煤層氣地面集輸管網優化

蔣 洪 張 黎 任廣欣 陳思錠

1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500

2.中國石化西北油田分公司塔河采油二廠，新疆 庫爾勒 841604

0 前言

目前， 我國煤層氣田已進入到規模化開發階段，具有“低產、低壓、低滲、井多”等特點［1］，其地面集輸管網極其復雜。 國內煤層氣田的開發總體尚處起步階段，其地面集輸工程設計主要參考蘇里格氣田等低壓氣田的成熟經驗。 現有煤層氣地面集輸工程設計主要存在集輸管網布局及工藝參數不合理、投資較大、能耗較高等問題，煤層氣集輸管網設計有待進一步研究和優化。

1 煤層氣地面集輸工藝及特點

經過多年煤層氣田開發與實踐，國內逐漸形成了一套有別于常規天然氣田的獨特集輸工藝技術，主要采用“分片集輸、多井低壓集氣、單井簡易計量、多井單管串接、集中增壓、集中脫水處理和外輸”的煤層氣集輸工藝［2］，采用“井場—采集氣管網—增壓站—中央處理廠-外輸”的集輸工藝流程，見圖1。

圖1 煤層氣集輸系統組成

井口套管產出的煤層氣經油嘴節流、計量后進入集輸管網，靠自身壓力輸送到集氣閥組和增壓站，在增壓站內進行過濾、分離、增壓等預處理后，通過增壓站外輸管線輸送至中央處理廠進行過濾、分離、增壓和深度脫水等處理，合格的天然氣外輸。 煤層氣田開發具有低產（2 500～5 000 m3/d）、低壓（0.2～0.5 MPa）、低滲等特點，導致氣田單位產能建井數多，井網密集，整個氣田處于低壓生產狀態，開發投入高、產出低、風險大。 通過大量煤層氣采集氣管道水力模擬計算表明：

a）當井口壓力在0.2～0.5 MPa 時， 水合物形成溫度一般介于-55～-40 ℃。在集輸壓力下，其水合物形成溫度低于環境溫度，集輸管道內不會形成水合物。

b）采集氣管道流速宜控制在20 m/s 以下，以減少管道積液，減少摩阻損失，降低PE 管靜電風險，合理利用壓差。

c）煤層氣采集輸管線高差＜100 m 時，高程對采集輸管線壓降的影響較小， 可以忽略不計； 當高差≥100 m時，應考慮高程對管道壓降的影響。

2 煤層氣集輸管網適應性分析

煤層氣地面集輸管網的布局問題較為復雜，其管網形式主要與氣田地形地貌、井位布置、集輸半徑、集氣站規模以及所在地區的交通、環境等因素有關。 煤層氣地面集輸管網的形式主要可分為枝狀管網和環狀管網。 實際工程中，煤層氣集輸管網類型并不是單一類型，而常常是兩種或多種管網形式的組合［3］。

2.1 枝狀管網

圖2 煤層氣集輸管網布局形式

枝狀管網形同樹枝狀，有一條貫穿于氣田長軸方向的集氣干線，將分布在干線兩側的煤層氣井場通過采氣干線和集氣支線納入集氣干線， 由集氣干線輸至增壓站，管網布局見圖2-a）。 而近年來提出的“枝上枝”管網是枝狀管網中一種較為特殊的地面集輸管網布局形式。其較普通的枝狀管網僅多了集氣閥組，集氣閥組通常建在井場相對位置較為集中的小區塊，承接該小區塊的井場來氣，管網布局見圖2-b）。“枝上枝”管網已成功應用于山西沁南煤層氣田樊莊區塊、 鄭莊區塊及山西沁南潘河煤層氣田等地面建設工程中， 證明了適用性和經濟性［4］。

當煤層氣井場分布在狹長的帶狀區域內， 井場位置相對分散且井網距離較大時，宜采用枝狀管網。 枝狀管網縮短了采氣管線長度，氣田建設十分靈活且便于擴展，可滿足煤層氣田滾動開發和分期建設的需要。 陜西韓城煤層氣田已建區塊采用了枝狀管網，該區塊呈帶狀分布、南北走向，氣井之間位置相對較分散，地形起伏較大。

2.2 環狀管網

環狀管網是將集氣干線布置成環狀，周圍井場通過采氣干線就近插入集氣干線，在環狀管網上適當位置引出采氣干線至增壓站，管網布局見圖2-c）。 環狀管網調度氣量方便，氣壓穩定，局部發生事故時影響面小。 環狀管網壓降較小， 充分利用壓力能延長煤層氣輸送距離，增加集輸半徑，提高管網運行的可靠性。 環狀管網主要適用于構造面積較大的山區［5］。

3 煤層氣集輸管網優化方法

煤層氣集輸管網優化目標是使集輸管網系統費用最省，包括井場、采氣管線、集氣閥組、集氣管線、增壓站、中央處理廠等投資費用和運行費用。 該優化數學模型屬于約束非線性混合變量優化問題，其中涉及到連續變量（如管長、壓力等）和大量離散變量（如管徑、壁厚等）等多種類型的變量，加之影響增壓站及中央處理廠投資主要因素（如地形、交通及環境條件等）的約束條件無法量化，若采用常規約束非線性優化求解方法，優化結果將偏離工程實際，無法滿足工程設計要求。 因此，結合煤層氣開發方案及集輸工藝特點，提出適合煤層氣集輸管網的分級優化方法，將優化問題劃分為布局優化和參數優化兩個獨立的子問題分別求解。 煤層氣集輸管網優化具體實施步驟見圖3。

3.1 布局優化

煤層氣集輸管網布局優化關鍵在于有效利用壓差，確定合理的管網布局，增加集輸半徑，減少中間場站，降低管網成本。 由于煤層氣井口到增壓站距離較長，可利用的有效壓差較小（200 kPa 左右），要減少地面集輸管網投資，須盡量增加集輸半徑，主要措施有：

a）采集氣管道應選用非金屬管道。 非金屬管道較鋼管摩阻小，成本低，可較好適應低壓煤層氣集輸要求。 經過比較， 當內徑＜300 mm， 可選用PE 管； 當內徑≥300 mm，可選用螺旋縫埋弧焊鋼管。

圖3 煤層氣采集管網優化具體實施步驟

b）減少管線積液。在采集輸管線最低點處設置分水器，并增大采集輸管線的氣體流速，提高氣體的攜液能力以減少積液。

c）采用合理的管網布局。 平坦地區可采用“枝上枝”管網形式，采用集氣閥組代替集氣站，閥組間可實現串接，增大集輸半徑（可達17 km）。

通過以上措施，結合煤層氣田地形地貌、開發方案及集氣站集氣規模等因素， 確定煤層氣田管網布局形式。 進一步采用分級優化方法，優化井間串接和站址。

井間串接優化： 根據煤層氣田開發方案和井位布置，在電子地圖上對需連接的2～6 口井從較遠單井開始逐步連接，最終確定若干符合工程實際（綜合地形地貌及施工難度等考慮）的連接方案，再按線路最短原則進行方案比選。

站址優化：根據煤層氣區塊所處位置、布井方案和總體規劃圖，對場站（集氣閥組、增壓站和中央處理廠）站址分別提出若干個可行且相對較優的站址備選方案，通過進行可行性和經濟投資的多方案比選，合理優化布站方案。

3.2 參數優化

煤層氣田集輸管網參數主要包括壓力等級優化和采集輸管道優化，目的是在滿足用戶所需流量、壓力等約束條件下，對系統壓力等級和采集輸管道管徑進行優化。

壓力等級優化： 確定煤層氣處理工藝和外輸壓力后，在增壓站和中央處理廠進行壓力等級優化，有利于降低其集輸管網成本。 為增壓站和中央處理廠建立多種壓力等級方案，通過技術經濟比較，優化增壓站出站壓力和中央處理廠工作壓力。

采集輸管道管徑優化：管徑優化問題屬于約束非線性離散變量優化問題，煤層氣田采集輸管道類型和規格較多，不宜直接采用常規約束非線性優化求解。 在工程應用中，基于煤層氣集輸管網布置圖，根據節點壓力和流量平衡原則對集輸管網進行簡化，建立集輸管網的水力模擬等效圖（見圖4），逐步優化采集輸管道管徑。其優化方法如下：

圖4 管網等效模型

a）管網最遠端井口壓力應≤200，而增壓站和中央處理廠的進站壓力則不應低于各自允許的最小進站壓力。

b）采集氣管道流速宜控制在20 m/s 以下，集氣干線應盡可能選用較小管徑，以在其上分配較多壓降，降低管網成本。

c）集輸管網中的采氣干線和集氣干線應盡量統一管道規格，以便施工和清管作業。

煤層氣集輸管網管徑優化方法：依據集輸管網水力模擬等效圖，設定采集輸管道的節點壓力和流量，逐步從中央處理廠開始由近及遠反算集氣干線、集氣支線和采氣干線的管徑， 確定各采集氣管道的初步管徑方案。若確定的管徑規格過多，則根據工程經驗統一干線管徑規格，確定出調整后的管徑方案。 利用多相流管網模擬軟件建立煤層氣集輸管網模型，對初選的管道規格管網方案進行模擬計算，對不符合要求的管道管徑再次進行調整，重復進行管網模擬計算，直至最終優選出滿足要求的采集輸管道管徑。

4 煤層氣集輸管網優化實例

4.1 H 煤層氣區塊集輸管網布局

H 煤層氣區塊地處黃土高原，所處地區的地形地貌多樣，相對高差300 m，地勢西北高東南低，區塊集氣量150×104m3/d，轄單井645 口，單井平均產量2 200 m3/d，共129 座5 井式叢式井場。 該區塊分為東集氣管網和西集氣管網，分別轄井場62 座和67 座。 根據H 區塊地形和周邊環境，綜合考慮三種管網形式，選擇枝狀-環狀組合式管網，見圖5。

圖5 H 煤層氣區塊集輸管網

4.2 布局優化

H 煤層氣區塊均為5 井式叢式井場，進行井間串接，在合適的位置設立井場。 對H 增壓站選址提出兩種方案，方案比選見表1。

表1 增壓站選址方案比選

綜合比較兩種方案，推薦采用方案一。 同理，中央處理廠的位置可參考增壓站的選擇進行方案比選。 在東、西兩區各建1 條集氣干線，東區塊設7 條集氣支線，西區塊設5 條集氣支線。 井場通過采氣干線就近接入集氣支線。

4.3 參數優化

集輸管網參數優化主要包括壓力等級優化和采集輸管道優化。

在增壓站和中央處理廠分別進行增壓，提出了三種壓力等級優化方案，壓力等級優化比較見表2。通過技術經濟比較后，確定集氣站的出站壓力1.5 MPa，中央處理廠進廠壓力1.2 MPa，出廠壓力3.8 MPa。

建立集輸管網的水力模擬等效模型， 根據煤層氣集輸管網管徑優化方法，優化采集輸管道管徑。集氣支線可選用變徑管，集氣干線由于清管需要，一般選用通徑管，且盡可能減少采集輸管道規格。管線參數優選見表3。

表2 壓力等級優化比較

表3 管線參數優選

5 結論

a） 煤層氣地面集輸管網的形式主要可分為枝狀管網和環狀管網。 枝狀管網較適用于狹長帶狀區域內分布的且井網距離較大的井場，也適合于地形起伏較大的山地與丘陵地帶。 而環狀管網則主要適用于構造面積較大的山區。

b） 采集氣管道宜選用PE 管，流速宜<20 m/s，在管線最低點處設置分水器。

c）依據煤層氣集輸管網特點，將集輸管網優化問題分為布局優化和參數優化，提出煤層氣集輸管網工程性優化方法。

d） 提出煤層氣集輸管網水力模擬的等效模型及采集輸管網管徑優化方法，為煤層氣田地面集輸工程設計提供快速有效的技術手段。

［1］ 謝傳禮，涂 乙，涂 輝，等. 我國煤層氣開發對策及前景展望分析［J］. 天然氣與石油，2011，12（6）：40-45.

［2］ 李士富，王曰燕，王 勇. 山西沁水煤層氣液化HYSYS 軟件計算模型［J］. 天然氣與石油，2010，8（4）：22-25.

［3］ 孟榮章， 李書文， 湯 林. 大型氣田集輸管網布局優化［J］.石油規劃設計，1998，18（2）：16-18.

［4］ 許 茜，薛 崗，王紅霞. 沁水盆地煤層氣田樊莊區塊采氣管網的優化［J］. 天然氣工業，2010，30（6）：91-93.

［5］ 姚麟昱，駱 彬，孟慶華. 川西高壓高產氣田集輸管網規劃設計［J］. 石油規劃設計，2010，21（6）：21-24.