣田低壓小管徑采氣系統。很好地解決了金屬管道耐壓不耐腐，非金屬管道耐腐不耐壓的缺點。簡化了施工程序，節約了工程投資[4]。
2.3 采用井間枝上枝串接工藝
首次在煤層氣氣田工程中采用了多種井間串接方式，單井不必直接敷設進站，而是根據地形、地貌、井型等情況，通過采氣支管把相鄰的幾口氣井靈活串接到采氣干管，匯合后集中進站。這種井間枝上枝的串接工藝縮短了采氣管線長度，增加了集氣站的集氣半徑，降低了管網投資，減少了對植被的破壞，提高了采氣管網對氣田滾動開發的適應性。圖4為井間枝上枝串接工藝流程簡圖。
2.4 采用越站集輸工藝
煤層氣具有初期產氣量很低的特點，這決定了分集氣站投產初期氣量不能滿足壓縮機最低起輸量要求，為此，在集輸工藝上采取了上游集氣站和下游氣站的高、低壓進出口互聯的辦法，當上、下游集氣所轄井氣量不足時，上游集氣站氣量低壓集輸至下集氣站，滿足下游集氣站的運行；當上、下游集氣站足壓縮機最低起輸量時，上游集氣站可直接跨越下集氣站把煤層氣輸送至天然氣中央處理廠。樊3、6集氣站集氣支線應用中壓集輸線輸送低壓氣，樊5集氣站雙缸壓縮機采取單缸運行，很好地解決了排采初期的低產氣量集輸升壓問題，并為集輸工藝設計和生產運行提出了新思路[5]。
2.5 實現自動化控制及數字化管理
天然氣中央處理廠采用了基于計算機網絡技術的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監視控制)系統，該系統負責對全區塊的生產運行情況進行集中監控和運營管理。集氣站采用以計算機控制技術為核心的站控系統(SCS)，完成站場內工藝過程的數據采集和監控任務。采氣井場設置SCADA系統遠程終端裝置(RTU)，將井口數據通過無線寬帶+光纜傳輸的方式傳至天然氣中央處理廠的數據中心。該系統滿足了煤層氣田低成本發展的要求[6～7]，適應了沁水盆地山高溝深的自然環境要求，實現了“井多人少”的目標，達到了提高效益的目的。
2.6 應用三甘醇脫水技術
首次在煤層氣領域較大規模地應用三甘醇脫水技術，其溶液循環量小，露點降大，易于再生，溶液損耗小，操作費用低。該技術工藝成熟，工藝流程短，裝置結構緊湊，運行安全可靠，比較適合煤層氣井排采周期長的特點。
2.7 采用集成過濾分離器
天然氣中央處理廠創新地采用了集成過濾分離器，其由重力分離段、液體緩沖段、過濾段和儲液段組成，具有段塞流捕集、氣液分離及顆粒過濾等功能。該過濾分離器代替了常規的三大過濾設備，大大簡化了流程，具有處理量大、分離效果好等優點。集成過濾分離器上設置高、低液位報警，實現了正常工作狀態下的自動排液，減少了人工的頻繁操作，同時可避免誤操作造成分離效果不佳的情況。
2.8 煤層氣集中處理、規模化外輸
所有樊莊區塊煤層氣通過采氣管網收集到集氣站，再由集氣站增壓輸送到天然氣中央處理廠，經集中凈化處理后輸送到“西氣東輸”主干道。煤層氣集中處理，提高了處理系統的規模效果；煤層氣規模化外輸，有利于資源統一調配，充分利用好煤層氣資源[8]。
2.9 實行低成本開發
針對煤層氣田低壓和低密度的特點，在開發中通過采用簡易井口、縮小安全間距和取消井口安全自動控制裝置等措施，使樊莊區塊煤層氣田地面建設投資比預期降低了1/3，為有效開發“四低”煤層氣田提供了一種先進可靠的工藝模式，將給其他區塊的煤層氣田地面工程設計提供參考。
3 問題與建議
樊莊區塊煤層氣田地面集輸工藝示范工程經過1年的系統整體運行，實現了煤層氣安全、平穩、高效生產的目標，為其他煤層氣田的建設提供了經驗，但也暴露了一些問題，值得在今后的建設中共同探討。
3.1 采氣管線積水問題
煤層氣試采期間對氣質進行過分析，分析結果顯示所采煤層氣中含水量低，當時認為其在管道內的流動過程中不會析出水，因此地面集輸系統初步設計時沒有對管道積水做任何考慮。但實際運行情況顯示管線積水嚴重，積水量隨著井深、壓力和溫度的變化而變化，造成部分井口憋壓、部分采。氣計量閥組冬季凍堵[9]。后期在采氣管線低洼處加裝了凝液缸，并在井口工藝設計時增加了反掃排水功能，基本緩解了濕氣輸送過程中的段塞流影響和冬季凍堵問題。
凝液缸雖然極大地緩解了管網積水問題，但由于地形復雜，此舉還是無法徹底解決管網積水問題，此外，滿山遍野的凝液缸無形增加了現場管理的難度。因此，建議就如何有效消除段塞流影響，以保證整個集輸系統的安全運行加強技術攻關。
3.2 氣質凈化問題
煤層氣開采與常規天然氣開采重要區別之一就是有大量粉煤灰產生，地面集輸系統設計之初對這個問題認識不夠，集氣站沒有設計過濾裝置，粉煤灰與煤層氣一起被采出到地面，經過采氣管網進入壓縮機，造成壓縮機的活塞和缸套等部件嚴重磨損。建議在分離器與壓縮機之間加裝進站過濾器，將粒徑5μm以上的顆粒濾除；在壓縮機與出站計量閥組之間加裝出站分離器，減輕天然氣處理廠的處理負擔。
3.3 壓縮機的適應性問題
目前樊莊區塊壓縮機全部采用活塞式壓縮機，其具有適用于高壓力環境及便于調節排氣量的特點，滿足了樊莊區塊煤層氣的生產需求，但其高昂的運行費用、頻繁的故障率也為煤層氣日常生產帶來不小的困難。因此，需要進一步全面分析，研究壓縮機的合理匹配問題，考慮集氣站(中壓環境)配套使用螺桿壓縮機組、天然氣中央處理廠(高壓環境)應用電驅活塞式壓縮機組的組合方案是否可行。
3.4 濕氣計量問題
煤層氣雖然甲烷含量(體積分數)超過98%，但其與水一起從煤層流出來，未經脫水之前，煤層氣皆處于飽和含水狀態，屬于濕氣。甲烷中水對計量的影響不在于其量的大小，而在于其流態的變化，其流態變化較之常規天然氣重組分的存在對計量的影響更大。天然氣重組分以氣態形式流動，而濕煤層氣中的水以液態形式流動，冬季還可能以固態形式附著于集輸管內。建議在常規天然氣濕氣計量修正的基礎上，對含飽和水的煤層氣計量作專題研究。
3.5 山區電力線路與采氣管線的敷設問題
沁水盆地南部煤層氣開發區域絕大多數處于山區，雨季雷擊頻繁影響系統供電。井口除了排采設備用電外，還有自動化采集傳輸設備用電，電器元件受雷擊損壞比較嚴重。山區電力線路架設和管道管溝開挖的施工難度都很大，其投資為總體投資的重要組成部分。為了最大限度地避免雷擊、節省建設投資，建議380V電力線路與采氣管線同溝敷設，或采用同溝敷設與架空敷設相結合的方式，減少雷擊概率，節約建設投資。
3.6 地理信息系統建設問題
沁水盆地地南部處山區和林區，自然環境復雜，在此進行煤層氣開發建設存在許多潛在的風險。以地面采氣管線為例，一個山頭可能有多家公司的幾十口井管線；夏季易遭遇山洪、泥石流等，管溝標示樁極易被掩埋或沖倒；河道內情況更為復雜，再加上人為破壞因素，給煤層氣日常生產帶來極大的安全隱患。煤層氣低成本開發的要求不可能使用大量的人力，如何有效、高效地管理好井站生產也是地面集輸系統建設需要認真考慮的現實問題。為此，建議建立一套實用的地理信息系統，輔助山區煤層氣田的日常生產管理。
3.7 采氣半徑與集氣站數量的關系問題
采氣半徑與集氣站數量的確定需要根據工程狀況進行技術經濟比較后予以確定。樊莊區塊煤層氣田的實際運行經驗表明煤層氣田可適當減少站場數量、擴大站場規模、降低工程投資，實現低成本開發目標。但是為了滿足氣田后期開發的需要，結合“擴徑降壓”的經濟性要求，建議集輸半徑控制在1Okm以內，流速不小于5m/s為宜。
3.8 煤層氣田標準化設計、模塊化建設問題
借鑒中國石油長慶油田公司在蘇里格氣田的建設經驗，煤層氣田的建設也具備采用標準化設計、模塊化建設的條件。可通過統一工藝流程、統一設備選型、統一建設標準和統一單體安裝尺寸等措施，實現集氣站的功能統一和操作統一。根據標準化設計思路，可提前對站場的設備和材料進行規模化采購，方便預制和組配，從而加快煤層氣田的建設速度，保證工程建設的優質、高效和安全[10]。
3.9 壓縮機的備用問題
目前集氣站的設計沒有考慮備用壓縮機，而實際運行情況表明壓縮機故障停機比較頻繁。以樊9集氣站為例，3臺壓縮機半年累計故障停機44次，停機時間達116h。而一旦壓縮機故障停機、檢修，就會造成采氣管網憋壓，嚴重影響單井產氣量。為有效解決此問題，建議在今后的生產建設中采取以下措施：①增加移動式增壓機組，各集氣站預留工藝快速接頭和電力配套設施；②集氣站管網互通互聯，最大限度地發揮管網自身的調峰功能。
3.10 煤層氣銷售市場定位問題
煤層氣低產、低壓的特點導致其生產成本要比常規天然氣的生產成本高，要想獲得好的效益必須降低煤層氣生產成本。從地面集輸系統來說，目前的兩級壓縮模式實現了煤層氣的遠距離輸送，但同時也增加了成本。如果煤層氣銷售的市場定位不是遠端，而是就近銷售，那么一級增壓就能滿足要求，同時還增強了企地聯系，有利于企業的快速發展。
參考文獻
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(本文作者：田煒 陳洪明 梅永貴 李新彩 中國石油華北油田煤層氣勘探開發分公司)
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