煤層氣地面工程技術對標及發展趨勢研究

中國石油工程建設有限公司

全國煤層氣總資源量為36.8×1012m3，居世界第三位。根據《煤層氣（煤瓦斯氣）開發利用“十三五”規劃》，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產量100×108m3，利用率90%以上。2018年，我國地面煤層氣工業產量72.6×108m3，煤層氣的發展空間潛力大。但由于受多種因素制約，實際開發程度仍低于預期，主要是由當前產業政策、技術水平等因素決定的[1]。

美國和澳大利亞是目前國外開發煤層氣規模較大、技術成熟的國家，將國內煤層氣地面工程技術與美國、澳大利亞煤層氣開發工程項目對比，發現國內煤層氣地面工程建設在標準、設計理念等方面與國外存在較大區別。為此，通過對標找出差異，分析優劣，提出了煤層氣地面工程技術的發展趨勢與研究方向。

1 標準

1.1 集輸規范

在站場公用工程方面，國內煤層氣參照GB 50350—2015《氣田集輸設計規范》有關要求進行設計，以常規天然氣的技術要求指導煤層氣開發，未考慮煤層氣低壓、產量低、穩產能力差等特點，造成目前煤層氣地面工程在總圖、建筑、結構、通信、防腐、給排水等方面投資大，應根據煤層氣開發的特點進行優化細化。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規定[2-3]。

在煤層氣處理方面，NB/T 10029—2016《煤層氣集輸設計規范》內容篇幅較少，應結合煤層氣氣質特點，提出適合煤層氣的處理工藝。

1.2 防火規范

煤層氣站場平面布置通常采用常規油氣的GB/T 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規范》進行。各級站場防火間距、站場內的煤層氣系統、緊急放空系統或放空火炬等相關要求都按照此國標執行。美國、澳大利亞在煤層氣領域沒有類似要求，如美國近年來投產的煤層氣田，未設置消防水系統與集中放空系統（以就地放空系統取而代之），也滿足當地法律法規及技術標準要求。

我國的安全與消防設計規范要求天然氣田地面系統必須根據處理規模，設置不同等級的消防水系統與放空系統（包括放空火炬）。在煤層氣地面工程設計中采用GB 50183 確定站場防火間距，存在建設標準偏高問題，尤其是防火間距偏大，不但給山區建設帶來困難，更重要的是加大了建設投資，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，適用性和經濟性較差。

國內相關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，應盡快制定煤層氣地面工程設計防火規范，對煤層氣田井場內部和集氣站防火間距進行合理調整，使之更加符合煤層氣的開發生產特點，形成煤層氣田地面工程經濟適用的安全技術體系，大幅降低征地和站場建設費用。

1.3 其他規范

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

2 設計理念

2.1 站場工藝設計理念

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。國外一般設置段塞流捕集器，未設置多級煤粉分離和過濾分離裝置、復雜的放空和火炬系統、消防水系統等，最大限度地簡化優化流程，降低投資。國內煤層氣處理工藝通常進站閥組、裝置連接與切換閥組設置復雜；為保證壓縮機組及脫水裝置運行，通常分離、過濾裝置設置也較復雜。在這些方面，國內應結合當地煤層氣采出特性及設備的特性進行適當優化，以降低投資。

2.2 安全設計理念

國外近年來投產的煤層氣田未設置集中放空系統，采用就地放空系統。如加拿大煤層氣區塊的各類處理站，盡管有壓縮機、燃氣發電和脫水系統，甚至還有含硫化氫氣體，但其放空系統均較簡單，站場一般不設置放空系統，包括安全閥在內，所有氣體泄放點均直接就地排放。這與國內現實做法差異較大，國內集氣站、處理站均設置專用放空火炬，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 消防設計理念

美國和加拿大煤層氣區塊井場、集氣站、處理站均未設置水消防設施和可移動消防設施，這樣設計滿足當地政府及標準相關要求。煤層氣著火后只能依靠緊急切斷系統（ESD）關閉進出站閥門，開啟放空閥，水消防系統沒有任何實用價值。由于廠站無人值守，可移動消防設施放在現場沒有實用價值，而是放在巡檢人員的車上，人員到場，可移動消防設施就到了現場。

目前我國國家標準的強制條款規定：即使沒有可燃的液體介質，當天然氣處理規模達到一定量時需要設置水消防系統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 場區構筑物建設理念

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

3 低成本開發典型做法

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

圖1 國外典型的井口設施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分區布置的原則，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，這樣的優勢是投資最省，配套系統投資很低。站內不建消防系統，連干粉滅火器都不要求設置。

（3）沒有專門的控制室，自控柜和配電柜都設置在同一個房間。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）全站未設放空火炬，僅設有放空管，且就位于站內裝置區的一端（圖3）。由于放空設計理念不同，所以實施結果截然不同。煤層氣底層沒有動力，國內天然氣設計常采用的常規放空設計不適合煤層氣田。

圖3 國外煤層氣站場放空設置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構，不設大型廠房，不采用集中設置，兩段增壓設計是其中的亮點。

（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，且采用過濾分離與重力分離的集合分離器，設置快開盲板。生產運行中發現分離器中存在煤粉，但未對壓縮機運行產生影響。

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

4 技術研究方向及發展趨勢

煤層氣田屬于低產、低豐度、低壓氣藏，單位產能投資成本高，難以適應煤層氣田大規模開發的需要。因此，急需針對煤層氣低成本的開發配套技術進行攻關，找到適合煤層氣低成本開發的工藝技術，實現煤層氣低成本、高效益開采。

地下與地上相結合，從鉆井、采氣到地面工程，用系統分析的方法來降低總體造價。在地質開發方案方面，根據煤層氣特點和流體性質，優化直井、水平井、分支井布井方式，提高煤層改造效果，提高單井產量[6-7]；在地面工程方案方面，對建設規模、關鍵技術、占地面積、系統工程等做出總體優化，提高煤層氣開發的整體經濟效益，形成成套的低成本開發工藝。通過對標分析，跟蹤國內外煤層氣地面工程技術發展趨勢，提出了未來技術研究方向及發展趨勢。

4.1 排采規律研究

煤層氣開發一般先開展評價，根據評價情況再確定后續開發方案及部署安排。地面工程基于先期評價結果及試采井數據進行設計，排采數據的準確性及合理性直接影響地面集輸系統設計合理與否[8-9]。因此，對排采規律進行研究就顯得尤為重要。目前，國內煤層氣地面工程對排采規律研究處于摸索階段，未形成系統性理論。

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律，從而合理確定集輸系統規模，可為項目設計提供參考，實現集輸系統的最優化、地面投資的最小化，實現低成本開發的目的。

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，在已建煤層氣區塊中，有少數區塊發現H2S 或CO2超標，需進行脫硫或者脫碳處理[10]。

鑒于NB/T 10029—2016《煤層氣集輸設計規范》中對煤層氣處理論述較少，應對脫硫及脫碳工藝進行深入研究，形成關鍵技術，引導煤層氣地面工程設計。

4.3 煤層氣橇裝化及一體化設備的研究及推廣

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

根據煤層氣集約化用地、橇裝化設備、復用化設計、快速化投產等理念，對煤層氣站場各功能模塊應進行組裝，研發和推廣橇裝化及一體化設備，實現煤層氣田的高效建造。

4.4 節點增壓技術研究

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

隨著國內煤層氣田的開發和建設，如何有效地提高部分井場回壓，使煤層氣有效進入管網已成為亟待解決的問題。國內節點增壓技術研究還較少，應加快推進此項技術研究，通過合理布局采氣管網，優化集輸系統，增加集輸半徑，提高集輸系統效率，增加集氣站規模，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生大量的采出水，采出水直接外排或蒸發處理不僅會污染地表水，還會造成水資源浪費和環境問題。

國內對煤層氣采出水綜合利用研究較少，從環境保護和資源節約的角度，應對采出水進行處理利用。根據煤層氣采出水的情況，開展以下研究：

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

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

4.6 低運行成本研究

煤層氣生產期主要成本有燃料動力費、井下作業費、材料費、維護修理費、人工費和廠礦管理費。為了保證生產的連續性，在煤層氣采出作業前期基本需要使用燃油發電進行抽水降壓，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，設備和材料老化，維護修理費、材料費和井下作業費占比逐步加大，成本結構發生變化，成本的剛性支出總金額會因為規模效應的因素先降低、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。結合排采規律、煤層氣產量、售價和補貼標準，細化成本核算，按照產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，在現有條件下挖掘內部潛力[13]。按照作業成本法的分析方法，分析各成本動因，通過工藝改進、加強質量管理和成本控制，逐步降低單井的平均生產成本，對生產期的低效井予以評估后關停，從根本上降低生產成本。

4.7 加快推進無人值守、智能化氣田理論基礎建設

國內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。隨著煤層氣田開發技術的日趨完善，數字化水平的不斷提高和低成本開發的需要，集氣站將逐步向無人值守方向發展，即基于調控中心和采氣作業區整體數字化遠程監控管理，實現整個區塊生產的數據采集、監視、計量及調度管理等。

智能化煤層氣田建設需要有一套系統、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結合計算機控制技術，就煤層氣地面工程開發規律、安全性要求、控制邏輯進行分析總結，形成一套成熟的無人值守控制技術；②進行智能化煤層氣田應急保障系統建設研究，包括應急保障點功能配置、應急覆蓋范圍、響應時間等；③完善智能化煤層氣田生產運行培訓手冊，提高運行管理人員操作水平，利于技術的推廣。

5 結論

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

（2）在站場工藝、消防、安全等專業上，設計理念過于保守，造成投資過大。

（3）應針對煤層氣的特點制定煤層氣地面工程設計防火規范，對煤層氣田井場內部和集氣站防火間距進行合理調整，使之更加符合煤層氣的開發、生產特點，形成煤層氣田地面工程經濟、適用的安全技術體系。

（4）國內應進一步借鑒國外煤層氣開發低成本做法，因地制宜，降低開發投資。

（5）研究煤層氣排采規律、節點增壓技術、采出水處理技術，推廣煤層氣橇裝化及一體化設備，建設無人值守及智能化氣田是煤層氣地面工程技術發展方向。