美国煤层气地面集输工艺技术.pdf

3 本文作者还有中国石化西南油气分公司工程技术研究院的周怡君。 作者简介肖燕,女,1982年生,助理工程师;2007年毕业于西南石油大学油气储运专业,获硕士学位;现主要从事天然气 管网规划、 地面集输系统工艺研究工作。地址 610800四川省德阳市旌阳区龙泉山北路298号。电话 0838 2552875 , 13408143525。E2mail xywhat 163. com 美国煤层气地面集输工艺技术 3 肖 燕 孟庆华 罗刚强 袁先勇 姚麟昱 中国石化西南油气分公司工程技术研究院 肖燕等.美国煤层气地面集输工艺技术.天然气工业,2008 ,283 1112113. 摘 要 随着常规天然气资源不断减少,能源需求不断增加,特别是对环境保护要求的日趋严格,煤层气作为 巨大的潜在资源在能源消费中的地位也逐步提高。美国在研究、 勘探、 开发利用煤层气方面处于世界领先地位,尤 其是圣胡安和黑勇士两个煤田的集输系统已经相当成熟。为此,从井场工艺、 集输系统、 集中处理站工艺、 水处理 系统、 腐蚀防护以及现场操作经验几个方面介绍了美国圣胡安盆地煤层气的集输工艺技术,可为我国煤层气集输 工艺发展的思路提供参考。 主题词 煤层气 井场 集输系统 集中处理站 水处理 腐蚀 美国是煤层气商业化开发最成功的国家[1],其 90 以上的煤层气产量是从圣胡安和黑勇士这2个 煤田生产的,这2个煤田采用的地面钻井技术和煤 层气集输技术已相当成熟图 1 [2] 。为此,着重对美 国圣胡安盆地的煤层气集输系统[2]进行了介绍,以 期有助于我国煤层气集输工艺的发展。 图1 美国黑勇士盆地煤层气开采地面工艺流程图 1.泵支架;2.针形阀;3.水流管线;4.阀;5.滤网;6.气体流动管 线;7.滴水器;8.气体分离箱;9.过滤器;10.气体流量计;11.出水管; 12.火焰消除器;13.火炬装置;14.绷绳支架;15.输气管 一、 井场工艺 每个井场都装备有分离器、 水处理设施和计量 设施图2[3]。产出的流体通过100 m的管线从井 口输送至立式分离器,该容器的名义操作压力是30 ～150 psig[xpsig x 14. 76. 895 kPa ,下同] , 气流沿切线方向从进口管进入分离器内。气相回转 向上进入顶部腔室,在此过程中,速度不断减小,使 得气流均匀通过除雾器,分离器顶部出来的气体管 输至计量设施;水通过液位控制阀从分离器底部排 除至储水罐,煤粉等杂质随着水一起向下运动,降至 分离器的圆锥形底部,由排污口排出。分离器外部 装备有一个气体加热的水套,用自然通风燃烧器加 热以免冬天水结冰。分离器入口还设置有一个控制 阀,当运行压力超过分离器的名义操作压力时关闭 气源。 图2 圣胡安盆地典型的煤层气井场工艺示意图 水接收装置包括2个容量为300桶的 1 桶 0. 159 m3,下同加热的、 衬套的钢罐,相邻的是一个 容量为100桶的玻璃纤维污水坑,它作应急用且可 接收从两个钢罐底部脱除的煤粉等杂质。流程是 111 第28卷第3期 天 然 气 工 业 储运与集输工程 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 分离器底部出来的水首先流入第一个钢罐,和第二 个钢罐平衡,煤粉等杂质发生沉降。当水处理系统 发生紊乱时,2个钢罐还可提供就地储存功能,以便 继续生产。从第二个钢罐出来的水管输至一个气体 驱动的输水泵,以提供足够的动力,使水输送至水处 理系统。两个钢罐装备有气体覆盖系统,以阻止氧 气进入。在罐和污水坑周围还设有土制的排水道。 另外,因为井场没有可以利用的电,气体被压缩到 100 psig作为输水泵的天然气驱动,泵排出的气体 被放空;调整到30 psig的气体用作仪表用气、 罐的 燃料、 分离器的热源以及储水罐的覆盖气。 二、 集输系统 美国整装开发的煤层气田大都采用中心压缩系 统,即利用井口压力,通过合适口径的管线,将天然 气集中到集气压缩中心站。这种煤层气集输类型在 美国天然气研究所的Rock Creek气田及阿拉巴马 州的一些气田中得到成功的应用[4]。 圣胡安盆地采出气和产出水从每个井口集中起 来通过外部涂有环氧涂层的钢制管道集输至处理 站。采出气、 产出水以及气体返输管线都采用埋沟 敷设,埋深为1. 2 m ,以使管线低于冻土层0. 6 m。 在井场的集气干线都是50 mm ,在进入集中处理站 时增加至250～300 mm ,干线最终的尺寸取决于该 区域所开采出气体的产量。 在该集输系统中没有清管设施。在集输干线上 预留有一定数量的阀门,以便将要开发的气井进入 集输系统。另外,在采出气管线沿线设置有分水器, 以收集在管输至处理站途中产生的凝析水,在山区 集输系统可能会产生液体段塞,如果将清空分水器 的费用考虑进去,认为在集中处理站入口安装液体 段塞捕集器是费用更省的处理凝析水的设施;但是, 在管线的低点仍考虑了安装三通,以便必要的时候 安装分水器。 三、 集中处理站工艺 每个集中处理站主要的气体处理设备包括一个 从低压采出气中分离出自由水的入口液塞捕集器、 煤层气发动机驱动的压缩装置和一套脱水系统。其 他设备包括2～4个储水罐、 煤层气发动机驱动的喷 水泵、 发电装置和气体计量设施。 每个处理站至少要安装2台煤层气发动机驱动 的橇装式往复式压缩机,采用3级压缩的工艺,机组 安装在室内以免受天气影响,使用对流空气加热器 来对压缩机组进行防冻保护。 脱水装置采用注三甘醇工艺。吸收塔采用板式 塔,虽然整装填料塔使三甘醇和气体能充分接触且 塔径比一般的板式塔更小,但塔径减小所节省的费 用不能补偿使用规整填料所增加的费用。脱水装置 的残留物送到三甘醇再生装置。 计量装置包括2个分离计量以满足两个销售气 购买商的要求;该装置还包括返回井口用于举升用 的气体计量;供处理站使用的燃料气以及仪表气的 分配计量。 图3[3]为圣胡安盆地集气站工艺流程示意图,储 水罐为500桶的加热钢罐;进料泵将水从这些钢罐 中抽取出来,并提供流过后续过滤器所必需的压力, 同时为喷水泵的入口端提供正压头;水管线上安装 有25μm和10μm的过滤器;输水泵采用的是煤层 气发动机驱动的柱塞泵,能提供3500 psig的压力, 以便将水注入到水处理井中。 图3 圣胡安盆地集气站工艺示意图 9个处理站仅设置有6口水处理井。因为井的 花费大以及每口井能处理不止一个地区的采出水, 所以井的数量比处理站的数量少。出水量少的地区 的采出水运送到有水处理井的处理站,低压水的输 送则通过连接到相邻区域的集水干线来实现。 每个集中处理站都安装有煤层气发动机驱动的 发电机组,它主要用作建筑和本地的照明,保证小泵 的运行。这些发电机组对于集中处理站的连续运行 不是必要的,只有需要的时候才使用。 四、 水处理系统 煤层气产出过程表明,煤层气能够解吸而产出 的关键是使煤岩储层压力低于临界解吸压力。因 此,煤层水是通过其与临界解吸压力的相互关系而 对煤层气的产出产生影响的[5]。在煤层气生产过程 中,为便于煤层气解吸,需要采出大量水来降低压 力。通常,在开采初期,产水量很大,随着开采过程 211 储运与集输工程 天 然 气 工 业 2008年3月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 的延续和产气量的增大,出水量逐渐减少到较低的 水平,因此对生产者来说,在煤层气开采的前几年, 需要在采出水和水处理方面承担沉重的经济负担。 这是煤层气生产的主要持点之一[6]。 针对圣胡安盆地的情况,美国专家认为蒸发池、 深井注入法以及地面排放法3种水处理方法技术上 都是可行的,但都有其局限性。① 蒸发池法占地面 积比较大,在冬天操作时,蒸发率比较低,即使在强 制通风的干燥季节,由于不可预见的洪水和冲刷,在 山区或者是沟壑的地区该方法并不可行。② 地面排 放法由于要满足地表排放标准,必须增加额外的水 处理费用。但是该方法仍优越于蒸发池,尤其是当 处理后的水能够得到有效应用的时候。③ 深井注入 法的费用主要是花费在打井上面,所需的费用一般 是地面排放法的15倍以上。圣胡安盆地一口处理 和排水能力为3200 m3/ d的排水井及其配套设施耗 资150万～200万美元[2]。 无论是地面排放法还是深井注入法,都需要预 先对采出水进行处理,以符合排放标准以及最大限 度地减缓注水过程的压力。 五、 腐 蚀 由于采出气物性的不确定,应尽量减少先期腐 蚀控制方面的投资,同时要避免工程风险。方法是 管道、 设备采用碳钢钢材同时对其进行腐蚀监测,并 且预留缓蚀剂注入口。所有储罐和分离器等容器都 设计有6 mm的腐蚀裕量,湿气管道和产出水管道 都设计了3 mm的腐蚀裕量。在集输系统的合理位 置设置腐蚀取样挂片,当某个区域的腐蚀速率相当 高,腐蚀监测难于进行,并且修复和替换该段管道、 设备的花费很大的时候考虑采用防腐材料。 另外,除了在工艺区部分CO2分压超过30 psig 的时候,需要考虑湿气中CO2含量对腐蚀的影响,其 余时候可不作考虑。气体一旦进入脱水吸收塔,湿 气变成干气,气体中的CO2含量引起的腐蚀就不再 考虑了。部分集气干线上阴极保护的存在使得未保 护区域成为阳极,导致未保护区域遭受严重的腐蚀 破坏干燥气候和旱田地能缓解腐蚀的发生。因 此,在集气干线沿线适当的位置需要设置保护电位 测试点,至少每隔1英里1. 609 km建立1个测试 点,这些测试点按季节进行监控,以确定监测区域是 否应设置阴极保护设施。系统中未安装电动检测绝 缘法兰,以后可以考虑进行安装,这取决于电位测试 结果。储水罐的气体覆盖系统由井口或者是集中处 理站的30 psig的气体提供。 对于系统中的腐蚀,需要持续进行的工作包括 每年对监测点管道的壁厚进行监控;对产出水中的 硫酸盐还原菌和水中的氧气含量进行季节性的调 查;进行微孔测试等。 六、 现场操作经验和发现的问题 操作经验① 产出水过滤器和采出气过滤器要 求每隔30 d更换一次;② 将某些因固体冲蚀而被迫 关断的阀门替换成其他特殊设计或者是更好材料的 阀门,以适应工艺的需要;③ 密切监控设备的停机时 间以提高设备的可靠性;④ 煤层气的地面设施不要 求新的技术,只要设备的尺寸设计合理;应了解设备 的适用性和局限性,进行合理的选取,常规的生产设 备均能使用到煤层气集输系统中;⑤ 要求尽量降低 井口压力以增大煤层气的开采利用率;⑥ 管道和分 离器等容器均要求采用大直径;⑦ 需要利用压缩机、 脱水装置等,使气质满足市场要求;⑧ 积极做好设备 维修、 腐蚀控制等方面的工作。 存在问题① 一些井口干线已经被煤粉等杂质 堵塞,但幸运的是,煤粉杂质正逐渐减小,到目前为 止,在分离器和储罐中没有发现明显的沉积物;② 二 级和三级压缩机阀门的运行时间比预期的要短,这 一问题仅发生在大型的压缩机组上,这有可能与气 体中的CO2含量有关。 参 考 文 献 [1]宋岩,张新民,柳少波,等.中国煤层气基础研究和勘探开 发技术新进展[J ].天然气工业,2005 ,251 127. [2]赵庆波,刘兵,姚超,等.世界煤层气工业发展现状[ M]. 北京地质出版社,1998 1162132. [3] MOORE D W. Coalbed methane production facilities a case history[J ]. ARCO Oil In Chinese ABSTRACT While the global natural gas resource is depleting day by day , the energy demand is soaring and global environ2 ment protection has to be more seriously handled. CBM as a great potential alternative energy plays an important role in the en2 ergy mix. The United States of America has kept ahead in the world her research studies , exploration , development and utiliza2 tion of CBM. Taking the San Juan Basin and the Black Warrior Basin as examples , this paper introduced the progression of CBM from coal seam to commercial pipeline which was a complex process involving extraction , gathering , processing , and transportation. Hopefully good experiences from America would provide helpful references for Chinese CBM development. SUBJECT HEADINGS CBM , well site , gathering system , central disposal station , water disposal , corrosion XIAO Yan, born in 1982 , graduated in oil and gas storage and transmission from Southwest Petroleum University in 2007. She is now an assistant engineer at Ground Engineering Department of Technology Research Institute , SINOPEC Southwest Branch Company , being engaged in research on gas network programming and ground gas gathering technology. AddGround Engineering Department of Technology Research Institute , No. 298 , North Longquanshan Rd. , Jingyan District , Deyang City , Sichuan Province 610800 ,P. R. China Tel 86283822552 875 Mobile 86213408143525 E2mail xywhat 163. com www. trqgy. cn/ e/abstracts.asp 17 STUDY AND DEVELOPMENT ON SIMULATION SOFTWARE FOR “SICHUAN2TO2EAST GAS TRANS2 MISSION“ PIPELINE TANGJian2feng1, LI Yu2xing1, ZHANGJian2, LIU Jian2wu2, DU Pei2en21China University of Petrole2 umEast China ; 2 Engineering In Chinese ABSTRACT With the initiation of such important national natural gas pipeline project as Sichuan2to2East gas transmission , to develop pipeline simulation software with independent intellectual property is on the trend. On the background of “Sichuan2to2 East Gas Transmission Project“ , this paper adopts continuity equation , momentum equation , energy equation and SHBWR e2 quation to develop static and dynamic mathematical model to simulate the gas flow in pipelines more actually , which are numeri2 cally solved respectively by four2order Runge2Kutta and implicit center finite difference . In addition , many op2 erational modes and models on static and/or dynamic calculation of peak shaving capacity and dynamic forecasting are analyzed. Based on data base and graphic programming , the Sichuan2to2East Gas Transmission Simulation Software is developed by C Builder 6. 0 in which the advantage of both industrial control software and calculation software are included effectively. The core program as well as its calculation results has been verified with software TGNET and some designing materials. It has been proved by practice that the software is credible with good values for project application. SUBJECT HEADINGS Sichuan2to2East Gas Transmission , natural gas pipeline , software , simulation , mathematical model TANGJian2feng associate professor , born in 1973 , graduated in heat and gas supply major and air and air2conditioner major from the Harbin University of Civil Engineering and Architecture. He is now being engaged in natural gas transportation , gas hydrate gathering and gas2fluid mixed gathering optimization. AddStorage and Transportation Engineering Department , Storage and Construction Institute , China University of Petroleum , N A TURAL GA S IN DUS TR Y, VOLUME 28 ,ISSUE 3 ,2008 MARCH25 ,2008 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.