煤层气集气管道计算影响因素分析

何军 惠熙祥 巴玺立 金硕 张哲

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油北京油气调控中心）

煤层气田具有组分贫、井口压力低、单井产量低、井口数量多、井网密集，并且，大多处于丘陵山区等特点，因此，煤层气田一般采用低压集气、多井串接、集中增压的工艺模式。低压集气需要建设大量的管道，投资较高。因此，分析集气管道计算参数影响因素及其规律，有助于准确确定集气管道规格，降低管道投资。

1 影响因素分析

一般情况下，煤层气井口压力约为200kPa，单井产量约为1 000～2 000m3/d，集气站进站压力约为50kPa，集气管道沿线高程差小于600m。

本文着重分析管道流量、管径、含水率、高程、末点压力等因素对管道积液量、压降等参数的影响。分析采用的煤层气组分见表 1。由于井口套管采出气中会带有少量的游离水，因此，需要计算含过饱和水的煤层气组分。根据现场提供的含水数据，添加游离水后的煤层气组分见表2。

表1 煤层气组分

表2 含过饱和水的煤层气组分

采用PipePhase（多相流模拟计算软件）建立管网水力学模型，模型见图1。

图1 煤层气管道水力模型

1.1 管道流量影响

设定集气站进站压力为 50kPa，水平管道长度为5km，管径为150mm。经计算，管道压降、压降梯度及积液量随流量的变化情况见表3。

相同管径下，流量与流速成正比，而摩擦阻力与流速的平方成正比。因此，随着流量的增加，流速逐渐增大，压降也越来越大。

表3 不同流量下管道参数变化

由表3可以看出，流量对管道压降梯度的影响明显，而对积液量基本没有影响。当流量为 0.3×104m3/d时，管道压降梯度为0.14Pa/m；当流量为3.5×104m3/d时，管道压降梯度增大至11.40Pa/m。

1.2 管径影响

设定集气站进站压力为 50kPa，水平管道长度为5km，管道流量为1.0×104m3/d。经计算，管道压降、压降梯度及积液量随管径的变化情况见表4。

表4 不同管径下管道参数变化

流量一定时，管径越大，管道流通截面增大，流速越小，管道摩阻越小。因此，随着管径的增大，流速及管道压降逐渐减小。

由表4可以看出，管径对管道压降梯度的影响显著，而对积液量基本没有影响。当管径为 80mm时，压降梯度为30.40Pa/m；当管径为150mm时，压降梯度降至1.24Pa/m；当管径为 300mm时，压降梯度降至0.06Pa/m。管径150～300mm之间压降变化不大。因此，当管径增大到一定程度，放大管径带来的压降梯度减小将不再明显。

1.3 含水率影响

设定集气站进站压力为 50kPa，水平管道长度为5km，管道流量为1.0×104m3/d，管径为150mm。根据目前煤层气的现状适当选取含水率范围。经计算，管道压降及积液量随含水率的变化情况见表5。

表5 不同含水率下管道参数变化

由表5可以看出，含水率对管道流速的影响不明显；当含水率为0.2%～0.6%时，压降变化不大，当含水率大于0.6%时，有积液产生，压降变化较大。因此，当含水率超过一定值时，对压降及积液量的影响较为显著。

1.4 地形起伏影响

设定集气站进站压力为 50kPa，管道总长度为5km，管道流量为2.0×104m3/d，管径为150mm。经计算，在不同的地形起伏（“V”型、“W”型、“M”型、“N”型、“上倾”、“下倾”、“水平”）条件下，管道参数的变化情况见表6、表7。

表6 高程差20m时不同地形起伏下管道参数变化

表7 高程差200m时不同地形起伏下管道参数变化

由表6、表7可以看出，由于煤层气气质较纯，积液较少，管道积液量随地形起伏的变化并不明显。但是，流型随地形起伏变化较大，这是由于管道中的液体常聚集在低洼处，当管内液体较多，阻塞气流流通面积时，就由分层流转变为气团流；当管内液量不足以阻塞管路时，液体被高速气流吹向管壁，管内流型将由气团流变为分层流。

当起点与终点高程差较小时，管道压降几乎没有变化；当起点与终点的高程差较大时，对压降影响较大，并且，上坡坡度越大压降越大，下坡坡度越陡压降越小。

1.5 末点压力影响

设定水平管道长度为 10km，管道流量为 10.0×104m3/d，管径为300mm。经计算，管道压降随末点压力的变化情况见表8。

表8 不同末点压力下管道参数变化

由表8可以看出，当末点压力为50kPa时，压降梯度为2.20Pa/m，当末点压力为60kPa时，压降梯度为 1.91Pa/m，压降降低明显。但是，随着末点压力从60kPa逐渐增大，压降降低并不明显。

2 敏感因素分析

根据压力梯度及积液量变化程度判断管道流量、管径、含水率、高程、末点压力对管道参数影响的敏感性。由于现场一般采用低点排液技术，因此，判定条件仅考虑压降梯度变化值。当压降梯度大于5.00Pa/m时，判定为敏感。敏感性程度判定情况见表9。

表9 流量等因素对管道参数敏感性程度

从敏感性程度分析，初步判断影响煤层气集输参数的关键因素为管径及流量。

3 结论及建议

一是，在煤层气集气管道计算中，影响集输参数的关键因素是管径及流量，在集气管道计算时需要重点考虑。

二是，当含水率超过一定范围时，需要考虑积液量及流型对管道压降的影响。

三是，当起、终点高程差较大时，需考虑地形起伏对压降的影响，尽量避免采用“V”型及“W”型敷设管道，若无法避免时，需考虑低点排液措施。