淺談煤層氣田地面工程“橇裝化、模塊化”建設

張亞慶 路興祿 羅 陽

(中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 062552)

1 概述

煤層氣屬于非均質極強的低滲透氣藏，儲層之間連通性差，地質情況復雜，有效儲層難以預測，具有低滲透、低壓、低豐度的“三低”特點，導致單井產量低、穩產能力差、氣井壽命周期短、單位產能建井數多，且煤層氣田的建設大多采用整體部署、分期建設、滾動開發的方式，這些因素均導致地面工程投資壓力較大。因此橇裝化、模塊化的建設方式非常適合煤層氣田開發的需要。

本論文結合沁水煤層氣田馬必東4億方產能建設地面工程(以下簡稱“馬必4億方”)，對橇裝化、模塊化在煤層氣田地面工程上的應用進行簡要介紹。

2 傳統建設與模塊化建設方式的區別

模塊化建設模式可以定義為：在標準化設計的基礎上，根據工藝流程和總平面布置圖等，將站場設施按功能、單元或區域分解為若干模塊，根據其功能、安裝要求開展模塊設計，通過對模塊進行定位拼接完成站場設計。依據設計模塊，預制單位可在不同地點的預制工廠分別對模塊進行預制，再經包裝后運輸至建設現場進行組裝。

2.1 設計層面

模塊化建設模式下，設計是工程建設的靈魂，是模塊化得以實施的關鍵。模塊化設計過程中，首先須要理解工藝流程，具備模塊化意識及建模專業技術，了解模塊的預制、組裝、拆分、包裝、運輸和吊裝過程；其次，要考慮模塊的包裝、安裝方法，計算特殊受力情況；再次，還需考慮模塊的尺寸、重量以及與施工、運輸的密切配合等。要達到模塊化的最佳預期效果，確保模塊在安裝過程中簡單易行、減少現場安裝工作量，這些都對設計人員提出了很高的要求。

2.2 施工層面

傳統建設模式下，所有施工作業全部在現場完成，現場作業點、交叉作業面多，存在較大的安全風險；且現場配套設施多不完善，自動化機具缺乏，主要以手工電弧焊為主，導致焊縫一次成型率低、焊縫外觀較差、焊接質量相對較低，焊縫一次合格率約93%。

模塊化建設模式作為一種工廠預制最大化、項目現場施工最小化的建設模式，實施過程中大量的工程建造在制造廠中進行，待模塊組裝完成后運至項目現場，大大的縮短了項目現場安裝時間和現場各工種同時交叉作業的時間，降低了現場建造工人在危險環境的作業時間和項目運行風險。

模塊化制造廠配備自動化設施、管道及鋼結構，在自動化設施的協助下，完成下料、組隊、預制焊接、無損檢測、熱處理等步驟，管道及鋼結構的焊縫成型率高，外觀完好，焊縫一次合格率可達98.7%，焊縫的整體質量水平明顯提高，減少了現場焊接的返工量。

模塊化建設將工藝安裝、土建、調試等工序進行深度交叉，在現場土建施工的同時，預制工廠內可以進行橇塊的加工。土建施工完畢后，即可將制造、檢測好的預制模塊運往現場進行組裝，迅速完成現場施工作業(圖1)。

圖1 模塊化建設模式和傳統建設模式的工程建設進度對比

3 模塊化建設基礎

3.1 站場工藝

以馬必4億方為例，由于煤層氣處理依托已建中央處理廠，所以工藝系統僅包括井場、集氣站。

井場工藝系統功能單一，通常采用排水降壓采氣工藝，煤層氣通過采氣樹套管，經計量后進入采氣管線。對于多井式叢式井場，各井口采出氣分別計量后，進入井場匯管，再通過采氣管線統一外輸。

各井場采出的煤層氣經采氣管道進入集氣站，通過分離、壓縮、計量后出站。同時根據下游用戶的氣質要求及下游站場的處理設備情況，分為濕氣輸送和干氣輸送。對于濕氣輸送，集氣站設置清管裝置； 采用干氣輸送方式， 則需在集氣站設置脫水裝置。

3.2 劃分原則

從工藝角度出發，對于工藝較復雜的站場，如集氣站或中央處理廠等，一般按不同功能區塊進行優化分解，確定各接口關聯關系，從而將站場按專業功能劃分為不同的系統模塊；對于工藝較簡單的站場，如井場和閥組，可將站內所有工藝設備整合至一個模塊上。

同時要考慮模塊建造、拆分、運輸和復裝的可行性，特別是汽車運輸能力的限制。在汽車運輸過程中，單體模塊的長度取決于道路的轉彎半徑，寬度取決于收費站路口的寬度，高度取決于涵洞、隧道、電線、跨越管道等的高度。汽車運輸的尺寸限制級別可以分為三級，見表1所示。

A類尺寸極限范圍內的單體模塊或集裝箱可以正常運輸，B類尺寸極限范圍內的單體模塊或集裝箱需要辦理運輸許可證，且一般在夜間運輸，C類超大型模塊的運輸需要提前勘察運輸線路是否滿足運輸條件，在滿足運輸條件的情況下，還需要辦理運輸許可，并向道路運輸管理部門申請護衛。

表1 汽車運輸極限尺寸分級

在劃分模塊時，應盡可能使單體模塊的尺寸符合A、B類尺寸范圍；如果個別單體模塊的尺寸在C類尺寸范圍時，需要提前聯系采購、物流等部門，并勘察、優選運輸路線；若道路運輸條件不符合要求，則需要重新考慮模塊的劃分。

3.3 模塊劃分

以馬必4億方為例，根據上述劃分原則將站場不同功能區域進行模塊劃分：

井場工藝系統功能單一，將各井場計量閥組及井場匯管、出站閥組作為一個模塊。

集氣站工藝系統按照功能可劃分為進站管匯區、壓縮機區、計量區、清管外輸區。將不同分區設備進行模塊化、橇裝化，以 “重復利用率高、占地面積小、方便操作、利于維護”為原則，將進站管匯區與計量區合并為一個模塊，壓縮機區和清管外輸區分別作為一個模塊。

3.4 工藝模塊預制

根據模塊化原則將工藝流程進行劃分后，采用橇裝化、組合化相結合的方式對工藝模塊進行預制。模塊預制原則如下：

(1)功能相對獨立的小型設備遵循“功能合并”的原則，采用橇裝化設計，使得結構緊湊、功能齊全。

(2)進站、出站區等重量輕，焊接點多、重復安裝的采用工廠預制。

(3)重量和體積較大，配管安裝較簡單的設備，按照“提前預制，現場組裝”的準則，對其接口、安裝等進行全面的定型要求。

3.5 橇裝成果

以馬必4億方為例，井場及集氣站的典型工藝橇裝如圖2所示。

圖2 井場計量橇安裝示意圖

井場計量橇上集成了計量閥組及放空、排污管線，以兩個一組的型式布置，節約占地的同時也方便檢修，適用于生產周期較短的氣井井場(圖3)。

圖3 進站管匯計量模塊、壓縮模塊、清管模塊安裝示意圖

進站管匯計量橇上集成了進站閥組、計量閥組及相應的放空、排污管線，相當于將進站去功能與計量區功能進行組合；清管模塊上集成了收發球筒及配套的旁通管線、放空排污管線，適用于小型化集氣站。

同時將本工程的建筑物均選用集裝箱式房，配套的35kV變電站也采用橇裝設計(圖4)。

圖4 集裝箱式房、橇裝35kV變電站示意圖

4 模塊的建造與施工

設計單位完成橇塊的劃分和設計圖紙后，由成橇商在廠房內完成加工制造，進行預組裝及初步調試，再通過海運或公路、鐵路運輸，將模塊運送到現場進行安裝、調試并投產運行。主要有建造、調試、拆分、包裝、運輸、復裝等過程。

4.1 模塊的拆分

模塊的拆分主要包括兩個方面：鋼結構的拆分和管道的拆分。

模塊間豎向連接節點采用高強螺栓等強連接，具有定位準確、連接可靠、施工迅速的特點，較焊接連接具有極大的優勢，是模塊間豎向連接采用的連接方式。

管道的拆分比較靈活，法蘭連接和預留焊口的情況都可以，需要考慮成本及方案的可行性。拆分時應充分利用原有法蘭，或在上下層原有法蘭處進行拆分或在模塊最近焊口處加拆分法蘭。模塊拆分方案確定后，需要在拆分方案基礎上，確定各橇間各橇塊之間管道的預留口位置和連接形式。預留接口的總體原則是宜留直口，留下不留上，宜留小口、長口。預留口的連接采用以下方式：

(1)盡量在橇塊的接口法蘭處進行拆分；部分伸出橇外管線，隨橇裝卸運輸；

(2)部分無法依據以上原則拆分的焊口，在橇內外連接處的最近焊口處斷開，現場焊接直管段；

(3)直穿兩個橇的管線， 在橇分界處加法蘭對。

4.2 模塊包裝及吊裝

通常施工現場距離工廠較遠，橇塊運輸時中要經過多次吊裝，還要考慮不同運輸方式對物件尺寸、重量的要求，這種情況下對包裝設計要求較高。另一方面，由于工期的原因，橇塊預制完成后留給包裝和吊裝設計的時間很少，吊裝設計還包括包裝前吊裝和包裝后吊裝。對大型橇塊，利用準確、快捷的設計方法和設計軟件很重要，既能加快業主審核進程，也能提高效率和減少失誤。

由于馬必4億方工程未涉及大型橇塊，此處借用其他工程經驗進行相關介紹。如應用于某國外油田地面工程的橇塊，重約40t，長寬高均為13600mm×4300mm×6100mm。由于該橇塊要運輸到海外，如果分開運輸，現場再組裝，將極大的增加用工成本。而且運輸距離和周期均較長，且經過高溫、高濕的海洋運輸，過程中要進行多次裝卸，所以決定采用整體包裝、整體運輸的方案，使用包裝、吊裝一體化的鐵木箱框架結構，包裝箱底部增加輔助底座與吊裝框架結構連接進行整體包裝，利用包裝框架進行吊裝(圖5)。

通過強度及受力計算，做好防雨和防潮處理后，得出設計完畢后的包裝箱尺寸為14000mm×5000mm×6900mm，包裝箱與橇的總重量約48t。

圖5 大型橇塊吊裝模型

4.3 模塊化施工

按照施工現場工序銜接，拉運到施工現場的預制橇塊最好直接吊裝就位，減少現場二次倒運對預制橇塊可能造成的變形或損毀。大型預制橇塊對現場吊裝技術提出較高要求，需根據工藝標準要求，執行詳細的吊裝運輸方案，同時進行必要的風險識別，在安全措施完全到位的前提下，再開始現場組裝，從而保證模塊化施工順利進行。