呂晨潔 潘 峰 郭笑沁

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 030024）

沁水盆地煤層氣田集輸系統(tǒng)建模方法綜述

呂晨潔 潘 峰 郭笑沁

（太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西 030024）

隨著人類可用資源逐漸減少，已運(yùn)行數(shù)年的沁水盆地煤層氣田產(chǎn)氣量成為了人們關(guān)注的問題，因沁水盆地特殊的地理地勢以及現(xiàn)有氣田集輸系統(tǒng)的局限，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)難度大，且大量開采出的煤層氣到達(dá)地面后無法有效收集而白白散失掉。本文總結(jié)了近年來沁水盆地各區(qū)塊的發(fā)展概況以及集輸工藝現(xiàn)狀，在分析了眾多氣體管網(wǎng)模擬軟件后選擇了我國自主研制的RealPipe氣體管道仿真軟件，提出了建立煤層氣田管網(wǎng)模型的主體思路，和后期對集輸系統(tǒng)的優(yōu)化方向。

集輸系統(tǒng) 建模 優(yōu)化 RealPipe

1 沁水盆地煤層氣田各區(qū)塊開發(fā)現(xiàn)狀

雖然沁水盆地煤層氣田具有較為完備的開發(fā)系統(tǒng)，但尚屬新興行業(yè)，開發(fā)程度較低，研究隊(duì)伍薄弱，投入多收益少，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作和大批量生產(chǎn)使用。

1.1 樊莊、鄭莊區(qū)塊

2001年探明位于沁水盆地東南部的樊莊區(qū)塊含氣面積為182.22km2，地質(zhì)儲量為352.26× 108m3，具備煤層氣開發(fā)基礎(chǔ)。目前，樊莊區(qū)塊已成功投產(chǎn)6座集氣站，建立440口井，集氣管網(wǎng)48.7km，采氣管網(wǎng)230km，輸氣規(guī)模已超過90×104m3／d。鄭莊區(qū)塊2012年投產(chǎn)建設(shè)5座集氣站，采氣管道和集氣管道約為460km，產(chǎn)能為9× 108m3／a。

1.2 棗園井組

2003年，山西沁水盆地的棗園井組建成并開始運(yùn)行。棗園井組建有15口生產(chǎn)試驗(yàn)井，日壓縮能力為3.6×104m3的小型天然氣壓縮站，以及日發(fā)電量為400kW的小型煤層氣發(fā)電站，實(shí)現(xiàn)了小規(guī)模的煤層氣集輸、儲運(yùn)、商業(yè)化生產(chǎn)和利用。

1.3 潘河區(qū)塊

截止2006年，山西沁水盆地潘河區(qū)塊已經(jīng)建成40口井并投入生產(chǎn)，集輸管網(wǎng)中設(shè)有1座集氣站，4座閥組站，1座煤層氣供氣站，平均單井產(chǎn)氣量為3000m3／d以上。

1.4 馬必區(qū)塊

馬必區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)總規(guī)模為25×108m3／a，其中一期為10×108m3／a，二期為15×108m3／a。一期建設(shè)5座集氣站，6條集氣管道，采氣管道和集氣管道約為1055km，同時配套建設(shè)了處理廠，規(guī)模為25×108m3／a，商品氣向外輸送至西氣東輸管道。

1.5 潘莊區(qū)塊

潘莊區(qū)塊的規(guī)劃產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模為5×108m3／a，一期建設(shè)8座處理能力為4×104m3／d的集氣站，1座處理能力為35×104m3／d的集中處理站，商品氣大部分外輸，剩余小部分就地輸送給天然氣加氣母站。

1.6 夏店區(qū)塊

夏店區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)規(guī)模為15×108m3／a，建有6座集氣站，1座沁南處理廠，集氣管道和采氣管道約667km。

2 沁水盆地集輸工藝現(xiàn)狀

沁水盆地是我國目前勘測到的煤層氣儲量最豐富的煤層氣田之一，中國石油華北煤層氣分公司、中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司和晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司在沁水區(qū)域都有項(xiàng)目實(shí)施，且都取得了階段性成果。

2.1 中國石油華北煤層氣分公司

樊莊、鄭莊區(qū)塊煤層氣田地面集輸工藝流程為：井場－采氣支線－閥組－采氣干線－集氣站－中央處理廠－外輸（或液化天然氣工廠）。

井場來氣壓力為0.15～0.30MPa，經(jīng)由采氣支線匯入閥組，匯集后由采氣干線輸送到集氣站，再經(jīng)過濾、分離后匯入壓縮機(jī)組，將煤層氣壓力增至1.20～1.65MPa，計(jì)量后經(jīng)集氣管道輸送給中央管理廠。

中央處理廠將來氣經(jīng)過濾、分離、段塞流捕后送入壓縮機(jī)組，將煤層氣壓力增至5.70～6.10MPa，經(jīng)過濾分離、脫水、計(jì)量后外輸或送至液化天然氣工廠。流程圖如圖1所示。

圖1 樊莊、鄭莊區(qū)塊煤層氣田地面集輸工藝流程

2.2 中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司

潘河區(qū)塊煤層氣田地面集輸工藝流程為：井場－閥組－集氣站－天然氣加氣母站（或外輸）。

井場來氣壓力為0.15～0.30MPa，經(jīng)分離器進(jìn)行氣液分離后，經(jīng)由采氣管道進(jìn)入閥組，再經(jīng)調(diào)壓后匯入集氣站，集氣站將閥組來氣經(jīng)過濾、調(diào)壓和計(jì)量之后進(jìn)入壓縮機(jī)，將煤層氣壓力增至0.7MPa，然后匯入天然氣加氣母站或送去外輸。流程圖如圖2所示。

圖2 潘河區(qū)塊煤層氣田地面集輸工藝流程

2.3 晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司

晉煤集團(tuán)藍(lán)焰煤層氣公司集輸系統(tǒng)工藝流程為：井口－閥組－集氣站。

該集輸系統(tǒng)中井口的工藝流程比較簡單，沒有設(shè)放空裝置，需要將井口的氣體集中到閥組進(jìn)行集體放空，井場中只有一個氣水分離裝置，可對煤層氣中的水分進(jìn)行簡單的分離，流程大大簡化，井場占地面積減少，從而建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用也大大減少。

然而，由于沁水盆地的地理地勢特殊，導(dǎo)致煤層氣開發(fā)難度較大，加之現(xiàn)有的煤層氣田集輸系統(tǒng)有很大的局限性，大量開采出的煤層氣到達(dá)地面后無法有效收集起來而白白散失掉。本文針對現(xiàn)有煤層氣田集輸系統(tǒng)進(jìn)行建模，并結(jié)合實(shí)際工況、地質(zhì)條件提出優(yōu)化方向，將有望提高煤層氣的開發(fā)產(chǎn)量，更好地利用其為社會服務(wù)。

3 建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)模型

煤層氣集輸是煤層氣生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，為保證煤層氣在輸送過程中更安全、平穩(wěn)，需實(shí)時掌控煤層氣集輸管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，依照上、下游的實(shí)際情況和工況條件對煤層氣集輸系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整。

模擬煤層氣集輸管網(wǎng)在不同條件下的運(yùn)行情況，分析可能存在的問題，有針對性地提出煤層氣集輸管網(wǎng)的運(yùn)行及改造方案，是提高集輸管網(wǎng)的管理水平、合理調(diào)配集輸管網(wǎng)的有效手段。

3.1 建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)模型軟件簡介

目前，煤層氣管網(wǎng)模擬領(lǐng)域中有以下幾種已經(jīng)成功應(yīng)用的軟件：

（1）Pipeline Studio（TGNET）軟件是英國ESI公司開發(fā)的一款模擬氣體和液體管網(wǎng)的軟件，已被使用了20余年，現(xiàn)已在很多方面應(yīng)用，其中包括管道工程設(shè)計(jì)、管網(wǎng)調(diào)整優(yōu)化、管道日常管理、調(diào)氣方案制定等，可以模擬輸氣管道中的單相流，評價(jià)天然氣管道中的設(shè)計(jì)或操作參數(shù)是否合理，以獲得最優(yōu)化的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)性能。

（2）SPS（Stoner pipeline simulator）軟件是美國Stoner公司研發(fā)的一款能夠離線實(shí)時模擬計(jì)算長輸管道的瞬態(tài)流體仿真應(yīng)用軟件，分為氣體和液體兩個模塊，可以分別用于模擬管網(wǎng)中天然氣或油品的動態(tài)流動。主要包括管道的實(shí)時在線仿真、實(shí)時狀態(tài)預(yù)測、泄露檢測、培訓(xùn)器以及離線仿真五個模塊。

（3）PCASIM軟件是加拿大Novacorp公司設(shè)計(jì)的一款功能齊全、性能穩(wěn)定、實(shí)用價(jià)值高的輸氣管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬程序。該程序采用節(jié)點(diǎn)與連接單元相結(jié)合的模擬形式，節(jié)點(diǎn)數(shù)可多達(dá)200點(diǎn)，可對各種復(fù)雜的輸氣管網(wǎng)包括壓縮機(jī)站進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算。

（4）RealPipe軟件是由中國石油管道科技研究中心研發(fā)的一款天然氣管道仿真軟件。它可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對天然氣管道在不同工況下的熱力、水力參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，從而獲得管網(wǎng)在預(yù)期工況下的運(yùn)行情況，可以預(yù)測管網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行時的水力、熱力變化情況，并監(jiān)測管網(wǎng)中的設(shè)備，確保管網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。該軟件的研發(fā)充分利用了已有的技術(shù)成果，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了新的軟件功能，除常規(guī)管道仿真軟件的功能外，還可以模擬計(jì)算復(fù)雜的環(huán)狀管網(wǎng)，打破了國外天然氣仿真軟件對我國的技術(shù)封鎖，同時提出了適應(yīng)我國氣田特殊地質(zhì)環(huán)境的管網(wǎng)模擬功能，大大促進(jìn)了我國管道仿真領(lǐng)域的發(fā)展。

綜合考慮，將采用RealPipe仿真軟件進(jìn)行集輸系統(tǒng)管網(wǎng)模型的建立。

3.2 建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)模型的公式和依據(jù)

氣體在管道內(nèi)流動符合質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒定律，考慮壓力、溫度和組分對氣體密度等參數(shù)的影響，以及管道流通面積的變化，列出氣體在管道內(nèi)流動的質(zhì)量、動量和能量守恒方程：

式中：θ——管道與水平面間的傾角，rad；

ρ——?dú)怏w密度，kg／m3；

P——?dú)怏w壓力，Pa；

ν——?dú)怏w流速，m／s；

T——?dú)怏w溫度，K；

t——時間變量，s；

D——管道的內(nèi)徑，m；

K——管道的總傳熱系數(shù)，W／（m2·K）；

g——重力加速度，m／s2；

T0——管道深埋處的土壤溫度，K；

λ——管道的摩阻系數(shù)，無量綱；

x——管長坐標(biāo)，m；

U——能量流動密度。

Α——?dú)怏w在管道內(nèi)的流通面積，m2；

RealPipe軟件選擇的天然氣狀態(tài)方程為BWRS方程，這是一個多常數(shù)的狀態(tài)方程，它的應(yīng)用范圍比較寬，并且在高壓、低溫情況下的準(zhǔn)確度都比較高，被認(rèn)為是目前用于計(jì)算天然氣最精確的狀態(tài)方程之一。

式中：R為氣體常數(shù)，值為8.314kJ／（kmol·K）。

3.3 建立集輸系統(tǒng)管網(wǎng)模型的方法

建立煤層氣田的管網(wǎng)仿真模型的方法：

（1）根據(jù)氣田的圖紙?jiān)赗ealPipe軟件中繪制注入站、管道、閥門、分輸站以及壓縮機(jī)等元件，使模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際氣田結(jié)構(gòu)一致，確保所建模型可以真實(shí)地反映實(shí)際氣田的結(jié)構(gòu)。

（2）在此基礎(chǔ)上，依據(jù)氣田所提供的資料中的參數(shù)分別對各元件進(jìn)行設(shè)置，如管道的粗糙度、管長、管徑，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，元件控制方式，高程，低溫等參數(shù)。

（3）參數(shù)設(shè)定完成后選取多組不同工況下的數(shù)據(jù)輸入模型中進(jìn)行模擬運(yùn)算，得出運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際氣田中的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，計(jì)算相對誤差是否滿足工程計(jì)算精度要求，如誤差較大，可選取其它幾組穩(wěn)定工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，最終相對誤差滿足工程要求時，該模型就可以很好的模擬實(shí)際的煤層氣田，并可以進(jìn)行所需的運(yùn)行計(jì)算分析，以及對氣田的優(yōu)化方案設(shè)計(jì)等問題。

4 集輸系統(tǒng)的優(yōu)化方向

集輸系統(tǒng)的優(yōu)化需要根據(jù)具體煤層氣田特有的井口數(shù)量、井間距、單井產(chǎn)氣量、井口壓力、氣體組分、氣體流向、地質(zhì)條件等因素綜合考慮確定，目前已有許多針對地面集輸系統(tǒng)優(yōu)化的方案，如簡化低壓集氣工藝，即調(diào)整井位部署、減少幾座集氣站；采用井間枝上枝串接方式，即通過采氣支線把相鄰的某幾口井串接在采氣干線上，匯集在一起集中進(jìn)站；應(yīng)用非金屬管材，PE管材具有強(qiáng)度、柔性好、壓損低、無污染、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，可以降低投資和施工風(fēng)險(xiǎn)。

沁水煤層氣田現(xiàn)已建好并投入運(yùn)行，運(yùn)用上述方案對煤層氣田集輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化時需改變管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、重新敷設(shè)管線，但工程量大、成本較高，不宜采用。故將優(yōu)化的主要內(nèi)容集中在壓力系統(tǒng)的優(yōu)化上，由于采氣管線相連接的各井口之間相互影響，并且負(fù)壓過大會導(dǎo)致煤粉混入氣體堵塞管道，不能單純地降低井口壓力以達(dá)到氣田總產(chǎn)氣量最大的目的，需綜合考慮對井口壓力、各元件壓力、進(jìn)出口壓力進(jìn)行優(yōu)化。同時，通過對各井口壓力的調(diào)節(jié)來提高產(chǎn)氣量時，可能導(dǎo)致輸送管線壓力增大，運(yùn)行維護(hù)難度和費(fèi)用提高，故要對中遠(yuǎn)距離輸送的壓力控制技術(shù)及增壓工藝進(jìn)行優(yōu)化。最終達(dá)到提高氣田總產(chǎn)氣量，降低生產(chǎn)能耗和資產(chǎn)投入的目的。

［1］ 陶永，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田壓縮機(jī)的選擇與應(yīng)用［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2015，26（3）：29－31.

［2］ 薛崗，許茜，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田樊莊區(qū)塊地面集輸工藝優(yōu)化［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（6）：87－90.

［3］ 陶永，王紅霞，等.沁水盆地煤層氣田地面工程建設(shè)的優(yōu)化與實(shí)踐［J］.煤氣與熱力，2015，35（5）：B28－B34.

［4］ 陳仕林.煤層氣田地面集輸工藝發(fā)展現(xiàn)狀［C］.北京：2008年煤層氣學(xué)術(shù)研討會論文集，2008.413－417.

［5］ 劉洪.山東天然氣干線管網(wǎng)仿真模型建立及應(yīng)用［D］.成都：西南石油大學(xué)，2014.

［6］ 楊恒，張理.PIPELINE STUDIO軟件在管網(wǎng)模擬分析中的應(yīng)用［J］.天然氣勘探與開發(fā)，2015，38（3）：91－94.

［7］ 劉定智，劉定東，李茜.TGNET及SPS軟件在天然氣管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算中的差異分析和比較［J］.石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（5）：18－22.

［8］ 鄭琦薇.SPS仿真系統(tǒng)在上海天然氣管網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.電子技術(shù)與軟件工程，2013（12）：55－56.

［9］ 張良鶴.輸氣管線系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬程序PCASIM［J］.天然氣與石油，1994，12（2）：55－61.

［10］ 鄭建國，宋飛，等.大型天然氣管道仿真軟件RealPipe－Gas研發(fā)［J］.油氣儲運(yùn)，2011，30（9）：659－662.

［11］ 沈孝風(fēng).輸氣干線管網(wǎng)瞬態(tài)模擬仿真與優(yōu)化技術(shù)研究［D］.北京：中國石油大學(xué)，2010.

（責(zé)任編輯 劉 馨）

Modeling Methods of CBM Field Gathering System in Qinshui Basin

LV Chenjie，PAN Feng，GUO Xiaoqin
（School of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Shanxi030024）

With the gradual reduction of available resources，the gas production of Qinshui Basin CBM Field which has been running for several years became an issue of concern.Due to the special geographical terrain of Qinshui Basin aswell as the limitations of the existing gas gathering system，it is difficult for CBM development，and a large number of CBM can not be effectively collected after drainage and reaching the ground，and dissipated in vain.This article describes the development status of each CBM block in Qinshui Basin and gathering technology status in recent years，analyzes the numerous gas pipeline network simulation software and chooses the RealPipe gas pipeline simulation software which is independently domestic developed.It proposes themain idea of establishing the CBM pipeline networkmodel，and post optimization direction of gathering system.

Gathering system；modeling；optimization；RealPipe

山西省晉城市攻關(guān)項(xiàng)目計(jì)劃（201501004-17）和太原科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（20151011）。

呂晨潔，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊簩託饧斚到y(tǒng)的建模及優(yōu)化。