浅谈煤层气田地面工程“橇装化、模块化”建设

张亚庆 路兴禄 罗 阳

(中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 062552)

1 概述

煤层气属于非均质极强的低渗透气藏，储层之间连通性差，地质情况复杂，有效储层难以预测，具有低渗透、低压、低丰度的“三低”特点，导致单井产量低、稳产能力差、气井寿命周期短、单位产能建井数多，且煤层气田的建设大多采用整体部署、分期建设、滚动开发的方式，这些因素均导致地面工程投资压力较大。因此橇装化、模块化的建设方式非常适合煤层气田开发的需要。

本论文结合沁水煤层气田马必东4亿方产能建设地面工程(以下简称“马必4亿方”)，对橇装化、模块化在煤层气田地面工程上的应用进行简要介绍。

2 传统建设与模块化建设方式的区别

模块化建设模式可以定义为：在标准化设计的基础上，根据工艺流程和总平面布置图等，将站场设施按功能、单元或区域分解为若干模块，根据其功能、安装要求开展模块设计，通过对模块进行定位拼接完成站场设计。依据设计模块，预制单位可在不同地点的预制工厂分别对模块进行预制，再经包装后运输至建设现场进行组装。

2.1 设计层面

模块化建设模式下，设计是工程建设的灵魂，是模块化得以实施的关键。模块化设计过程中，首先须要理解工艺流程，具备模块化意识及建模专业技术，了解模块的预制、组装、拆分、包装、运输和吊装过程；其次，要考虑模块的包装、安装方法，计算特殊受力情况；再次，还需考虑模块的尺寸、重量以及与施工、运输的密切配合等。要达到模块化的最佳预期效果，确保模块在安装过程中简单易行、减少现场安装工作量，这些都对设计人员提出了很高的要求。

2.2 施工层面

传统建设模式下，所有施工作业全部在现场完成，现场作业点、交叉作业面多，存在较大的安全风险；且现场配套设施多不完善，自动化机具缺乏，主要以手工电弧焊为主，导致焊缝一次成型率低、焊缝外观较差、焊接质量相对较低，焊缝一次合格率约93%。

模块化建设模式作为一种工厂预制最大化、项目现场施工最小化的建设模式，实施过程中大量的工程建造在制造厂中进行，待模块组装完成后运至项目现场，大大的缩短了项目现场安装时间和现场各工种同时交叉作业的时间，降低了现场建造工人在危险环境的作业时间和项目运行风险。

模块化制造厂配备自动化设施、管道及钢结构，在自动化设施的协助下，完成下料、组队、预制焊接、无损检测、热处理等步骤，管道及钢结构的焊缝成型率高，外观完好，焊缝一次合格率可达98.7%，焊缝的整体质量水平明显提高，减少了现场焊接的返工量。

模块化建设将工艺安装、土建、调试等工序进行深度交叉，在现场土建施工的同时，预制工厂内可以进行橇块的加工。土建施工完毕后，即可将制造、检测好的预制模块运往现场进行组装，迅速完成现场施工作业(图1)。

图1 模块化建设模式和传统建设模式的工程建设进度对比

3 模块化建设基础

3.1 站场工艺

以马必4亿方为例，由于煤层气处理依托已建中央处理厂，所以工艺系统仅包括井场、集气站。

井场工艺系统功能单一，通常采用排水降压采气工艺，煤层气通过采气树套管，经计量后进入采气管线。对于多井式丛式井场，各井口采出气分别计量后，进入井场汇管，再通过采气管线统一外输。

各井场采出的煤层气经采气管道进入集气站，通过分离、压缩、计量后出站。同时根据下游用户的气质要求及下游站场的处理设备情况，分为湿气输送和干气输送。对于湿气输送，集气站设置清管装置； 采用干气输送方式， 则需在集气站设置脱水装置。

3.2 划分原则

从工艺角度出发，对于工艺较复杂的站场，如集气站或中央处理厂等，一般按不同功能区块进行优化分解，确定各接口关联关系，从而将站场按专业功能划分为不同的系统模块；对于工艺较简单的站场，如井场和阀组，可将站内所有工艺设备整合至一个模块上。

同时要考虑模块建造、拆分、运输和复装的可行性，特别是汽车运输能力的限制。在汽车运输过程中，单体模块的长度取决于道路的转弯半径，宽度取决于收费站路口的宽度，高度取决于涵洞、隧道、电线、跨越管道等的高度。汽车运输的尺寸限制级别可以分为三级，见表1所示。

A类尺寸极限范围内的单体模块或集装箱可以正常运输，B类尺寸极限范围内的单体模块或集装箱需要办理运输许可证，且一般在夜间运输，C类超大型模块的运输需要提前勘察运输线路是否满足运输条件，在满足运输条件的情况下，还需要办理运输许可，并向道路运输管理部门申请护卫。

表1 汽车运输极限尺寸分级

在划分模块时，应尽可能使单体模块的尺寸符合A、B类尺寸范围；如果个别单体模块的尺寸在C类尺寸范围时，需要提前联系采购、物流等部门，并勘察、优选运输路线；若道路运输条件不符合要求，则需要重新考虑模块的划分。

3.3 模块划分

以马必4亿方为例，根据上述划分原则将站场不同功能区域进行模块划分：

井场工艺系统功能单一，将各井场计量阀组及井场汇管、出站阀组作为一个模块。

集气站工艺系统按照功能可划分为进站管汇区、压缩机区、计量区、清管外输区。将不同分区设备进行模块化、橇装化，以 “重复利用率高、占地面积小、方便操作、利于维护”为原则，将进站管汇区与计量区合并为一个模块，压缩机区和清管外输区分别作为一个模块。

3.4 工艺模块预制

根据模块化原则将工艺流程进行划分后，采用橇装化、组合化相结合的方式对工艺模块进行预制。模块预制原则如下：

(1)功能相对独立的小型设备遵循“功能合并”的原则，采用橇装化设计，使得结构紧凑、功能齐全。

(2)进站、出站区等重量轻，焊接点多、重复安装的采用工厂预制。

(3)重量和体积较大，配管安装较简单的设备，按照“提前预制，现场组装”的准则，对其接口、安装等进行全面的定型要求。

3.5 橇装成果

以马必4亿方为例，井场及集气站的典型工艺橇装如图2所示。

图2 井场计量橇安装示意图

井场计量橇上集成了计量阀组及放空、排污管线，以两个一组的型式布置，节约占地的同时也方便检修，适用于生产周期较短的气井井场(图3)。

图3 进站管汇计量模块、压缩模块、清管模块安装示意图

进站管汇计量橇上集成了进站阀组、计量阀组及相应的放空、排污管线，相当于将进站去功能与计量区功能进行组合；清管模块上集成了收发球筒及配套的旁通管线、放空排污管线，适用于小型化集气站。

同时将本工程的建筑物均选用集装箱式房，配套的35kV变电站也采用橇装设计(图4)。

图4 集装箱式房、橇装35kV变电站示意图

4 模块的建造与施工

设计单位完成橇块的划分和设计图纸后，由成橇商在厂房内完成加工制造，进行预组装及初步调试，再通过海运或公路、铁路运输，将模块运送到现场进行安装、调试并投产运行。主要有建造、调试、拆分、包装、运输、复装等过程。

4.1 模块的拆分

模块的拆分主要包括两个方面：钢结构的拆分和管道的拆分。

模块间竖向连接节点采用高强螺栓等强连接，具有定位准确、连接可靠、施工迅速的特点，较焊接连接具有极大的优势，是模块间竖向连接采用的连接方式。

管道的拆分比较灵活，法兰连接和预留焊口的情况都可以，需要考虑成本及方案的可行性。拆分时应充分利用原有法兰，或在上下层原有法兰处进行拆分或在模块最近焊口处加拆分法兰。模块拆分方案确定后，需要在拆分方案基础上，确定各橇间各橇块之间管道的预留口位置和连接形式。预留接口的总体原则是宜留直口，留下不留上，宜留小口、长口。预留口的连接采用以下方式：

(1)尽量在橇块的接口法兰处进行拆分；部分伸出橇外管线，随橇装卸运输；

(2)部分无法依据以上原则拆分的焊口，在橇内外连接处的最近焊口处断开，现场焊接直管段；

(3)直穿两个橇的管线， 在橇分界处加法兰对。

4.2 模块包装及吊装

通常施工现场距离工厂较远，橇块运输时中要经过多次吊装，还要考虑不同运输方式对物件尺寸、重量的要求，这种情况下对包装设计要求较高。另一方面，由于工期的原因，橇块预制完成后留给包装和吊装设计的时间很少，吊装设计还包括包装前吊装和包装后吊装。对大型橇块，利用准确、快捷的设计方法和设计软件很重要，既能加快业主审核进程，也能提高效率和减少失误。

由于马必4亿方工程未涉及大型橇块，此处借用其他工程经验进行相关介绍。如应用于某国外油田地面工程的橇块，重约40t，长宽高均为13600mm×4300mm×6100mm。由于该橇块要运输到海外，如果分开运输，现场再组装，将极大的增加用工成本。而且运输距离和周期均较长，且经过高温、高湿的海洋运输，过程中要进行多次装卸，所以决定采用整体包装、整体运输的方案，使用包装、吊装一体化的铁木箱框架结构，包装箱底部增加辅助底座与吊装框架结构连接进行整体包装，利用包装框架进行吊装(图5)。

通过强度及受力计算，做好防雨和防潮处理后，得出设计完毕后的包装箱尺寸为14000mm×5000mm×6900mm，包装箱与橇的总重量约48t。

图5 大型橇块吊装模型

4.3 模块化施工

按照施工现场工序衔接，拉运到施工现场的预制橇块最好直接吊装就位，减少现场二次倒运对预制橇块可能造成的变形或损毁。大型预制橇块对现场吊装技术提出较高要求，需根据工艺标准要求，执行详细的吊装运输方案，同时进行必要的风险识别，在安全措施完全到位的前提下，再开始现场组装，从而保证模块化施工顺利进行。