煤層氣地面工程技術(shù)對標及發(fā)展趨勢研究

中國石油工程建設(shè)有限公司

全國煤層氣總資源量為36.8×1012m3，居世界第三位。根據(jù)《煤層氣（煤瓦斯氣）開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，2020年煤層氣（煤礦瓦斯）抽采量達到240×108m3，其中地面煤層氣工業(yè)產(chǎn)量100×108m3，利用率90%以上。2018年，我國地面煤層氣工業(yè)產(chǎn)量72.6×108m3，煤層氣的發(fā)展空間潛力大。但由于受多種因素制約，實際開發(fā)程度仍低于預期，主要是由當前產(chǎn)業(yè)政策、技術(shù)水平等因素決定的[1]。

美國和澳大利亞是目前國外開發(fā)煤層氣規(guī)模較大、技術(shù)成熟的國家，將國內(nèi)煤層氣地面工程技術(shù)與美國、澳大利亞煤層氣開發(fā)工程項目對比，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)煤層氣地面工程建設(shè)在標準、設(shè)計理念等方面與國外存在較大區(qū)別。為此，通過對標找出差異，分析優(yōu)劣，提出了煤層氣地面工程技術(shù)的發(fā)展趨勢與研究方向。

1 標準

1.1 集輸規(guī)范

在站場公用工程方面，國內(nèi)煤層氣參照GB 50350—2015《氣田集輸設(shè)計規(guī)范》有關(guān)要求進行設(shè)計，以常規(guī)天然氣的技術(shù)要求指導煤層氣開發(fā)，未考慮煤層氣低壓、產(chǎn)量低、穩(wěn)產(chǎn)能力差等特點，造成目前煤層氣地面工程在總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、通信、防腐、給排水等方面投資大，應(yīng)根據(jù)煤層氣開發(fā)的特點進行優(yōu)化細化。例如，對站場的場地要求、建筑形式、通信要求等方面提出適合煤層氣特點的相關(guān)規(guī)定[2-3]。

在煤層氣處理方面，NB/T 10029—2016《煤層氣集輸設(shè)計規(guī)范》內(nèi)容篇幅較少，應(yīng)結(jié)合煤層氣氣質(zhì)特點，提出適合煤層氣的處理工藝。

1.2 防火規(guī)范

煤層氣站場平面布置通常采用常規(guī)油氣的GB/T 50183—2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》進行。各級站場防火間距、站場內(nèi)的煤層氣系統(tǒng)、緊急放空系統(tǒng)或放空火炬等相關(guān)要求都按照此國標執(zhí)行。美國、澳大利亞在煤層氣領(lǐng)域沒有類似要求，如美國近年來投產(chǎn)的煤層氣田，未設(shè)置消防水系統(tǒng)與集中放空系統(tǒng)（以就地放空系統(tǒng)取而代之），也滿足當?shù)胤煞ㄒ?guī)及技術(shù)標準要求。

我國的安全與消防設(shè)計規(guī)范要求天然氣田地面系統(tǒng)必須根據(jù)處理規(guī)模，設(shè)置不同等級的消防水系統(tǒng)與放空系統(tǒng)（包括放空火炬）。在煤層氣地面工程設(shè)計中采用GB 50183 確定站場防火間距，存在建設(shè)標準偏高問題，尤其是防火間距偏大，不但給山區(qū)建設(shè)帶來困難，更重要的是加大了建設(shè)投資，一定程度上導致了煤層氣田地面工程的防火間距過于保守，適用性和經(jīng)濟性較差。

國內(nèi)相關(guān)研究單位針對煤層氣地面工程防火間距也開展了研究，并開展了模擬計算，得出安全防火間距比GB 50183標準減小50%以上[4]。為了提高投資回報率，應(yīng)盡快制定煤層氣地面工程設(shè)計防火規(guī)范，對煤層氣田井場內(nèi)部和集氣站防火間距進行合理調(diào)整，使之更加符合煤層氣的開發(fā)生產(chǎn)特點，形成煤層氣田地面工程經(jīng)濟適用的安全技術(shù)體系，大幅降低征地和站場建設(shè)費用。

1.3 其他規(guī)范

除上述規(guī)范外，煤層氣地面工程其他規(guī)范，例如AQ 1082—2010 《煤層氣集輸安全規(guī)程》、AQ 4213—2011 《煤層氣開采防塵防毒技術(shù)規(guī)范》、AQ 1081—2010《煤層氣地面開采防火防爆安全規(guī)程》等，涉及原則、綜述的內(nèi)容較多，具體、量化的內(nèi)容較少，對于指導煤層氣地面工程設(shè)計、施工、安全、管理等適用性不強。

2 設(shè)計理念

2.1 站場工藝設(shè)計理念

在集氣站工藝方面，集氣處理站包括了集氣、脫水處理等功能。國外一般設(shè)置段塞流捕集器，未設(shè)置多級煤粉分離和過濾分離裝置、復雜的放空和火炬系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等，最大限度地簡化優(yōu)化流程，降低投資。國內(nèi)煤層氣處理工藝通常進站閥組、裝置連接與切換閥組設(shè)置復雜；為保證壓縮機組及脫水裝置運行，通常分離、過濾裝置設(shè)置也較復雜。在這些方面，國內(nèi)應(yīng)結(jié)合當?shù)孛簩託獠沙鎏匦约霸O(shè)備的特性進行適當優(yōu)化，以降低投資。

2.2 安全設(shè)計理念

國外近年來投產(chǎn)的煤層氣田未設(shè)置集中放空系統(tǒng)，采用就地放空系統(tǒng)。如加拿大煤層氣區(qū)塊的各類處理站，盡管有壓縮機、燃氣發(fā)電和脫水系統(tǒng)，甚至還有含硫化氫氣體，但其放空系統(tǒng)均較簡單，站場一般不設(shè)置放空系統(tǒng)，包括安全閥在內(nèi)，所有氣體泄放點均直接就地排放。這與國內(nèi)現(xiàn)實做法差異較大，國內(nèi)集氣站、處理站均設(shè)置專用放空火炬，這是由于對站場正常檢修放空、緊急放空的認識理念的差別所致[5]。

2.3 消防設(shè)計理念

美國和加拿大煤層氣區(qū)塊井場、集氣站、處理站均未設(shè)置水消防設(shè)施和可移動消防設(shè)施，這樣設(shè)計滿足當?shù)卣皹藴氏嚓P(guān)要求。煤層氣著火后只能依靠緊急切斷系統(tǒng)（ESD）關(guān)閉進出站閥門，開啟放空閥，水消防系統(tǒng)沒有任何實用價值。由于廠站無人值守，可移動消防設(shè)施放在現(xiàn)場沒有實用價值，而是放在巡檢人員的車上，人員到場，可移動消防設(shè)施就到了現(xiàn)場。

目前我國國家標準的強制條款規(guī)定：即使沒有可燃的液體介質(zhì)，當天然氣處理規(guī)模達到一定量時需要設(shè)置水消防系統(tǒng)用于火災時冷卻和人員保護，這與美國、加拿大等國要求存在明顯差異。

2.4 場區(qū)構(gòu)筑物建設(shè)理念

美國和加拿大煤層氣區(qū)塊井場、集氣站、處理站場地均沒有硬化，而是采用碎石鋪裝；除壓縮機設(shè)置獨立基礎(chǔ)外，其他設(shè)備基礎(chǔ)均簡易設(shè)計；站場不設(shè)圍墻，采用低矮簡易圍欄；進站大門簡潔，門柱采用鍍鋅鋼管設(shè)計。國內(nèi)已建煤層氣區(qū)塊，場區(qū)設(shè)備根據(jù)類型設(shè)置鋼筋混凝土、素混凝土基礎(chǔ)等，井場設(shè)置防翻越圍欄，站場設(shè)置鐵藝圍墻，這樣增加了工程投資，影響項目經(jīng)濟性。

3 低成本開發(fā)典型做法

通過對標，梳理美國、澳大利亞等開發(fā)煤層氣技術(shù)成熟國家低成本開發(fā)的典型做法如下：

圖1 國外典型的井口設(shè)施Fig.1 Typical wellhead facility in other countries

（1）煤層氣氣井口沒有安裝任何就地顯示儀表，井口計量采用移動流量計，僅在進口預留兩個接口，如圖1所示。（2）全站平面布置沒有采用常規(guī)分區(qū)布置的原則，而是采取居中布置方式，裝置、管廊都集中在場地中部，四周可以通行車輛，這樣的優(yōu)勢是投資最省，配套系統(tǒng)投資很低。站內(nèi)不建消防系統(tǒng)，連干粉滅火器都不要求設(shè)置。

（3）沒有專門的控制室，自控柜和配電柜都設(shè)置在同一個房間。全站控制操作只有一個觸摸屏，非常簡潔，控制室內(nèi)沒有ESD操作盤。全站無人值守，壓縮機啟停采用遠程操作，如圖2所示。

圖2 國外煤層氣站場控制單元Fig.2 CBM station control unit in other countries

（4）全站未設(shè)放空火炬，僅設(shè)有放空管，且就位于站內(nèi)裝置區(qū)的一端（圖3）。由于放空設(shè)計理念不同，所以實施結(jié)果截然不同。煤層氣底層沒有動力，國內(nèi)天然氣設(shè)計常采用的常規(guī)放空設(shè)計不適合煤層氣田。

圖3 國外煤層氣站場放空設(shè)置Fig.3 CBM station vent system in other countries

（5）壓縮機都采用整體橇裝加彩鋼房結(jié)構(gòu)，不設(shè)大型廠房，不采用集中設(shè)置，兩段增壓設(shè)計是其中的亮點。

（6）螺桿壓縮機的進口分離器與壓縮機集成在同一建筑物內(nèi)，且采用過濾分離與重力分離的集合分離器，設(shè)置快開盲板。生產(chǎn)運行中發(fā)現(xiàn)分離器中存在煤粉，但未對壓縮機運行產(chǎn)生影響。

（7）站內(nèi)沒有給排水系統(tǒng)，所有廢液（脫出污水、廢機油）都由車輛定期回收。站內(nèi)沒有鋪裝道路，無全站照明、全站廣播等輔助系統(tǒng)，也沒有值班房、庫房等建筑。除了增壓所必需的設(shè)施，其他設(shè)施比國內(nèi)簡單很多。

4 技術(shù)研究方向及發(fā)展趨勢

煤層氣田屬于低產(chǎn)、低豐度、低壓氣藏，單位產(chǎn)能投資成本高，難以適應(yīng)煤層氣田大規(guī)模開發(fā)的需要。因此，急需針對煤層氣低成本的開發(fā)配套技術(shù)進行攻關(guān)，找到適合煤層氣低成本開發(fā)的工藝技術(shù)，實現(xiàn)煤層氣低成本、高效益開采。

地下與地上相結(jié)合，從鉆井、采氣到地面工程，用系統(tǒng)分析的方法來降低總體造價。在地質(zhì)開發(fā)方案方面，根據(jù)煤層氣特點和流體性質(zhì)，優(yōu)化直井、水平井、分支井布井方式，提高煤層改造效果，提高單井產(chǎn)量[6-7]；在地面工程方案方面，對建設(shè)規(guī)模、關(guān)鍵技術(shù)、占地面積、系統(tǒng)工程等做出總體優(yōu)化，提高煤層氣開發(fā)的整體經(jīng)濟效益，形成成套的低成本開發(fā)工藝。通過對標分析，跟蹤國內(nèi)外煤層氣地面工程技術(shù)發(fā)展趨勢，提出了未來技術(shù)研究方向及發(fā)展趨勢。

4.1 排采規(guī)律研究

煤層氣開發(fā)一般先開展評價，根據(jù)評價情況再確定后續(xù)開發(fā)方案及部署安排。地面工程基于先期評價結(jié)果及試采井數(shù)據(jù)進行設(shè)計，排采數(shù)據(jù)的準確性及合理性直接影響地面集輸系統(tǒng)設(shè)計合理與否[8-9]。因此，對排采規(guī)律進行研究就顯得尤為重要。目前，國內(nèi)煤層氣地面工程對排采規(guī)律研究處于摸索階段，未形成系統(tǒng)性理論。

與運行單位進行合作，通過深入研究、分析不同井型及煤層的排采規(guī)律，掌握在排采過程中不同階段采出氣、采出水的變化趨勢及規(guī)律，從而合理確定集輸系統(tǒng)規(guī)模，可為項目設(shè)計提供參考，實現(xiàn)集輸系統(tǒng)的最優(yōu)化、地面投資的最小化，實現(xiàn)低成本開發(fā)的目的。

4.2 開展煤層氣處理工藝研究

煤層氣一般為飽和氣，氣體組分大部分為CH4，含有少量的C2H6、CO2和N2。為滿足下游用戶氣質(zhì)要求，通常進行脫水處理，達到天然氣二類氣指標要求；除脫水之外，在已建煤層氣區(qū)塊中，有少數(shù)區(qū)塊發(fā)現(xiàn)H2S 或CO2超標，需進行脫硫或者脫碳處理[10]。

鑒于NB/T 10029—2016《煤層氣集輸設(shè)計規(guī)范》中對煤層氣處理論述較少，應(yīng)對脫硫及脫碳工藝進行深入研究，形成關(guān)鍵技術(shù)，引導煤層氣地面工程設(shè)計。

4.3 煤層氣橇裝化及一體化設(shè)備的研究及推廣

煤層氣站場一般具有進站分離、過濾、壓縮、脫水、計量等功能，場區(qū)由多個單元組成，造成場區(qū)占地面積大、設(shè)備數(shù)量多、安裝管線復雜。

根據(jù)煤層氣集約化用地、橇裝化設(shè)備、復用化設(shè)計、快速化投產(chǎn)等理念，對煤層氣站場各功能模塊應(yīng)進行組裝，研發(fā)和推廣橇裝化及一體化設(shè)備，實現(xiàn)煤層氣田的高效建造。

4.4 節(jié)點增壓技術(shù)研究

針對煤層氣田井場回壓低、產(chǎn)量低等特點，國外煤層氣田已有節(jié)點增壓的實踐。合理利用煤層氣壓力能及設(shè)置增壓點，可實現(xiàn)在煤層氣采氣管道節(jié)點對管道內(nèi)氣體進行增壓，進而提高井場產(chǎn)氣量及進入集氣站的壓力[11]。

隨著國內(nèi)煤層氣田的開發(fā)和建設(shè)，如何有效地提高部分井場回壓，使煤層氣有效進入管網(wǎng)已成為亟待解決的問題。國內(nèi)節(jié)點增壓技術(shù)研究還較少，應(yīng)加快推進此項技術(shù)研究，通過合理布局采氣管網(wǎng)，優(yōu)化集輸系統(tǒng)，增加集輸半徑，提高集輸系統(tǒng)效率，增加集氣站規(guī)模，減少運行管理點[12]。

4.5 采出水綜合利用研究

煤層氣排采過程中將產(chǎn)生大量的采出水，采出水直接外排或蒸發(fā)處理不僅會污染地表水，還會造成水資源浪費和環(huán)境問題。

國內(nèi)對煤層氣采出水綜合利用研究較少，從環(huán)境保護和資源節(jié)約的角度，應(yīng)對采出水進行處理利用。根據(jù)煤層氣采出水的情況，開展以下研究：

（1）根據(jù)煤層氣采出水水質(zhì)，將煤層氣采出水進行處理，從灌溉用水、建筑用水、畜牧、生產(chǎn)用水及生活用水方面分別進行利用研究。

（2）根據(jù)采出水水量，從工藝設(shè)備選型、工藝流程、投資等方面，進行采出水利用的適用性分析，為生產(chǎn)運行提供參考。

4.6 低運行成本研究

煤層氣生產(chǎn)期主要成本有燃料動力費、井下作業(yè)費、材料費、維護修理費、人工費和廠礦管理費。為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性，在煤層氣采出作業(yè)前期基本需要使用燃油發(fā)電進行抽水降壓，燃料成本能達到總支出的60%，是最主要的成本支出。隨著采出時間推移，設(shè)備和材料老化，維護修理費、材料費和井下作業(yè)費占比逐步加大，成本結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，成本的剛性支出總金額會因為規(guī)模效應(yīng)的因素先降低、再回升。

為合理降低成本，制定可行的成本控制目標，需開展低運行成本研究。結(jié)合排采規(guī)律、煤層氣產(chǎn)量、售價和補貼標準，細化成本核算，按照產(chǎn)氣時間嚴格劃分資本性和收益性支出，盡可能做到單井核算，在現(xiàn)有條件下挖掘內(nèi)部潛力[13]。按照作業(yè)成本法的分析方法，分析各成本動因，通過工藝改進、加強質(zhì)量管理和成本控制，逐步降低單井的平均生產(chǎn)成本，對生產(chǎn)期的低效井予以評估后關(guān)停，從根本上降低生產(chǎn)成本。

4.7 加快推進無人值守、智能化氣田理論基礎(chǔ)建設(shè)

國內(nèi)煤層氣項目基本采用井場無人值守、有人巡檢，集氣站有人值守、自動控制的模式，人力成本較高。隨著煤層氣田開發(fā)技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開發(fā)的需要，集氣站將逐步向無人值守方向發(fā)展，即基于調(diào)控中心和采氣作業(yè)區(qū)整體數(shù)字化遠程監(jiān)控管理，實現(xiàn)整個區(qū)塊生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、計量及調(diào)度管理等。

智能化煤層氣田建設(shè)需要有一套系統(tǒng)、科學、嚴密的適用于煤層氣地面工程的控制、管理理論做支撐：①結(jié)合計算機控制技術(shù)，就煤層氣地面工程開發(fā)規(guī)律、安全性要求、控制邏輯進行分析總結(jié)，形成一套成熟的無人值守控制技術(shù)；②進行智能化煤層氣田應(yīng)急保障系統(tǒng)建設(shè)研究，包括應(yīng)急保障點功能配置、應(yīng)急覆蓋范圍、響應(yīng)時間等；③完善智能化煤層氣田生產(chǎn)運行培訓手冊，提高運行管理人員操作水平，利于技術(shù)的推廣。

5 結(jié)論

（1）國內(nèi)指導煤層氣地面工程設(shè)計的標準，特別是集輸、防火等標準，按照常規(guī)氣田要求設(shè)計，沒有完全結(jié)合煤層氣開發(fā)的特性，造成事實上的過頭設(shè)計。

（2）在站場工藝、消防、安全等專業(yè)上，設(shè)計理念過于保守，造成投資過大。

（3）應(yīng)針對煤層氣的特點制定煤層氣地面工程設(shè)計防火規(guī)范，對煤層氣田井場內(nèi)部和集氣站防火間距進行合理調(diào)整，使之更加符合煤層氣的開發(fā)、生產(chǎn)特點，形成煤層氣田地面工程經(jīng)濟、適用的安全技術(shù)體系。

（4）國內(nèi)應(yīng)進一步借鑒國外煤層氣開發(fā)低成本做法，因地制宜，降低開發(fā)投資。

（5）研究煤層氣排采規(guī)律、節(jié)點增壓技術(shù)、采出水處理技術(shù)，推廣煤層氣橇裝化及一體化設(shè)備，建設(shè)無人值守及智能化氣田是煤層氣地面工程技術(shù)發(fā)展方向。