煤層氣地面工程技術(shù)對標及發(fā)展趨勢研究

孟凡華 路興祿 張亞慶 陳巨標

(1.中國石油天然氣集團有限公司煤層氣開采先導實驗基地，山西 046000;2.中國石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 046000;3.中國石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 062552)

1 概述

煤層氣勘探始于上世紀60年代，于80年代進入大規(guī)模商業(yè)化開發(fā)。美國、加拿大、澳大利亞等國家開發(fā)煤層氣較早，我國開發(fā)煤層氣開始于上世紀90年代，據(jù)國土資源部新一輪全國油氣資源評價成果，我國埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬億m3，位列世界前三。目前，國內(nèi)煤層氣田的開發(fā)建設(shè)速度明顯加快，沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣產(chǎn)業(yè)化基地初步形成，潘莊、樊莊、潘河、保德、韓城等重點開發(fā)項目建成投產(chǎn)，四川、新疆、貴州等省(區(qū))煤層氣勘探開發(fā)取得突破性進展，已初步形成規(guī)?；⑸虡I(yè)化開發(fā)，形成了煤層氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、輸送、銷售、利用等一體化產(chǎn)業(yè)格局。

本論文結(jié)合國內(nèi)外煤層氣地面工程建設(shè)現(xiàn)狀，分別就煤層氣標準規(guī)范、地面工程技術(shù)、設(shè)備材料選型、建設(shè)及運行管理模式等方面進行對比分析，提出煤層氣的發(fā)展趨勢，剖析潛在風險。

2 標準規(guī)范對標

針對煤層氣地面工程標準，國內(nèi)有《煤層氣集輸設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10029)、《煤層氣集輸安全規(guī)程》(AQ 1082)、《煤層氣集輸與處理運行規(guī)范》(SY/T 6829)等規(guī)程規(guī)范；國外有《石油天然氣工業(yè)-管道輸送系統(tǒng)》(ISO 13623)、《輸氣和配氣管道》ASME (B31.8)等標準，目前，國外還沒有用于煤層氣地面工程的專用標準，此外，國外一些石油公司在API、ASME或ISO系列標準的基礎(chǔ)上進行增補形成企業(yè)規(guī)范。比如，殼牌公司(SHELL)的企業(yè)規(guī)范、道達爾公司(TOTAL)的企業(yè)規(guī)范。

(1)集輸規(guī)范

目前，煤層氣地面工程設(shè)計主要執(zhí)行《煤層氣集輸設(shè)計規(guī)范》。在站場公用工程、煤層氣處理方面，具體要求較少，建議煤層氣相關(guān)規(guī)范應(yīng)在公用工程、處理工藝等方面進行優(yōu)化細化。

(2)安全消防設(shè)計規(guī)范

煤層氣井站平面布置通常執(zhí)行《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》，根據(jù)站場處理規(guī)模及等級，設(shè)置不同等級的消防水系統(tǒng)與放空系統(tǒng)。目前，已實施發(fā)布《煤層氣田地面工程設(shè)計防火規(guī)范》，用于指導煤層氣地面工程平面設(shè)計。

(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《煤層氣集輸安全規(guī)程》、《煤層氣開采防塵防毒技術(shù)規(guī)范》、《煤層氣地面開采防火防爆安全規(guī)程》等，規(guī)范中涉及原則、綜述的內(nèi)容較多，具體、量化的內(nèi)容較少，對于煤層氣地面工程設(shè)計、施工、安全、管理等，適用性并不強。

3 地面工程技術(shù)對標

地面工程技術(shù)對標分別從集輸系統(tǒng)總體布局、增壓方式、站場工藝、采出水處理、平面布局等方面進行對標分析。

3.1 集輸系統(tǒng)總體布局

(1)美國、加拿大煤層氣田開采均利用井口壓力，通過枝狀管網(wǎng)將井場氣集輸至集氣站集中增壓處理，采用一級布站方式，最大集輸半徑超過20km。通過對標，國內(nèi)外煤層氣地面工程布站方式較為類似，根據(jù)區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)安排，采用一級布站或者二級布站方式。

(2)在集氣站處理規(guī)模方面，國外煤層氣集氣站規(guī)模可達120×104m3/d，而國內(nèi)煤層氣集氣站的規(guī)模一般為(30～75)×104m3/d，與國外相差較大，且國內(nèi)集氣站因處理規(guī)模較大，存在壓縮機設(shè)備利用率低等問題。

(3)在集輸管網(wǎng)清管設(shè)計方面，國外煤層氣田集輸系統(tǒng)中沒有清管設(shè)施。在采出氣管線沿線設(shè)置有分水器，以收集在管輸至處理站途中產(chǎn)生的凝析水。國內(nèi)采氣管道在低點設(shè)置凝水缸，定期檢查排水。

3.2 增壓方式

(1)在井場回壓方面，國外煤層氣田壓力控制較低，為0.1MPa，國內(nèi)一般控制在 0.15～0.2MPa。

(2)在增壓方式方面，國內(nèi)外根據(jù)區(qū)塊不同，采用一級增壓或者二級增壓方式，但國外煤層氣站場出口壓力普遍較高。

(3)在增壓工藝方面，以加拿大為例，采用高低壓一起進站的方式，國內(nèi)一般為單獨的低壓進站或者高壓進站。

3.3 站場工藝

(1)在井場工藝方面，美國、澳大利亞煤層氣田一般設(shè)置氣水分離器，加拿大煤層氣田工藝簡單，無排采設(shè)施，單井采出氣直接進入采氣管道，井場設(shè)置用于移動計量的接口；除此之外，美國煤層氣田還設(shè)置過濾器、儲水罐等；國內(nèi)一般采用氣水分輸流程，煤層氣采出后經(jīng)計量匯集出井場，采出水匯集進入井場蓄水池。

圖1 國內(nèi)外煤層氣井場現(xiàn)狀

(2)在集氣站工藝方面，國外集氣站設(shè)置了集氣、增壓、脫水處理等功能，設(shè)置段塞流捕集器，沒有多級煤粉過濾分離、復(fù)雜的放空系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等，最大限度的簡化優(yōu)化流程，減少工程量，降低投資。而國內(nèi)集氣站通常設(shè)置進站閥組、過濾分離，以保證壓縮機組及脫水裝置運行。在這些方面，可以結(jié)合設(shè)備的特性，進行適當優(yōu)化。

(3)在放空方面，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，除個別站場設(shè)置集中放空立管外，其他站場并無放空系統(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)置有專用放空火炬)，關(guān)鍵是對站場正常檢修放空、緊急放空如何認識的問題。

3.4 煤層氣采水處理

3.4.1 國外采出水處理

(1)采出水水質(zhì)

在煤層氣井采氣階段，伴隨著大量的高礦化度、高鹽度的地下水采出。煤層氣采出水不含油，含有一定的懸浮物，礦化度較高，一般在1000～5000mg/L之間，最高可達8000mg/L以上，且多摻雜煤粉。

(2)采出水水量

美國黑勇士盆地產(chǎn)水量平均為42960～50120L/d，大綠河盆地產(chǎn)水量大于71600L/d，保德河盆地產(chǎn)水量達214800L/d。

(3)采出水處理工藝

國外煤層氣采出水的處理，一般采取三種常規(guī)技術(shù)來進行處理。第一種方法是地表排放，經(jīng)過處理后排放到地表河流，或者處理后達到當?shù)剞r(nóng)田灌溉標準進行農(nóng)田灌溉。第二種處理方法是地表蒸發(fā)，使用蒸發(fā)池和水霧、油霧系統(tǒng)來蒸發(fā)水。第三種方法是將水反注入地下，鉆一口新井或者修理一口廢井，使產(chǎn)出的流體注入比煤層深的層位中。除上述常規(guī)處理技術(shù)外，國外煤層氣采出水的深度處理方法還包括離子交換法、凍結(jié)-解凍/蒸發(fā)法、反滲透法、蒸餾法、臭氧擴散池廢水處理法等。

3.4.2 國內(nèi)采出水處理

我國煤層氣資源主要分布在華北、西北、華南、東北和滇藏五個地區(qū)。煤層氣采出水中總懸浮固體(以煤顆粒為主)和含鹽量較高，含有較多的鈉、鋇、鐵，并有較強的導電性。國內(nèi)鄂東氣田保德區(qū)塊單井產(chǎn)水量40～100m3/d，大寧吉縣區(qū)塊單井產(chǎn)水量為6m3/d；沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊、成莊區(qū)塊單井平均產(chǎn)水量為5m3/d。

(1)采出水水質(zhì)

煤層氣產(chǎn)出水主要可分為兩類：(a)高鹽和高礦化度的產(chǎn)出水，許多地區(qū)的采出水礦化度較高，尤其是地下水含鹽量較大的地區(qū)，含有大量的NaHCO3或NaCl；(b)低含鹽水，水質(zhì)較好的采出水，總懸浮固體的含量高(以煤的顆粒為主)。

(2)采出水處理工藝

由于我國煤層氣勘探起步較晚，還沒有建立起完善的水處理方法體系以及實用的處理設(shè)備，目前采出水主要有拉運和管輸兩種方式。

3.5 平面布局

國外煤層氣站場平面采取居中布置的方式，所有裝置、管廊都集中在場地中部，四周可以通行車輛。站內(nèi)不建消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、全站照明及全站廣播等系統(tǒng)，也沒有值班房、庫房等建筑。在這種條件下，其實現(xiàn)了無人值守、遠程操控。不管是井場、集氣站或者處理站，場區(qū)未鋪裝道路，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。除了增壓所必需的設(shè)施，其它一律能省則省。

圖2 國內(nèi)外煤層氣集氣站平面布局

國內(nèi)煤層氣站場根據(jù)工藝特點，集氣站內(nèi)平面布置采取分區(qū)布置，主要包括工藝裝置區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū)，各區(qū)以站內(nèi)道路進行分隔。站內(nèi)設(shè)消防道路，路寬一般為4m。站場四周設(shè)置圍墻；設(shè)置消防滅火器等。

4 設(shè)備材料選型對標

4.1 井場

由于地質(zhì)條件不同，國外煤層氣井場工藝不僅與我國煤層氣井場差別較大，國外各國之間的井場工藝差別也較大。國內(nèi)煤層氣井場設(shè)備主要有抽油機、采氣樹、計量閥組、RTU、配電箱或發(fā)電機等。國外煤層氣井場設(shè)備主要有氣水分離器、水處理設(shè)施、計量設(shè)施等。

4.2 集氣站

根據(jù)集氣站工藝，國內(nèi)站場通常設(shè)置進站分離器、旋流過濾器、螺桿壓縮機、往復(fù)壓縮機、恒溫露點控制橇、三甘醇脫水裝置、分子篩脫水裝置、收發(fā)球筒等；國外站場通常設(shè)置段塞流捕集器、螺桿壓縮機、往復(fù)壓縮機、三甘醇脫水裝置等。

5 建設(shè)及運行管理模式對標

(1)無人值守站

目前，國內(nèi)煤層氣地面工程絕大多數(shù)采用站場有人值守、井場有人巡檢的運行管理模式，項目定員較多，運行成本較高；隨著煤層氣開發(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，集氣站逐步向無人值守方向發(fā)展，將逐步減少站場定員。

(2)大力推行低成本理念、轉(zhuǎn)變建設(shè)方式

低成本戰(zhàn)略的實施效果，在很大程度上決定了煤層氣開發(fā)生產(chǎn)的效果，與國外公司相比，國內(nèi)在實施理念、實施方式、實施效果等方面還存在一定差距。同時，煤層氣地面系統(tǒng)還存在著一些制約低成本戰(zhàn)略實施的技術(shù)問題，如井口至集氣站的集輸管線的合理布局與集輸半徑、合理適用的低壓脫水技術(shù)等，都需要結(jié)合國內(nèi)工程特點進行進一步研究。

(3)大力推廣橇裝化設(shè)備

國內(nèi)外地面工程實踐表明，橇裝化是保證工程質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、減少現(xiàn)場工程量和占地、節(jié)約投資的有效途徑。建議煤層氣地面工程借助開展標準化設(shè)計的契機，進一步推廣橇裝裝置，提高工廠預(yù)制化程度，逐步提高大工程橇裝化的水平。

6 煤層氣技術(shù)發(fā)展趨勢分析

2016年11月，國家能源局發(fā)布了《煤層氣(煤瓦斯氣)開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》，“十三五”期間，新增煤層氣探明地質(zhì)儲量4200億m3，建成2～3個煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地。2020年，煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量達到240億m3，其中，地面煤層氣產(chǎn)量100億m3，利用率90%以上。2015年，我國地面煤層氣產(chǎn)量44億m3，相比2020年產(chǎn)量目標，煤層氣的發(fā)展空間潛力大，開發(fā)利用前景好，我國煤層氣產(chǎn)業(yè)將進入快速發(fā)展的新時期。

(1)煤層氣利用方式的多樣化

煤層氣利用方向主要以進入管道、制CNG、LNG為主，近年來，隨著煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用政策的出臺和完善，國內(nèi)企業(yè)利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電的積極性高漲，瓦斯發(fā)電裝機規(guī)模將會逐年上升，技術(shù)研發(fā)和裝備制造水平將不斷提高。

(2)煤層氣站場的無人值守化

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，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。

(3)建立更為豐富的建產(chǎn)合作模式，形成共享服務(wù)模式

煤層氣勘探風險大、投入高、回收期長。國家用于煤層氣基礎(chǔ)勘探資金少，規(guī)定的最低勘探投入低，探礦權(quán)人投資積極性不高，社會資金參與煤層氣勘探存在障礙，融資渠道不暢，勘察程度低。同時，煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜，單井產(chǎn)量低，這些客觀條件都將直接影響投資回收期、綜合經(jīng)濟效益等一系列生產(chǎn)指標。

目前，煤層氣田站場設(shè)備一般為一次性購買，投資成本較高，且站場設(shè)備例如壓縮機等大型設(shè)備閑置率較高，折舊成本上升，因此，發(fā)展更為豐富的建產(chǎn)合作模式將成為新的發(fā)展趨勢，例如，煤層氣田建設(shè)單位與設(shè)備廠家合作，站場設(shè)備實行租賃的新型模式，實現(xiàn)共贏；或者煤層氣建設(shè)單位與設(shè)備倉儲單位進行合作，實現(xiàn)倉儲資源共享。

(4)利用“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)智慧化氣田

傳統(tǒng)煤層氣田存在管理效率低、人力成本高、技術(shù)決策風險大等發(fā)展瓶頸，面對煤層氣低成本開發(fā)的需求，需要轉(zhuǎn)變生產(chǎn)組織方式，降低運營成本，提高管理效率。

面對“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來和國家“智慧能源”戰(zhàn)略的提出，借力“互聯(lián)網(wǎng)+”，對資源進行聚合、集成、配置和優(yōu)化，設(shè)計“云、網(wǎng)、端”基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)“數(shù)字化氣藏、數(shù)字化井筒、數(shù)字化地面”系統(tǒng)，實現(xiàn)勘探開發(fā)與建設(shè)營運全生產(chǎn)鏈條、全過程、全生命周期的數(shù)字化和智慧化管理。

(5)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、計量等工能，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(fù)雜。

根據(jù)煤層氣集約化用地、橇裝化設(shè)備、復(fù)用化設(shè)計、快速化投產(chǎn)等理念，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。

(6)節(jié)點增壓技術(shù)的實踐及推廣

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，即在井場設(shè)置小型的壓縮機，適當提高井場壓力，進而提高井場產(chǎn)氣量及進入集氣站的壓力。

隨著國內(nèi)煤層氣田的開發(fā)和建設(shè)，如何有效的提高部分井場回壓，使煤層氣有效進入管網(wǎng)已成為亟待解決的問題。因此，有待于實踐及推廣節(jié)點增壓技術(shù)，提高井場壓力，進而提高集輸管網(wǎng)的效率。

(7)煤礦瓦斯提純技術(shù)研究

煤礦瓦斯的甲烷含量比較低，一般為5%～55%，含有氮氣、氧氣、二氧化碳和水等，因此煤礦抽放瓦斯，其品質(zhì)不如地面開發(fā)的煤層氣品質(zhì)，利用程度不高。對于煤礦瓦斯的提純，目前工業(yè)化的技術(shù)方法一般為真空變壓吸附法，因此，需對提純技術(shù)開展進一步技術(shù)研究。

(8)煤礦瓦斯綜合利用

目前比較成熟或處于工業(yè)示范階段的煤礦瓦斯利用技術(shù)主要包括內(nèi)燃氣直接發(fā)電技術(shù)、催化氧化汽輪機發(fā)電技術(shù)、催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中催化氧化汽輪機發(fā)電技術(shù)、催化轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處于工業(yè)示范階段，只有內(nèi)燃機發(fā)電技術(shù)較為成熟， “十二五”期間，瓦斯發(fā)電裝機容量193萬kW，居民用戶超過127萬戶。“十三五”期間，將重點示范低濃度瓦斯發(fā)電、分布式瓦斯利用等技術(shù)裝備。