煤层气地面集输管网优化

蒋 洪 张 黎 任广欣 陈思锭

1.西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500

2.中国石化西北油田分公司塔河采油二厂，新疆 库尔勒 841604

0 前言

目前， 我国煤层气田已进入到规模化开发阶段，具有“低产、低压、低渗、井多”等特点［1］，其地面集输管网极其复杂。 国内煤层气田的开发总体尚处起步阶段，其地面集输工程设计主要参考苏里格气田等低压气田的成熟经验。 现有煤层气地面集输工程设计主要存在集输管网布局及工艺参数不合理、投资较大、能耗较高等问题，煤层气集输管网设计有待进一步研究和优化。

1 煤层气地面集输工艺及特点

经过多年煤层气田开发与实践，国内逐渐形成了一套有别于常规天然气田的独特集输工艺技术，主要采用“分片集输、多井低压集气、单井简易计量、多井单管串接、集中增压、集中脱水处理和外输”的煤层气集输工艺［2］，采用“井场—采集气管网—增压站—中央处理厂-外输”的集输工艺流程，见图1。

图1 煤层气集输系统组成

井口套管产出的煤层气经油嘴节流、计量后进入集输管网，靠自身压力输送到集气阀组和增压站，在增压站内进行过滤、分离、增压等预处理后，通过增压站外输管线输送至中央处理厂进行过滤、分离、增压和深度脱水等处理，合格的天然气外输。 煤层气田开发具有低产（2 500～5 000 m3/d）、低压（0.2～0.5 MPa）、低渗等特点，导致气田单位产能建井数多，井网密集，整个气田处于低压生产状态，开发投入高、产出低、风险大。 通过大量煤层气采集气管道水力模拟计算表明：

a）当井口压力在0.2～0.5 MPa 时， 水合物形成温度一般介于-55～-40 ℃。在集输压力下，其水合物形成温度低于环境温度，集输管道内不会形成水合物。

b）采集气管道流速宜控制在20 m/s 以下，以减少管道积液，减少摩阻损失，降低PE 管静电风险，合理利用压差。

c）煤层气采集输管线高差＜100 m 时，高程对采集输管线压降的影响较小， 可以忽略不计； 当高差≥100 m时，应考虑高程对管道压降的影响。

2 煤层气集输管网适应性分析

煤层气地面集输管网的布局问题较为复杂，其管网形式主要与气田地形地貌、井位布置、集输半径、集气站规模以及所在地区的交通、环境等因素有关。 煤层气地面集输管网的形式主要可分为枝状管网和环状管网。 实际工程中，煤层气集输管网类型并不是单一类型，而常常是两种或多种管网形式的组合［3］。

2.1 枝状管网

图2 煤层气集输管网布局形式

枝状管网形同树枝状，有一条贯穿于气田长轴方向的集气干线，将分布在干线两侧的煤层气井场通过采气干线和集气支线纳入集气干线， 由集气干线输至增压站，管网布局见图2-a）。 而近年来提出的“枝上枝”管网是枝状管网中一种较为特殊的地面集输管网布局形式。其较普通的枝状管网仅多了集气阀组，集气阀组通常建在井场相对位置较为集中的小区块，承接该小区块的井场来气，管网布局见图2-b）。“枝上枝”管网已成功应用于山西沁南煤层气田樊庄区块、 郑庄区块及山西沁南潘河煤层气田等地面建设工程中， 证明了适用性和经济性［4］。

当煤层气井场分布在狭长的带状区域内， 井场位置相对分散且井网距离较大时，宜采用枝状管网。 枝状管网缩短了采气管线长度，气田建设十分灵活且便于扩展，可满足煤层气田滚动开发和分期建设的需要。 陕西韩城煤层气田已建区块采用了枝状管网，该区块呈带状分布、南北走向，气井之间位置相对较分散，地形起伏较大。

2.2 环状管网

环状管网是将集气干线布置成环状，周围井场通过采气干线就近插入集气干线，在环状管网上适当位置引出采气干线至增压站，管网布局见图2-c）。 环状管网调度气量方便，气压稳定，局部发生事故时影响面小。 环状管网压降较小， 充分利用压力能延长煤层气输送距离，增加集输半径，提高管网运行的可靠性。 环状管网主要适用于构造面积较大的山区［5］。

3 煤层气集输管网优化方法

煤层气集输管网优化目标是使集输管网系统费用最省，包括井场、采气管线、集气阀组、集气管线、增压站、中央处理厂等投资费用和运行费用。 该优化数学模型属于约束非线性混合变量优化问题，其中涉及到连续变量（如管长、压力等）和大量离散变量（如管径、壁厚等）等多种类型的变量，加之影响增压站及中央处理厂投资主要因素（如地形、交通及环境条件等）的约束条件无法量化，若采用常规约束非线性优化求解方法，优化结果将偏离工程实际，无法满足工程设计要求。 因此，结合煤层气开发方案及集输工艺特点，提出适合煤层气集输管网的分级优化方法，将优化问题划分为布局优化和参数优化两个独立的子问题分别求解。 煤层气集输管网优化具体实施步骤见图3。

3.1 布局优化

煤层气集输管网布局优化关键在于有效利用压差，确定合理的管网布局，增加集输半径，减少中间场站，降低管网成本。 由于煤层气井口到增压站距离较长，可利用的有效压差较小（200 kPa 左右），要减少地面集输管网投资，须尽量增加集输半径，主要措施有：

a）采集气管道应选用非金属管道。 非金属管道较钢管摩阻小，成本低，可较好适应低压煤层气集输要求。 经过比较， 当内径＜300 mm， 可选用PE 管； 当内径≥300 mm，可选用螺旋缝埋弧焊钢管。

图3 煤层气采集管网优化具体实施步骤

b）减少管线积液。在采集输管线最低点处设置分水器，并增大采集输管线的气体流速，提高气体的携液能力以减少积液。

c）采用合理的管网布局。 平坦地区可采用“枝上枝”管网形式，采用集气阀组代替集气站，阀组间可实现串接，增大集输半径（可达17 km）。

通过以上措施，结合煤层气田地形地貌、开发方案及集气站集气规模等因素， 确定煤层气田管网布局形式。 进一步采用分级优化方法，优化井间串接和站址。

井间串接优化： 根据煤层气田开发方案和井位布置，在电子地图上对需连接的2～6 口井从较远单井开始逐步连接，最终确定若干符合工程实际（综合地形地貌及施工难度等考虑）的连接方案，再按线路最短原则进行方案比选。

站址优化：根据煤层气区块所处位置、布井方案和总体规划图，对场站（集气阀组、增压站和中央处理厂）站址分别提出若干个可行且相对较优的站址备选方案，通过进行可行性和经济投资的多方案比选，合理优化布站方案。

3.2 参数优化

煤层气田集输管网参数主要包括压力等级优化和采集输管道优化，目的是在满足用户所需流量、压力等约束条件下，对系统压力等级和采集输管道管径进行优化。

压力等级优化： 确定煤层气处理工艺和外输压力后，在增压站和中央处理厂进行压力等级优化，有利于降低其集输管网成本。 为增压站和中央处理厂建立多种压力等级方案，通过技术经济比较，优化增压站出站压力和中央处理厂工作压力。

采集输管道管径优化：管径优化问题属于约束非线性离散变量优化问题，煤层气田采集输管道类型和规格较多，不宜直接采用常规约束非线性优化求解。 在工程应用中，基于煤层气集输管网布置图，根据节点压力和流量平衡原则对集输管网进行简化，建立集输管网的水力模拟等效图（见图4），逐步优化采集输管道管径。其优化方法如下：

图4 管网等效模型

a）管网最远端井口压力应≤200，而增压站和中央处理厂的进站压力则不应低于各自允许的最小进站压力。

b）采集气管道流速宜控制在20 m/s 以下，集气干线应尽可能选用较小管径，以在其上分配较多压降，降低管网成本。

c）集输管网中的采气干线和集气干线应尽量统一管道规格，以便施工和清管作业。

煤层气集输管网管径优化方法：依据集输管网水力模拟等效图，设定采集输管道的节点压力和流量，逐步从中央处理厂开始由近及远反算集气干线、集气支线和采气干线的管径， 确定各采集气管道的初步管径方案。若确定的管径规格过多，则根据工程经验统一干线管径规格，确定出调整后的管径方案。 利用多相流管网模拟软件建立煤层气集输管网模型，对初选的管道规格管网方案进行模拟计算，对不符合要求的管道管径再次进行调整，重复进行管网模拟计算，直至最终优选出满足要求的采集输管道管径。

4 煤层气集输管网优化实例

4.1 H 煤层气区块集输管网布局

H 煤层气区块地处黄土高原，所处地区的地形地貌多样，相对高差300 m，地势西北高东南低，区块集气量150×104m3/d，辖单井645 口，单井平均产量2 200 m3/d，共129 座5 井式丛式井场。 该区块分为东集气管网和西集气管网，分别辖井场62 座和67 座。 根据H 区块地形和周边环境，综合考虑三种管网形式，选择枝状-环状组合式管网，见图5。

图5 H 煤层气区块集输管网

4.2 布局优化

H 煤层气区块均为5 井式丛式井场，进行井间串接，在合适的位置设立井场。 对H 增压站选址提出两种方案，方案比选见表1。

表1 增压站选址方案比选

综合比较两种方案，推荐采用方案一。 同理，中央处理厂的位置可参考增压站的选择进行方案比选。 在东、西两区各建1 条集气干线，东区块设7 条集气支线，西区块设5 条集气支线。 井场通过采气干线就近接入集气支线。

4.3 参数优化

集输管网参数优化主要包括压力等级优化和采集输管道优化。

在增压站和中央处理厂分别进行增压，提出了三种压力等级优化方案，压力等级优化比较见表2。通过技术经济比较后，确定集气站的出站压力1.5 MPa，中央处理厂进厂压力1.2 MPa，出厂压力3.8 MPa。

建立集输管网的水力模拟等效模型， 根据煤层气集输管网管径优化方法，优化采集输管道管径。集气支线可选用变径管，集气干线由于清管需要，一般选用通径管，且尽可能减少采集输管道规格。管线参数优选见表3。

表2 压力等级优化比较

表3 管线参数优选

5 结论

a） 煤层气地面集输管网的形式主要可分为枝状管网和环状管网。 枝状管网较适用于狭长带状区域内分布的且井网距离较大的井场，也适合于地形起伏较大的山地与丘陵地带。 而环状管网则主要适用于构造面积较大的山区。

b） 采集气管道宜选用PE 管，流速宜<20 m/s，在管线最低点处设置分水器。

c）依据煤层气集输管网特点，将集输管网优化问题分为布局优化和参数优化，提出煤层气集输管网工程性优化方法。

d） 提出煤层气集输管网水力模拟的等效模型及采集输管网管径优化方法，为煤层气田地面集输工程设计提供快速有效的技术手段。

［1］ 谢传礼，涂 乙，涂 辉，等. 我国煤层气开发对策及前景展望分析［J］. 天然气与石油，2011，12（6）：40-45.

［2］ 李士富，王曰燕，王 勇. 山西沁水煤层气液化HYSYS 软件计算模型［J］. 天然气与石油，2010，8（4）：22-25.

［3］ 孟荣章， 李书文， 汤 林. 大型气田集输管网布局优化［J］.石油规划设计，1998，18（2）：16-18.

［4］ 许 茜，薛 岗，王红霞. 沁水盆地煤层气田樊庄区块采气管网的优化［J］. 天然气工业，2010，30（6）：91-93.

［5］ 姚麟昱，骆 彬，孟庆华. 川西高压高产气田集输管网规划设计［J］. 石油规划设计，2010，21（6）：21-24.