煤層氣田節能降本增效的干管互通式管網設計新思路

孟凡華 何 卓 李曉平 王子輝 劉瑞娟

1.中國石油天然氣集團有限公司山西煤層氣勘探開發分公司 2.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地3.中國石油大學（北京）油氣管道輸送安全國家工程實驗室/石油工程教育部重點實驗室/城市油氣輸配技術北京市重點實驗室

0 引言

在國家有關政策的激勵下，“十一五”和“十二五”期間，沁水盆地已經先后開發了兩大主要煤層氣產氣區塊——樊莊區塊和鄭莊區塊[1-3]，完成了中央處理廠等建設項目，建成煤層氣產能規模合計約17×108m3/a，主要采用單井位部署的開發模式。這是煤層氣田“三低”（低壓、低產量和低含氣飽和度）地面集輸工藝模式建立的基礎[4-8]。隨著氣田開發技術的持續發展和產能建設模式的逐漸改變，當前的煤層氣產能建設項目多采用多井井叢式部署。因此有針對性地研究具有管容利用率高、系統運行率高、系統擴展力強、系統適應力強的地面集輸技術，便成為適應近期煤層氣開發特點的迫切任務[9-13]。

1 設計理念的更新

“十三五”期間，隨著氣田開發技術的不斷提高，煤層氣開發采用多井叢式開發方式，為規避已建系統問題和開展集輸系統優化技術研究提供了技術基礎。

以沁水盆地某區塊新建產能為例，產能建設規模約為4×108m3/a。針對新區塊建設大井叢開發、建井區域集中的兩個特點，實施“干管互通、橇裝分期建站”的設計思路。干管互通即采用建設采氣管道連通管線的方式，由原“枝狀集輸管網”（圖1-a）變成“干管互通式管網”（圖1-b），提高站場負荷率、降低設備閑置率；橇裝分期建站即產能建設區域的站場均采用橇裝式建設，同時根據需要一次設計、二期建設，確保區塊在滾動開發和生產運行階段都能達到效益最大化[14-16]。

圖1 枝狀串接管網和干管互通式管網圖

2 經濟模型的建立

按照區塊干管互通、橇裝分期式的建設方案，在滾動開發過程中，井數陸續增加，由于原有集輸模式站間未實施互聯互通，部分區塊已鉆氣井只有在該區塊所轄集氣站建完時才能產生經濟效益，建站過程中并不能產生收益；其次，在井數不多的情況下通過集氣站輸送，會出現“大馬拉小車”的現象，站場負荷率相對較低，設備總體利用率相對較低，是運行效率低、能耗高的關鍵所在。因此，思考采用建設連通管線的方式，使開發過程中已鉆氣井通過連通管線輸送到已有站場，不僅充分利用了已有集氣站，提高了利用率，還可以使氣井提前產生收益。

2.1 經濟效益概算

計算公式：

式中E表示經濟效益，元；Cv表示單位立方米的氣價，取1.65元/m3；Cd表示管線建設成本，元；Q表示氣量，m3/d；x表示管線數量，條；t表示開發時間，d。

由上式可以看出，收益與產量和開發時間密切相關。

2.2 盈虧平衡分析

盈虧平衡分析結果如表1所示。1、2、3條連通管線的盈虧平衡分別如圖2、3、4所示。

圖2、3、4中曲線以上（E＞0）的部分代表盈利，曲線以下（E＜0）的部分代表虧本，在曲線上的點代表剛好盈虧平衡。

2.3 具體計算

根據沁水盆地某區塊的分布式和分期式建設，將整個滾動開發過程大致分為12個階段，在這12個階段過程中井的數量在不斷增加，下面將主要列舉開發始末階段的有無連通管線的管網狀態。

表1 盈虧平衡分析表

圖2 1條連通管線的盈虧平衡圖

圖3 2條連通管線的盈虧平衡圖

初始狀態：只有沁某1所轄井場（圖5）。

最終狀態：沁某1、沁某2、沁某3全部建成（圖6、7）。

圖4 3條連通管線的盈虧平衡圖

圖5 初始狀態管網結構圖

2.4 計算結果對比

1）有無連通管線站場平均負荷率和產氣量對比如圖8、9所示。

2）有無連通管線能耗和收益對比如圖10、11所示。

圖6 有連通管線的最終狀態管網結構圖

圖7 無連通管線的最終狀態管網結構圖

圖8 有無連通管線站場平均負荷率對比圖

圖9 有無連通管線氣量對比圖

圖10 有無連通管線累計能耗對比圖

集輸系統最大的能耗消耗主要在站場內，站場內的主要能耗消耗在壓縮機上，根據沁水盆地某區塊集氣站的壓縮機臺數及功率等數據，通過數值模擬和計算，得出了累計總能耗對比（圖11）。

圖11 有無連通管線收益對比圖

從以上結果可以看出，在滾動開發過程中，這種建設方式提高了站場的平均負荷率，降低了系統能耗并且可以使滾動開發過程中的井提前產生收益，增加了效益，達到了節能降本增效的目的。

3 效益模型的建立

原有集輸模式下，站場所轄區域固定，集輸區域的工藝布局及主要設備固定，使站場的集輸范圍、集輸設備等相對固定，各站場之間很難實現設備共享。當沁水盆地某集氣站現場檢修或停用時，該部分管網就會癱瘓，該站的所有井就會停產。而通過新的建設方式，可以通過連通管線將這些井輸送到其他站，使這些井全部正常生產或部分正常生產來繼續產生效益，實現了采氣系統的互通互聯，增加了管網靈活可變性。

3.1 建立數學模型

目標函數：

其中 ：

約束條件：

式中NPV表示凈現值；ic表示折現率，取8%；REVt表示t年收入；COSTt表示t年支出；Yt表示t年是否有連通管線；Qj表示j站停用時實際能增加的輸氣量；Cv表示單位立方米的氣價，取1.65元/m3；Xt表示t年是否建連通管線；Cdi表示單位管線i的建設費用，km；Li表示管線i的長度，km；Qsj表示j站停用時，模擬得到的增加的輸氣量（j站能正常生產的所有井的產量）；Qaj表示不停用時j站的設計輸量；qj表示j站的處理能力；ip表示產能到位率，取60% ；T 表示年限，20 a；i=1,2,3。

3.2 停站情況模擬

分別模擬有連通管線時3個站檢修或停用時的情況。

1）沁某1集氣站停用時：即在圖7的管網中去掉沁某1集氣站，結果顯示所有井都可以正常生產。

2）沁某2集氣站停用時：井不能全部生產，但可以保證大部分井正常生產（如圖12所示，紅色圈中的部分由于超壓不能正常生產的井）。

3）沁某3集氣站停用時：即在圖6的管網中去掉沁某3集氣站，結果顯示所有井都可以正常生產。

3.3 計算結果

計算考慮的是在停站的時間內，以沒有連通管線的時間內產量是零為基點，計算有連通管線比無連通管線可以增加的產量和多產生的收益（不考慮集氣站正常使用的時間內兩種情況產生的同等收益）。以每年每個集氣站檢修或停用2 d，期限20 a為例，計算20 a內有連通管線比無連通管線多產生的收益（凈現值），結果如表2所示。

計算結果表明，第一年建立連通管線，20年期限內能回收成本，建連通管線的最大凈現值為416 420.5萬元，比不建連通管線多收益2 184.32萬元。

4 現場應用

圖12 沁某2集氣站停用管網模擬圖

表2 模擬及計算數據表

該研究成果在以沁水盆地某區塊4×108m3/a新建產能中得以應用，完成了方案規劃與初步設計，建設方案執行“分布式布站、標準化設計、橇裝化建設、集約化控制”，系統投資降低20%，系統運行效率預計提高10% ，運行能耗預計可降低20% 。形成了以“低壓集氣、井叢智控、干管互通、站場互備、集中處理”為技術核心的集約化地面集輸工藝模式，實現了管網“點控”到“群控”、 站場“單管”到“聯動”、建設按需分期的低耗高效示范模型。

5 結束語

以最簡模式實現最大集輸任務是煤層氣集輸系統優化研究的努力方向。提高系統運行效率、降低系統能耗是集輸系統優化研究的最終目標。轉變產能建設模式是轉變設計理念的前提與基礎，針對沁水盆地某區塊的產能建設模式，以“三高”（投資高、閑置高、能耗高）問題為導向，有針對性地開展新型系統模式的研究，綜合考慮產能建設階段、運行階段的投資、效率與運行能耗，取得了良好的效果。

該設計在“十三五”期間沁水盆地某區塊初步設計中進行實際應用并取得了明顯的效果，對今后煤層氣田新區塊開發建設具有重要的工程指導意義。