煤层气采空井冬季集输管道维护经验及建议

卫强强，陈文科

(1.山西西山蓝焰煤层气有限责任公司，山西 太原 030200； 2.山西蓝焰煤层气集团有限责任公司，山西 晋城 048200)

煤层气采空井是通过地面负压抽采的方式，从已停采、封闭的煤矿工作面中，抽采残留在采空区空间、岩层及保护煤柱内煤层气资源的一种新型生产井[1]，不但具有成本低，见效快等优点，而且能减少残留瓦斯对煤矿井下安全开采的威胁。采空井专门针对煤矿采空区布置，是三区联动抽采理论，采煤采气一体化理论重要实践[2-5].

采空井与传统煤层气井在产气机理和工艺流程上存在差异，需要在生产实践中不断总结经验，形成与之相适应的抽采规范。西山蓝焰公司自2015年下半年着手在西山煤电古交区块布置采空井，在较短时间内对气量形成有效补充，取得良好的抽采效果。在生产维护过程中发现采空井春夏秋三季运行稳定，维护难点主要集中在冬季，极低的温度条件给设备运行和管道维护带来了极大的挑战。

1 采空井管道集输的特点

1.1 管道露天铺设

目前对于影响采空井气量的研究还相对滞后，在运行之前，难以对气量和生产年限做出准确判断。因此，普遍先采用试运行的方式，即采用柴油发电机或瓦斯发电机等临时供电方式，和管道露天铺设的临时集输方式，以便减少不必要的投入，降低成本。

管道露天铺设是发生冰堵的客观条件，古交冬季野外气温达到-30°以下，集输管道内的水份会结冰，降低管输面积，甚至发生冰堵，极大地影响管道集输安全。

1.2 产出的气体中含水量高

生产过程中发现采空井气体中携带的水量较传统井大很多。极端天气下，多数采空井一日甚至需放水3次，才可确保不发生严重冰堵。CK-02井在每日放水的前提下，次日凝水缸放出纯水的时间仍会长达10～20 s.

水露点是反应集输气体饱和水汽含量的指标，管输气水露点高，其水汽含量高，则易析出水合物，对设备、管道运行效率等造成不利影响[6-7]. 水露点与压力呈正相关性，即在气体含水量不变的情况下，随着压力的升高，水露点也随之升高[8]. 而采空井采用的是负压抽采、增压输送的生产方式，不但增加了气体中水分含量，也提高了水露点,使得在冬季低温条件下析出大量水合物。

水合物的形成是发生冰堵的物质基础，现有技术条件下不可能完全消除，管道维护中需尽量降低管道内水合物含量，避免发生积聚。

1.3 抽采设备维护难度高

采空井采用地面负压抽采的方式进行生产。通过井口的增压机，抽采采空区内残留的气体，有时还需柴油发电机或者瓦斯发电机为增压机提供动力。采空井生产虽不涉及排水降压、储层保护等煤层气生产理论，但极其依赖设备。增压机停机后，气体失去运移动力，气量随之降为零，极端低温天气影响了发电机、增压机等设备的稳定运行。

管道内积水或发生冰堵，都会造成增压机因排气压力高而故障停机。停机后，管道内积水失去运移动力，势必会发生回流，在地势较低处积聚，加剧冰堵。两者相互影响，极易在低温条件下发生恶性循环。

2 CK-02井管道维护经验

在不用空压机进行吹扫的情况下，采空井管道维护的手段，主要有以下几种：1) 加装放水阀门和低进高出的凝水缸。2) 在管道和凝水缸下部缠保温棉和锡箔胶带，具备供电条件的，要在保温棉内加缠伴热带。

CK-02井于2015年10月30日投运，日均产气量约6 000 m3. 管道全长约600 m，高差约70 m，管道走向示意图见图1.

图1 2015年冬XSTCK-02井单井管道走向示意图

气体经增压机抽出后，经d65 mm的PE管输送至T-07井，再一起输送至集输站。为便于描述分析，对CK-02井和T-07井之间的管道进行分段，其中：

1—2—3段：该段管线基本位于井场平台，地势平缓，积水易积聚，管内气体携带水流动的声音较大。出增压机后布置一凝水缸。2—3段有一低点，积水易在此处汇集。

处理方法：1) 充分利用离井场近，具备供电条件的优势，全段缠伴热带、保温棉和锡箔胶带，避免发生结冰。2) 把2—3之间的低点用木架架起，避免发生回流时，积水在此汇集。3) 放水时先停机，打开凝水缸排污球阀，造成回流，从3开始往回抬管，通过人为制造高差，使水回流至凝水缸放出。

3—4段：该段上坡路铺设，积水不会发生汇集。

4—5段：该段为上坡后的一截平路，地势较平，水的流动性差，管内气体推动水的声音很大。在“5”处上坡前，有一截管道浅埋于路下。

处理方法：1) 因无供电条件，全段缠保温棉和锡箔胶带。2) 停机后往回抬管，通过人为制造高差，使积水回流。3) 浅埋于路下的管道曾因冰堵而完全堵死，切断后，用热熔机焊接上新管后恢复运行。

5—6—7段：该段为上坡、下坡路段，积水难以汇集，去年冬季未发生故障。

总结屯兰工区在冬天对CK-02井集输管道维护的经验，主要有以下几点：

1) 尽量依照地势，将管道布置的有坡度，使水不易积聚。

2) 在管道上坡前加装凝水缸，使气体上行时析出的水份，或停机放压后远处的积水，能自然回流至凝水缸储存并排出。

3) 在较为平缓的路段前加装凝水缸。水在平缓的路段动力性差，易于积聚和冰堵，在平缓路段前加装凝水缸能最大程度上减少该段积水量。

4) 平缓路段最易发生冰堵，尽量缠保温棉和锡箔胶带，有供电条件的，加缠伴热带。

5) 凝水缸保温只做中下部，以确保排污管及排污球阀不冻为宜。

6) 管道应尽量避免铺设在背阴处和风口处，部分极易冰堵路段可尝试将管道垫离地面，因为黄土的比热容较空气高，降低同样温度的情况下，会吸收更多的热量。

7) 根据气量大小和气体成分的不同，所产生水量也不尽相同，但绝大部分水会在离井口较近的范围内析出，携带到远端的量较少。

8) 如果不能确保将管道埋于冻土层以下，消除积水结冰的可能性，采空井管道还是应露天铺设，便于发生故障后采取措施，以免管道在极低温度下发生冰堵后，冻土层难以开挖。

3 对新管道铺设的建议

CK-02井管道于2016年入冬前进行了大幅度改道，之前4—5段d65 mm的PE管不再向“6”处高点延伸，而是继续沿路平缓地延伸约300 m至新投运的CK-09井，与同为d65 mmPE管的CK-09井管道一起向北西方向延伸至阀门组后，改为用d100 mm的PE管向集输站输送。根据去年冬季采空井管道维护经验，对新改道的CK-02井和新投运的CK-09井的管道，提出合理化建议：

3.1 改道的CK-02井管道

虽然延长了管输距离，但由于管输独立性增加，管道末端管径增大，因此CK-02井增压机排气压力由340 kPa降至230 kPa，下降明显。

新改道的管线将水平段从4—5段延伸至4—CK-09，大大延长了水平段距离，增大了管道内积水冰堵的风险。对管道实行如下改造：

1) 在“4”处加装凝水缸，并利用附近有低压电杆的优势，对凝水缸中下部做保温，最大限度地减少下游管道含水量。

2) 对4—CK-09段全线缠保温棉和锡箔胶带。改造后，“4”处凝水缸能放出大量水，且原本4—5段管内明显的流水声消失，说明该凝水缸效果明显。但4-CK-09管道平缓，距离过长，且部分背阴，虽未发生冰堵，但每天都需击打管道外壁，防止冰于内壁附着集聚。

3.2 新投运的CK-09井

CK-09井管道从井场至采空井阀门组走向示意图见图2.

图2 XSTCK-09井单井管道走向示意图

该段管线全长700多米，高差约40 m，其中“3”和“4”处高差变化较大。根据起伏情况对其进行分段：

1—2段：该段管线平缓，缺乏流动性，易积水，利用离井场近，具备供电条件，加装伴热带、保温棉，防止冰堵。

2—3—4—5段：该段管线起伏较大。1—2段加装伴热带后，水被赶至该段，应在“3”和“4”处加装凝水缸，借助地势使积水储存于其内。但因不具备供电条件，只能在凝水缸中下部缠保温棉和锡箔胶带，于气温较高时打开排污放水。该段原有截管道浅埋于路下，建议改为悬空放置。

5—6段：该段为缓上坡或较平路段，布置保温设施成本高，建议加装放水阀门，便于发生问题后及时判断解决。

4 总 结

1) 采空井是实践采煤采气一体化理论的新井型，具有投入少、见效快的特点，在西山煤田古交区块取得了良好的抽采效果。但对于采空井的研究还只处于起步阶段，需要在加强理论研究的同时，不断总结生产实践中的经验教训。

2) 和传统煤层气井相比，采空井在管道维护方面具有：a) 管道露天铺设。b) 产出气体含水量高。c) 抽采设备维护难度大等特点。

3) 冬季管道维护是采空井生产中的难点，极端天气不但增加了放水作业频次，也增加了处理问题的难度，对维护工作提出了很高的要求。

4) 管道布设应充分利用地形，合理安排走向，增大上坡、下坡等单斜型路段的比例，减少平缓路段的比例。

5) 在地形变化的地方安装凝水缸、放水球阀或法兰，提高放水效果和作业效率。

6) 在易冰堵处加装保温棉、锡箔胶带，有供电条件的加缠伴热带。

参 考 文 献

[1] 孟召平,师修昌,刘珊珊,等. 废弃煤矿采空区煤层气资源评价模型及应用[J]. 煤炭学报,2016,41(03):537-544.

[2] 武华太. 煤矿区瓦斯三区联动立体抽采技术的研究和实践[J]. 煤炭学报,2011,36(08):1312-1316.

[3] 李国富,何 辉,刘 刚,等. 煤矿区煤层气三区联动立体抽采理论与模式[J]. 煤炭科学技术,2012,40(10):7-11.

[4] 李国富,李 波,焦海滨,等. 晋城矿区煤层气三区联动立体抽采模式[J]. 中国煤层气,2014,11(01):3-7.

[5] 张遂安. 采煤采气一体化理论与实践[J]. 中国煤层气,2006,(04):14-16.

[6] 林增强. 天然气长输管道水露点偏高的危害及处置措施[J]. 石化技术,2017,24(05):183.

[7] 陈丙军. 天然气管道冰堵原因与解堵方法探析[J]. 当代化工研究,2017,(06):4-5.

[8] 王志方,李 波,吴 岩. 天然气管道冰堵发生原因及解堵措施[J]. 天然气与石油,2014,32(01):43-46+10.