王熒光
中油遼河工程有限公司,遼寧盤(pán)錦124010
格瑞克是一家上游氣體能源生產(chǎn)公司,在中國(guó)格瑞克專(zhuān)門(mén)從事煤層氣資源的開(kāi)發(fā)。在與中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中聯(lián)煤)合作進(jìn)行大規(guī)模煤層氣商業(yè)化開(kāi)發(fā)方面,格瑞克已成為外資企業(yè)的先驅(qū)之一,目前是中聯(lián)煤最大的外方合作者。格瑞克已與中聯(lián)煤簽署了五個(gè)區(qū)塊的煤層氣勘探與開(kāi)采產(chǎn)品分成合同,其中三個(gè)區(qū)塊位于山西省沁水盆地:柿莊南棗園、柿莊北和沁源,煤層氣資源總量高于1.6萬(wàn)億m3。柿莊南棗園煤層氣項(xiàng)目地面建設(shè)工程位于山西省晉城市沁水縣境內(nèi),是格瑞克先期的實(shí)驗(yàn)性工程。為了進(jìn)一步促進(jìn)煤層氣開(kāi)采的發(fā)展,擬對(duì)該工程的現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行更新改造,這不僅關(guān)系著格瑞克在以后各區(qū)塊的發(fā)展,而且影響著中國(guó)煤層氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)?,F(xiàn)結(jié)合該氣田集輸管網(wǎng)的現(xiàn)狀,考慮到氣田遠(yuǎn)期的發(fā)展,運(yùn)用PIPEPHASE數(shù)值模擬軟件,研究出了經(jīng)濟(jì)適用的“井間串接、閥組簡(jiǎn)易計(jì)量、低壓集氣、集中增壓‘枝上枝’閥組布站”[2]的環(huán)形集輸工藝新技術(shù)。該技術(shù)可望滿(mǎn)足格瑞克柿莊南棗園煤層氣的高效、低成本大規(guī)模開(kāi)發(fā)需要,真正做到滿(mǎn)足技術(shù)要求下的最低成本要求。
目前共有16口煤層氣井通過(guò)已建的集氣管道進(jìn)入CNG站,其中包括15口老井和1口新井。采氣工藝為排水采氣,單井最大產(chǎn)量3 000m3/d,井口井流物關(guān)井最大套管壓力1.6MPa,井口壓力0.35MPa(A);單井采氣管道采用規(guī)格為DN63mm×5.8mm的PE管道,總長(zhǎng)度2.5 km,敷設(shè)高差64 m。單井采氣管道采用枝狀方式與PE集氣匯管相連接。PE集氣匯管共有2條,規(guī)格均為DN160mm×14.6mm,總長(zhǎng)度4.4 km,敷設(shè)高差38 m。我們應(yīng)用先進(jìn)的管道模擬軟件PIPEPHASE對(duì)柿莊南棗園煤層氣田原有集輸系統(tǒng)進(jìn)行校核(見(jiàn)圖1),從計(jì)算結(jié)果可以看出,在原采氣井16口、井口壓力為0.35 MPa(A)、單井最大產(chǎn)氣量為3 000m3/d的工況下,進(jìn)站壓力為0.33MPa(A),能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。
圖1 原有集輸系統(tǒng)核算示意
集中增壓“枝上枝”閥組布站工藝技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)布站技術(shù)的挑戰(zhàn),它將集氣計(jì)量站改為閥組,而閥組在天然氣集氣干管與大量采氣支線之間形成了結(jié)點(diǎn),通過(guò)這個(gè)節(jié)點(diǎn)將若干條采氣管道中的天然氣集中到集氣干管中。集氣站的外輸管道就像是樹(shù)干,閥組到集氣站的集氣支線就像是樹(shù)枝,每一個(gè)閥組又像樹(shù)枝上的結(jié)點(diǎn),而所有與結(jié)點(diǎn)連接的采氣管道就像是小的樹(shù)枝,因此稱(chēng)之為“枝上枝”。該技術(shù)曾在蘇里格氣田蘇10井區(qū)首次得到實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
因柿莊南棗園煤層氣生產(chǎn)的需要,現(xiàn)采用“枝上枝”閥組布站工藝技術(shù)將新增35口采氣井并入原有集氣系統(tǒng),采用PIPEPHASE對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行工藝模擬計(jì)算(見(jiàn)圖2),核算結(jié)果表明,進(jìn)站壓力變?yōu)?.143MPa(A),小于壓縮機(jī)入口壓力0.25 MPa(A)的要求,不能滿(mǎn)足51口井的生產(chǎn)需要。因此,需在利用原有設(shè)施的基礎(chǔ)上,對(duì)新集輸系統(tǒng)進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。
圖2 新集輸系統(tǒng)核算示意
在充分利用已建系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上,針對(duì)目前的51口采氣井,提出了2種可行的系統(tǒng)管網(wǎng)方案(“枝上枝”布站方案)和1種分散增壓布站方案。
2.3.1 采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站方案
設(shè)7個(gè)集氣閥組,每個(gè)閥組5~9口井,閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開(kāi)。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道,將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來(lái),使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。取消單井放空,放空集中設(shè)在閥組。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行PIPEPHASE工藝模擬計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站系統(tǒng)示意
2.3.2 采氣系統(tǒng)不變,集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站方案
設(shè)5個(gè)集氣閥組,每個(gè)閥組5~9口井,閥組集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道保持原狀不變。在A集氣管道靠近CNG站處新建一條集氣管道,將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來(lái),使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。
改造后新井取消單井放空,放空設(shè)在閥組,老井保持原狀不變。采用PIPEPHASE對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行工藝模擬計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)圖4。
圖4 采氣系統(tǒng)不變,集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”布站系統(tǒng)示意
2.3.3 采氣、集氣系統(tǒng)重建分散增壓布站方案
設(shè)7個(gè)分散增壓站,每個(gè)增壓站5~9口井,增壓站集氣管道就近接入已建A、B集氣管道。原有采氣管道與已建A、B集氣管道斷開(kāi)。在A集氣管道靠近已建CNG站處新建一條集氣管道,將A集氣管道與B集氣管道末端連接起來(lái),使之形成環(huán)狀管網(wǎng)。取消單井放空,放空集中設(shè)在各增壓站內(nèi),每個(gè)增壓站內(nèi)配置1臺(tái)往復(fù)式壓縮機(jī)及各輔助設(shè)施。采用PIPEPHASE對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行工藝模擬計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)圖5。
圖5 采氣、集氣系統(tǒng)重建分散增壓布站系統(tǒng)示意
2.3.4 柿莊南棗園煤層氣田初步方案的選擇(見(jiàn)表1)
表1 采集氣系統(tǒng)方案對(duì)比
從表1可以看到,對(duì)于分散增壓方案,由于壓縮機(jī)、占地面積、操作人員和輔助設(shè)施的增加,因而其投資會(huì)明顯較“枝上枝”閥組布站方案多,且由于設(shè)備和人員的增多,管理極不方便。從“枝上枝”閥組布站方案來(lái)看,盡管采氣系統(tǒng)重建方案的工程量比原采氣系統(tǒng)不變方案多了2個(gè)閥組和3.5 km的采集氣管道,但原采氣系統(tǒng)不變方案中已建16口井是直接與集氣匯管相連接的,這樣在管道發(fā)生泄漏事故時(shí)便會(huì)造成整個(gè)集輸系統(tǒng)癱瘓,影響生產(chǎn)。而采氣系統(tǒng)重建方案中各井口采氣管道相應(yīng)進(jìn)入各閥組,當(dāng)發(fā)生泄漏事故時(shí),通過(guò)關(guān)閉閥組相應(yīng)閥門(mén)和進(jìn)行閥組放空便可解決問(wèn)題。此外,由于采氣系統(tǒng)重建方案中操作管理人員和設(shè)備均集中在增壓站內(nèi),集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式。因此,綜合考慮優(yōu)化研究結(jié)果,推薦采用采氣、集氣系統(tǒng)重建“枝上枝”閥組布站方案。
煤層氣井產(chǎn)出的煤層氣節(jié)流后的壓力為0.35 MPa(最大0.5MPa)、溫度≤20℃,因此,合理選用采氣管道的材料對(duì)降低工程造價(jià)、提高施工速度起著關(guān)鍵的作用,根據(jù)目前生產(chǎn)實(shí)際情況,采用PE管道和鋼質(zhì)管道在技術(shù)上均是可行的。因此,我們?cè)诮?jīng)濟(jì)上對(duì)PE管道與鋼質(zhì)管道綜合造價(jià)進(jìn)行了對(duì)比。從PE管與鋼管管道投資對(duì)比圖(圖6)中可以看到,當(dāng)公稱(chēng)直徑大于350mm時(shí),PE管道的安裝費(fèi)大于鋼質(zhì)管道;當(dāng)公稱(chēng)直徑大于150mm時(shí),PE管道的主材費(fèi)開(kāi)始大于鋼質(zhì)管道;而從總體投資上來(lái)看,當(dāng)公稱(chēng)直徑小于250 mm時(shí),PE管道的總投資要明顯小于鋼質(zhì)管道。因本工程采氣管道規(guī)格為DN63mm,集氣管道為DN160mm,所以經(jīng)優(yōu)選,確定采氣、集氣管道均選用PE管。
“枝上枝”閥組布站的環(huán)形集輸系統(tǒng)可充分利用原有集輸系統(tǒng),減少了不必要的浪費(fèi)。此外同傳統(tǒng)方案相比,在完成同樣生產(chǎn)規(guī)模任務(wù)的條件下,節(jié)省投資,可以大幅度提高煤層氣田的建設(shè)速度。
操作管理人員均集中在增壓站內(nèi),集氣閥組同采氣井口只采取定期巡檢的方式,大大減少了分散的操作管理人員的數(shù)量,而且生活設(shè)施集中一處設(shè)置,極大地簡(jiǎn)化了生產(chǎn)和日常生活管理工作,人工成本大大降低。
“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的設(shè)備集中設(shè)置在集中增壓站一處,幾乎可以成倍地減少大型設(shè)備數(shù)量,方便管理,尤其是大型設(shè)備如煤層氣壓縮機(jī)組的維修,專(zhuān)業(yè)維修隊(duì)伍可只在一處就完成全部維修工作,而不需要四處奔波于各集氣站之間,減少了維修成本,提高了維修速度,保證了生產(chǎn)的高效安全運(yùn)行。
圖6 管材投資對(duì)比
“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的最大優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)靈活。它可以很好地適應(yīng)煤層氣田滾動(dòng)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。被稱(chēng)之為“樹(shù)干”的集中增壓站和輸氣管道建成后,“樹(shù)枝”的閥組和采氣井口,可隨時(shí)根據(jù)鉆井、完井工作的進(jìn)度進(jìn)行地面建設(shè),完全可以實(shí)現(xiàn)完成一個(gè)閥組投產(chǎn)一個(gè)閥組,真正實(shí)現(xiàn)了在絲毫不影響正常生產(chǎn)運(yùn)行的情況下不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模、提高整個(gè)煤層氣田產(chǎn)量的目的。
能耗低是“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的另一特點(diǎn)。分散增壓布站方案的每個(gè)站均需設(shè)置壓縮機(jī),為滿(mǎn)足壓縮機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行要求,壓縮機(jī)的流量范圍只能在80%~120%之間波動(dòng),煤層氣井不可能大批量地一次建成投產(chǎn),往往是建設(shè)一口投產(chǎn)一口,尤其是在投產(chǎn)初期,無(wú)法滿(mǎn)足壓縮機(jī)穩(wěn)定流量的要求,因此只能通過(guò)打循環(huán)來(lái)滿(mǎn)足壓縮機(jī)運(yùn)行要求,這勢(shì)必增加壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗,而且建站就需要有操作人員,就必須上相應(yīng)的配套設(shè)施,消耗一定的水、電等,也增加了能耗?!凹性鰤骸ι现Αy組布站方案”是將整個(gè)產(chǎn)氣區(qū)的煤層氣集中增壓,可以通過(guò)調(diào)整增壓站內(nèi)壓縮機(jī)運(yùn)行的數(shù)量來(lái)滿(mǎn)足煤層氣田初期和集氣支線流量的變化,而保持單臺(tái)壓縮機(jī)流量的穩(wěn)定,保證設(shè)備的高效運(yùn)行,避免了由于打回流而增加能耗。
“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”只建設(shè)一個(gè)站,因此占地比分散增壓布站方案明顯減少,對(duì)自然環(huán)境的破壞也隨之大大減小,符合國(guó)家保護(hù)土地資源的要求,同時(shí)由于操作人員的減少,也減少了由于人員生活等對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。
“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”的1個(gè)閥組占地平均為15m×12m,合計(jì)占地0.13萬(wàn)m2;如采用分散增壓布站,1座增壓站占地約60m×50m,7座增壓站合計(jì)2.1萬(wàn)m2,“集中增壓‘枝上枝’閥組布站方案”同分散增壓布站方案相比減少占地1.97萬(wàn)m2,減少投資約207萬(wàn)元。
目前,柿莊南棗園煤層氣田現(xiàn)有的CNG站由于安全許可證和交通等原因一直停運(yùn)。新建CNG站勢(shì)在必行。此外,該煤層氣田開(kāi)發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,也導(dǎo)致氣源外輸成了問(wèn)題。而“枝上枝”閥組布站的環(huán)形集輸系統(tǒng)可充分滿(mǎn)足該氣田以后的改擴(kuò)建要求,且閥組復(fù)制性強(qiáng)。該技術(shù)已在具有“低孔(8.95%)、低滲(0.73m d)、低產(chǎn)(1萬(wàn)~3萬(wàn)m3/d)、低豐度(1.3億m3/km2)、低飽和度(50%~60%)、低壓(28 MPa)”六低特征的蘇里格氣田和山西沁南煤層氣端鄭采氣區(qū)地面建設(shè)工程中得到成功的應(yīng)用。
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