沁水盆地煤层气田集输系统建模方法综述

吕晨洁 潘 峰 郭笑沁

（太原科技大学电子信息工程学院，山西 030024）

沁水盆地煤层气田集输系统建模方法综述

吕晨洁 潘 峰 郭笑沁

（太原科技大学电子信息工程学院，山西 030024）

随着人类可用资源逐渐减少，已运行数年的沁水盆地煤层气田产气量成为了人们关注的问题，因沁水盆地特殊的地理地势以及现有气田集输系统的局限，导致煤层气开发难度大，且大量开采出的煤层气到达地面后无法有效收集而白白散失掉。本文总结了近年来沁水盆地各区块的发展概况以及集输工艺现状，在分析了众多气体管网模拟软件后选择了我国自主研制的RealPipe气体管道仿真软件，提出了建立煤层气田管网模型的主体思路，和后期对集输系统的优化方向。

集输系统 建模 优化 RealPipe

1 沁水盆地煤层气田各区块开发现状

虽然沁水盆地煤层气田具有较为完备的开发系统，但尚属新兴行业，开发程度较低，研究队伍薄弱，投入多收益少，难以实现商业化运作和大批量生产使用。

1.1 樊庄、郑庄区块

2001年探明位于沁水盆地东南部的樊庄区块含气面积为182.22km2，地质储量为352.26× 108m3，具备煤层气开发基础。目前，樊庄区块已成功投产6座集气站，建立440口井，集气管网48.7km，采气管网230km，输气规模已超过90×104m3／d。郑庄区块2012年投产建设5座集气站，采气管道和集气管道约为460km，产能为9× 108m3／a。

1.2 枣园井组

2003年，山西沁水盆地的枣园井组建成并开始运行。枣园井组建有15口生产试验井，日压缩能力为3.6×104m3的小型天然气压缩站，以及日发电量为400kW的小型煤层气发电站，实现了小规模的煤层气集输、储运、商业化生产和利用。

1.3 潘河区块

截止2006年，山西沁水盆地潘河区块已经建成40口井并投入生产，集输管网中设有1座集气站，4座阀组站，1座煤层气供气站，平均单井产气量为3000m3／d以上。

1.4 马必区块

马必区块产能建设总规模为25×108m3／a，其中一期为10×108m3／a，二期为15×108m3／a。一期建设5座集气站，6条集气管道，采气管道和集气管道约为1055km，同时配套建设了处理厂，规模为25×108m3／a，商品气向外输送至西气东输管道。

1.5 潘庄区块

潘庄区块的规划产能建设规模为5×108m3／a，一期建设8座处理能力为4×104m3／d的集气站，1座处理能力为35×104m3／d的集中处理站，商品气大部分外输，剩余小部分就地输送给天然气加气母站。

1.6 夏店区块

夏店区块产能建设规模为15×108m3／a，建有6座集气站，1座沁南处理厂，集气管道和采气管道约667km。

2 沁水盆地集输工艺现状

沁水盆地是我国目前勘测到的煤层气储量最丰富的煤层气田之一，中国石油华北煤层气分公司、中联煤层气有限责任公司和晋煤集团蓝焰煤层气公司在沁水区域都有项目实施，且都取得了阶段性成果。

2.1 中国石油华北煤层气分公司

樊庄、郑庄区块煤层气田地面集输工艺流程为：井场－采气支线－阀组－采气干线－集气站－中央处理厂－外输（或液化天然气工厂）。

井场来气压力为0.15～0.30MPa，经由采气支线汇入阀组，汇集后由采气干线输送到集气站，再经过滤、分离后汇入压缩机组，将煤层气压力增至1.20～1.65MPa，计量后经集气管道输送给中央管理厂。

中央处理厂将来气经过滤、分离、段塞流捕后送入压缩机组，将煤层气压力增至5.70～6.10MPa，经过滤分离、脱水、计量后外输或送至液化天然气工厂。流程图如图1所示。

图1 樊庄、郑庄区块煤层气田地面集输工艺流程

2.2 中联煤层气有限责任公司

潘河区块煤层气田地面集输工艺流程为：井场－阀组－集气站－天然气加气母站（或外输）。

井场来气压力为0.15～0.30MPa，经分离器进行气液分离后，经由采气管道进入阀组，再经调压后汇入集气站，集气站将阀组来气经过滤、调压和计量之后进入压缩机，将煤层气压力增至0.7MPa，然后汇入天然气加气母站或送去外输。流程图如图2所示。

图2 潘河区块煤层气田地面集输工艺流程

2.3 晋煤集团蓝焰煤层气公司

晋煤集团蓝焰煤层气公司集输系统工艺流程为：井口－阀组－集气站。

该集输系统中井口的工艺流程比较简单，没有设放空装置，需要将井口的气体集中到阀组进行集体放空，井场中只有一个气水分离装置，可对煤层气中的水分进行简单的分离，流程大大简化，井场占地面积减少，从而建设和维护费用也大大减少。

然而，由于沁水盆地的地理地势特殊，导致煤层气开发难度较大，加之现有的煤层气田集输系统有很大的局限性，大量开采出的煤层气到达地面后无法有效收集起来而白白散失掉。本文针对现有煤层气田集输系统进行建模，并结合实际工况、地质条件提出优化方向，将有望提高煤层气的开发产量，更好地利用其为社会服务。

3 建立集输系统管网模型

煤层气集输是煤层气生产过程中的重要环节，为保证煤层气在输送过程中更安全、平稳，需实时掌控煤层气集输管网系统的运行状况，依照上、下游的实际情况和工况条件对煤层气集输系统做出相应的调整。

模拟煤层气集输管网在不同条件下的运行情况，分析可能存在的问题，有针对性地提出煤层气集输管网的运行及改造方案，是提高集输管网的管理水平、合理调配集输管网的有效手段。

3.1 建立集输系统管网模型软件简介

目前，煤层气管网模拟领域中有以下几种已经成功应用的软件：

（1）Pipeline Studio（TGNET）软件是英国ESI公司开发的一款模拟气体和液体管网的软件，已被使用了20余年，现已在很多方面应用，其中包括管道工程设计、管网调整优化、管道日常管理、调气方案制定等，可以模拟输气管道中的单相流，评价天然气管道中的设计或操作参数是否合理，以获得最优化的天然气管网系统性能。

（2）SPS（Stoner pipeline simulator）软件是美国Stoner公司研发的一款能够离线实时模拟计算长输管道的瞬态流体仿真应用软件，分为气体和液体两个模块，可以分别用于模拟管网中天然气或油品的动态流动。主要包括管道的实时在线仿真、实时状态预测、泄露检测、培训器以及离线仿真五个模块。

（3）PCASIM软件是加拿大Novacorp公司设计的一款功能齐全、性能稳定、实用价值高的输气管网系统稳态模拟程序。该程序采用节点与连接单元相结合的模拟形式，节点数可多达200点，可对各种复杂的输气管网包括压缩机站进行稳态模拟计算。

（4）RealPipe软件是由中国石油管道科技研究中心研发的一款天然气管道仿真软件。它可以运用计算机模拟技术对天然气管道在不同工况下的热力、水力参数和设备运行状态进行模拟，从而获得管网在预期工况下的运行情况，可以预测管网在实际运行时的水力、热力变化情况，并监测管网中的设备，确保管网安全、可靠、经济运行。该软件的研发充分利用了已有的技术成果，并在此基础上开发了新的软件功能，除常规管道仿真软件的功能外，还可以模拟计算复杂的环状管网，打破了国外天然气仿真软件对我国的技术封锁，同时提出了适应我国气田特殊地质环境的管网模拟功能，大大促进了我国管道仿真领域的发展。

综合考虑，将采用RealPipe仿真软件进行集输系统管网模型的建立。

3.2 建立集输系统管网模型的公式和依据

气体在管道内流动符合质量守恒、动量守恒以及能量守恒定律，考虑压力、温度和组分对气体密度等参数的影响，以及管道流通面积的变化，列出气体在管道内流动的质量、动量和能量守恒方程：

式中：θ——管道与水平面间的倾角，rad；

ρ——气体密度，kg／m3；

P——气体压力，Pa；

ν——气体流速，m／s；

T——气体温度，K；

t——时间变量，s；

D——管道的内径，m；

K——管道的总传热系数，W／（m2·K）；

g——重力加速度，m／s2；

T0——管道深埋处的土壤温度，K；

λ——管道的摩阻系数，无量纲；

x——管长坐标，m；

U——能量流动密度。

Α——气体在管道内的流通面积，m2；

RealPipe软件选择的天然气状态方程为BWRS方程，这是一个多常数的状态方程，它的应用范围比较宽，并且在高压、低温情况下的准确度都比较高，被认为是目前用于计算天然气最精确的状态方程之一。

式中：R为气体常数，值为8.314kJ／（kmol·K）。

3.3 建立集输系统管网模型的方法

建立煤层气田的管网仿真模型的方法：

（1）根据气田的图纸在RealPipe软件中绘制注入站、管道、阀门、分输站以及压缩机等元件，使模型结构与实际气田结构一致，确保所建模型可以真实地反映实际气田的结构。

（2）在此基础上，依据气田所提供的资料中的参数分别对各元件进行设置，如管道的粗糙度、管长、管径，压缩机的转速，元件控制方式，高程，低温等参数。

（3）参数设定完成后选取多组不同工况下的数据输入模型中进行模拟运算，得出运算结果与实际气田中的生产运行数据进行比对，计算相对误差是否满足工程计算精度要求，如误差较大，可选取其它几组稳定工况的运行数据对模型进行修正，最终相对误差满足工程要求时，该模型就可以很好的模拟实际的煤层气田，并可以进行所需的运行计算分析，以及对气田的优化方案设计等问题。

4 集输系统的优化方向

集输系统的优化需要根据具体煤层气田特有的井口数量、井间距、单井产气量、井口压力、气体组分、气体流向、地质条件等因素综合考虑确定，目前已有许多针对地面集输系统优化的方案，如简化低压集气工艺，即调整井位部署、减少几座集气站；采用井间枝上枝串接方式，即通过采气支线把相邻的某几口井串接在采气干线上，汇集在一起集中进站；应用非金属管材，PE管材具有强度、柔性好、压损低、无污染、使用寿命长等优点，可以降低投资和施工风险。

沁水煤层气田现已建好并投入运行，运用上述方案对煤层气田集输系统进行优化时需改变管网结构、重新敷设管线，但工程量大、成本较高，不宜采用。故将优化的主要内容集中在压力系统的优化上，由于采气管线相连接的各井口之间相互影响，并且负压过大会导致煤粉混入气体堵塞管道，不能单纯地降低井口压力以达到气田总产气量最大的目的，需综合考虑对井口压力、各元件压力、进出口压力进行优化。同时，通过对各井口压力的调节来提高产气量时，可能导致输送管线压力增大，运行维护难度和费用提高，故要对中远距离输送的压力控制技术及增压工艺进行优化。最终达到提高气田总产气量，降低生产能耗和资产投入的目的。

［1］ 陶永，王红霞，等.沁水盆地煤层气田压缩机的选择与应用［J］.石油规划设计，2015，26（3）：29－31.

［2］ 薛岗，许茜，王红霞，等.沁水盆地煤层气田樊庄区块地面集输工艺优化［J］.天然气工业，2010，30（6）：87－90.

［3］ 陶永，王红霞，等.沁水盆地煤层气田地面工程建设的优化与实践［J］.煤气与热力，2015，35（5）：B28－B34.

［4］ 陈仕林.煤层气田地面集输工艺发展现状［C］.北京：2008年煤层气学术研讨会论文集，2008.413－417.

［5］ 刘洪.山东天然气干线管网仿真模型建立及应用［D］.成都：西南石油大学，2014.

［6］ 杨恒，张理.PIPELINE STUDIO软件在管网模拟分析中的应用［J］.天然气勘探与开发，2015，38（3）：91－94.

［7］ 刘定智，刘定东，李茜.TGNET及SPS软件在天然气管道稳态计算中的差异分析和比较［J］.石油规划设计，2011，22（5）：18－22.

［8］ 郑琦薇.SPS仿真系统在上海天然气管网中的应用［J］.电子技术与软件工程，2013（12）：55－56.

［9］ 张良鹤.输气管线系统稳态模拟程序PCASIM［J］.天然气与石油，1994，12（2）：55－61.

［10］ 郑建国，宋飞，等.大型天然气管道仿真软件RealPipe－Gas研发［J］.油气储运，2011，30（9）：659－662.

［11］ 沈孝风.输气干线管网瞬态模拟仿真与优化技术研究［D］.北京：中国石油大学，2010.

（责任编辑 刘 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

山西省晋城市攻关项目计划（201501004-17）和太原科技大学研究生科技创新项目（20151011）。

吕晨洁，女，硕士研究生，主要研究方向为煤层气集输系统的建模及优化。