孟凡華 路興祿 張亞慶 陳巨標(biāo)
(1.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司煤層氣開(kāi)采先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地,山西 046000;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司,山西 046000;3.中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司,河北 062552)
煤層氣勘探始于上世紀(jì)60年代,于80年代進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)。美國(guó)、加拿大、澳大利亞等國(guó)家開(kāi)發(fā)煤層氣較早,我國(guó)開(kāi)發(fā)煤層氣開(kāi)始于上世紀(jì)90年代,據(jù)國(guó)土資源部新一輪全國(guó)油氣資源評(píng)價(jià)成果,我國(guó)埋深2000m以淺煤層氣地質(zhì)資源量約36.81萬(wàn)億m3,位列世界前三。目前,國(guó)內(nèi)煤層氣田的開(kāi)發(fā)建設(shè)速度明顯加快,沁水盆地、鄂爾多斯盆地東緣產(chǎn)業(yè)化基地初步形成,潘莊、樊莊、潘河、保德、韓城等重點(diǎn)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目建成投產(chǎn),四川、新疆、貴州等省(區(qū))煤層氣勘探開(kāi)發(fā)取得突破性進(jìn)展,已初步形成規(guī)?;?、商業(yè)化開(kāi)發(fā),形成了煤層氣勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、輸送、銷(xiāo)售、利用等一體化產(chǎn)業(yè)格局。
本論文結(jié)合國(guó)內(nèi)外煤層氣地面工程建設(shè)現(xiàn)狀,分別就煤層氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、地面工程技術(shù)、設(shè)備材料選型、建設(shè)及運(yùn)行管理模式等方面進(jìn)行對(duì)比分析,提出煤層氣的發(fā)展趨勢(shì),剖析潛在風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)煤層氣地面工程標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)有《煤層氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 10029)、《煤層氣集輸安全規(guī)程》(AQ 1082)、《煤層氣集輸與處理運(yùn)行規(guī)范》(SY/T 6829)等規(guī)程規(guī)范;國(guó)外有《石油天然氣工業(yè)-管道輸送系統(tǒng)》(ISO 13623)、《輸氣和配氣管道》ASME (B31.8)等標(biāo)準(zhǔn),目前,國(guó)外還沒(méi)有用于煤層氣地面工程的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn),此外,國(guó)外一些石油公司在API、ASME或ISO系列標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行增補(bǔ)形成企業(yè)規(guī)范。比如,殼牌公司(SHELL)的企業(yè)規(guī)范、道達(dá)爾公司(TOTAL)的企業(yè)規(guī)范。
(1)集輸規(guī)范
目前,煤層氣地面工程設(shè)計(jì)主要執(zhí)行《煤層氣集輸設(shè)計(jì)規(guī)范》。在站場(chǎng)公用工程、煤層氣處理方面,具體要求較少,建議煤層氣相關(guān)規(guī)范應(yīng)在公用工程、處理工藝等方面進(jìn)行優(yōu)化細(xì)化。
(2)安全消防設(shè)計(jì)規(guī)范
煤層氣井站平面布置通常執(zhí)行《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》,根據(jù)站場(chǎng)處理規(guī)模及等級(jí),設(shè)置不同等級(jí)的消防水系統(tǒng)與放空系統(tǒng)。目前,已實(shí)施發(fā)布《煤層氣田地面工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》,用于指導(dǎo)煤層氣地面工程平面設(shè)計(jì)。
(3)其他規(guī)范
除上述規(guī)范外,煤層氣地面工程其他規(guī)范,例如《煤層氣集輸安全規(guī)程》、《煤層氣開(kāi)采防塵防毒技術(shù)規(guī)范》、《煤層氣地面開(kāi)采防火防爆安全規(guī)程》等,規(guī)范中涉及原則、綜述的內(nèi)容較多,具體、量化的內(nèi)容較少,對(duì)于煤層氣地面工程設(shè)計(jì)、施工、安全、管理等,適用性并不強(qiáng)。
地面工程技術(shù)對(duì)標(biāo)分別從集輸系統(tǒng)總體布局、增壓方式、站場(chǎng)工藝、采出水處理、平面布局等方面進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。
(1)美國(guó)、加拿大煤層氣田開(kāi)采均利用井口壓力,通過(guò)枝狀管網(wǎng)將井場(chǎng)氣集輸至集氣站集中增壓處理,采用一級(jí)布站方式,最大集輸半徑超過(guò)20km。通過(guò)對(duì)標(biāo),國(guó)內(nèi)外煤層氣地面工程布站方式較為類(lèi)似,根據(jù)區(qū)塊產(chǎn)能建設(shè)安排,采用一級(jí)布站或者二級(jí)布站方式。
(2)在集氣站處理規(guī)模方面,國(guó)外煤層氣集氣站規(guī)模可達(dá)120×104m3/d,而國(guó)內(nèi)煤層氣集氣站的規(guī)模一般為(30~75)×104m3/d,與國(guó)外相差較大,且國(guó)內(nèi)集氣站因處理規(guī)模較大,存在壓縮機(jī)設(shè)備利用率低等問(wèn)題。
(3)在集輸管網(wǎng)清管設(shè)計(jì)方面,國(guó)外煤層氣田集輸系統(tǒng)中沒(méi)有清管設(shè)施。在采出氣管線(xiàn)沿線(xiàn)設(shè)置有分水器,以收集在管輸至處理站途中產(chǎn)生的凝析水。國(guó)內(nèi)采氣管道在低點(diǎn)設(shè)置凝水缸,定期檢查排水。
(1)在井場(chǎng)回壓方面,國(guó)外煤層氣田壓力控制較低,為0.1MPa,國(guó)內(nèi)一般控制在 0.15~0.2MPa。
(2)在增壓方式方面,國(guó)內(nèi)外根據(jù)區(qū)塊不同,采用一級(jí)增壓或者二級(jí)增壓方式,但國(guó)外煤層氣站場(chǎng)出口壓力普遍較高。
(3)在增壓工藝方面,以加拿大為例,采用高低壓一起進(jìn)站的方式,國(guó)內(nèi)一般為單獨(dú)的低壓進(jìn)站或者高壓進(jìn)站。
(1)在井場(chǎng)工藝方面,美國(guó)、澳大利亞煤層氣田一般設(shè)置氣水分離器,加拿大煤層氣田工藝簡(jiǎn)單,無(wú)排采設(shè)施,單井采出氣直接進(jìn)入采氣管道,井場(chǎng)設(shè)置用于移動(dòng)計(jì)量的接口;除此之外,美國(guó)煤層氣田還設(shè)置過(guò)濾器、儲(chǔ)水罐等;國(guó)內(nèi)一般采用氣水分輸流程,煤層氣采出后經(jīng)計(jì)量匯集出井場(chǎng),采出水匯集進(jìn)入井場(chǎng)蓄水池。
圖1 國(guó)內(nèi)外煤層氣井場(chǎng)現(xiàn)狀
(2)在集氣站工藝方面,國(guó)外集氣站設(shè)置了集氣、增壓、脫水處理等功能,設(shè)置段塞流捕集器,沒(méi)有多級(jí)煤粉過(guò)濾分離、復(fù)雜的放空系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等,最大限度的簡(jiǎn)化優(yōu)化流程,減少工程量,降低投資。而國(guó)內(nèi)集氣站通常設(shè)置進(jìn)站閥組、過(guò)濾分離,以保證壓縮機(jī)組及脫水裝置運(yùn)行。在這些方面,可以結(jié)合設(shè)備的特性,進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化。
(3)在放空方面,加拿大煤層氣區(qū)塊的各類(lèi)處理站,盡管有壓縮機(jī)、燃?xì)獍l(fā)電和脫水系統(tǒng),甚至還有含硫化氫氣體,但其放空系統(tǒng)均較簡(jiǎn)單,除個(gè)別站場(chǎng)設(shè)置集中放空立管外,其他站場(chǎng)并無(wú)放空系統(tǒng),包括安全閥在內(nèi),所有氣體泄放點(diǎn)均直接就地排放。這與國(guó)內(nèi)現(xiàn)實(shí)做法差異較大(國(guó)內(nèi)集氣站、處理站均設(shè)置有專(zhuān)用放空火炬),關(guān)鍵是對(duì)站場(chǎng)正常檢修放空、緊急放空如何認(rèn)識(shí)的問(wèn)題。
3.4.1 國(guó)外采出水處理
(1)采出水水質(zhì)
在煤層氣井采氣階段,伴隨著大量的高礦化度、高鹽度的地下水采出。煤層氣采出水不含油,含有一定的懸浮物,礦化度較高,一般在1000~5000mg/L之間,最高可達(dá)8000mg/L以上,且多摻雜煤粉。
(2)采出水水量
美國(guó)黑勇士盆地產(chǎn)水量平均為42960~50120L/d,大綠河盆地產(chǎn)水量大于71600L/d,保德河盆地產(chǎn)水量達(dá)214800L/d。
(3)采出水處理工藝
國(guó)外煤層氣采出水的處理,一般采取三種常規(guī)技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理。第一種方法是地表排放,經(jīng)過(guò)處理后排放到地表河流,或者處理后達(dá)到當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行農(nóng)田灌溉。第二種處理方法是地表蒸發(fā),使用蒸發(fā)池和水霧、油霧系統(tǒng)來(lái)蒸發(fā)水。第三種方法是將水反注入地下,鉆一口新井或者修理一口廢井,使產(chǎn)出的流體注入比煤層深的層位中。除上述常規(guī)處理技術(shù)外,國(guó)外煤層氣采出水的深度處理方法還包括離子交換法、凍結(jié)-解凍/蒸發(fā)法、反滲透法、蒸餾法、臭氧擴(kuò)散池廢水處理法等。
3.4.2 國(guó)內(nèi)采出水處理
我國(guó)煤層氣資源主要分布在華北、西北、華南、東北和滇藏五個(gè)地區(qū)。煤層氣采出水中總懸浮固體(以煤顆粒為主)和含鹽量較高,含有較多的鈉、鋇、鐵,并有較強(qiáng)的導(dǎo)電性。國(guó)內(nèi)鄂東氣田保德區(qū)塊單井產(chǎn)水量40~100m3/d,大寧吉縣區(qū)塊單井產(chǎn)水量為6m3/d;沁水煤層氣田樊莊區(qū)塊、成莊區(qū)塊單井平均產(chǎn)水量為5m3/d。
(1)采出水水質(zhì)
煤層氣產(chǎn)出水主要可分為兩類(lèi):(a)高鹽和高礦化度的產(chǎn)出水,許多地區(qū)的采出水礦化度較高,尤其是地下水含鹽量較大的地區(qū),含有大量的NaHCO3或NaCl;(b)低含鹽水,水質(zhì)較好的采出水,總懸浮固體的含量高(以煤的顆粒為主)。
(2)采出水處理工藝
由于我國(guó)煤層氣勘探起步較晚,還沒(méi)有建立起完善的水處理方法體系以及實(shí)用的處理設(shè)備,目前采出水主要有拉運(yùn)和管輸兩種方式。
國(guó)外煤層氣站場(chǎng)平面采取居中布置的方式,所有裝置、管廊都集中在場(chǎng)地中部,四周可以通行車(chē)輛。站內(nèi)不建消防系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、全站照明及全站廣播等系統(tǒng),也沒(méi)有值班房、庫(kù)房等建筑。在這種條件下,其實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守、遠(yuǎn)程操控。不管是井場(chǎng)、集氣站或者處理站,場(chǎng)區(qū)未鋪裝道路,場(chǎng)地均沒(méi)有硬化,而是采用碎石鋪裝;除壓縮機(jī)設(shè)置獨(dú)立基礎(chǔ)外,其他設(shè)備基礎(chǔ)均簡(jiǎn)易設(shè)計(jì);站場(chǎng)不設(shè)圍墻,采用低矮簡(jiǎn)易圍欄;進(jìn)站大門(mén)簡(jiǎn)潔,門(mén)柱采用鍍鋅鋼管設(shè)計(jì)。除了增壓所必需的設(shè)施,其它一律能省則省。
圖2 國(guó)內(nèi)外煤層氣集氣站平面布局
國(guó)內(nèi)煤層氣站場(chǎng)根據(jù)工藝特點(diǎn),集氣站內(nèi)平面布置采取分區(qū)布置,主要包括工藝裝置區(qū)、輔助生產(chǎn)區(qū),各區(qū)以站內(nèi)道路進(jìn)行分隔。站內(nèi)設(shè)消防道路,路寬一般為4m。站場(chǎng)四周設(shè)置圍墻;設(shè)置消防滅火器等。
由于地質(zhì)條件不同,國(guó)外煤層氣井場(chǎng)工藝不僅與我國(guó)煤層氣井場(chǎng)差別較大,國(guó)外各國(guó)之間的井場(chǎng)工藝差別也較大。國(guó)內(nèi)煤層氣井場(chǎng)設(shè)備主要有抽油機(jī)、采氣樹(shù)、計(jì)量閥組、RTU、配電箱或發(fā)電機(jī)等。國(guó)外煤層氣井場(chǎng)設(shè)備主要有氣水分離器、水處理設(shè)施、計(jì)量設(shè)施等。
根據(jù)集氣站工藝,國(guó)內(nèi)站場(chǎng)通常設(shè)置進(jìn)站分離器、旋流過(guò)濾器、螺桿壓縮機(jī)、往復(fù)壓縮機(jī)、恒溫露點(diǎn)控制橇、三甘醇脫水裝置、分子篩脫水裝置、收發(fā)球筒等;國(guó)外站場(chǎng)通常設(shè)置段塞流捕集器、螺桿壓縮機(jī)、往復(fù)壓縮機(jī)、三甘醇脫水裝置等。
(1)無(wú)人值守站
目前,國(guó)內(nèi)煤層氣地面工程絕大多數(shù)采用站場(chǎng)有人值守、井場(chǎng)有人巡檢的運(yùn)行管理模式,項(xiàng)目定員較多,運(yùn)行成本較高;隨著煤層氣開(kāi)發(fā)技術(shù)的日趨完善,數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開(kāi)發(fā)的需要,集氣站逐步向無(wú)人值守方向發(fā)展,將逐步減少站場(chǎng)定員。
(2)大力推行低成本理念、轉(zhuǎn)變建設(shè)方式
低成本戰(zhàn)略的實(shí)施效果,在很大程度上決定了煤層氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的效果,與國(guó)外公司相比,國(guó)內(nèi)在實(shí)施理念、實(shí)施方式、實(shí)施效果等方面還存在一定差距。同時(shí),煤層氣地面系統(tǒng)還存在著一些制約低成本戰(zhàn)略實(shí)施的技術(shù)問(wèn)題,如井口至集氣站的集輸管線(xiàn)的合理布局與集輸半徑、合理適用的低壓脫水技術(shù)等,都需要結(jié)合國(guó)內(nèi)工程特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。
(3)大力推廣橇裝化設(shè)備
國(guó)內(nèi)外地面工程實(shí)踐表明,橇裝化是保證工程質(zhì)量、縮短建設(shè)周期、減少現(xiàn)場(chǎng)工程量和占地、節(jié)約投資的有效途徑。建議煤層氣地面工程借助開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的契機(jī),進(jìn)一步推廣橇裝裝置,提高工廠預(yù)制化程度,逐步提高大工程橇裝化的水平。
2016年11月,國(guó)家能源局發(fā)布了《煤層氣(煤瓦斯氣)開(kāi)發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》,“十三五”期間,新增煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量4200億m3,建成2~3個(gè)煤層氣產(chǎn)業(yè)化基地。2020年,煤層氣(煤礦瓦斯)抽采量達(dá)到240億m3,其中,地面煤層氣產(chǎn)量100億m3,利用率90%以上。2015年,我國(guó)地面煤層氣產(chǎn)量44億m3,相比2020年產(chǎn)量目標(biāo),煤層氣的發(fā)展空間潛力大,開(kāi)發(fā)利用前景好,我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入快速發(fā)展的新時(shí)期。
(1)煤層氣利用方式的多樣化
煤層氣利用方向主要以進(jìn)入管道、制CNG、LNG為主,近年來(lái),隨著煤層氣(煤礦瓦斯)抽采利用政策的出臺(tái)和完善,國(guó)內(nèi)企業(yè)利用煤層氣(煤礦瓦斯)發(fā)電的積極性高漲,瓦斯發(fā)電裝機(jī)規(guī)模將會(huì)逐年上升,技術(shù)研發(fā)和裝備制造水平將不斷提高。
(2)煤層氣站場(chǎng)的無(wú)人值守化
國(guó)內(nèi)煤層氣項(xiàng)目基本采用井場(chǎng)無(wú)人值守、有人巡檢,集氣站有人值守、自動(dòng)控制的模式,人力成本較高,隨著煤層氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)的日趨完善,數(shù)字化水平的不斷提高和低成本開(kāi)發(fā)的需要,集氣站將逐步向無(wú)人值守方向發(fā)展,基于調(diào)控中心和采氣作業(yè)區(qū)整體數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控管理,實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)塊生產(chǎn)的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、計(jì)量及調(diào)度管理等。
(3)建立更為豐富的建產(chǎn)合作模式,形成共享服務(wù)模式
煤層氣勘探風(fēng)險(xiǎn)大、投入高、回收期長(zhǎng)。國(guó)家用于煤層氣基礎(chǔ)勘探資金少,規(guī)定的最低勘探投入低,探礦權(quán)人投資積極性不高,社會(huì)資金參與煤層氣勘探存在障礙,融資渠道不暢,勘察程度低。同時(shí),煤層氣地質(zhì)條件復(fù)雜,單井產(chǎn)量低,這些客觀條件都將直接影響投資回收期、綜合經(jīng)濟(jì)效益等一系列生產(chǎn)指標(biāo)。
目前,煤層氣田站場(chǎng)設(shè)備一般為一次性購(gòu)買(mǎi),投資成本較高,且站場(chǎng)設(shè)備例如壓縮機(jī)等大型設(shè)備閑置率較高,折舊成本上升,因此,發(fā)展更為豐富的建產(chǎn)合作模式將成為新的發(fā)展趨勢(shì),例如,煤層氣田建設(shè)單位與設(shè)備廠家合作,站場(chǎng)設(shè)備實(shí)行租賃的新型模式,實(shí)現(xiàn)共贏;或者煤層氣建設(shè)單位與設(shè)備倉(cāng)儲(chǔ)單位進(jìn)行合作,實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)資源共享。
(4)利用“互聯(lián)網(wǎng)+”建設(shè)智慧化氣田
傳統(tǒng)煤層氣田存在管理效率低、人力成本高、技術(shù)決策風(fēng)險(xiǎn)大等發(fā)展瓶頸,面對(duì)煤層氣低成本開(kāi)發(fā)的需求,需要轉(zhuǎn)變生產(chǎn)組織方式,降低運(yùn)營(yíng)成本,提高管理效率。
面對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的到來(lái)和國(guó)家“智慧能源”戰(zhàn)略的提出,借力“互聯(lián)網(wǎng)+”,對(duì)資源進(jìn)行聚合、集成、配置和優(yōu)化,設(shè)計(jì)“云、網(wǎng)、端”基礎(chǔ)設(shè)施,建設(shè)“數(shù)字化氣藏、數(shù)字化井筒、數(shù)字化地面”系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)勘探開(kāi)發(fā)與建設(shè)營(yíng)運(yùn)全生產(chǎn)鏈條、全過(guò)程、全生命周期的數(shù)字化和智慧化管理。
(5)煤層氣橇裝化及一體化設(shè)備的研究及推廣
煤層氣站場(chǎng)一般具有進(jìn)站分離、過(guò)濾、壓縮、脫水、計(jì)量等工能,場(chǎng)區(qū)由多個(gè)單元組成,造成場(chǎng)區(qū)占地面積大、設(shè)備數(shù)量多、安裝管線(xiàn)復(fù)雜。
根據(jù)煤層氣集約化用地、橇裝化設(shè)備、復(fù)用化設(shè)計(jì)、快速化投產(chǎn)等理念,煤層氣站場(chǎng)各功能模塊應(yīng)進(jìn)行組裝,研發(fā)和推廣橇裝化及一體化設(shè)備,實(shí)現(xiàn)煤層氣田的高效建造。
(6)節(jié)點(diǎn)增壓技術(shù)的實(shí)踐及推廣
針對(duì)煤層氣田井場(chǎng)回壓低,產(chǎn)量低等特點(diǎn),國(guó)外煤層氣田已有節(jié)點(diǎn)增壓的實(shí)踐,即在井場(chǎng)設(shè)置小型的壓縮機(jī),適當(dāng)提高井場(chǎng)壓力,進(jìn)而提高井場(chǎng)產(chǎn)氣量及進(jìn)入集氣站的壓力。
隨著國(guó)內(nèi)煤層氣田的開(kāi)發(fā)和建設(shè),如何有效的提高部分井場(chǎng)回壓,使煤層氣有效進(jìn)入管網(wǎng)已成為亟待解決的問(wèn)題。因此,有待于實(shí)踐及推廣節(jié)點(diǎn)增壓技術(shù),提高井場(chǎng)壓力,進(jìn)而提高集輸管網(wǎng)的效率。
(7)煤礦瓦斯提純技術(shù)研究
煤礦瓦斯的甲烷含量比較低,一般為5%~55%,含有氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳和水等,因此煤礦抽放瓦斯,其品質(zhì)不如地面開(kāi)發(fā)的煤層氣品質(zhì),利用程度不高。對(duì)于煤礦瓦斯的提純,目前工業(yè)化的技術(shù)方法一般為真空變壓吸附法,因此,需對(duì)提純技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步技術(shù)研究。
(8)煤礦瓦斯綜合利用
目前比較成熟或處于工業(yè)示范階段的煤礦瓦斯利用技術(shù)主要包括內(nèi)燃?xì)庵苯影l(fā)電技術(shù)、催化氧化汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)、催化轉(zhuǎn)化技術(shù)。其中催化氧化汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)、催化轉(zhuǎn)化技術(shù)仍處于工業(yè)示范階段,只有內(nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)較為成熟, “十二五”期間,瓦斯發(fā)電裝機(jī)容量193萬(wàn)kW,居民用戶(hù)超過(guò)127萬(wàn)戶(hù)?!笆濉逼陂g,將重點(diǎn)示范低濃度瓦斯發(fā)電、分布式瓦斯利用等技術(shù)裝備。