格瑞克柿莊南棗園煤層氣集輸管網優化的PIPEPHASE數值模擬研究

王熒光

中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦124010

0 引言

格瑞克是一家上游氣體能源生產公司，在中國格瑞克專門從事煤層氣資源的開發。在與中聯煤層氣有限責任公司（以下簡稱中聯煤）合作進行大規模煤層氣商業化開發方面，格瑞克已成為外資企業的先驅之一，目前是中聯煤最大的外方合作者。格瑞克已與中聯煤簽署了五個區塊的煤層氣勘探與開采產品分成合同，其中三個區塊位于山西省沁水盆地：柿莊南棗園、柿莊北和沁源，煤層氣資源總量高于1.6萬億m3。柿莊南棗園煤層氣項目地面建設工程位于山西省晉城市沁水縣境內，是格瑞克先期的實驗性工程。為了進一步促進煤層氣開采的發展，擬對該工程的現有系統進行更新改造，這不僅關系著格瑞克在以后各區塊的發展，而且影響著中國煤層氣的大規模開發建設。現結合該氣田集輸管網的現狀，考慮到氣田遠期的發展，運用PIPEPHASE數值模擬軟件，研究出了經濟適用的“井間串接、閥組簡易計量、低壓集氣、集中增壓‘枝上枝’閥組布站”[2]的環形集輸工藝新技術。該技術可望滿足格瑞克柿莊南棗園煤層氣的高效、低成本大規模開發需要，真正做到滿足技術要求下的最低成本要求。

1 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統現狀

目前共有16口煤層氣井通過已建的集氣管道進入CNG站，其中包括15口老井和1口新井。采氣工藝為排水采氣，單井最大產量3 000m3/d，井口井流物關井最大套管壓力1.6MPa，井口壓力0.35MPa（A）；單井采氣管道采用規格為DN63mm×5.8mm的PE管道，總長度2.5 km，敷設高差64 m。單井采氣管道采用枝狀方式與PE集氣匯管相連接。PE集氣匯管共有2條，規格均為DN160mm×14.6mm，總長度4.4 km，敷設高差38 m。我們應用先進的管道模擬軟件PIPEPHASE對柿莊南棗園煤層氣田原有集輸系統進行校核（見圖1），從計算結果可以看出，在原采氣井16口、井口壓力為0.35 MPa（A）、單井最大產氣量為3 000m3/d的工況下，進站壓力為0.33MPa（A），能夠滿足生產要求。

圖1 原有集輸系統核算示意

2 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統的優化研究

2.1 柿莊南棗園煤層氣田集輸系統優化技術

集中增壓“枝上枝”閥組布站工藝技術是對傳統布站技術的挑戰，它將集氣計量站改為閥組，而閥組在天然氣集氣干管與大量采氣支線之間形成了結點，通過這個節點將若干條采氣管道中的天然氣集中到集氣干管中。集氣站的外輸管道就像是樹干，閥組到集氣站的集氣支線就像是樹枝，每一個閥組又像樹枝上的結點，而所有與結點連接的采氣管道就像是小的樹枝，因此稱之為“枝上枝”。該技術曾在蘇里格氣田蘇10井區首次得到實際大規模應用，取得了較好的經濟效益。

2.2 柿莊南棗園煤層氣田新集輸系統的核算及問題的提出

因柿莊南棗園煤層氣生產的需要，現采用“枝上枝”閥組布站工藝技術將新增35口采氣井并入原有集氣系統，采用PIPEPHASE對該系統進行工藝模擬計算（見圖2），核算結果表明，進站壓力變為0.143MPa（A），小于壓縮機入口壓力0.25 MPa（A）的要求，不能滿足51口井的生產需要。因此，需在利用原有設施的基礎上，對新集輸系統進行重新優化設計。

圖2 新集輸系統核算示意

2.3 柿莊南棗園煤層氣田初步方案的優化設計

在充分利用已建系統管網的設計原則基礎上，針對目前的51口采氣井，提出了2種可行的系統管網方案（“枝上枝”布站方案）和1種分散增壓布站方案。

2.3.1 采氣、集氣系統重建“枝上枝”布站方案

設7個集氣閥組，每個閥組5～9口井，閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環狀管網。取消單井放空，放空集中設在閥組。對該系統進行PIPEPHASE工藝模擬計算的結果見圖3。

圖3 采氣、集氣系統重建“枝上枝”布站系統示意

2.3.2 采氣系統不變，集氣系統重建“枝上枝”布站方案

設5個集氣閥組，每個閥組5～9口井，閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道保持原狀不變。在A集氣管道靠近CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環狀管網。

改造后新井取消單井放空，放空設在閥組，老井保持原狀不變。采用PIPEPHASE對該系統進行工藝模擬計算的結果見圖4。

圖4 采氣系統不變，集氣系統重建“枝上枝”布站系統示意

2.3.3 采氣、集氣系統重建分散增壓布站方案

設7個分散增壓站，每個增壓站5～9口井，增壓站集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道，將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來，使之形成環狀管網。取消單井放空，放空集中設在各增壓站內，每個增壓站內配置1臺往復式壓縮機及各輔助設施。采用PIPEPHASE對該系統進行工藝模擬計算的結果見圖5。

圖5 采氣、集氣系統重建分散增壓布站系統示意

2.3.4 柿莊南棗園煤層氣田初步方案的選擇（見表1）

表1 采集氣系統方案對比

從表1可以看到，對于分散增壓方案，由于壓縮機、占地面積、操作人員和輔助設施的增加，因而其投資會明顯較“枝上枝”閥組布站方案多，且由于設備和人員的增多，管理極不方便。從“枝上枝”閥組布站方案來看，盡管采氣系統重建方案的工程量比原采氣系統不變方案多了2個閥組和3.5 km的采集氣管道，但原采氣系統不變方案中已建16口井是直接與集氣匯管相連接的，這樣在管道發生泄漏事故時便會造成整個集輸系統癱瘓，影響生產。而采氣系統重建方案中各井口采氣管道相應進入各閥組，當發生泄漏事故時，通過關閉閥組相應閥門和進行閥組放空便可解決問題。此外，由于采氣系統重建方案中操作管理人員和設備均集中在增壓站內，集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式。因此，綜合考慮優化研究結果，推薦采用采氣、集氣系統重建“枝上枝”閥組布站方案。

2.4 柿莊南棗園煤層氣田采集氣管道材質的優選（見圖6）

煤層氣井產出的煤層氣節流后的壓力為0.35 MPa（最大0.5MPa）、溫度≤20℃，因此，合理選用采氣管道的材料對降低工程造價、提高施工速度起著關鍵的作用，根據目前生產實際情況，采用PE管道和鋼質管道在技術上均是可行的。因此，我們在經濟上對PE管道與鋼質管道綜合造價進行了對比。從PE管與鋼管管道投資對比圖（圖6）中可以看到，當公稱直徑大于350mm時，PE管道的安裝費大于鋼質管道；當公稱直徑大于150mm時，PE管道的主材費開始大于鋼質管道；而從總體投資上來看，當公稱直徑小于250 mm時，PE管道的總投資要明顯小于鋼質管道。因本工程采氣管道規格為DN63mm，集氣管道為DN160mm，所以經優選，確定采氣、集氣管道均選用PE管。

3 柿莊南棗園煤層氣環形集輸系統優勢分析

3.1 投資省、見效快

“枝上枝”閥組布站的環形集輸系統可充分利用原有集輸系統，減少了不必要的浪費。此外同傳統方案相比，在完成同樣生產規模任務的條件下，節省投資，可以大幅度提高煤層氣田的建設速度。

3.2 減少集氣站數量，便于管理

操作管理人員均集中在增壓站內，集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式，大大減少了分散的操作管理人員的數量，而且生活設施集中一處設置，極大地簡化了生產和日常生活管理工作，人工成本大大降低。

3.3 設備集中，便于管理與維護

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的設備集中設置在集中增壓站一處，幾乎可以成倍地減少大型設備數量，方便管理，尤其是大型設備如煤層氣壓縮機組的維修，專業維修隊伍可只在一處就完成全部維修工作，而不需要四處奔波于各集氣站之間，減少了維修成本，提高了維修速度，保證了生產的高效安全運行。

3.4 煤層氣田建設十分靈活

圖6 管材投資對比

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的最大優點是建設靈活。它可以很好地適應煤層氣田滾動開發的特點。被稱之為“樹干”的集中增壓站和輸氣管道建成后，“樹枝”的閥組和采氣井口，可隨時根據鉆井、完井工作的進度進行地面建設，完全可以實現完成一個閥組投產一個閥組，真正實現了在絲毫不影響正常生產運行的情況下不斷擴大生產規模、提高整個煤層氣田產量的目的。

3.5 節能

能耗低是“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的另一特點。分散增壓布站方案的每個站均需設置壓縮機，為滿足壓縮機平穩運行要求，壓縮機的流量范圍只能在80%～120%之間波動，煤層氣井不可能大批量地一次建成投產，往往是建設一口投產一口，尤其是在投產初期，無法滿足壓縮機穩定流量的要求，因此只能通過打循環來滿足壓縮機運行要求，這勢必增加壓縮機的動力消耗，而且建站就需要有操作人員，就必須上相應的配套設施，消耗一定的水、電等，也增加了能耗。“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”是將整個產氣區的煤層氣集中增壓，可以通過調整增壓站內壓縮機運行的數量來滿足煤層氣田初期和集氣支線流量的變化，而保持單臺壓縮機流量的穩定，保證設備的高效運行，避免了由于打回流而增加能耗。

3.6 環保

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”只建設一個站，因此占地比分散增壓布站方案明顯減少，對自然環境的破壞也隨之大大減小，符合國家保護土地資源的要求，同時由于操作人員的減少，也減少了由于人員生活等對周圍環境的影響。

3.7 減少占地

“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的1個閥組占地平均為15m×12m，合計占地0.13萬m2；如采用分散增壓布站，1座增壓站占地約60m×50m，7座增壓站合計2.1萬m2，“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”同分散增壓布站方案相比減少占地1.97萬m2，減少投資約207萬元。

3.8 易于推廣，具有較好的應用前景

目前，柿莊南棗園煤層氣田現有的CNG站由于安全許可證和交通等原因一直停運。新建CNG站勢在必行。此外，該煤層氣田開發規模的不斷擴大，也導致氣源外輸成了問題。而“枝上枝”閥組布站的環形集輸系統可充分滿足該氣田以后的改擴建要求，且閥組復制性強。該技術已在具有“低孔（8.95%）、低滲（0.73m d）、低產（1萬～3萬m3/d）、低豐度（1.3億m3/km2）、低飽和度（50%～60%）、低壓（28 MPa）”六低特征的蘇里格氣田和山西沁南煤層氣端鄭采氣區地面建設工程中得到成功的應用。

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