煤層氣計量影響因素分析及采取措施的探討

李瑞峰 程星萍 梅永貴 陳勇智

1.中國石油華北油田分公司質量安全環保處（河北任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司山西煤層氣分公司（山西晉城048000）

煤層氣計量影響因素分析及采取措施的探討

李瑞峰1程星萍1梅永貴2陳勇智2

1.中國石油華北油田分公司質量安全環保處（河北任丘062552）

2.中國石油華北油田分公司山西煤層氣分公司（山西晉城048000）

對于石油行業來講，煤層氣的開發與生產是一個新能源領域的嘗試，國內尚無規模化生產的成熟經驗和集輸處理工藝流程，尤其是在煤層氣生產計量問題上。通過對華北油田公司正式向西氣東輸主干線進行商業化輸送煤層氣一年多來生產中出現計量問題的分析和研究，總結出了計量準確性的幾個方面影響因素，并探討采取相應措施，改進生產工藝流程的可行性。

煤層氣濕氣計量影響因素

煤層氣，俗稱煤礦瓦斯，即非正常天然氣。它是與煤伴生、共生的氣體資源，其主要成分為甲烷，甲烷含量一般為90%~99%。每噸褐煤能生成38~50m3煤層氣，無煙煤可生成346~422m3煤層氣。按熱值計算,甲烷的熱值為33.5~33.7kJ，比1kg標準煤的發熱量還要高。1 000m3標準甲烷相當于1t標準煤。

2009年10月，華北油田經過短短3年多時間，在山西沁水盆地建成國內第一個數字化、規模化煤層氣田，掌握了煤層氣成藏規律和產氣機理，形成了樊莊、鄭莊國內第一個千億立方米規模儲量區，實現煤層氣商業化運營，并依托西氣東輸主干線，在國內第一個實現煤層氣大規模管網外輸。

1 煤層氣領域中濕氣對計量準確的影響

1.1 濕氣概念

在油氣田上游的開采過程中，大多數情況下，天然氣的產出總是伴隨著液態烴、游離水、飽和水蒸汽以及為防止水合物形成人工加入的注劑等。這些油氣田采出的未經處理的含有少量凝析水或油、飽和水蒸汽及輕烴類或其他液體的天然氣，在嚴格意義上講，這種流體應屬于兩相流的范圍。但是，在國內外的油氣工業中，通常把含有油、氣、水的兩相流稱為多相流，而濕氣也是這種兩相流或多相流的一個分支。國際上（如美國、挪威等國）通常將濕氣定義為Lockhart Martineli數不大于0.3的天然氣，即：0≤XLM≤0.3。

1.2 油氣田內部集輸過程中的天然氣計量中大多屬于濕氣計量

對于凝析氣井、伴生氣井和一些開發后期的氣井而言，無論采用什么的計量工藝，即使在計量前端都配備有分離器，但由于工況條件（壓力、溫度等）的變化、分離器跑油、間斷計量時油水在計量管路中沉積等因素，經分離后的氣體中還是不可避免地含有液體。因此，油氣田內部集輸中的計量大多是濕氣計量，煤層氣中央處理中心進行外輸脫水處理前的煤層氣也屬于濕氣。

1.3 濕氣對計量器具選型和計量準確的影響

根據有關文獻記載，濕氣的計量與干氣的計量有很大的不同，采用干氣計量的計量器具來計量濕氣，若未采取處理措施或處理不徹底，所引起的附加誤差會達到±15%，一些嚴重情況下甚至可達到100%。由于煤層氣的主要采出方式為排水采氣法，煤層氣直接從水中分離，決定了其屬于濕氣計量領域。

目前國內外的濕氣計量技術均不夠成熟，國內對濕氣計量器具的研究尚處于起步階段，據了解，國內僅有中國石油于2009年開始著手對濕氣計量問題進行專題調研。因此，提高濕氣計量技術水平，保障濕氣計量準確可靠，對煤層氣生產計量有重要意義，對國內濕氣計量技術研究也有很好的指導意義，這方面的工作有待我們做進一步探討和研究。

2 影響因素分析

由于目前煤層氣的生產工藝設計尚無相應的國家標準，工藝流程和處理設備均采用天然氣標準設計，國內也沒有規模化生產的成熟經驗和集輸處理工藝流程，因此造成在天然氣生產中運行正常的計量方式，在煤層氣生產中就出現了很大的差異，如：單井生產計量誤差大且不穩定、內部輸差變化大、計量器具誤差變化無規律等問題。針對這些情況，我們進行了初步的研究和探討，通過一段時間實際運行經驗的積累和對現象的分析，我們歸納總結出了以下幾個方面影響煤層氣計量準確的因素：

2.1 壓力變化對計量的影響

由于集氣站壓縮機和處理中心壓縮機都有停機檢修、調節排量等操作，使得單井到集氣站采氣管線、集氣站到處理中心的集氣支干線內的氣體壓力有所波動，對于一些低壓低產井可能會出現反注現象，表現為單井流量之和與集氣站流量之和，以及與處理中心進站流量之和出現比較大的輸差變化。

2.2 煤層氣中雜質對計量的影響

由于采出氣中除煤層氣外，還夾雜一定量的煤粉以及輸送管道中殘存的其他顆粒，粒徑比較小，在計量器具內部和主要生產設備中產生大量的雜質附著。目前設計的煤層氣處理工藝只考慮了在集氣站過濾5μm以上的顆粒，經過處理設備一年多的運行，證明確實處理掉了5μm以上的絕大部分顆粒，但小粒徑的煤粉依然會附著在氣體超聲流量計探頭等計量器具測量部件上，影響計量的準確性，需要頻繁擦洗。同時，由于小于5μm固體顆粒的存在，也加大了壓縮機缸體等機械部件的磨損，影響到設備的安全運行

2.3 煤層氣中水分對計量的影響

華北油田山西煤層氣分公司采出煤層氣氣體組份如表1。

從表1我們可以看到，原料氣的含水量冬季和夏季分別為0.497 5mol%和0.500 0mol%，根據國際上通行的LM系數計算公式：

式中XLM—LM系數；

Qml—液體質量流量；

Qmg—氣體質量流量；

ρGas—氣體密度；

ρliquid—液體密度；

Qvl—液體體積流量；

Qvg—氣體體積流量；

采用現場實際工況數據計算后，其XLM數雖均小于0.3，在濕氣定義范圍內，但季節引起的變化率已達到0.5%，因此，在用計量器具的補償修正參數需要定期調整。

2.4 環境溫度對計量的影響

由于山西沁水盆地晝夜溫差較大，冬季夜間氣溫在零度以下，白天氣溫在零上幾度。煤層氣單井濕氣的計量表現出下半夜和上午產氣量高，下午和上半夜產量低的現象。經分析認為，未做保溫處理的計量閥組，在低溫環境下，濕氣中的水分在速度式流量計表體內壁結冰，過流面減小，流速增加，表現出產量增加；白天氣溫升高，在流動介質熱量影響下，表體內壁的冰溶化，過流面恢復，流速降低，表現出產量降低。經采取措施后證實，中等產氣量的單井流量變化明顯，經保溫后產氣量比較穩定。沁水盆地冬季低溫環境下，溫度對煤層氣計量準確影響很大，經統計分析，最大可達到50%。

表1 華北油田山西煤層氣分公司采出煤層氣氣體組份

3 采取措施探討

針對以上幾個方面計量影響因素的分析和探討，可有針對性地采取以下處理措施：

（1）生產工藝中增加除濕除雜的流程。對于煤層氣采出過程中攜帶的水分和雜質，目前僅在中央處理中心外輸前進行了有效脫水處理，集氣站的氣液分離器目前沒起到有效作用，所有生產工藝中尚無除雜方面的設計考慮。我們認為，今后的工藝設計中應考慮增加相應的處理流程，建議增加兩級處理工藝，即：單井井口進行氣固液的初級分離處理，集輸站進行二級氣固液分離處理。這樣既可有效減少輸送管網出現液體段塞的幾率，也可大大減小中央處理中心外輸脫水裝置的負荷，保證脫水的有效性，又能夠減少煤粉等固體雜質對計量器具準確性的不利影響，還能夠有效減輕對壓縮機缸體等機械部件的損害，同時，對保證單井計量器具的計量準確也大有益處。

（2）選擇適當的計量器具。在單井工藝流程采取必要的處理措施前提下，通過對不同類型流量計進行現場試驗和數據分析，篩選出適合現場工況的流量計。根據已有文獻資料，建議單井井口計量器具可從差壓式和速度式兩種類型計量器具中選擇，也可探索采用組合式計量器具的可行性。

（3）對流量計采取保溫措施是克服煤層氣計量器具冬季表體內壁結冰，提高計量精度的有效措施。針對這一情況，我們已經對可能結冰的單井采取了保溫措施，新井建設進行了保溫設計，把溫度對煤層氣單井計量的影響降到最低。

（4）對于集氣支干線內壓力波動，引起低壓低產井出現反注問題，建議可在井口設計加裝單流閥，以控制反注現象發生，減少輸差。

4 結論

由于目前國內對天然氣的濕氣計量尚無標準可遵循，煤層氣領域濕氣的計量問題目前仍處于探索階段，面對煤層氣領域與濕氣計量相關的計量器具的濕氣修正系數如何測量、如何修正、如何選型等一系列問題，我們應積極摸索和積累經驗，促進煤層氣專業標準的建立與規范。

從本文的研究分析及采取措施中可以發現，煤層氣生產具有一定的特殊性，決定了生產工藝流程必須有別于常規天然氣生產，我們須針對目前煤層氣生產工藝的現狀，探索切合實際的煤層氣各階段生產的處理工藝流程，積極采用新的處理技術，研制開發適用的井口綜合處理裝置和集氣站處理工藝，解決煤層氣生產過程中計量數據的準確、減少對設備運行的不利影響等問題。如何通過我們的努力，促進煤層氣生產工藝流程、設備的規范化、標準化，都是擺在我們面前亟待解決的新課題。

The development and production of CBM is an attempt of new energy field for petroleum industry,for there are no mature experiences of large-scale production and the technological flow of gathering and transportation,especially on the problems of CBM production measurement.Based on the analysis and research on the measuring problems appearing in the formal commercial transportation of CBM to“west-east gas transmission”main lines by Huabei oilfields company in one year,the paper summarizes several influencing factors about measurement accuracy,and also discusses the feasibility of improving the production technological process by applying corresponding methods.

CBM;wet gas;measurement;influencing factors

2010-11-02▎

李瑞峰（1962-），男，大學本科，高級工程師，主要從事計量技術和計量管理工作。