吳建光，琚宜文，裴 紅，侯泉林，宋現(xiàn)鋒，陳仕林，吳劍峰

(1．中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100011;2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049;3．中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010;4．中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190)

1 前言

煤層氣是一種高效潔凈的非常規(guī)能源，其開發(fā)利用能減少煤礦瓦斯危害和大氣污染［1，2］，因此受到世界主要產(chǎn)煤大國(guó)的高度重視，美國(guó)、澳大利亞、加拿大等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)作［3～8］。我國(guó)煤層氣資源豐富，資源量達(dá)36．81萬億m3，加快煤層氣資源勘探開發(fā)是緩解我國(guó)油氣資源短缺最現(xiàn)實(shí)、最有效的途徑［9，10］。但煤層氣開發(fā)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)僅有十多年的發(fā)展歷史，勘探開發(fā)程度低，基礎(chǔ)研究水平和研究隊(duì)伍薄弱，尤其是煤層氣地面集輸工程尚處于先導(dǎo)性試驗(yàn)階段，許多技術(shù)、工藝尚不成熟，沒有充分體現(xiàn)煤層氣行業(yè)低壓、低產(chǎn)等特點(diǎn)［11～13］，借鑒油氣集輸技術(shù)造成資金投入過大，投入與產(chǎn)出比低，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作［14，15］。通過國(guó)家科技重大專項(xiàng)實(shí)施，攻克了重大技術(shù)和科學(xué)難題，初步建立了適合我國(guó)煤層氣特點(diǎn)的煤層氣地面集輸技術(shù)體系，為煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)是煤層氣商業(yè)化開發(fā)最成功的國(guó)家，其煤層氣主要是圣胡安、粉河和黑勇士這三個(gè)盆地生產(chǎn)的。美國(guó)煤層氣集輸系統(tǒng)大都采用中心壓縮系統(tǒng)，即利用井口壓力，通過合適口徑的管道，將天然氣集中到集氣壓縮中心站［16］。采出氣和產(chǎn)出水從每個(gè)井口集中起來，通過外部涂有環(huán)氧涂層的鋼制管道集輸至處理站。采出氣、產(chǎn)出水以及氣體返輸管道都采用埋溝敷設(shè)，埋深低于凍土層以下。該集輸系統(tǒng)中沒有清管設(shè)施。在集輸干線上預(yù)留一定數(shù)量的閥門，以便將要開發(fā)的氣井接入集輸系統(tǒng)。另外，在采出氣管道沿線設(shè)置分水器，以收集在管輸至處理站途中產(chǎn)生的凝析水。每個(gè)煤層氣集中處理站的主要處理設(shè)備包括一個(gè)液體段塞捕集器、煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮裝置、一套脫水設(shè)備及其他配套輔助設(shè)施，如2～4個(gè)儲(chǔ)水罐、煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的噴射泵、發(fā)電裝置和氣體計(jì)量設(shè)施。每個(gè)處理站至少要安裝2臺(tái)煤層氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的撬裝式往復(fù)式壓縮機(jī)，采用3級(jí)壓縮工藝，機(jī)組安裝在室內(nèi)以免受天氣影響，采用空冷方式冷卻。脫水裝置采用三甘醇吸收脫水工藝。吸收塔采用板式塔，吸收水分的三甘醇富液送至三甘醇再生裝置。美國(guó)與煤層氣開發(fā)相關(guān)的環(huán)保問題就是解決煤層氣產(chǎn)出水的處理問題［17～19］，對(duì)產(chǎn)出水的處理包括 3 個(gè)方面:a．回注地下:美國(guó)圣胡安盆地煤層氣開發(fā)產(chǎn)出水用注水井重新回注地下;b．地面排放:美國(guó)亞拉巴馬州將煤層氣開采過程的產(chǎn)出水中，總礦化度低于2×10－3的部分排入附近河流或用于農(nóng)田灌溉，排放時(shí)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，保證污染物不超過排放標(biāo)準(zhǔn);c．地面蒸發(fā):利用地面蒸發(fā)池處理產(chǎn)出水，采用這一方法同時(shí)還兼顧防止?jié)B透和硫化氫蒸發(fā)污染環(huán)境。

山西沁水盆地是我國(guó)迄今為止發(fā)現(xiàn)的最具規(guī)模的煤層氣田，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司、中國(guó)石油華北煤層氣分公司、晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司在該區(qū)域內(nèi)均有煤層氣項(xiàng)目建設(shè)，而且都取得了階段性成果，包括地面集輸方面［13，15，20］。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司2006年完成的40口煤層氣井地面集輸建設(shè)主要流程為［11～13］:單井產(chǎn)氣經(jīng)過單井輸氣管線進(jìn)入集氣站，在集氣站經(jīng)過調(diào)壓后，經(jīng)集氣管線進(jìn)入集氣總站，經(jīng)過過濾、調(diào)壓、計(jì)量和緩沖后，進(jìn)入集氣總站壓縮機(jī)增壓，增壓后經(jīng)外輸管線進(jìn)入處理母站，完成過濾、調(diào)壓、計(jì)量和緩沖后進(jìn)入母站壓縮機(jī)增壓，最后以壓縮天然氣(CNG)形式銷售。2007年，“沁南煤層氣開發(fā)利用高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范工程”設(shè)計(jì)上井口產(chǎn)氣經(jīng)采氣管線進(jìn)入閥組，各閥組由一條枝狀集氣管線與增壓站相連，整個(gè)集輸過程沒有增壓設(shè)施。井口工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)化，去除了分水包、安全閥等設(shè)備，在集氣管線低洼處設(shè)立凝水缸，定期排出管線中的積水。西安長(zhǎng)慶科技工程公司借鑒長(zhǎng)慶氣區(qū)蘇里格氣田集輸方案的研究成果，充分總結(jié)蘇里格氣田試采、開發(fā)和已建煤層氣工程的經(jīng)驗(yàn)，分析各種低產(chǎn)、低壓氣田的總體工藝流程，考慮低成本開發(fā)等因素，確定了適合于煤層氣的“井口—采氣管網(wǎng)—集氣站—集中處理—外輸”總體工藝流程［14，15］。采氣管網(wǎng)采用多井單管形式，即采氣管線把相鄰的幾口氣井串接到采氣干管，在采氣干管中匯合后集中進(jìn)站。晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司已建成集輸系統(tǒng)，采用“井口—閥組—集氣站”工藝流程［11～13］，但是其井口工藝流程比較簡(jiǎn)單，沒有放空裝置，井口放空氣集中到閥組進(jìn)行集體放空。井場(chǎng)中只有一個(gè)氣水分離裝置，對(duì)煤層氣中的水分進(jìn)行簡(jiǎn)單分離。

3 我國(guó)煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究存在的問題

我國(guó)煤層氣地面集輸工藝技術(shù)尚處于開發(fā)前期的先導(dǎo)性試驗(yàn)階段，煤層氣地面集輸工程設(shè)計(jì)方法和思路、材料、設(shè)備以及所使用的規(guī)程規(guī)范等主要借鑒常規(guī)天然氣田。而煤層氣產(chǎn)出機(jī)理和特點(diǎn)決定了煤層氣田的集輸必然是多井、低壓、低產(chǎn)、井間壓力干擾大、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)程度要求相對(duì)較高。我國(guó)煤層氣勘探開發(fā)已經(jīng)歷30多年的發(fā)展，在各試采區(qū)或某個(gè)集輸環(huán)節(jié)取得了一定進(jìn)展，但尚未形成適合中國(guó)煤層氣行業(yè)特點(diǎn)的專業(yè)地面集輸技術(shù)體系［10～15］。通過前期開發(fā)實(shí)踐，煤層氣地面集輸系統(tǒng)存在著亟待解決的以下幾項(xiàng)重大技術(shù)難題:

1)我國(guó)常規(guī)油氣田通常位于平原區(qū)，地面集輸系統(tǒng)壓力比煤層氣田集輸系統(tǒng)壓力高出很多，地形起伏對(duì)其影響不大，在水力計(jì)算中通常忽略高程對(duì)系統(tǒng)壓力的影響。但是我國(guó)煤層氣田通常位于山區(qū)或丘陵區(qū)，地面集輸系統(tǒng)壓力很低，并且管線距離較長(zhǎng)，地形起伏對(duì)系統(tǒng)壓力造成一定的影響，如果忽略地形的影響，可能造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差。此外，煤層氣成分簡(jiǎn)單，主要成分是甲烷，這也對(duì)計(jì)算方法和結(jié)果產(chǎn)生影響。

2)煤層氣集輸系統(tǒng)的低壓特點(diǎn)降低了對(duì)集輸系統(tǒng)管材的要求。常規(guī)氣田采用鋼制管道的承壓能力遠(yuǎn)超系統(tǒng)壓力，造價(jià)也偏高，當(dāng)前部分地區(qū)煤層氣集輸系統(tǒng)開始采用PE(polyethylene，聚乙烯)管道代替鋼制管道，PE管線是否適用于煤層氣低壓集輸系統(tǒng)，還需要對(duì)其壓力承受能力和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究和探討。另外，偏遠(yuǎn)山區(qū)不適合建設(shè)大規(guī)模地面集輸管網(wǎng)，小型撬裝液化裝置是非常有益的集輸補(bǔ)充手段，但是其能耗及液化效率長(zhǎng)期以來一直是個(gè)國(guó)際難題。

3)煤層氣田氣井?dāng)?shù)量多，地形比較復(fù)雜，道路條件差，傳統(tǒng)的人工巡井方法工作量太大，完成一遍巡井需要時(shí)間長(zhǎng)，而且受天氣影響很大，遇到雨雪天氣可能數(shù)日不能到達(dá)井場(chǎng)，每口井的信息不能及時(shí)地反應(yīng)到指揮中心，出現(xiàn)特殊情況時(shí)不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做出及時(shí)的判斷。煤層氣集輸自動(dòng)控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)化管理軟件也需要針對(duì)煤層氣產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)。

4)煤層氣田產(chǎn)出水處理還沒有建立起完善的水處理方法體系?，F(xiàn)有的煤層氣勘探開發(fā)主要位于山西沁水盆地南部和鄂爾多斯盆地東緣，產(chǎn)出水的水質(zhì)、水量變化較大，煤層氣開采過程中水處理主要采用沉淀池蒸發(fā)的方式，隨著煤層氣開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，煤層氣產(chǎn)出水處理及環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為煤層氣開發(fā)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

因此，文章根椐我國(guó)煤層氣田的地域性特點(diǎn)，遵循“技術(shù)創(chuàng)新、降低投資、保障安全、提高集輸能力”的指導(dǎo)思想，綜合考慮地面集輸工程建設(shè)和集輸運(yùn)行管理兩個(gè)階段需求，提出了集中式與分散式相結(jié)合的我國(guó)煤層氣田地面集輸模式。在地面集輸系統(tǒng)工程建設(shè)階段需要考慮煤層氣田低壓集輸優(yōu)化工藝、制訂專用管材與設(shè)備要求標(biāo)準(zhǔn)、撬裝液化工藝技術(shù)、氣田自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集與傳輸技術(shù)，以大幅度降低工程投資。在集輸系統(tǒng)運(yùn)行階段需要考慮建立自動(dòng)化煤層氣田管理模式作為我國(guó)煤層氣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開發(fā)和集輸?shù)闹饕l(fā)展方向，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、參數(shù)測(cè)量、調(diào)節(jié)以及超限報(bào)警等各項(xiàng)功能。提高自動(dòng)化程度既可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，又可以保證安全生產(chǎn)及生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 我國(guó)煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

通過“十一五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究有了很大進(jìn)展，主要包括煤層氣田低壓集輸工藝技術(shù)、煤層氣田地面集輸生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)以及煤層氣田產(chǎn)出水處理與環(huán)境保護(hù)技術(shù)。

4．1 煤層氣田低壓集輸工藝技術(shù)

4．1．1 “多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝

“多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝技術(shù)是大型油氣田及煤層氣開發(fā)國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣田地面集輸工藝與監(jiān)測(cè)技術(shù)”提出的具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的標(biāo)志性集成創(chuàng)新成果。該工藝是對(duì)傳統(tǒng)布站工藝技術(shù)的再創(chuàng)新，采用一級(jí)布站方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)工藝流程，設(shè)備布置比較集中，更加適應(yīng)煤層氣田多井、低壓、低產(chǎn)的特點(diǎn)，減少了工程投資和運(yùn)行維護(hù)成本。工藝系統(tǒng)采用鋼管和PE管道相結(jié)合的優(yōu)化方案，既滿足了煤層氣集輸系統(tǒng)的低壓環(huán)境，又降低了管線部分投資。

“多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝技術(shù)借鑒了城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用設(shè)置凝水缸的方式來解決管道積水問題，由此取消了集輸系統(tǒng)中清管設(shè)施，既方便了操作，又減少了投資。此外，“多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝技術(shù)考慮煤層氣甲烷含量極高和地形對(duì)集輸壓力影響較大的特點(diǎn)，優(yōu)化集輸布線方案，有效增大集輸半徑。

4．1．2 低壓混合制冷劑液化工藝

低壓混合制冷劑液化工藝是一項(xiàng)創(chuàng)新性的液化工藝技術(shù)。煤層氣氣源壓力低，通常需要將低壓氣增壓至5 MPa以上再液化，這種增壓方式自身能耗很大，導(dǎo)致煤層氣液化成本急劇上升。該工藝以深冷混合制冷劑制冷技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地提出了一種減輕前處理要求的新型混合制冷劑高效低壓液化流程(見圖1)，使得制冷劑運(yùn)行高壓一般在2．5 MPa內(nèi)，低壓在0．7 MPa以下，壓比3～7。該工藝設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油和制冷劑深度分離的循環(huán)結(jié)構(gòu)(見圖2)，從而適宜采用普冷領(lǐng)域成熟的長(zhǎng)壽命低成本的單級(jí)油潤(rùn)滑螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)混合制冷劑濃度配比以及流程結(jié)構(gòu)，低壓混合制冷劑液化流程仍然可以獲得與傳統(tǒng)高壓混合制冷劑液化流程一樣的高效率，甚至效率更高。

低壓混合制冷劑液化工藝的氣體液化循環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整機(jī)系統(tǒng)更加緊湊，可以整體撬裝，便于系統(tǒng)運(yùn)輸，原料氣可以作為再生氣而不需要額外的再生氣源，應(yīng)用更加方便。整機(jī)制造成本和運(yùn)行成本同比國(guó)內(nèi)外同行顯著降低。測(cè)試結(jié)果表明，1萬m3/d規(guī)模的小型撬裝液化裝置在普冷螺桿壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)下獲得了國(guó)際上(數(shù))十萬m3/d規(guī)模的同等液化效率。

圖1 一種新型液化流程結(jié)構(gòu)Fig．1 A novel liquefaction procedure

圖2 一種實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油與制冷劑深度分離的制冷機(jī)結(jié)構(gòu)Fig．2 A new refrigerating machine structure for deeply separating lubricant from refrigerant

4．1．3 高效緊湊的冷箱換熱器技術(shù)

低壓混合制冷劑液化流程解決了撬裝液化設(shè)備壓縮機(jī)的問題，顯著降低了設(shè)備成本，但是增加了對(duì)換熱器的傳熱負(fù)荷要求。相對(duì)于傳統(tǒng)高壓液化流程，其換熱器內(nèi)制冷劑流量與液化原料氣流量的比率提高3～4倍，因此對(duì)換熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。通過實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)，開發(fā)出了一種高效的冷箱換熱器技術(shù)，采用微細(xì)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了新型繞管換熱器(見圖3)，大大提高了換熱器內(nèi)比表面積和傳熱效果，同時(shí)采取板翅式換熱器和繞管式換熱器優(yōu)化結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高效緊湊的冷箱結(jié)構(gòu)。

新型繞管式換熱器的微小管道繞制冷箱換熱器和多種換熱器優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，使得煤層氣液化裝置支持全風(fēng)冷車載撬裝結(jié)構(gòu)，具有高度靈活性，適宜煤層氣開發(fā)區(qū)塊中不便于大規(guī)模集輸管網(wǎng)建設(shè)的山地丘陵地區(qū)。

圖3 微細(xì)管徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)的繞管換熱器局部照片F(xiàn)ig．3 The spiral heat exchanger with fine diameter capillary structure

4．2 煤層氣田地面集輸生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)

4．2．1 地面集輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)技術(shù)

煤層氣田多位于山地丘陵地區(qū)，井場(chǎng)分布分散、設(shè)備密集、管理繁瑣，路況較差、惡劣天氣巡井困難。建設(shè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如SCADA(supervisory control and data acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng))，可以大幅度降低設(shè)備巡檢工作量、減少排采人員數(shù)量、提高系統(tǒng)安全性，但是常規(guī)油氣田的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)成本高，難以推廣到低產(chǎn)煤層氣田地面集輸系統(tǒng)。

通過實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)，提出了一套地面集輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，建立了多元化傳輸方式的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)是考慮集輸管網(wǎng)誤差優(yōu)選儀表，采用閥組輪詢計(jì)量方式節(jié)省儀表數(shù)量，建立多元化傳輸路徑適應(yīng)復(fù)雜野外通信環(huán)境，從而有力地克服了煤層氣井地處偏僻、工程建設(shè)環(huán)境惡劣等不利因素，降低了數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的投資，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4．2．2 地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)及應(yīng)用軟件

煤層氣田地面集輸系統(tǒng)占地幾十到幾百平方千米，涉及密集設(shè)備、集輸管網(wǎng)和巡檢人員，迫切需要自動(dòng)化和可視化管理方式。通過實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)，創(chuàng)新性地提出了一套地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)體系。采用數(shù)據(jù)庫(kù)、地理信息系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研發(fā)了兼容OGC GIS(open geospatial consortium，開放地理信息聯(lián)盟;geographic information system，地理信息系統(tǒng))國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的煤層氣田地面集輸?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)(見圖4)。以此系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研發(fā)出了數(shù)字化氣田基礎(chǔ)平臺(tái)(靜態(tài))以集成地形、道路網(wǎng)絡(luò)、集氣管網(wǎng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等，研發(fā)出了“采氣、集輸、監(jiān)測(cè)、調(diào)度”一體化的網(wǎng)絡(luò)化綜合管理平臺(tái)以集成生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(自動(dòng)化)和野外氣井排采與巡檢系統(tǒng)(人工)。

針對(duì)煤層氣田開發(fā)區(qū)復(fù)雜的地表地形和地質(zhì)條件，研發(fā)了約束條件下曲面插值與等值線繪制算法，解決了融合定性或模糊定量信息進(jìn)行地形曲面或地質(zhì)曲面插值的實(shí)際問題和各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)專題等值線繪制受約束條件(如斷層等復(fù)雜邊界)限制的傳統(tǒng)難題。

針對(duì)煤層氣田地面集輸?shù)淖詣?dòng)化管理，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種適合煤層氣田地面集輸工藝流程的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)模型，精確地表達(dá)了集輸設(shè)備之間的空間拓?fù)湟约瓣P(guān)聯(lián)關(guān)系，存儲(chǔ)連續(xù)監(jiān)測(cè)的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和自動(dòng)采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。提出了一種集設(shè)備管理、排采管理、人員調(diào)度和巡井規(guī)劃等關(guān)鍵集輸管理流程一體化的網(wǎng)絡(luò)化綜合管理流程，支持“采氣、集輸、監(jiān)測(cè)、調(diào)度”一體化的煤層氣田地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理方式。

針對(duì)煤層氣田地面集輸?shù)目梢暬芾?，研發(fā)了3DGIS(three dimensions geographic information system，三維地理信息系統(tǒng))大規(guī)模場(chǎng)景的多通道渲染系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)多臺(tái)低端 PC(personal computer，個(gè)人計(jì)算機(jī))同步工作，可以將各PC通道渲染結(jié)果合成，達(dá)到甚至超過單臺(tái)高端設(shè)備的渲染性能。該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)采用了分布式3DGIS場(chǎng)景多通道渲染算法，其虛擬視棱錐技術(shù)保證了拼接場(chǎng)景時(shí)的空間連續(xù)性及無畸變性，而其多通道同步技術(shù)則保證多個(gè)渲染通道同時(shí)完成同一3DGIS場(chǎng)景的渲染。該項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模野外場(chǎng)景調(diào)度的顯示，方便煤層氣田的野外作業(yè)管理。

圖4 煤層氣田地面集輸?shù)乩硇畔⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．4 The GIS framework for coalbed gas field surface gathering and transportation system

針對(duì)煤層氣田野外巡檢工作設(shè)計(jì)了野外場(chǎng)站巡檢移動(dòng)終端系統(tǒng)(見圖5)。該系統(tǒng)包括手機(jī)端和服務(wù)器端兩部分，可以幫助巡檢人員便捷地記錄和傳輸巡檢內(nèi)容，也可以用于巡檢工作的調(diào)度和監(jiān)督管理。此移動(dòng)終端系統(tǒng)符合煤層氣田巡檢工作的實(shí)際需求，規(guī)范了巡檢工作流程，提高了數(shù)據(jù)記錄和管理的效率。水處理工藝和環(huán)境保護(hù)方案，研制了多種煤層氣田產(chǎn)出水處理工藝與組合裝置(其中可移動(dòng)式煤層氣田產(chǎn)出水處理組合裝置的工藝流程如圖6所示)，提出了與我國(guó)煤層氣開發(fā)相適應(yīng)的產(chǎn)出水處理工藝及環(huán)境保護(hù)技術(shù)系列。

圖5 野外場(chǎng)站巡檢移動(dòng)終端系統(tǒng)Fig．5 The mobile logging systems for inspecting field stations

4．3 煤層氣田產(chǎn)出水處理與環(huán)境保護(hù)技術(shù)

針對(duì)我國(guó)煤層氣田產(chǎn)出水的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件，通過綜合研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，選擇分散處理和集中處理相結(jié)合、原位監(jiān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室研究相結(jié)合、無害化處理與資源化應(yīng)用相結(jié)合的方法，篩選并優(yōu)化了產(chǎn)出

圖6 一種煤層氣田產(chǎn)出水處理工藝流程Fig．6 An integrated procedure for coalbed methane produced water treatment

1)初步形成煤層氣產(chǎn)出水變化規(guī)律、產(chǎn)出水類型、污染物來源、遷移過程及其對(duì)環(huán)境的影響與評(píng)價(jià)等理論體系。

通過煤層氣田產(chǎn)出水的含鹽量、重金屬離子含量、有害化合物(氟化物、砷化物等)含量以及主要有機(jī)物含量等理化特征的系統(tǒng)測(cè)試，將煤層氣開發(fā)產(chǎn)水過程劃分為污染物質(zhì)排出階段、過渡階段和穩(wěn)定階段3個(gè)階段，并將煤層氣產(chǎn)出水劃分為5種類型;建立了符合研究區(qū)域煤儲(chǔ)層地下水系統(tǒng)的可視化三維滲流數(shù)值模型及Cl－、Na+、HCO－3、礦化度等的變化規(guī)律及遷移模型;運(yùn)用稀土元素，C、H同位素及有機(jī)組分(PAHs)等進(jìn)行環(huán)境污染示蹤，初步揭示了煤層氣產(chǎn)出水中的物質(zhì)來源于煤層與圍巖物質(zhì)的溶解和擴(kuò)散。這些研究成果對(duì)煤層氣產(chǎn)出水處理、資源化利用以及環(huán)境保護(hù)提供的重要的理論基礎(chǔ)。

2)完成了污染物與高鹽去除技術(shù)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與設(shè)備自動(dòng)組合調(diào)節(jié)裝置、水質(zhì)深度處理技術(shù)等適合不同煤層氣產(chǎn)出水處理的技術(shù)系列。

針對(duì)主要的水質(zhì)類型，通過大量試驗(yàn)，研究總結(jié)出適合示范區(qū)煤層氣產(chǎn)出水水質(zhì)特征與時(shí)空分布特點(diǎn)的微絮凝連續(xù)過濾、多元氧化等處理方法，復(fù)合絮凝劑技術(shù)等處理方法、材料、工藝和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了污染物與高鹽去除技術(shù)、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與設(shè)備自動(dòng)控制裝置、水質(zhì)深度處理技術(shù)等。該集成技術(shù)包含五大系統(tǒng):水處理設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、產(chǎn)出水預(yù)處理系統(tǒng)、產(chǎn)出水核心處理系統(tǒng)、處理水存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、預(yù)處理—核心處理—水資源化信息反饋與自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過對(duì)產(chǎn)出水的不同組成與水源進(jìn)行綜合研究，初步建立了適合煤層氣產(chǎn)業(yè)化需求的煤層氣田水處理和資源化的示范流程。

3)提出適合煤層氣開發(fā)特點(diǎn)的集中與分散處理相結(jié)合的處理模式。首次建成兩座煤層氣產(chǎn)出水集中處理試驗(yàn)站，研制可移動(dòng)式煤層氣產(chǎn)出水處理組合裝置和小型人工濕地等分散式處理系統(tǒng)。

在鄂爾多斯盆地東緣柳林和沁水盆地南部柿莊南建成了兩座煤層氣產(chǎn)出水集中處理試驗(yàn)站，并實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。兩座產(chǎn)出水處理試驗(yàn)站分別為柳林試驗(yàn)站，處理規(guī)模300 m3/d;柿莊南試驗(yàn)站，處理規(guī)模120 m3/d。研制了可移動(dòng)式煤層氣產(chǎn)出水處理組合裝置、水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與設(shè)備自動(dòng)控制裝置和小型人工濕地等分散式處理系統(tǒng)。集中式處理站與分散式處理系統(tǒng)對(duì)煤層氣產(chǎn)出水中污染物質(zhì)具有顯著的去除效果，產(chǎn)出水處理后達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水資源的有效利用。

5 示范工程應(yīng)用

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測(cè)技術(shù)”取得的各項(xiàng)研究成果，在示范工程“山西沁水盆地南部煤層氣直井開發(fā)示范工程”中進(jìn)行了示范應(yīng)用，取得了良好效果。

5．1 地面低壓集輸工藝技術(shù)

采用煤層氣田低壓集輸“多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝技術(shù)，在山西柿莊南區(qū)塊建設(shè)了30口井的地面集輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)(見圖7)?！岸帱c(diǎn)接入、柔性集輸”方案閥組占地平均為15 m×14 m，1座增壓站占地107 m ×87．5 m，合計(jì)占地 17．5畝(1畝≈666．67 m2)。分散增壓布站方案中11座增壓站占地60 m×50 m，合計(jì)49．5畝?！岸帱c(diǎn)接入、柔性集輸”方案同分散增壓布站方案相比減少占地32畝，減少投資224萬元。集輸工程采氣管線單井平均長(zhǎng)度740 m，最遠(yuǎn)井到集氣站集輸管線長(zhǎng)度約15．6 km，集輸系統(tǒng)正常工作壓力 0．2 MPa，但是集輸半徑成功地延伸到14 km以上。

圖7 山西柿莊南30口井地面集輸現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig．7 The gas gathering testbed system with 30 gas wells in southern Shizhuang of Shanxi province

“多點(diǎn)接入、柔性集輸”工藝技術(shù)采用集中增壓站，避免了分散增壓時(shí)規(guī)劃與實(shí)際結(jié)合、集氣系統(tǒng)與外輸系統(tǒng)結(jié)合的漫長(zhǎng)論證過程。由于設(shè)備集中，便于采取定期巡檢，極大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)管理工作，如車輛配置、人員配置、頻繁倒班等。此外，“多點(diǎn)接入、柔性集輸”的高度靈活性，非常適宜煤層氣田滾動(dòng)開發(fā)的特點(diǎn)，在“樹干”上的集中增壓站和輸氣管線建成后，“樹枝”上的閥組和采氣井口可隨時(shí)根據(jù)鉆井與完井進(jìn)度進(jìn)行地面建設(shè)，做到了在不影響生產(chǎn)運(yùn)行情況下的生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大。

5．2 地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)

采用多元模式生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)技術(shù)建設(shè)了柿莊南區(qū)塊的煤層氣田地面集輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過系列技術(shù)集成創(chuàng)新，為煤層氣田地面集輸系統(tǒng)全面信息化打下了基礎(chǔ)。在示范工程中，應(yīng)用井口太陽能供電技術(shù)解決了偏遠(yuǎn)山區(qū)供電瓶頸問題，多元化傳輸方式包括低成本 GPRS(general packet radio service，通用分組無線數(shù)據(jù)服務(wù))數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高速可靠光纖通信技術(shù)、適應(yīng)性強(qiáng)的無線傳輸技術(shù)，提高了系統(tǒng)對(duì)不同地形的適應(yīng)性，支持井口數(shù)據(jù)的無間斷上傳。該項(xiàng)技術(shù)節(jié)省工程投資4．5萬元/井，使站場(chǎng)無人操作率達(dá)到89%，站外系統(tǒng)數(shù)據(jù)達(dá)到100%傳輸，巡井率降低了67%，大幅度降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

采用煤層氣田地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)及應(yīng)用軟件構(gòu)建了柿莊南區(qū)塊的煤層氣田地面集輸系統(tǒng)的“采氣、集輸、監(jiān)測(cè)、調(diào)度”一體化的網(wǎng)絡(luò)化綜合管理平臺(tái)，支持多部門、多用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下協(xié)同工作，不受距離影響。通過集成生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、野外氣井排采與巡檢系統(tǒng)，支持生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、生產(chǎn)設(shè)備管理、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、巡井規(guī)劃管理、生產(chǎn)排采管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表、排采管理與數(shù)據(jù)分析。柿莊南區(qū)塊位于山西沁水盆地山區(qū)，涉及氣井、管線、集氣設(shè)備等數(shù)量多，整個(gè)煤層氣田集輸系統(tǒng)的地面空間布局比較復(fù)雜，在氣候條件惡劣的冬季或者雨季，人工巡井非常困難而且占用大量人力。地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理平臺(tái)可以做到“運(yùn)籌帷幄之中，決勝千里之外”，基于GIS的網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)不僅可以直觀、高效地管理生產(chǎn)設(shè)備和調(diào)度人員，還可以為生產(chǎn)問題提供輔助決策。

5．3 產(chǎn)出水處理與環(huán)境保護(hù)技術(shù)

煤層氣產(chǎn)出水處理和環(huán)境保護(hù)技術(shù)在國(guó)家科技重大專項(xiàng)的示范工程“鄂爾多斯盆地石炭—二疊系煤層氣勘探開發(fā)示范工程”和示范工程“山西沁水盆地南部煤層氣直井開發(fā)示范工程”中分別得到了成功應(yīng)用。排放達(dá)標(biāo)處理和資源化利用效果顯著，運(yùn)行成本低，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

山西柿莊南產(chǎn)出水處理試驗(yàn)站達(dá)標(biāo)處理設(shè)計(jì)處理量為120 m3/h，膜處理系統(tǒng)的處理量可達(dá)54 m3/d，其中達(dá)標(biāo)處理噸水成本為0．29元，膜法處理后達(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，噸水處理成本為2．76元。柳林試驗(yàn)站處理量達(dá)300 m3/d，可以處理柳林楊家峪煤層氣田的產(chǎn)出水，可以用于研究煤層氣田采出水樣的水質(zhì)實(shí)時(shí)檢測(cè)，包括水量和水質(zhì)變化的檢測(cè)等。柳林試驗(yàn)站每獲得1 t純水需要成本2．80元。該數(shù)據(jù)為初步估算，規(guī)模生產(chǎn)后成本會(huì)降低。兩個(gè)示范工程處理后的產(chǎn)出水達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可以用于澆地、養(yǎng)殖以及生活飲用。

此外，產(chǎn)出水處理試驗(yàn)站配置產(chǎn)出水水量水質(zhì)原位監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，支持可移動(dòng)式煤層氣產(chǎn)出廢水處理工藝模式。運(yùn)行結(jié)果顯示，經(jīng)過可移動(dòng)煤層氣產(chǎn)出水技術(shù)的處理，出水pH值明顯降低，達(dá)到中性;出水的濁度經(jīng)靜置沉淀和處理后小于1 NTU，基本達(dá)到自來水廠出水的濁度標(biāo)準(zhǔn);出水TDS(total dissolved solids，溶解性總固體)小于200 mg/L，對(duì)原廢水中TDS的去除率為95% ～97．3%;出水中的F－含量大大降低，去除率為95% ～98%。中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在柳林地區(qū)日常的廢水運(yùn)輸費(fèi)用約為30元/t，則每噸廢水可節(jié)約28．79元，每年可節(jié)省大量資金。由于部分出水可作為中水回用，可間接減少公司在這方面的開支，每年也可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語

我國(guó)煤層氣資源豐富，加快煤層氣資源勘探開發(fā)是緩解我國(guó)能源短缺的最有效的途徑之一。針對(duì)我國(guó)煤層氣田地質(zhì)條件復(fù)雜、開采難度大以及地形復(fù)雜等特點(diǎn)，開展煤層氣田地面集輸工藝與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究將加快煤層氣產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，大幅降低煤層氣田地面集輸工程建設(shè)成本和運(yùn)行成本，提高煤層氣開采與集輸能力?！笆晃濉逼陂g，通過實(shí)施國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣田地面集輸工藝與監(jiān)測(cè)技術(shù)”，形成一系列突破性進(jìn)展和創(chuàng)新性成果，包括“多點(diǎn)接入、柔性集輸”低壓集輸工藝技術(shù)、低壓混合制冷劑液化工藝、高效緊湊的冷箱換熱器技術(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控技術(shù)、地面集輸網(wǎng)絡(luò)化管理技術(shù)以及產(chǎn)出水處理與環(huán)境保護(hù)技術(shù)等。

煤層氣田地面集輸工藝及監(jiān)測(cè)技術(shù)流程的每個(gè)重要環(huán)節(jié)的改進(jìn)和創(chuàng)新，尤其是瓶頸環(huán)節(jié)的關(guān)鍵突破，終將形成一個(gè)系統(tǒng)性的集成創(chuàng)新，整體地提高系統(tǒng)集輸能力和降低集輸成本?！笆濉逼陂g，將圍繞著主動(dòng)增壓技術(shù)、集輸管網(wǎng)除塵技術(shù)、系統(tǒng)安全運(yùn)行模擬技術(shù)、系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷技術(shù)、系統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)展開深入研究，通過系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)，整體提高系統(tǒng)安全運(yùn)行能力和輸運(yùn)能力。

致謝

文章主要參考了“十一五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“煤層氣田地面集輸工藝與監(jiān)測(cè)技術(shù)”的技術(shù)研究報(bào)告。感謝參加本項(xiàng)目的傅小康、王國(guó)強(qiáng)、孫建平、王建中、熊德華、李建春、公茂瓊、孫兆虎、崔亞敏、劉文偉、王熒光、呂澤鋒、張洪勛、胡正義、王明玉、余志晟、劉新春、唐書恒、馮啟言、劉桂建、李向東、芮小平、楊永國(guó)及楊梅等研究人員的辛勤工作。

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