煤层气井及集气站的工艺技术

煤层气井及集气站的工艺技术

中国有丰富的天然气储量，占世界第三。全国油气总资源量约36.28.1423，埋深1000米以下的平均资源量为17.9.1423。主要分布在山西、陕西、东北、新疆、内蒙古、河南、重庆、云南和贵州等地区。煤层气的成功开发不仅可以缓解天然气供需紧张的矛盾,还可改善煤矿的安全生产条件,增加洁净能源,减少大气污染,带动相关产业的发展。同时,也是实现国家关于“开发新能源、实现能源利用与环境保护同步,保证可持续发展”和保障我国能源安全的重要措施之一。通过近几年完成的相关煤层气地面工程的大量调研及研究工作,现对煤层气的地面工程工艺技术及优化进行论述。1煤和普通天然气之间的差异1.1以乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以上组分为原料的低热值煤层气主要由95%以上的甲烷组成,另外5%主要是CO2和N2;天然气成分主要是甲烷,一般还含有乙烷、丙烷、丁烷及戊烷以上的烃类及非烃类组分。煤层气高热值为36~38MJ/m3;低热值为32~34MJ/m3。天然气高热值为37~43MJ/m3;低热值为32~36MJ/m3。两种气体均是优质能源和化工原料,可以混输混用,两者具有互换性。1.2不同的东西天然气与煤层气在开采方式及地面建设存在着不同,详见表1。2煤气外输方案经济比选煤层气的地面集输工艺与目标市场密切相关,首先应分析确定煤层气的合理流向、目标市场,确定煤层气的最佳外输方案。煤层气采出时压力较低,低压输送,理论上就近利用较经济合理。实际上,由于煤层气外输受气田附近是否有较成熟的输气管网,产量是否与市场需求相匹配等诸多因素的影响,往往就地利用并不是最经济的外输方案。确定煤层气的外输最佳方案,需从以下两个方面进行分析:一方面,气田周边是否有已建天然气管道,煤层气的外输应充分考虑利用气区周边的已建管道,以节省管道建设投资;另一方面,在进行外输方案经济比选时,因煤层气井口压力较低,采用不同的增压方案,其增压投资及运行费用也不同。因此,在优选增压方案时,应对井口至外输的全过程进行整体综合比选。3地面生产工艺煤层气相对天然气,气体组分较简单,且不含酸性介质,井口压力较低,所以地面生产工艺比天然气简单,不需净化处理,只需增压脱水就可以外输。煤层气地面集输工艺应采用低压集气、分段增压、集中处理的总工艺流程。3.1降低运行费用在煤层气的地面集输工艺中,增压工艺是集输工艺的关键。合理确定集输系统压力级制至关重要,不仅可以节省煤层气的地面建设投资,还可降低运行费用。确定煤层气流向、目标市场后,将集输、外输压力整体优化。煤层气的井口压力很低,一般在0.2~0.5MPa,需在集气站、处理厂设置压缩机进行增压。根据煤层气的井口压力、外输压力,估算集气站不同的出站压力及集气站、处理厂的投资,然后确定煤层气出集气站和进处理厂的最优压力,使集气站和处理厂的压缩机配置达到最优化,使煤层气的增压投资降至最低。3.2屋顶生产工艺及优化分析煤层气地面生产工艺由井口、集气站及处理厂3种工艺构成,总流程示意见图1。3.2.1采气口部1.20.2mpa井口采用抽油机将储层的水采出,分离器将水中带出的气体分离后,污水排至井场水池中。煤层气解吸后由套管采出,0.2~0.5MPa煤层气经采气井口采出后,与气水分离器分出的气体混合,通过分离、计量,经采气管道输至集气站。井口分离器及计量设施为橇体,可根据开采情况,将橇体移到其它井口继续使用。井口工艺流程可进一步优化简化,在采气管道不形成水合物的前提下,直接进行湿气输送,可取消气水分离器,工艺流程示意见图2。3.2.2集气站出口压力各井口来的煤层气进入站场,经气液分离后,气体进入压缩机组增压,经冷却分离后,计量外输。分离出的污水进入排污池,排污池设有放空管,污水中残留的气体经放空管引至安全处放空。一般煤层气进入站场的压力很低,常常低于0.1MPa,在集气站需进行几级压缩,出口压力为多少,需根据最终的外输压力综合考虑而定。工艺流程示意图详见图3。如果集气干线没有水合物形成,在集气站可不设脱水设施。煤层气集中脱水较经济,在煤层气处理厂设置脱水装置,煤层气经集气干线输至处理厂,在处理厂进行集中脱水。3.2.3脱水方案的确定煤层气从各集气站经集气干线进入处理厂,经增压脱水处理后,达到天然气国家标准的气质要求后外输。煤层气集中处理规模较大时,脱水工艺可考虑采用三甘醇脱水方案。三甘醇是目前国内外普遍使用的天然气吸收脱水的溶剂,三甘醇露点降通常降低33~50℃,甚至更高;三甘醇的蒸气压低,携带的损失小,热力学性质稳定,脱水操作费用低。因此,可选用三甘醇作为吸收剂进行脱水处理。由于进入处理厂的压力较低,可采用先增压后脱水工艺,以降低脱水装置规模和运行成本,降低处理厂的建设投资。处理厂的工艺流程见图4。4优化过滤压缩机是煤层气地面生产系统的主要设备之一,选择合理的压缩机机型及驱动方式,可节省煤层气的地面投资及运行费用。4.1离心式压缩机适合煤层气地面集输的压缩机主要有往复式和离心式两种类型。离心式压缩机的主要特点是排量大、重量轻、结构简单、流量平稳,缺点是易产生喘振、单级压缩比较低。往复式压缩机的主要特点是效率高、压缩比高、对进气压力的稳定性要求较低、无喘振现象,缺点是结构复杂、流量不均衡。由于煤层气气量较小,流量波动较大,且压缩比较高,离心式压缩机很难满足要求。由于往复式压缩机压比较高,流量调节范围较大,比较适合流量和压力变化,因此选用往复式压缩机比较合适。4.2燃气轮机驱动方式的比选压缩机有电动机驱动和燃气轮机驱动两种方式。电动机驱动方式需配置相应的输、配、变电系统,电动机的供电要求为一级负荷,因其能源取自电网,故受电网的制约因素较大,一般在环境要求高、外部电网供电可靠、电价较便宜及电源充足的地区选用。燃气轮机驱动方式需配置相应的燃料气系统、控制系统、启动系统和1套较小容量的供配电系统;燃气轮机驱动方式所用燃料气可直接取自附近的煤层气集输系统,对外界供电的需求量小,依赖性小。燃气轮机是在沙漠无电、电网薄弱、电价较高和电源紧张地区的首选机型。无论是采用电动机驱动方式还是采用燃气轮机驱动方式,在技术上都可以满足输送工况的要求。如何选用压缩机采用的驱动方式,应进行经济比较综合评价后确定。5聚乙烯燃气管道根据煤层气井口压力较低(0.2~0.5MPa),不含H2S、含微量CO2的特点,采气管线可对选用非金属管和金属管两种管材进行比选。天然气集输工程中由于管径小,常选用无缝钢管和直缝电阻焊管。直缝电阻焊管具有精度高、价格便宜、塑性及韧性好等方面的优点。国内直缝电阻焊管的生产质量与国外同类产品有一定的差距,在使用范围上通常用于低压、小口径、净化气输送。非金属管包括混凝土管、玻璃管、玻璃纤维管、塑料管、橡胶管、陶瓷管、陶土管以及柔性复合管等。在油气集输工程中,主要采用玻璃纤维管、柔性复合管和PE管(聚乙烯管)。柔性复合管与PE管相比,性能均能满足需要,但柔性复合管比PE管价格略高,且生产厂家较少;PE管与无缝钢管相比,PE管具有重量轻、韧性好、耐低温性能好、无毒、价格便宜、耐腐蚀、施工工艺简单、施工费用低等优点;缺点是抗压、抗拉强度较低,机械性能不如钢管。根据《聚乙烯燃气管道工艺技术规程》CJJ63—2005,聚乙烯燃气管道的最大允许工作压力不大于0.8MPa(表压),主要有PE80和PE100两种型号。每种型号又分为SDR11和SDR17.6两个系列(SDR为标准尺寸比,即公称外径与壁厚之比),规格从∅20mm~∅630mm。PE80聚乙烯管的最大承压为0.4MPa;PE100聚乙烯管的最大承压为1.0MPa。根据煤层气井口压力较低的特点及经济比选结果,可选用PE管,以降低采气管线的的投资。6个油气计算指标没有