美国煤层气资源的开发利用

美国煤层气资源的开发利用

美国是最成功的以及煤炭营销发展的国家。90%以上的煤炭生产来自斯胡安和黑市，这两种煤矿使用的地面挖掘和煤层集中输送技术相对成熟（图1）。为此,着重对美国圣胡安盆地的煤层气集输系统进行了介绍,以期有助于我国煤层气集输工艺的发展。一、分离器、钢罐、污水罐每个井场都装备有分离器、水处理设施和计量设施(图2)。产出的流体通过100m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30～150psig[xpsig=(x+14.7)×6.895kPa,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。水接收装置包括2个容量为300桶的(1桶=0.159m3,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: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100psig作为输水泵的天然气驱动,泵排出的气体被放空;调整到30psig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、刑罚集中体制改革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RockCreek气田及阿拉巴马州的一些气田中得到成功的应用。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1.2m,以使管线低于冻土层0.6m。在井场的集气干线都是50mm,在进入集中处理站时增加至250～300mm,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、圣胡安盆地集气站工艺流程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3500psig的压力,以便将水注入到水处理井中。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、水处理技术上的可行性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。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。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3200m3/d的排水井及其配套设施耗资150万～200万美元。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、腐蚀的监测和监管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6mm的腐蚀裕量,湿气管道和产出水管道都设计了3mm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30psig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(1.609km)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30psig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、用量、尺寸、管道和过滤器等操作经验:①产出水过滤器和采出气过滤器要求每隔30d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