非金屬管材在煤層氣采出水集輸管網中的應用

杜邵先

(中國石油集團工程設計有限責任公司華北分公司公用工程室，河北 062552)

目前，隨著煤層氣氣田的不斷開發，伴隨著大量的高礦化度、高鹽度的地下采出水，金屬管材用于煤層氣采出水集輸管網，耐腐蝕性差、投資高、施工周期長、運輸安裝不便等缺點逐漸顯露出來，我國適宜大規模開發煤層氣的地區多分布在華北、西北干旱地區，而這些地區大多為濕陷性黃土地區及地形復雜的山地丘陵地區，金屬管道可能產生斷裂及大量滲漏而引起的土壤污染和水資源的浪費。在當地煤層氣采出水不僅是污染物而且是寶貴的水資源，因此煤層氣氣田技術人員已經開始把眼光投向了非金屬管材。

1 煤層氣采出水集輸現狀

2012年CPE華北分公司對我國煤層氣開發的主要地區進行調研，主要有長治、晉城、吉縣、保德四個區塊?，F對不同區塊的煤層氣采出水水量和集輸現狀進行描述。

1.1 長治區塊

長治區塊共開井80多口，井深約700～800m。每座井場只有1口井，均為直井。排采初期水量大約10m3/d，持續約20至30天水量下降，中后期約2m3/d。采出水溫度3～25℃，采出水排入井場附近水池進行自然蒸發或者拉運處理，無集輸管網。

1.2 晉城區塊

晉城區塊共開井1600多口，井深約600～700m。每座井場只有1口井，均為直井。排采初期水量大約20～40m3/d，中后期約2m3/d。采出水排入井場附近水池進行自然蒸發或者拉運處理，無集輸管網。

1.3 吉縣區塊

吉縣區塊共開井200多口，井深約600～700m。每個井場2～4口井不等，多為叢式井。排采初期水量大約20m2/d，中后期約2m2/d。采出水排入井場附近水池進行自然蒸發或者拉運處理，無集輸管網。

1.4 保德區塊

保德區塊共開井200多口，井深約1000m。每個井場2～8口井，多為叢式井。排采初期單井水量大約35m3/d，有的甚至高達180m3/d，中后期水量減少，約10m3/d。每座井場均有采出水管線，通過集輸管網輸送至水處理站進行集中處理。

根據調研，不同地區煤層氣井的排水量有著顯著差異，從1m3/d到200m3/d不等，多數井場位于交通不方便的山坡上，分布較為分散。目前大多區塊無煤層氣采出水集輸管網，大量的煤層氣采出水散排到山溝。

2 煤層氣采出水管材比選

2.1 管材選擇考慮因素分析及優先序確定

影響管材選擇的因素很多，比如管道直徑、工作壓力、工程地質、地形、外荷載狀況、工程的工期要求、資金的控制等諸多方面。不同管材，在上述種種因素下，差異較大。以往實際工程應用中，多以經濟性因素作為管材選擇的最終評價指標，存在一定的局限性。選用何種管材，應首先應確定哪些因素作為主要因素，哪些因素作為次要因素，通過綜合評價確定。

煤層氣采出水能否順利收集排出直接影響到周邊環境以及煤層氣氣田的產氣量，防止爆管、防止漏損是氣田能安全穩定持續發展的重要因素。因此，安全性應該是采出水管材選擇的首要考慮因素。所選管道材質，首先應滿足安全要求，不爆管，不漏損，保證不會對周邊環境和土壤造成污染。其次，應具有良好的力學性能，能夠最大限度地滿足管道敷設環境下各種可能出現的內外荷載情況，管道及施工安裝等質量容易控制，從而保證管線的安全運行。再次，因為煤層氣氣田一般位于山區地帶，交通不便，管材運輸車輛安全性及費用顯得較為重要。在保證安全以及維修、維護方便的基礎上，再考慮投資與運行成本的合理性等。

管材選擇考慮因素，按重要性從高到低排列為:(1)耐腐蝕性能好;(2)足夠的韌性和機械強度，滿足當地地質情況及實際運行工況的要求;(3)便于運輸，安裝;(4)綜合成本合理;(5)阻力小，能耗低;(6)制造和施工容易控制，管材性能可靠;(7)壽命長，維修量小，便于管理。

本次研究根據對煤層氣采出水水質水量特點的了解，主要研究鋼管、鋼絲網與孔網狀鋼骨架聚乙烯塑料復合管、普通PE管、U－PVC塑料管。

2.2 管材綜合性能對比

2.2.1 普通鋼管

普通鋼管廣泛用于輸送流體。其優點為強度高，承壓能力強，其缺點為管材耐腐蝕性能差，需做內外防腐處理，施工過程中需增加較多管件來避開障礙物，另外對于交通不便的山區，鋼管重量較大，運輸困難，施工周期較長。

2.2.2 聚乙烯管 (PE)

常用給水PE管一般分PE63、PE80和PE100三個等級，在煤層氣采出水管網工程中，因為采出水管線設計壓力為1.6MPa，根據最小強度一般選用PE100等級PE管。PE管的性能及特點有以下幾點:

(1)連接可靠、不泄漏

PE管道在煤層氣采出水管網工程中主要采用電熔連接，實現了管體與接頭的一體化，抗拉強度以及抗爆破強度不亞于管材本身。

(2)耐腐蝕性，使用壽命長

化學穩定性好，內外均能抗各種酸類、堿類腐蝕，一般情況下，PE管的性能可以保持50年不變，一般不需要維護。

(3)重量輕，運輸安裝方便

PE管比鋼管質量輕，不需要大型吊車設備，減輕施工人員的勞動強度，對于交通不便的山區，卡車一次性運輸管線長度遠大于鋼管，節省運輸投資和施工周期。

(4)內壁光滑，水頭損失小

PE管內壁絕對粗造度為0.01，遠小于鋼管，對于長輸管線減少了壓力損失和能耗。

(5)柔韌性好

PE管斷裂伸長率350%以上，可隨地形變化敷設，尤其對于煤層氣采出水管網所在的山區或濕陷性黃土地帶，PE管柔韌性好的優越性更能得到充分體現。

PE管的缺點體現在:

(1)PE管剛性較低，管道易損傷。

(2)PE管抗紫外線能力弱，在陽光的直接照射下容易老化。

2.2.3 鋼絲網骨架聚乙烯塑料復合管

鋼絲網骨架聚乙烯塑料復合管 (簡稱鋼塑復合管)是以優質低碳鋼絲網為增強相、高密度聚乙烯為基體，連續擠出成型的新型雙面防腐壓力管，其成型過程是在生產線上首先制成PE內膽，在內膽的外層纏繞具有熱熔粘結和憎水性能包覆層的高強度鋼絲，按左右螺旋方向纏繞成型，兩個纏繞方向的鋼絲形成規則排列的菱形。鋼絲網鋼骨架聚乙烯塑料復合管的性能及特點如下:

(1)耐腐蝕性，使用壽命長

由于其特殊的材質、結構及生產工藝，既具有普通鋼管的強度，又具有塑料復合管優良的耐化學腐蝕性。

(2)抗蠕變性能好，持久機械強度高

將網狀鋼絲骨架與塑料復合后，鋼絲網骨架可有效地約束塑料的蠕變，使塑料本身的持久強度也大大地提高。

(3)重量輕，運輸安裝方便

鋼絲網骨架聚乙烯塑料復合管比鋼管質量輕，不需要大型吊車設備，減輕施工人員的勞動強度，對于交通不便的山區，卡車一次性運輸管線長度原大于鋼管，節省運輸投資和施工周期。

(4)剛性、抗沖擊性好，同時具有一定的柔性

鋼的彈性模量通常是塑料的200倍，由于鋼絲網骨架的增強作用，可使復合管的剛性、抗沖擊性及尺寸的穩定性均優于任何一種純塑管。同時由于網狀鋼骨架本身又是一種柔性結構，從而使復合管在軸向上具有一定的柔性，使管道具備剛柔相濟，可有效地承擔由于地質沉降、溫差變化、滑移、荷載等引起的對管道的破壞，尤其在作直埋式用管時，可隨地勢起伏蜿蜒敷設布置，自然補償，節省管配件 (膨脹節)。

(5)優良的耐磨性能

復合管的耐腐蝕能力為普通鋼管的4～6倍以上，為不銹鋼或襯塑管的3倍以上，為玻璃鋼管的2～3倍以上。

(6)內壁光滑，降低能耗

該管道的粗糙系數為0.009(鋼管的粗糙系數為0.012)，管道內部不易結垢，流體阻力損失小。流損比鋼管小三分之一，從而降低了輸送介質的能耗。

鋼絲網鋼骨架聚乙烯塑料復合管的缺點和PE管類似，管材易刮傷，抗紫外線能力弱。

2.2.4 孔網狀鋼骨架聚乙烯塑料復合管

孔網狀鋼骨架塑料復合管簡稱孔網鋼塑管(簡寫SP管)，是以氬弧焊對接成型的多孔薄壁鋼管為增強體，外層和內層雙面復合熱塑性塑料的一種新型復合管道。

孔網狀鋼骨架塑料復合管性能上的的優缺點與鋼絲網骨架復合大體相同，既具有金屬管的堅硬、剛直不易變形、耐熱、耐壓、抗靜電等優點，又具有塑料管的質輕、耐腐蝕、不生銹、不易漬垢、管壁光滑、保溫性能好、無毒、施工簡易、維修方便、使用壽命長等優點，其優點與PE管和鋼絲網鋼骨架聚乙烯塑料復合管類似。

2.2.5 PVC塑料管

PVC管 (UPVC管)硬聚氯乙烯管，是由聚氯乙烯樹脂與穩定劑、潤滑劑等配合后用熱壓法擠壓成型，是最早得到開發應用的塑料管材。

PVC管是當今世界上深受喜愛、頗為流行并且也被廣泛應用的一種合成材料。它的全球使用量在各種合成材料中高居第二。據統計，僅僅1995年一年，PVC在歐洲的生產量就有500萬t左右，而其消費量則為530萬t。在德國，PVC的生產量和消費量平均為140萬t。

UPVC管優點為抗腐蝕能力強、易于粘接、質量輕便于運輸，但是由于有UPVC單體和添加劑滲出，只適用于輸送溫度不超過45℃的給排水系統中，而煤層氣采出水溫度為20℃左右，可以作為輸送煤層氣采出水的管材。

因UPVC管質地堅硬，因此不適用于土地凹凸不平的山區丘陵地帶煤層氣采出水的輸送。

2.3 管材經濟性對比

由于煤層氣采出水管網井場壓力一般不高于1.0MPa，結合煤層氣采出水性質和現場實際情況。采出水管網的設計壓力一般為1.6MPa，在此設計壓力下，對不同材質制造廠進行詢價，得出各種輸水管材的費用情況見表1。

表1 管材經濟性對比表

從以上各個方面的對比來看，非金屬管材相比金屬管，耐腐蝕，摩阻小，管材質量輕，施工周期短，管材費用低，PVC塑料管是作為輸送地形平坦地帶煤層氣氣田采出水的最佳管材;PE管是輸送山區丘陵地帶煤層氣氣田采出水的最合適管材;對于地形特別陡峭，高程超過100m的“U”型的特殊壓力地段，為了防止爆管建議使用鋼絲網骨架聚乙烯塑料復合管。

3 非金屬管材在煤層氣采出水工程中的實際應用及施工注意問題

2012年華北分公司對長治、晉城、吉縣、保德四個區塊的調研得知，長治、晉城、吉縣三個區塊無煤層氣采出水集輸管網，只有保德區塊建設煤層氣采出水管網，管材大多為設計壓力1.6MPa的輸水用PE管，部分地段為PVC管和鋼絲網骨架聚乙烯塑料復合管。

煤層氣氣田一般地勢復雜，采出水集輸管網一般敷設于山谷和河谷地帶，隨著時間的推移，PE管和PVC管在煤層氣采出水集輸管網中的應用將更加廣泛。

(1)PE管和PVC管相對于金屬管道剛性較低，在運輸以及安裝過程中應避免管道損傷。

(2)PE管和PVC管在陽光的直接照射下容易老化，因此要避免管道在陽光下的暴曬，管道試壓完成后應盡早回填。

(3)對于PE管熱熔連接時焊接面要平行，管材切割要平整，焊接時應嚴禁高強度擠壓接口，避免接口處縮徑。

(4)考慮到PE管和PVC管的抗沖擊能力較弱，建議穿越處盡量不要采用。

4 結論

非金屬管與金屬管相比具有一定的強度、剛度、柔韌性、抗沖擊性、耐腐蝕性、耐磨性等、質量輕便于運輸等性能;而PE管和PVC管造價低于鋼塑復合管，因此在地形平淡地帶建議使用PVC管，在山區丘陵地帶建議使用PE管，地形特別崎嶇陡峭的地帶使用鋼絲網鋼骨架聚乙烯塑料復合管。

隨著時間的推移，PE管和PVC管在煤層氣氣田領域應用的安全性、環保性和經濟性諸多優點將會顯現出來，優勢越發明顯，在煤層氣氣田中的應用也必然越來越廣泛。

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