煤層氣集輸管道設計影響因素研究

王坤

摘 要：煤層氣田的特點是煤層氣組分較純，氣田單井產量低，井網分布密集且井口數量眾多，井口壓力較低。由于煤層氣田集輸管網壓力較低，需建設大量管道，投資費用高。研究煤層氣集輸管道計算影響因素及其規律對管道參數設計和優化、降低管道總體投資具有重要意義。采用多相流模擬軟件OLGA建立了煤層氣集輸管道水力計算模型，模擬分析了管道流量、管徑、含水率、進站壓力對管道壓降參數的影響，得出管徑是集輸設計的主要影響參數。敏感性分析結果顯示煤層氣集輸管道設計參數的關鍵影響因素為管徑和流量，且管徑的影響最大。研究對于煤層氣田的集輸管道的計算和設計具有指導意義。

關 鍵 詞：煤層氣；集輸管道；OLGA；影響因素；敏感性

中圖分類號：TE 832 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）04-0840-03

Abstract： Coal-bed gas field is characterized by pure coal bed methane component， low single-well production， dense well pattern distribution， numerous wellheads and low wellhead pressure. Due to low gathering pipe network pressure of the coal bed gas field， a large number of pipelines need to be built， which will result in high cost of investment. Study on coal bed gas pipeline calculation influence factors and rules of pipeline parameter design and optimization is of great significance to reducing the overall investment. The multiphase flow simulation software OLGA was used to establish coal-bed gas pipeline hydraulic calculation model， and effect of the pipe flow rate， pipe diameter， moisture content， station pressure on pipe pressure drop parameters was analyzed， its pointed out that the pipe diameter is main influence parameter for the design of pipe. Sensitivity analysis results show that the key factors of the coal-bed gas pipeline design parameters are pipe diameter and flow rate， and the influence of the pipe diameter is the largest.

Key words： CBM；Gathering line；OLGA；Influential factors；Sensibility

煤層氣田的特點是煤層氣（煤層氣）組分較純，氣田單井產量低，井網分布密集且井口數量眾多，井口壓力一般在0.5 bar左右，壓力較低。常見的煤層氣田集輸工藝一般為低壓集氣、多井串接、集中增壓。由于煤層氣田集輸壓力較低，需建設大量管道，投資費用高。研究煤層氣集輸管道設計影響因素及其規律對管道參數設計和優化、降低管道總體投資具有重要意義[1-6]。本文采用多相流模擬軟件OLGA建立了煤層氣集輸管道水力計算模型，模擬分析管道流量、管徑、含水率、進站壓力對管道壓降參數的影響。

1 基礎參數

管道集氣站進站壓力0.5 bar，井口流量150 kg/h，管徑150 mm。模擬使用的煤層氣帶有少量的游離水，含水率為0.50%，具體組分見表1。

2 計算結果分析

2.1 流量影響計算結果

集氣站的進站壓力設為0.5 bar，管道總長為5公里，由于管道最大高程差低于100 m，可認定為該集氣管道的水平管道，管徑設定為150 mm。煤層氣單井產量較低，因此，本次計算選取了50 kg/h至400 kg/h的8種井口流量，可包括大部分煤層氣田的實際井口流量值，計算結果見圖1。

從圖1計算結果可以看出，在管徑和進站壓力固定時，管線壓降隨著流量的增加而增大。當流量為50 kg/h時，管道沿線壓力從0.509 bar降低到0.5 bar，壓降為0.18×10-5 bar/m；當流量增大為400 kg/h時，管道沿線壓力從0.783 bar降低到0.5 bar，壓降為5.66×10-5 bar/m。這是由于在相同管徑的條件下，流量與流速成正比，而摩擦阻力與流速的平方成正比，因此，在管道內壁阻力的作用下，流量的逐漸增加導致壓降越來越大。

2.2 管徑影響計算結果

集氣站的進站壓力設為0.5 bar，管道總長為5公里，管道流量為150 kg/h，選取了8種管徑。管道壓降隨管徑變化的計算結果見圖2。

從圖2中計算結果可以看出，在相同流量工況條件下，管線壓降隨著管道的增大而顯著減小。管徑對管道壓降影響較大，當管徑為80 mm時，管道沿線壓力從1.244 bar降低到0.5 bar，壓降為14.88×10-5 bar/m；當管徑增大為300 mm時，管道沿線壓力從0.502 bar降低到0.5 bar，壓降為0.04×10-5 bar/m。因此，管徑的增大會顯著減小管道的壓降。管徑80 mm至150 mm范圍內的管道壓降變化幅度較大，管徑150 mm至300 mm范圍內的管道壓降變化幅度不大。因此，當管徑增大到一定程度時，增大管徑對降低管道壓降作用不大。這是由于當流量一定時，管徑越大，管道的截面積就越大，流速越小，管道的摩阻就會越小，壓降變化也就會越小。

2.3 含水率影響計算結果

集氣站的進站壓力設為0.5 bar，管道總長為5公里，管道流量為150 kg/h，管徑設定為150 mm，選取了不同含水量進行計算。管道壓降隨煤層氣內含水率變化的計算結果見圖3。

從圖3中可以看出，煤層氣內的含水率的變化對管道壓降變化的影響不明顯。當含水率為0.20%時，管道沿線壓力從0.558 7 bar降低到0.5 bar，壓降為1.175×10-5 bar/m；當含水率增大為1.00%時，管道沿線壓力從0.558 6 bar降低到0.5 bar，壓降為1.172×10-5 bar/m。

2.4 進站壓力影響計算結果

設定管道長度5 km，管道流量為150 kg/h，管徑設定為150 mm，針對管道進站不同壓力工況進行計算。管道壓降隨進站壓力變化的計算結果見圖4。

從圖4中計算結果可以看出，當進站壓力為0.5 bar時，管道沿線壓力從0.558 7 bar降低到0.5 bar，壓降為1.175×10-5 bar/m；當進站壓力增大為0.6 bar時，管道沿線壓力從0.601 9 bar降低到0.6 bar，壓降為0.039×10-5 bar/m。壓降較為明顯。但是隨著進站壓力繼續增大到1 bar時，管道沿線壓力從1.001 2 bar降低到1 bar，壓降為0.024×10-5 bar/m。壓降降低的幅度并不明顯。

3 敏感因素分析

根據管道壓力梯度的變化程度判斷管道流量、管徑、含水率和進站壓力對管道參數影響的敏感性。當壓降變化幅度超過5×10-5 bar/m時，即認為管道對該參數敏感。從上述計算結果可以得到煤層氣集氣管道參數的敏感性情況，見表2。

從敏感性分析結果可以初步判斷煤層氣集輸管道設計參數的關鍵影響因素為管徑和流量，且管徑的影響最大。

4 結論及建議

（1）管徑和流量是影響煤層氣集輸管道參數設計的關鍵影響因素，且管徑的影響最大，應著重考慮管徑的影響，以達到在設計過程中的優化目標。

（2）盡管增大管徑對管道計算的影響很大，但是當管徑增大到一定值時，繼續增大管徑不再明顯影響管道壓降，因此，在集輸管道設計中，存在一個最優管徑。

（3）煤層氣氣質較純，含水量不高，且隨著含水量的增高，管道壓降變化幅度很小，但是，當含水量過高時，應考慮管道內積液量的增加帶來的管道排液問題。

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